金屬材料焊接應力與變形控制分析

林和 姜蘭英

[摘要]：金屬材料焊接應用廣泛，焊接質量與變形控制尤為重要，現結合金屬結構的制作與安裝實踐經驗，來分析焊接應力和變形產生的原因，根據鋼材特性及工況、焊材、電流電壓等因素對焊接質量的影響，提煉闡述焊接應力和焊接變形的控制方法。

[關鍵詞]： 金屬材料;焊接應力;變形;控制

中圖分類號： TG404?? 文獻標志碼：A

引言

工程建設項目中金屬結構設施占比越來越大，較復雜金結設備焊接施工也隨之增加。金屬結構在制作和安裝的整個過程，焊接應力和變形貫穿始終，良好的工藝措施不僅是金屬結構的安全性和可靠性的保證，也影響了工作效率，所以采取合理的控制措施尤為重要，值得深入分析和研究[1]。

1 焊接的應用與焊接質量影響因素

近年來的大型會展中心、車站、場館尤其是海外項目，均大量采用鋼結構建筑，無論是重型機械裝備還是輕鋼結構，制作安裝主要采用焊接方式。能夠制定一套適合的焊接工藝措施，能夠對焊接應力和焊接變形進行良好控制，才能更好的保證整個工程的質量和效益。

焊接質量的影響因素主要有工藝安排、金屬材質、結構類型、電流電壓等。如果采用措施不當、在焊接過程中結構件會產生較大的應力和變形，嚴重的會造成塑性應變脆化，產生裂紋。嚴重時會出現焊件的強度、鋼度，影響結構件受壓時的穩定性和后期制作加工精度。在采取矯正變形時，則會費工、費時、增加成本，還會引發一些意想不到新問題[2]。

2 焊接應力與焊接變形產生的原因分析

2.1 焊接構件溫差較大

焊接時焊縫高溫區域導致整個周邊溫度不斷發生變化，受環境溫度等因素影響，構件產生局部溫度較大問題，這是導致應力和變形的最主要原因[3]。焊接時焊縫金屬融化，導致焊縫區溫度相對較高，而焊縫區周圍金屬溫度相對較低，則焊接過程產生了相對較大的區域溫差，構件內部溫差較大，導致構件整體的不規律膨脹和收縮，構件在局部拉應力和壓應力作用下不能自由膨脹。當金屬材料受到的拉或壓應力超過其屈服強度臨界點時，會產生塑性變形。焊件逐漸冷卻時，因受熱的部分金屬已產生了塑性變形，則會出現被加熱區域金屬構件長度縮短情況，但其周邊未受加熱影響的部分金屬又會阻礙它的縮短，這樣會導致整體構件的不均勻受力，就會在整體金屬構件中產生應力[4]。

2.2 焊縫金屬的收縮

焊縫金屬從高溫到冷卻過程中，根據熱脹冷縮原理，體積會收縮。隨著溫度變化，構件會產生相應的變形和應力。焊縫的收縮會對焊縫區金屬產生壓應力，焊縫區周圍金屬產生拉應力，兩種應力作用下導致金屬結構件局部的不規則受力而出現凸凹不平變形。焊縫金屬的收縮量主要受控于熔化金屬的數量，即高溫區域的占比影響，所以采用的構件坡口形式對焊接變形影響比較大。

2.3 焊縫金屬的組織變化

焊縫金屬在施焊達到熔點融化開始，隨著焊接過程焊縫區域金屬融合了兩個焊件及焊材的材料，從熔點高溫冷卻到常溫，金屬內部材料組織會相應的發生變化，隨著金屬材料含量不同，焊縫金屬冷卻后會發生體積變化，但在周圍沒有組織變化的金屬則會產生限制作用力，則會產生構件內部的應力。

2.4 焊件的鋼度

金屬構件在焊接過程中會約束部分金屬變形，鋼性不同的焊接結構件，焊后變形的情況也不同。如采取工裝胎具固定后焊接，由于工裝的限制，焊件不能隨溫度的變化自由膨脹和收縮，就會有效地減少構件變形，但同時會增大焊接應力。

另外，焊件材質、工藝和方法、對接形式、坡口的形式和角度、預留間隙、電流電壓、焊接速度、焊條直徑等都會對焊接應力和變形造成影響，對較大焊件，焊接順序影響最大。

3 焊接應力的控制

3.1 合理的設計措施

在建筑結構設計中，在焊接上應盡量減少焊縫數量，盡量減少焊接量來達到控制結構件應力的目的，根據焊件的面積、厚度、合理安設計焊縫量和坡口型式。

焊縫盡量對稱，避免密集和交叉焊縫。

盡量利用型材代替板材進行焊接，以減少焊縫條數。

3.2 工藝措施

鋼材的焊接由于局部金屬在短時間內達到高溫熔化狀態，焊縫熔池金屬會迅速降溫，伴隨著膨脹、收縮的急劇變化和內應力的產生 ，還有鋼材組織性能的變化。所以選擇合理的焊接順序、良好的工藝、適當的措施和適合的焊接參數、針對性的方法等要素才能取得良好的應力控制。

3.2.1 采用合理的焊接順序和方向

金屬材料在焊接前，應主要排除焊縫的縱、橫向不能自由收縮限制因素，合理安排焊接順序和方向，可采用從中間向兩端進行施焊，對于復雜的如箱罐底板縱橫交錯的對接焊縫應整體來考慮焊接順序，從中部向外、先短后長焊縫、先交叉焊縫、對稱退焊等綜合方法，利于各道焊縫的自由收縮。

