试述钢结构焊接变形与应力控制
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科
工程 科技 ｌ ｌＩ
试述钢 结构焊 接变形 与应力控 制
孙 玉 琴
（ 黑龙江化 工建设有限责任公司， 黑龙江 哈 尔滨 １００ ） ５ｏｏ
摘
述。
要： 焊接应力与变形是焊接 过程中产生的 内应力厦焊接热过程 中引起焊件 形状与尺寸的变化， 针对钢结构焊接变形与应力控削进行论
’
ｌ概 述
焊接应 力与变形 是焊接过 程中产生 的 内 应力及焊接热过程 中引起焊件形状与尺寸的变 化 。焊接过程的不均匀温度场以及 由它引起的 局部塑性变形 和比容不同的组织是产生焊接应 力与变形产生 的根本原因。焊接应力与变形的 存在。 对构件强度 、 刚度 、 稳定性 、 加工精度 以及 耐久性等产生严重的影响。 用合理的焊接技 采 术及施工措施控制焊接应力与变形是钢结构安
关键 词 ： 结 构 ； 钢 焊接 变形 ； wk.baidu.com控 制 应
１５ Ｍ ａ ０ Ｐ ， 屈服强度 ｆ ２ ５ Ｐ 。泊松 比为 Ｏ ： 仰焊一侧爬焊—侧立焊一立平焊一平焊的顺序 ｙ ９Ｍ ａ ＝ ． ３ 材料本构关系采用理想弹塑性模型 。 屈服准则 进行 。 接头水平方向的焊接变形控制。 对 采用 采用 Ｙ ｎ Ｍ ｓ ’ ｏ ｉ ｓ ｅ 屈服准则， 时屈服强度取值 双人对称均速 、 计算 多层、 多道焊接。对接头垂直方 为 ３５ Ｐ 。 ． ４计算分析。 ４Ｍ ａ ２ ． ２ 利用 Ａ Ｓ Ｓ 限 向的焊接变形控制，因先后焊接对各部位 的收 ＮＹ 有 元分析软件计算构件的温度变化。采用三维实 缩 量 不 同 。一 般 上 壁 比 下 壁 收 缩 量 大 体单 元 Ｂ Ａ ４ Ｅ Ｍ 单元进行计算。以 ｘ向为例， 计 １ ． ｍ 端头 中心下降 约 ０ ｍ ￣ ． ｍ 这 ． ３ ， ５ ｍ ． ｍ １ｍ ， ５ ２ 算时取 的温度 ２ ｏ 。 结果为 ： ｘ方 向最大 样， ５ 计算 Ｃ 在 可在拼装时预先将安装标高提高 ２ ｍ ３ ｍ ｍ 一ｍ 变形为 ６ ｒ ， Ｙ方 向的最大变形为 ０ ｍ 来进行控制。 ． ｍ在 ７ ａ ． ｍ。 ９ 在 ｚ方 向的位 移 为 ０ 最 大 应力 ３ ． Ｐ ； ， ０Ｍａ ９ 在 ４焊接应力消除 装的关键。 ３ ． ２时． ｘ方 向最 大变形 为 １． ｍ 在 Ｙ ２Ｘ ９ 在 ０ｍ ， ８ ４１母 材 检查 ． 下面以某斜交网格钢结构工程为例， 用 方向的最大变形为 １ ｒ ，在 ｚ方向 的位移为 应 ． ｍ ４ ａ 焊接前用 超声波 和磁粉对 母材 焊道周 边 有限元程序 Ａ Ｓ Ｓ 分析了钢构件制作及安 装 ｏ 最大应力 ５Ｍ ａ ＮＹ ， ＇ ０ Ｐ 。综合 比较后 ． 选择温度为 ２ ０ ｍ范围内进行探伤检查 ， ０ｍ 防止因母 材缺陷， 时温差 导致 的变 形及 ２ ℃与 ３．℃两种温 况 ２＂的时段进行结构合拢较为合适 。 ５ ２ ８ 在焊接过程 中出现应力集中现象。 ５Ｃ 下钢结构合拢的变形及应力 ， 并从构件焊接 、 总 ３焊接变形控制措施 ４２焊 中应力 消除与焊后热处理 ． 体安装工艺 、 焊接顺序、 焊接方法等方面探讨 了 焊接变形从大型构 件焊接 、总体安装工艺焊接 焊接过程中． 用电动风铲振动敲击焊道， 消 焊接变形与焊接应力的控制措施。 。 顺序 、 焊接方法等多方面进行控制 。 除焊接应力。焊接完成后， 为保证焊缝 中的扩散 ２温度变形及应力有 限元分析 ３１构件焊接工厂化 ． 氢有足够 的时问得以逸 出及焊接产生的应力得 ２１制作与安装温度变形分析 ． 由制作与安装温度效应分析可知。 主梁构 以释放， 从而避免延迟裂纹 出现， 焊后立 即进行 因工厂的焊接环境 、 设备及器具等条件 比 件的加 工长度最长 １６ ， ｍ 次梁连接牛腿带在主 后热、 保温处理。后热时用氧、 乙炔 中性火焰在 现场好． 在满足运输 限制 的条件下． 最大限度地 粱节点 上； 大型铸钢节点分两段铸造， 在工厂 焊缝两侧 １ ｍ 但 ０ ｍ范围内， ０ 全位置均匀烘烤， 用温 在工厂完成 焊接工作 ， 于控制钢结构质量 。 完成拼装焊接工作 。 有利 度计在 焊缝 ８ ｍ １ ０ ｍ处测 得温度 为 ２ ℃ ０ ｍ，０ ｍ ８ 但是构件太长， 制作 与安装时 的温度差异会产 ３ ． ２总焊装控制 ２ ０ 后用 ４ ５￣ Ｃ 层以上 的石棉布裹紧， 保温 ４ 以 ｈ 生较大的变形， 导致较大 的尺寸误差 ， 因此确定 ３－ ． ｌ吊装 。 ２ 采取 “ 以构件组 合成块 、 成片吊 上， 自然风冷至环境温度 。 然后 构件 的最长加工 长度是 首先要 解决 的问题之 装为主。 以散件吊装为辅 的吊装方法， 在地面最 ５结论 ２． ．１温度选取。 １ 根据气象部 门资料， 制作月 大限度地进行构件组合。 尽可能地减 少高空拼 结合工程实例， 对其 焊接应力 与变形的消 平均最低气温为 ５ ℃； ． 安装月最高气温： ．℃： 装焊接量。安装 总体安装工艺采取平面上从一 除与控铽进行 了探讨’ ２ ２ １ ６ 得到以下几点结论： 温差 ： ．ｏ 。因此选择参考温度 ５ ℃。 ２ ９Ｃ ０ ． 计算温 边 向另一边扩散安装。 ２ 立面上从 下向上 逐步安 ５１通过有 限元分析， ． 确定主梁构件的加工 度 ２ ．℃。２１ ６１ ．． 面选取 。 ２截 计算截面选择焊接 装的工艺流程， ｍ 可将制作与安装温度差异产 减少各种误差 的集 中积累。 ．２ 长度最 长为 ｌ６ ， ３． ２ 箱型梁 １０ ３ ０ Ｏ ２ 计算长度为 ｌ 材 焊接顺序。 ０ ０ Ｘ ０ ×ｌＸＩ ， ｍ， 总体焊接顺序随安装进度次第跟进 ； 生的 构件 变形 控制 在 ±３４ ｍ 选择 温 度 为 ．ｒ ： －ａ 质为 Ｑ ４ Ｇ Ｂ的钢材。 ．３模型建立 。 ３５ Ｊ ２１ ＿ 根据结 调整校正好一个主梁结构平 面后，再进行该 主 ２ 的时段进行结构合拢较为合适。 ５ ｃ 构的实际尺寸。建立胎架的空间三维模型作为 梁结构面的焊接； 每个 正在焊接 的主梁 结构 面 ５ ． ２现场焊接的构件时应 注意： 计算模 型， 钢材料为 Ｑ ４ Ｇ Ｂ 弹性模 量 Ｅ ２ 顺结构安装的方向无约束， ３５ Ｊ， ＝． 