防止大型焊件应力与变形

（中国石化中原油田油气储运管理处 河南 濮阳 457162）

【摘要】大型构件在焊接过程中，因受热不均匀产生较大焊接应力导致焊接变形，一般表下现为弯曲变形或扭曲变形，本文通过对焊接应力与变形的各因素进行分析，提出相应的控制施措。

【关键词】大型焊件；应力与变形；防止

【中图分类号】TG404 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5071(2012)05-0384-01

1 前言

在建筑钢结构广泛应用的今天，形式各异的焊接机械、焊接方法日新月异，焊接技术成了一个关键的课题。但在施工过程中，由于焊接产生的焊接残余应力和变形，严重影响着工程的质量、安装进度和结构承载力，因而，急需采用合理的方法予以控制。

钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：1）纵向应力；2）横向应力；3）厚度方向应力。常见的焊接变形有：1）纵向收缩变形；2）横向收缩变形；3）角变形；4）扭曲变形；5）弯曲变形；6）波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布，相对应的具体进行研究控制。

2 焊接变形的控制措施

全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即采用合理的控制措施。

2.1 焊缝截面积的影响：焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的应力越大，塑性变形量也越大，焊缝面积纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在厚板相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。

2.2 焊接热输入的影响：一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使塑性变形区增大。

2.3 焊接方法的影响：多种焊接方法的热输入差别大，在建筑结构钢焊接常用的几种方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其它条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。

2.4 接头变形的影响：在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。

（1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。

（2)T型角接头和搭接接头时，其焊缝向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。

（3)接头在单道焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。双面焊的情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，同时角变形也减小。

2.5 焊接层数的影响

（1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。

（2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层时小得多，而且层数越多，纵向变形小。

3 焊接应力与变形的控制措施

往构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象，焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制变形，往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以曾加刚性来控制变形，与此同时实际上增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩大时，虽然变形会较小。但同时产生较大的内应力，甚至产生裂缝。

所以，在施工过程中，一定要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和控制措施，以便减小和消除焊后残余应力和残余变形。在实践中不断总结经验，综合分析考虑的各种因素，可以保证工程中的焊接质量。

4 实际生产

实际生产中有一产品，其部件中含一平面构件，构件结构不对称，板材加工余量不多，如果不采取特殊措施，那么施焊完毕以后构件变形量较大，甚至产生波浪变形，构件报废。为此必须采用反变形和交错对称跳动施焊的方法。具体如下：（1）在平臺上放样，在放样中间放置5mm高的垫板，在放样两边放置3mm高垫板。（2）按放样及图纸将各焊件组为一体。（3）在毛坯中间、两边各固定一个门形架，然后将组焊件压紧，造成毛坯反变形。（4）按照图纸中表示的焊接变形顺序进行施焊，待所有焊缝冷却后将门型架压紧置放松。按照此焊接方法施焊结果，焊接变形量小于3mm，而图纸要求焊接变形量控制在5mm内。这样焊接完毕后不需要矫形，且保证了产品质量，降低了成本，提高了工作效率，缩短了生产周期。

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