鋼結構工程焊接應力與變形問題分析

王永超

（身份證號：130181198206104833）

鋼結構工程焊接應力與變形問題分析

王永超

（身份證號：130181198206104833）

本文著重對焊接應力及焊接變形的危害及所采取的對應措施進行分析。

1　焊接應力與變形產生機理

焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區熔化，而熔池毗鄰的高溫區材料的熱膨脹則受到周圍材料的限制，產生不均勻的壓縮塑性變形。在冷卻過程中，已發生壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍材料的制約，不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸而卸載，與此同時，熔池凝固，金屬冷卻收縮也產生了相應的收縮拉應力和變形。焊接殘余應力和變形，嚴重影響焊接構件的承載力和構件的加工精度，應從設計、焊接工藝、焊接方法、裝配工藝著手降低焊接殘余應力和減小焊接殘余變形。

2　焊接殘余應力的危害及降低焊接應力的措施

2.1焊接殘余應力的危害

影響構件承受靜載能力；影響結構脆性斷裂；影響結構的疲勞強度；影響結構的剛度和穩定性；易產生應力腐蝕開裂；影響構件精度和尺寸的穩定性。

2.2降低焊接應力的措施

2.2.1設計措施

盡量減少焊縫的數量和尺寸，在減小變形量的同時降低焊接應力；防止焊縫過于集中，從而避免焊接應力峰值疊加；要求較高的容器接管口，宜將插入式改為翻邊式。

2.2.2工藝措施

采用較小的焊接線能量，減小焊縫熱塑變的范圍，從而降低焊接應力；合理安排裝配焊接順序，使焊縫有自由收縮的余地，降低焊接中的殘余應力；層間進行錘擊，使焊縫得到延展，從而降低焊接應力；焊接高強鋼時，選用塑性較好的焊條；預熱拉伸補償焊縫收縮（機械拉伸或加熱拉伸）；采用整體預熱；降低焊縫中的含氫量及焊后進行消氫處理，減小氫致集中應力。

采用熱處理方法：整體高溫回火、局部高溫回火或溫差拉伸法（低溫消除應力法，伴隨焊縫兩側的加熱同時加水冷）。

3　焊接變形的危害性及預防焊接變形得到措施

3.1焊接變形的分類

焊接變形可以區分為在焊接熱過程中發生的瞬態熱變形和室溫條件下的殘余變形，又可分為焊接的面內變形和面外變形。面內變形可分為焊縫縱向收縮變形、橫向收縮變形和焊縫回轉變形；面外變形可分為角變形、彎曲變形、扭曲變形、矢穩波浪變形。

3.2焊接變形的危害

降低裝配質量；影響外觀質量，降低承載力；增加矯正工序，提高制造成本。

3.3預防焊接變形的措施

3.3.1進行合理的焊接結構設計

合理安排焊縫位置。焊縫盡量以構件截面的中性軸對稱；焊縫不宜過于集中；合理選擇焊縫尺寸和形狀。在保證結構有足夠承載力的前提下，應盡量選擇較小的焊縫尺寸，同時選用對稱的坡口；盡量減小焊縫數量，減小焊縫長度。

3.3.2采取合理的裝配工藝措施

（1）預留收縮余量法。為了防止焊件焊接以后發生尺寸縮短發生縮短的尺寸，可以通過計算，將發生縮短的尺寸在焊前預留出來。為了保證預留的準確，應將估算、經驗和實測三者結合起來。

（2）反變形法。為了抵消焊接變形，在焊前裝配時，先將焊件向焊接變形相反的方向進行人為的變形，這種方法稱為反變形法。只要預計準確，反變形控制得當，就能取得良好的效果。反變形法常用來控制角變形和防止殼體局部下塌。

（3）剛性固定法。剛性固定法適用于較小的焊件，在焊接施工中應用較多，對角變形和波浪交形有顯著的效果。為了防止薄板焊接時的變形，常在焊縫兩側加型鋼、壓鐵或楔子壓緊固定。此法在焊接大型儲罐底板時采用較多。裝配壓力容器及球罐時，往往采用弧形加強板、日字形夾具進行剛性固定。

（4）合理的選擇裝配程序。對于大型焊接結構，適當地分成幾個部件，分別進行裝配焊接，然后再拼焊成整體。這樣，小部件可以自由地收縮，而不至于引起整體結構的變形。如儲罐底板焊接可前焊短焊縫，再焊長焊縫采用合理的焊接工藝措施。

3.3.3采取合理的焊接工藝措施

（1）合理的焊接方法。盡量用氣體保護焊等熱源集中的焊接方法。不宜用電弧焊，特別不宜選用氣焊。

（2）合理的焊接規范。盡量采用小規范，減少焊接線能量。

（3）合理的焊接順序和方向。儲罐底板焊接時，應先焊短焊縫、后焊長焊縫，待底邊板與壁板的角焊縫焊完后，最后焊接邊板與中幅板之間的收縮焊縫。焊接長焊縫時，可采用分段倒退焊及分段跳焊等方法；焊接X形坡口的厚板多道焊時，采用對稱交替焊。

（4）進行層間錘擊。

4　除了以上所述，加強焊前檢驗也能有效的控制焊接應力及焊接變形

（1）對原材料進行檢查，主要包括對母材、焊條（焊絲）保護氣體、焊劑、電極等進行檢查，是否與合格證及國家標準相符合。

（2）對焊工進行安全技術交底，明確焊接工藝要求、焊接質量要求和安全防范要求。

（3）對焊接設備進行檢查，包括焊接設備的型號、電源極性是否符合工藝要求。

（4）對工件裝配質量檢查，包括裝配質量是否符合圖樣要求，坡口表面是否清潔、裝夾具及點固焊是否合理，裝配間隙和錯邊是否符合要求，是否考慮焊接收縮量。

（5）焊工資格檢查，包括焊工資格是否在有效期內，考試項目是否與實際焊接相適應，包括焊接方法、焊接材料及工件規格。

（6）焊接環境檢查，包括是否考慮焊接環境中的風、雨、雪襲擊和采取防護措施。焊接環境溫度低于規范允許值時，與所焊材質、焊件厚度及預熱措施是否相適應。

5　結語

由于鋼結構工程的特有型，焊接作業時鋼結構工程最重要的工序之一，而焊接應力及焊接變形產生是影響鋼結構安全性及可靠性的重要因素。

TU391

A

1673-0038（2015）31-0193-01

2015-7-4