焊接应力可顺结构 ５． ． １采用适 当的焊接程序， 分段焊 、 ２ 如 分 ０ ｘ １５ Ｍ ａ ６ ０ Ｐ ＇屈服强度 ｆ ２ ５ ａ ｙ ９ ＭＰ ，泊松 比为 安装方向 自由释放： ＝ 结构 的整体安装焊接是结 层焊； ２ ５． ． ２尽可能采用对称焊缝， 使其变形相反 ０； ． 材料本构关系采用理想弹塑性模型， ３ 屈服准 构不断逐步 向一个 自由拓展 的过程。单元 主梁 而抵消： ２ ５ Ｉ 焊前使结构有一个 和焊接变形 ． ３施 则采用 ＹｎＭｓｓ 服 准则， ｏ ｉ 同 ｅ 计算时屈服强度取 结构面的焊接顺序是先 焊主约束。 后焊 次约束 相 反的预变形 ．．４对 于小 构件焊前 预热 、 ｊ２ ． 焊 值为 ３ ５ Ｐ ｏ ．４计算分析。 ４ Ｍ ａ １ ２． 利用 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 有 的方法， 即先焊主梁拼 阶段 ； 焊主粱与铸钢节 后 回火。然后慢慢冷却 。 后 以消除焊接应力 。 限元分析软件计算构件的温度变化 。采用三维 点的连接； 再焊主梁与次梁 的连接 点： 最后焊接 ５３对焊缝要进行合 理的设计：．． － ５３１避免 实体单元 Ｂ Ａ ４ Ｅ Ｍ 单元进行计算 。从计 算结果 次梁与次梁 的连接点。 ．． ３ ３焊接施工控制 。 ２ 在 焊缝集 中、三向交叉 焊缝 ：３ ５． ． ２焊缝尺寸不宜 可 以看出构件变形为 ０ ５ ｍ ｍ 按构件分段长 焊接方法上深 用组合焊接方式。 Ｃ 气 体半 自 太大：．． ２ｍ ／。 即 ｏ ５３３焊缝尽可能对称布 置，连接过渡平 度 ｌ６ ｍ左右， 制作与安装温度差异产生的构件 动保护焊 ＋药芯焊丝及 手工焊接； 在焊接工艺 滑， 避免应力集 中现象： ３ 避免仰焊。 ５． ．４ 变形可控制在 ± － ｒ 。因此确定主粱构件的 上， ３． ｍ － ４ ａ 加大焊 接能量 密度， 减少热 输入 ， 采用小 电 分析结果表 明： 主粱构件的加工长度选定 加工长度最长 １ｍ。 ６ 流、 快速度 、 多层 、 多道焊接工艺措施； 焊接材料 在 １ ｍ ６ 。可将制作与安装温度差异产生 的构件 ２ 钢结构合拢时温度效应分析 ． ２ 选 用小 直径 的焊条 、 焊丝； 所有使用的焊材具有 变形控制在 ±３ ４ ｍ： Ｎ ｍ 选择 ２ ℃时段 进行结构 ５ ２． ． １荷载选取 。根据现场工期安 排及 相 在大 电流 密度 下保 持 电弧持 续稳 定 的特性 。 合拢较为合适 ， ２ 控制焊接变形与应力的措施可 应的气象资料， 将在 ２ 及 ３ ．℃的温度工况 ３２ ５ｃ ２ ８ ．． ４焊接坡 口。焊前严格按照工艺试验确定的 为其他同类工程提供借鉴参考。 条件下合拢，比选结构 此时的温度变形 及应力 ， 坡口尺寸认 真组装， 特别对铸钢节点的坡 口尺 以确定最佳 的合拢温度。 ．２截面选取。 ２． ２ 计算 寸检查， 比现行规范严格 ２ ３ 同时。 要 － 倍。 