焊接殘余應力和焊接變形對鋼結構的影響以及消除和調整的措施

李廷凱 李玉振

摘 要：隨著焊接技術也已經發展的越來越普及，但是焊接殘余應力和焊接變形對鋼結構的影響非常大，必須加強對焊接質量研究。本文對焊接殘余應力和焊接變形對鋼結構的影響以及消除和調整進行了探討分析。

關鍵詞：焊接殘余應力；焊接變形；鋼結構；消除和調整

1 焊接殘余應力產生的原因

1.1 塑性壓縮造成的縱向殘余應力

在焊接的過程中，由于溫度上的差距，焊縫及其周圍都會受到因熱膨脹和周圍溫度較低的金屬的拘束，從而產生壓縮塑性應變。當焊接完成之后，溫度驟減，母性材料就會制約著焊縫和近縫區域之間的收縮，這就在很大程度上導致了殘余應力的存在。并且殘余應力的范圍將會和高溫環境下造成的塑性范圍相一致，彈性拉伸區域和殘余拉應力也是相對應的。從這些都可以看出來，塑性壓縮就是造成焊接過程中縱向殘余應力的主要 原因。

1.2 塑性壓縮的應變導致的橫向殘余應力

塑性壓縮的應變，除了能夠說成是造成縱向殘余應力的主要原因，同時也能理解為造成橫向殘余應力的原因之一，但是造成橫向殘余應力的主要原因是母材的收縮。當對母材進行焊接時，母材會出現膨脹現象，并且當焊接縫的金屬材料逐漸形成固體時，膨脹中的母材必定會受到壓縮，這種塑性壓縮是橫向收縮中的重要的一部分，焊縫自身那一小部分收縮僅僅只占到橫向收縮的十分之一左右。主要的橫向收縮那部分存在于焊接縫沿著焊縫軸線進行切割后的中心區域，那才是拉應力中的橫向應力。

2消除殘余應力的方法

2.1 熱處理的方法

這種方法對于焊件的性能有著至關重要的作用，它不僅可以消除殘余應力，還能夠改進焊接接頭的性能。熱處理方法就是在焊件還處在高溫條件下的時候，去降低屈服點和蠕變現象，從而實現去除殘余應力的一種方法。這種方法分為兩個步驟，首先就是總體熱處理，其次是局部熱處理。在總體熱處理的過程中，加熱的溫度和保溫時間和加熱以及冷卻速度都會影響到去除焊接殘余應力的效果。在局部熱處理的過程中，一般只能降低殘余應力的峰值，而不能直接消除殘余應力。但是對于消除殘余應力的過程起到了無可替代的作用，所以局部熱處理還是需要的一個步驟。在采用熱處理的方法時，加熱的方法主要有電加熱和火加熱兩種，而且消除殘余應力的效果和加熱范圍的關系很大，所以一般需要大范圍的加熱才能達到較好的效果。

2.2 加載的方法

加載的方法，目的就是為了使得焊接縫周圍形成的壓縮塑性變形和焊縫周圍的拉伸塑性變形兩者形成抵消，從而讓應力保持松弛狀態。它主要就是采用各種方法，在部件上制造一定的拉伸應力，讓這個應力來完成與壓縮塑性變形產生的力進行抵消。在如何形成這種拉伸應力的方法上有兩種：第一就是機械拉伸的方法，第二則是溫差拉伸的方法。機械拉伸法就是對部件進行加載荷處理，讓焊縫區域形成塑性拉伸，這個塑性拉伸形成的力將會和已經存在的那個壓縮塑變應力達到抵消的作用，從而消除焊接過程中形成的殘余應力。溫差拉伸法，主要就是利用了受熱膨脹的原理，來達到消除殘余應力的方法。它的做法過程，顧名思義就是利用溫度差形成的力，讓焊縫兩側的金屬通過受熱膨脹后，往焊縫區進行拉伸，逐漸的形成拉伸應力，最后和那壓縮塑變應力進行抵消作用。這兩種拉伸方法都是采用抵消的原則，從而達到減小甚至消除殘余應力的目的。

3焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為在焊接熱過程中發生的瞬態熱變形和在室溫條件下的殘余變形。影響焊接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料、結構和工藝3個方面。

3.1材料因素的影響。材料對于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關，而且和母材也有關系，材料的熱物理性能參數和力學性能參數都對焊接變形的產生過程有重要的影響。其中熱物理性能參數的影響主要體現在熱傳導系數上，一般熱傳導系數越小，溫度梯度越大，焊接變形越顯著。力學性能對焊接變形的影響比較復雜，熱膨脹系數的影響最為明顯，隨著熱膨脹系數的增加焊接變形相應增加。同時材料在高溫區的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，隨著彈性模量的增大，焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應力，焊接結構存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應變較小且塑性區范圍不大，因而焊接變形得以減少。

3.2結構因素的影響。焊接結構的設計對焊接變形的影響最關鍵，也是最復雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加，焊接殘余應力增加，而焊接變形則相應減少。結構在焊接變形過程中，工件本身的拘束度是不斷變化著的，因此自身為變拘束結構，同時還受到外加拘束的影響。

3.3工藝因素的影響。焊接工藝對焊接變形的影響方面很多，例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應用等。在各種工藝因素中，焊接順序對焊接變形的影響較為顯著，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應力的分布及應力狀態，減少焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中，總結出一些經驗，利用特殊的工藝規范和措施，達到減少焊接殘余應力和變形，改善殘余應力分布狀態的目的。

4.鋼結構焊接變形的控制

4.1設計措施。合理地選擇焊接的尺寸和形式焊接尺寸直接關系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結構的承載能力的條件下，設計時應盡量采用較小的焊縫尺寸。對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，在保證相同的強度條件下，采用開坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬，對減小變形有利。盡可能減少不必要的焊縫在設計焊接結構時，合理地選擇筋板的形狀，適當地安排筋板的位置，力求焊縫數量少，避免不必要的焊縫，從而減小焊接變形。

4.2工藝措施。工藝措施是指在焊接構件生產制造過程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。焊前預防措施焊前預防主要包括預防變形、預拉伸法和剛性固定組裝法。預變性法或稱反變形法是根據預測的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預變形量，焊后焊接殘余變形抵消了預變形量，使構件恢復到設計要求的幾何形狀和尺寸。預拉伸法多用于薄板平面構件，焊接時在薄板有預張力或有預先熱膨脹量的情況下進行的。焊后，去除預拉伸或加熱，薄板恢復初始狀態，可有效地降低焊接殘余應力，控制焊接變形。

4.3焊接過程控制措施。焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規范參數，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規范參數可以有效地防止焊接變形。

4.4焊后矯正措施。當構件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。整體熱矯正是指將整體構件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差。

結語

焊接作為鋼結構最主要的連接方式，對焊接工藝和焊接質量的要求也在不斷地提高。研究焊接殘余應力和焊接變形對鋼構件的影響，通過合理的設計和制造以及相應的措施減小焊接殘余應力和焊接變形對構件的影響，將有效的提高鋼結構的性能，滿足建設的需求。

參考文獻

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[2]萬春輝，李朝陽，劉向敏，等.振動時效工藝在消除焊接殘余應力中的應用[J].機械產品與科技，2015（4）：23-25.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）