焊接残余变形的控制措施

焊接残余变形的控制措施
摘要焊接残余变形是焊后残存于结构中的变形，是焊接结构生产过程中常常出现的问题。

通过正确的施工，可以减少焊接残余变形。

关键词焊接残余应力残余变形措施
1 前言
在焊接结构生产过程中，焊接残余变形是经常出现的问题。

焊接残余应力和变形是形成各种焊接裂纹的重要因素，它在一定条件下还会严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等等。

为此，采取相应措施以控制焊接变形是十分必要的。

2 焊接残余应力和残余变形的成因
钢材在施焊过程中会在焊缝及附近区域内形成不均匀的温度场，焊缝及附近的温度最高可达1600℃以上，由焊缝临近区域向外，温度急剧下降。

不均匀温度场有导致不均匀膨胀的趋势，但施焊后的钢材已经连接成整体，低温区对高温区的变形产生约束，使高温区产生热塑压缩变形，未达到热塑温度的高温区则会产生热压应力，低温区则产生拉应力。

在冷却过程中，低温区先冷却，其收缩变形不受约束，而高温区冷却较慢，后冷却区域的收缩变形将受到先冷却区域的约束，因而使高温区产生拉应力，相反，低温区则产生相应的压应力。

在无外界约束的情况下，焊件内的拉应力和压应力自相平衡。

这种应力称为焊接残余应力，它是一组自相平衡的内应力。

随焊接残余应力的产生，同时也会出现不同方向的不均匀收缩变形，称为焊接残余变形。

如图2—1所示。

3 焊接残余变形的种类及影响变形的因素
3.1焊接残余变形的种类
常见的焊接残余变形有以下几种：
3.1.1收缩变形：分纵向收缩和横向收缩两种，如图3—1所示。

3.1.2弯曲变形：构件焊后发生弯曲变形，如图3—2所示。

3.1.3角变形：焊后构件的平面绕焊缝产生的角位移，常见如图3—3所示。

3.1.4扭曲变形：绕构件轴线扭曲，如图3—4所示。

3.1.5波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图3—5所示。

3.1.6错边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边和厚度方向上的错边，如图3—6所示。

以上几种类型的变形，在焊接结构生产中往往并不是单独出现的，而是同时出现，相互影响的。

3.2影响焊接残余变形的因素
影响焊接残余变形主要有以下几个因素：
3.2.1焊脚尺寸焊脚尺寸增加，变形也随之加大。

但过小的焊脚尺寸，将降低结构的承载能力。

并使接头的冷却速度加快，容易产生裂纹以及热影响区硬度增高等缺陷。

因此，因该在满足结构的承载能力和保证焊接质量的前提下，随着板的厚度来选取工艺上可能的最小焊脚尺寸。

不同低碳钢板的最小焊脚尺寸见下表：
低碳钢板角焊缝最小焊脚尺寸
3.2.2材料的线胀系数线胀系数越大，焊后残余变形越大。

3.2.3焊接热输入焊接热输入越大，焊后残余变形越大。

不同的焊接方法，焊接热输入量不一样。

例如，埋弧焊的热输入量比焊条电弧焊大，所以焊后变形大。

3.2.4焊缝位置焊缝轴线离开焊件中性轴越远，焊后弯曲变形越大。

3.2.5坡口形式单面坡口比双面坡口焊后角变形大。

坡口的空间面积越大，焊后变形越大。

4 预防和矫正焊接残余变形的措施
对于焊接残余变形，我们在施工过程中，通过正确的施工工艺和可行的矫正方法，来减少焊接残余应力和残余变形。

4.1正确的施工
4.1.1利用合理的装配焊接顺序来控制焊接残余变形
同样一个构件采用不同的装焊顺序，焊后所的的残余变形往往相差很大。