为减少 截 面 选 择 合 拢 时 的结 构 面 框 架 。 材 质 为 热输人量， 在工艺试验取得成功 的前提 下。 适当 Ｑ ４ Ｇ Ｂ的钢材。 ．－ ３５ Ｊ ２２３模型建立 。 根据结构 的 减少焊缝坡 口尺寸 … ５接头全位置各种角度 ３ ２ 实际尺寸， 建立胎架 的空 间三维模型作为计算 的焊接 。 接头拼装后． 考虑工件尺寸， 采取两人对 模型． 钢材料为 Ｑ ４ Ｇ Ｂ 弹性模量 Ｅ ２ ６ Ｘ 称 焊， 以仰焊部位起弧， ３５ Ｊ 。 ＝． ０ 都 以平焊部位收弧； 按照
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试述钢 结构焊 接变形 与应力控 制
孙 玉 琴
（ 黑龙江化 工建设有限责任公司， 黑龙江 哈 尔滨 １００ ） ５ｏｏ
摘
述。
要： 焊接应力与变形是焊接 过程中产生的 内应力厦焊接热过程 中引起焊件 形状与尺寸的变化， 针对钢结构焊接变形与应力控削进行论
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ｌ概 述
焊接应 力与变形 是焊接过 程中产生 的 内 应力及焊接热过程 中引起焊件形状与尺寸的变 化 。焊接过程的不均匀温度场以及 由它引起的 局部塑性变形 和比容不同的组织是产生焊接应 力与变形产生 的根本原因。焊接应力与变形的 存在。 对构件强度 、 刚度 、 稳定性 、 加工精度 以及 耐久性等产生严重的影响。 用合理的焊接技 采 术及施工措施控制焊接应力与变形是钢结构安
关键 词 ： 结 构 ； 钢 焊接 变形 ； wk.baidu.com控 制 应
１５ Ｍ ａ ０ Ｐ ， 屈服强度 ｆ ２ ５ Ｐ 。泊松 比为 Ｏ ： 仰焊一侧爬焊—侧立焊一立平焊一平焊的顺序 ｙ ９Ｍ ａ ＝ ． ３ 材料本构关系采用理想弹塑性模型 。 屈服准则 进行 。 接头水平方向的焊接变形控制。 对 采用 采用 Ｙ ｎ Ｍ ｓ ’ ｏ ｉ ｓ ｅ 屈服准则， 时屈服强度取值 双人对称均速 、 计算 多层、 多道焊接。对接头垂直方 为 ３５ Ｐ 。 ． ４计算分析。 ４Ｍ ａ ２ ． ２ 利用 Ａ Ｓ Ｓ 限 向的焊接变形控制，因先后焊接对各部位 的收 ＮＹ 有 元分析软件计算构件的温度变化。采用三维实 缩 量 不 同 。一 般 上 壁 比 下 壁 收 缩 量 大 体单 元 Ｂ Ａ ４ Ｅ Ｍ 单元进行计算。以 ｘ向为例， 计 １ ． ｍ 端头 中心下降 约 ０ ｍ ￣ ． ｍ 这 ． ３ ， ５ ｍ ． ｍ １ｍ ， ５ ２ 算时取 的温度 ２ ｏ 。 结果为 ： ｘ方 向最大 样， ５ 计算 Ｃ 在 可在拼装时预先将安装标高提高 ２ ｍ ３ ｍ ｍ 一ｍ 变形为 ６ ｒ ， Ｙ方 向的最大变形为 ０ ｍ 来进行控制。 ． ｍ在 ７ ａ ． ｍ。 ９ 在 ｚ方 向的位 移 为 ０ 最 大 应力 ３ ． Ｐ ； ， ０Ｍａ ９ 在 ４焊接应力消除 装的关键。 ３ ． ２时． ｘ方 向最 大变形 为 １． ｍ 在 Ｙ ２Ｘ ９ 在 ０ｍ ， ８ ４１母 材 检查 ． 