收縮量最大的焊縫要先進行施焊，對于有對接焊縫和角焊縫的結構，對接焊縫收縮量相對較大應先焊，先焊的收縮阻力小、應力小。

3.2.2 降低焊縫的拘束度

在焊接受結構局限而造成相關的封閉焊縫拘束度較大，例如箱罐環縫的最后封口焊接，以及拘束度大而易產生變形的結構，就要根據情況事先采用鋼性固定法、反變形法及焊前預熱焊后緩冷等措施來控制結構焊接時的局部拘束度，釋放局部應力控制變形，控制整體結構變形的目的。

3.2.3 錘擊焊道法

在施焊過程同時，采用手錘等工具錘擊焊縫，可起到熔池焊縫應力均衡作用，使焊縫收縮及周邊金屬膨脹應力均衡，讓焊縫區金屬得到有效延展。但錘擊力度應適當，避免過力產生裂紋。錘擊適用于多層多道焊縫，在打底層和表面層不宜使用。

3.2.4 加熱減應法

在焊件的減應區加熱使金屬材料膨脹而延長，加熱區的延長可以帶動焊接區產生與焊縫方向相反的變形。這樣，在加熱區冷卻收縮時，焊縫就可以自由地收縮，達到減少內應力，類似于火焰矯正消除應力的效果。

3.2.5 采用冷焊法

采用冷焊法力求做到整個結構上的溫度分布盡量均勻，追求焊縫和高溫熱影響區的寬度盡量窄小，控制溫度，這樣收縮造成的應力則會比較小，例如采用較小的焊接線能量、合理的焊接順序和操作方法都可以實現。如采用小徑焊條、小電流多層直焊法。

3.2.6 焊前預熱和焊后緩冷

根據才特性，一些特殊材料的焊接需要焊前預熱，來減少焊縫區與周圍區域的溫差。焊后緩冷是焊縫在溫度降低時可再次加熱到適當溫度來降低焊縫區的冷卻速度，使焊件能較均勻緩慢冷卻，來控制焊接應力與變形。如鍋爐上采用的耐熱鋼材料12Cr1MoVG在焊接工藝上需要焊前預熱、焊后保溫退火、熱處理等措施[5]。

4 焊接變形的控制

4.1 反變形法

反變形法在施工中使用較廣的方法，它是根據經驗對焊接變形量大小和走向的一個預判，而在金屬結構件組對和拼裝時預留一定的相反變形量，使結構件焊后與焊前預留量產生的變形相抵消，來達到構件平整的目的和想達到的理想狀態。

4.2 利用裝配和焊接順序控制變形

通過對焊接順序的和結構裝配的調整可有效控制焊接變形，同樣的結構如采用不同的焊接順序和合理的裝配方法，便可實現良好控制結果。所以選擇正確合理的焊接與組裝順序比較重要，一般可按以下原則[6]：

收縮量大的焊縫先焊。

采取對稱同時施焊法（從中心對稱向外施焊法）。

長焊縫焊接時，應采取對稱焊、由內向外、逐步退焊、跳焊順序。

4.3 對稱施焊法

對稱施焊法在制定焊接工藝時，根據整體結構件或設備結構情況安排焊接位置、方向、焊接人數，達到控制變形量最小的目的，焊接人數都是成對成組配置，較大的結構需多人同時施焊，使焊接變形相互制約，使結構內部應力得到均衡而不產生較大的整體變形。

4.4 剛性固定法

有些結構在沒法設置反變形等的情況下，只能選擇將構件進行鋼性固定方式進行焊接，可采用各自工裝夾具進行固定后焊接，待焊接冷卻后拆除夾具的方法。該方法對角變形和波浪變形均能起到一定的作用、效果較好[7]。

5 鋼材特性及匹配電流、電壓對變形的影響

5.1 鋼材的可焊性

金屬材質影響會造成較大的結構變形，有的材料在使用了上述各種方法后還是出現結構變形，這就是鋼材本身（金屬元素的化學含量）的問題[8]。含碳量小于0.4%的碳素鋼可焊性較好，可保證焊接質量。如果合金元素含量不穩定的材料，則會增大焊接區域材料的硬脆性，降低可焊性，針對此類材料應實施綜合工藝安排，才能保證焊接效果。

5.2 焊條材料及電流、電壓匹配

焊接材料的匹配和電流、電壓的選用是影響焊接的常規因素，要遵循材質匹配原則，根據焊縫坡口類型選擇焊材直徑，保證焊材的強度大于焊件的強度。焊接電流、電壓的調整要根據焊口型式和工藝安排等情況來驗證確定，此處不再討論[9]。

總結

綜上所述，焊接應力和變形可以通過采取特定方法加以控制，針對不同的結構和金屬材料特性做技術分析，采取不同的施工工藝和方法即可實現方案優化，利用變形和應力原理可解決焊接過程中的相應問題，從而實現省時、省力而又高效、保質地進行施工。

參考文獻

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[2]史慧. 鋼結構焊接變形和焊接應力控制分析[J]. 四川水泥， 2017（12）：321+330.

[3]呂仲， 韓巧珍. 鋼結構焊接變形控制[J]. 電焊機， 2011， 41（08）：73-74+85.

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[7]姜秀麗， 宋增栓， 李蘭英. 金屬結構件組裝及焊接變形控制[J]. 現代制造技術與裝備， 2012（04）：47-48.

[8]王聰. 鋼結構大型焊接構件的焊接變形預測與控制[D]. 青島理工大學， 2012.

[9]舒先慶， 黃新明， 代國文. 鋼結構制造中焊接變形的控制方法[J]. 電焊機， 2007（06）：127-129.

作者簡介：林和（1970-），男，吉林永吉人，工程師，主要從事工程建設項目管理工作。

單位名稱：中工國際工程股份有限公司