①结构截面对称，焊缝布置对称的焊接结构，采用装配成整体，然后再按一定的焊接顺序进行焊接，在结构整体刚性较大的情况下焊接，能有效的减少弯曲变形。

例如，工字梁的装配焊接过程，可以有两种不同方案。

如图4—3所示。

若采用4—3b 所示的边装边焊顺序，焊后要产生较大的上挠弯曲变形；若采用4—3c所示的整装后焊顺序，则能有效的减少弯曲变形。

②结构截面形状和焊缝布置不对称的焊接结构，可分别装焊成部件，然后在组焊在一起。

如图4—4所示，
该焊接梁是由两根槽钢，若干隔板和盖板组成。

槽钢与盖板间用角焊缝1来连接，隔板与盖板及槽钢分别用角焊缝2和角焊缝3来连接。

方案一：先把隔板和槽钢装配在一起，然后焊接角焊缝3，由于焊缝3的大部分在槽钢中性轴以下，焊缝的横向收缩产生上挠f3。

再将盖板与槽钢加隔板装配起来，焊接焊缝1，由于焊缝1位于构件断面中性轴以下，焊缝1的纵向收缩引起的上挠度f1。

最后焊接焊缝2，由于焊缝2也是位于构件断面中性轴以下，焊缝2的横向收缩引起的上挠度f2。

最终产生上挠变形，其数值为（f1+ f2+ f3）。

方案二：先把盖板和槽钢装配在一起，焊接焊缝1，由于焊缝1在构件断面中性轴以下，它的纵向收缩引起构件产生上挠度f1。

再装配隔板，焊接焊缝2，焊缝2的横向收缩引起的上挠度f2。

最后焊接焊缝3，此时由于槽钢与盖板已形成一个整体，其中性轴从槽钢本身的中心向下移，使焊缝3之大部分在槽钢中性轴以上，因此焊缝3的横向收缩引起构件的下挠度f‘3。

焊后构件的最终挠度为（f1+ f2—f‘3）。

方案三：先把隔板和槽钢装配在一起，焊接角焊缝2。

盖板在自由状态焊接，只能产生横向收缩和角变形。

若采用压板将盖板紧压在平台上，角变形是可以控制的。

此时的盖板没有和槽钢连接，它的收缩并不引起挠度，即 f1=0。

在此基础上装配槽钢，焊接焊缝1，引起上挠度f1。

再装配隔板，焊接焊缝3，引起下挠度f‘3。

构件最终的挠度，其数值为（f1— f ‘
3）。

把上面三个方案作比较，可以清楚地看出不同的装配顺序，得出完全不同的结果。

方案一的挠曲变形最大，方案三最小，方案二介于两者之间。

方案三之所以挠曲变形小，关键在于把焊缝2的焊接安排在盖板与槽钢焊接之前，这样就使焊缝2可以自由收缩，而它的横向收缩力不致加到已具有较大刚度的槽钢和盖板组合体上去。

其次，把焊缝3安排在槽钢与盖板组成的一个整体之后，因为槽钢和盖板组合体的断面中性轴下移，使得焊缝3的中心和断面中性轴的相对位置起了转化，由方案一在中性轴以下，转化到中性轴以上，结果产生与焊缝1引起的挠度方向相反的下挠度，这样就进一步减少了变形。

4.1.2利用焊接顺序和方向来控制焊接残余变形
①按变形收缩量大小确定焊接顺序
这种情况通常先焊变形收缩量较大的焊缝，使其能较自由的收缩。

如一个带盖板的双工字钢构件，由对接焊缝和角焊缝组焊而成，如图4—5，
由于对接焊缝的收缩大于角焊缝的收缩量，所以应先焊盖板的对接焊缝1，后焊盖板和工字梁之间的角焊缝2。

②按焊缝方向确定焊接顺序
通常先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。

如图4—6所示，为拼板结构，应先焊焊缝1、2，后焊焊缝3。

如相反，则由于焊缝1 的横向收缩受到限制，将产生很大的拉应力。

③按受力大小确定焊接顺序
先焊在工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布如图4—7，在接头两端留出一段翼缘角焊缝不焊。