下面以某斜交网格钢结构工程为例， 用 方向的最大变形为 １ ｒ ，在 ｚ方向 的位移为 应 ． ｍ ４ ａ 焊接前用 超声波 和磁粉对 母材 焊道周 边 有限元程序 Ａ Ｓ Ｓ 分析了钢构件制作及安 装 ｏ 最大应力 ５Ｍ ａ ＮＹ ， ＇ ０ Ｐ 。综合 比较后 ． 选择温度为 ２ ０ ｍ范围内进行探伤检查 ， ０ｍ 防止因母 材缺陷， 时温差 导致 的变 形及 ２ ℃与 ３．℃两种温 况 ２＂的时段进行结构合拢较为合适 。 ５ ２ ８ 在焊接过程 中出现应力集中现象。 ５Ｃ 下钢结构合拢的变形及应力 ， 并从构件焊接 、 总 ３焊接变形控制措施 ４２焊 中应力 消除与焊后热处理 ． 体安装工艺 、 焊接顺序、 焊接方法等方面探讨 了 焊接变形从大型构 件焊接 、总体安装工艺焊接 焊接过程中． 用电动风铲振动敲击焊道， 消 焊接变形与焊接应力的控制措施。 。 顺序 、 焊接方法等多方面进行控制 。 除焊接应力。焊接完成后， 为保证焊缝 中的扩散 ２温度变形及应力有 限元分析 ３１构件焊接工厂化 ． 氢有足够 的时问得以逸 出及焊接产生的应力得 ２１制作与安装温度变形分析 ． 由制作与安装温度效应分析可知。 主梁构 以释放， 从而避免延迟裂纹 出现， 焊后立 即进行 因工厂的焊接环境 、 设备及器具等条件 比 件的加 工长度最长 １６ ， ｍ 次梁连接牛腿带在主 后热、 保温处理。后热时用氧、 乙炔 中性火焰在 现场好． 在满足运输 限制 的条件下． 最大限度地 粱节点 上； 大型铸钢节点分两段铸造， 在工厂 焊缝两侧 １ ｍ 但 ０ ｍ范围内， ０ 全位置均匀烘烤， 用温 在工厂完成 焊接工作 ， 于控制钢结构质量 。 完成拼装焊接工作 。 有利 度计在 焊缝 ８ ｍ １ ０ ｍ处测 得温度 为 ２ ℃ ０ ｍ，０ ｍ ８ 但是构件太长， 制作 与安装时 的温度差异会产 ３ ． ２总焊装控制 ２ ０ 后用 ４ ５￣ Ｃ 层以上 的石棉布裹紧， 保温 ４ 以 ｈ 生较大的变形， 导致较大 的尺寸误差 ， 因此确定 ３－ ． ｌ吊装 。 ２ 采取 “ 以构件组 合成块 、 成片吊 上， 自然风冷至环境温度 。 然后 构件 的最长加工 长度是 首先要 解决 的问题之 装为主。 以散件吊装为辅 的吊装方法， 在地面最 ５结论 ２． ．１温度选取。 １ 根据气象部 门资料， 制作月 大限度地进行构件组合。 尽可能地减 少高空拼 结合工程实例， 对其 焊接应力 与变形的消 平均最低气温为 ５ ℃； ． 安装月最高气温： ．℃： 装焊接量。安装 总体安装工艺采取平面上从一 除与控铽进行 了探讨’ ２ ２ １ ６ 得到以下几点结论： 温差 ： ．ｏ 。因此选择参考温度 ５ ℃。 ２ ９Ｃ ０ ． 计算温 边 向另一边扩散安装。 ２ 立面上从 下向上 逐步安 ５１通过有 限元分析， ． 确定主梁构件的加工 度 ２ ．℃。２１ ６１ ．． 面选取 。 ２截 计算截面选择焊接 装的工艺流程， ｍ 可将制作与安装温度差异产 减少各种误差 的集 中积累。 ．