焊接应力及焊接变形预防措施

钢结构工程焊接应力与变形差生的危害及采取的措施

随着“绿色建筑”理念的推广，以钢结构件为主体框架结构结合复合砌筑体结构已成为一种必然趋势，因为以钢结构为主的框架结构的回收利用性有效避免钢筋混凝土结构建筑垃圾的产生，具有可持续性。由于钢结构工程的特有型，焊接作业时钢结构工程最重要的工序之一，而焊接应力及焊接变形产生是影响钢结构安全性及可靠性的重要因素。本文着重对焊接应力及焊接变形的危害及所采取的对应措施进行分析。

一、焊接应力与变形产生机理

焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化，而熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形。在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的制约，不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载，与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生了相应的收缩拉应力和变形。这种随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为瞬态应力与变形。而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形称为焊接残余应力与焊接残余变形。

焊接残余应力和变形，严重影响焊接构件的承载力和构件的加工精度，应从设计、焊接工艺、焊接方法、装配工艺着手降低焊接残余应力和减小焊接残余变形。

二、焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施

1．焊接残余应力的危害

影响构件承受静载能力；影响结构脆性断裂；影响结构的疲劳强度；影响结构的刚度和稳定性；易产生应力腐蚀开裂；影响构件精度和尺寸的稳定性。

2．降低焊接应力的措施

(1)设计措施

尽量减少焊缝的数量和尺寸，在减小变形量的同时降低焊接应力；防止焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加；要求较高的容器接管口，宜将插入式改为翻边式。

(2)工艺措施

采用较小的焊接线能量，减小焊缝热塑变的范围，从而降低焊接应力；合理安排装配焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力；层间进行锤击，使焊缝得到延展，从而降低焊接应力；焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条；预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）；采用整体预热；降低焊缝中的含氢量及焊后进行消氢处理，减小氢致集中应力。

采用热处理方法：整体高温回火、局部高温回火或温差拉伸法（低温消除应力法，伴随焊缝两侧的加热同时加水冷）

三、焊接变形的危害性及预防焊接变形得到措施

1、焊接变形的分类

焊接变形可以区分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和室温

条件下的残余变形，又可分为焊接的面内变形和面外变形。面内变形可分为焊缝纵向收缩变形、横向收缩变形和焊缝回转变形；面外变形可分为角变形、弯曲变形、扭曲变形、矢稳波浪变形。

2、焊接变形的危害

降低装配质量；影响外观质量，降低承载力；增加矫正工序，提高制造成本。

3.预防焊接变形的措施

(1)进行合理的焊接结构设计

合理安排焊缝位置。焊缝尽量以构件截面的中性轴对称；焊缝不宜过于集中；合理选择焊缝尺寸和形状。在保证结构有足够承载力的前提下，应尽量选择较小的焊缝尺寸，同时选用对称的坡口；尽量减小焊缝数量，减小焊缝长度。

(2)采取合理的装配工艺措施

a、预留收缩余量法。为了防止焊件焊接以后发生尺寸缩短发生缩短的尺寸，可以通过计算，将发生缩短的尺寸在焊前预留出来。为了保证预留的准确，应将估算、经验和实测三者结合起来。

b、反变形法。为了抵消焊接变形，在焊前装配时，先将焊件向焊接变形相反的方向进行人为的变形，这种方法称为反变形法。只要预计准确，反变形控制得当，就能取得良好的效果。反变形法常用来控制角变形和防止壳体局部下塌。

c、刚性固定法。刚性固定法适用于较小的焊件，在焊接施工中应用较多，对角变形和波浪交形有显著的效果。为了防止薄板焊接时

的变形，常在焊缝两侧加型钢、压铁或楔子压紧固定。此法在焊接大型储罐底板时采用较多。装配压力容器及球罐时，往往采用弧形加强板、日字形夹具进行刚性固定。

d、合理的选择装配程序。对于大型焊接结构，适当地分成几个部件，分别进行装配焊接，然后再拼焊成整体。这样，小部件可以自由地收缩，而不至于引起整体结构的变形。如储罐底板焊接可前焊短焊缝，再焊长焊缝采用合理的焊接工艺措施。

(3)采取合理的焊接工艺措施

a、合理的焊接方法。尽量用气体保护焊等热源集中的焊接方法。不宜用电弧焊，特别不宜选用气焊。

b、合理的焊接规范。尽量采用小规范，减少焊接线能量。

c、合理的焊接顺序和方向。储罐底板焊接时，应先焊短焊缝、后焊长焊缝，待底边板与壁板的角焊缝焊完后，最后焊接边板与中幅板之间的收缩焊缝。焊接长焊缝时，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时，采用对称交替焊。

d、进行层间锤击。

四、除了以上所述，加强焊前检验也能有效的控制焊接应力及焊接变形

1、对原材料进行检查，主要包括对母材、焊条（焊丝）保护气体、焊剂、电极等进行检查，是否与合格证及国家标准相符合。

2、对焊工进行安全技术交底，明确焊接工艺要求、焊接质量要求和安全防范要求。

3、对焊接设备进行检查，包括焊接设备的型号、电源极性是否符合工艺要求。

4、对工件装配质量检查，包括装配质量是否符合图样要求，坡口表面是否清洁、装夹具及点固焊是否合理，装配间隙和错边是否符合要求，是否考虑焊接收缩量。

5、焊工资格检查，包括焊工资格是否在有效期内，考试项目是否与实际焊接相适应，包括焊接方法、焊接材料及工件规格。

6、焊接环境检查，包括是否考虑焊接环境中的风、雨、雪袭击和采取防护措施。焊接环境温度低于规范允许值时，与所焊材质、焊件厚度及预热措施是否相适应。