先焊受力最大的翼缘对接焊缝1，然后再焊腹板对接焊缝2，最后焊翼缘预留的角焊缝3。

这样焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力，腹板对接焊缝承受拉应力。

角焊缝最后焊可以保证腹板对接焊缝有一定的收缩余地，同时也有利于在焊接翼缘对接焊缝时，可以采取反变形措施来防止产生角变形。

4.1.3利用反变形法来控制焊接残余变形
反变形法是指为了抵消（补偿）焊接变形，事先估计好结构变形的大小和方向，然后在装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计的要求。

防止焊后角变形的反变形措施：可以预先将焊接坡口处垫高如图4—8a；为了防止工字梁的翼板产生焊接角变形。

可以将翼缘板预先反向压弯如图4—8b(翼板可以用辊压法来预弯)。

4.1.4合理地选择焊接方法和规范来控制焊接残余变形
选用线能量较低、能量集中的焊接方法，可以有效地防止焊接变形。

如CO2气体保护焊来代替气焊和手工电弧焊进行薄板焊接可以减少变形量。

对于焊接不对称的构件，可以通过选用适当的焊接参数在没有反变形或夹具的条件下，控制弯曲变形。

如图4—9所示构件上的焊缝1和2到中性轴的距离e比焊接3和4到中性轴的距离e’大，产生的弯曲变形大。

如果焊缝1和2适当分层用小参数焊接，则可使上、下弯曲变形抵消。

4.2矫正焊接残余变形
构件发生焊接残余变形后，我们可以通过机械矫正和火焰矫正等方法来消除或减小变形。

4.2.1利用机械矫正法处理焊接残余变形
利用机械外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者互相抵消，称为机械矫正法。

①矫正对接板不平（如：波浪变形），具体矫正方法如下：制作一龙门架，用50T或
100T千斤顶进行压矫正其不平度，也可以采用三辊滚板机进行矫正，如图4—10所示。

②采用加压机构（H型钢矫直机）来矫正，工字梁的弯曲，根据矫直机的功率及翼缘板的厚度，调整进给量。

可一次或几次压制成型。

进给量太大，容易产压痕，影响质量，还可能会产生压过头，进行反压，带来重复工作量。

4.2.2利用火焰加热矫正法来处理焊接变形
火焰矫正法是利用火焰对构件进行局部加热时产生的塑性变形，使较长的金属在冷却收缩，以达到矫正变形的目的。

火焰加热矫正法有以下特点：
①加热火焰通常采用氧乙炔焰，采用一般的气焊焊矩不需要专门的设备，方法简便。

②构件材质为低碳钢或低合金钢时，加热温度为600℃—800℃，此时钢板表面呈樱红色。

③火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种，其中三角行加热适用于厚度大、刚性强的构件。

④加热部位应该是变形的凸起处，不是凹处，否则变形越来越大。

⑤矫正薄板结构的变形时，为了提高矫正效果，可以在火焰加热的同时，用水急冷。

这种方法叫做水火矫正法。

对于厚度较大而又比较重要的构件或者淬硬倾向较大的钢材，不可用水火矫正法。

5 结束语
近几年在我单位承建的“XXX三期工程”钢结构制作中，结合理论，联系实际，弄清在钢结构生产过程中，焊接残余变形产生及其对焊接结构的影响，并总结，摸索出这些对焊接残余变形的控制行之有效的措施。

这些措施现今已在我厂生产中得到应用，效果显著，有效的保证了钢结构产品的质量。

参考文献：
⑴四川工业学院谢明立主编《焊接结构》四川：四川大学出版社1998
⑵吉林工业大学周振丰主编《焊接冶金学》（金属焊接性）北京：机械工业出版社1992
⑶徐初雄主编《焊接技术问答》北京：机械工业出版社2000
⑷中国机械工程学会焊接学会编焊接手册焊接方法及设备北京：机械工业出版社
1992
注：原文刊载于《攀钢技术》2004年106期。