２ 长度最 长为 ｌ６ ， ３． ２ 箱型梁 １０ ３ ０ Ｏ ２ 计算长度为 ｌ 材 焊接顺序。 ０ ０ Ｘ ０ ×ｌＸＩ ， ｍ， 总体焊接顺序随安装进度次第跟进 ； 生的 构件 变形 控制 在 ±３４ ｍ 选择 温 度 为 ．ｒ ： －ａ 质为 Ｑ ４ Ｇ Ｂ的钢材。 ．３模型建立 。 ３５ Ｊ ２１ ＿ 根据结 调整校正好一个主梁结构平 面后，再进行该 主 ２ 的时段进行结构合拢较为合适。 ５ ｃ 构的实际尺寸。建立胎架的空间三维模型作为 梁结构面的焊接； 每个 正在焊接 的主梁 结构 面 ５ ． ２现场焊接的构件时应 注意： 计算模 型， 钢材料为 Ｑ ４ Ｇ Ｂ 弹性模 量 Ｅ ２ 顺结构安装的方向无约束， ３５ Ｊ， ＝． 焊接应力可顺结构 ５． ． １采用适 当的焊接程序， 分段焊 、 ２ 如 分 ０ ｘ １５ Ｍ ａ ６ ０ Ｐ ＇屈服强度 ｆ ２ ５ ａ ｙ ９ ＭＰ ，泊松 比为 安装方向 自由释放： ＝ 结构 的整体安装焊接是结 层焊； ２ ５． ． ２尽可能采用对称焊缝， 使其变形相反 ０； ． 材料本构关系采用理想弹塑性模型， ３ 屈服准 构不断逐步 向一个 自由拓展 的过程。单元 主梁 而抵消： ２ ５ Ｉ 焊前使结构有一个 和焊接变形 ． ３施 则采用 ＹｎＭｓｓ 服 准则， ｏ ｉ 同 ｅ 计算时屈服强度取 结构面的焊接顺序是先 焊主约束。 后焊 次约束 相 反的预变形 ．．４对 于小 构件焊前 预热 、 ｊ２ ． 焊 值为 ３ ５ Ｐ ｏ ．４计算分析。 ４ Ｍ ａ １ ２． 利用 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 有 的方法， 即先焊主梁拼 阶段 ； 焊主粱与铸钢节 后 回火。然后慢慢冷却 。 后 以消除焊接应力 。 限元分析软件计算构件的温度变化 。采用三维 点的连接； 再焊主梁与次梁 的连接 点： 最后焊接 ５３对焊缝要进行合 理的设计：．． － ５３１避免 实体单元 Ｂ Ａ ４ Ｅ Ｍ 单元进行计算 。从计 算结果 次梁与次梁 的连接点。 ．． ３ ３焊接施工控制 。 ２ 在 焊缝集 中、三向交叉 焊缝 ：３ ５． ． ２焊缝尺寸不宜 可 以看出构件变形为 ０ ５ ｍ ｍ 按构件分段长 焊接方法上深 用组合焊接方式。 Ｃ 气 体半 自 太大：．． ２ｍ ／。 即 ｏ ５３３焊缝尽可能对称布 置，连接过渡平 度 ｌ６ ｍ左右， 制作与安装温度差异产生的构件 动保护焊 ＋药芯焊丝及 手工焊接； 在焊接工艺 滑， 避免应力集 中现象： ３ 避免仰焊。 ５． ．４ 变形可控制在 ± － ｒ 。因此确定主粱构件的 上， ３． ｍ － ４ ａ 加大焊 接能量 密度， 减少热 输入 ， 采用小 电 分析结果表 明： 主粱构件的加工长度选定 加工长度最长 １ｍ。 ６ 流、 快速度 、 多层 、 多道焊接工艺措施； 焊接材料 在 １ ｍ ６ 。可将制作与安装温度差异产生 的构件 ２ 钢结构合拢时温度效应分析 ． ２ 选 用小 直径 的焊条 、 焊丝； 所有使用的焊材具有 变形控制在 ±３ ４ ｍ： Ｎ ｍ 选择 ２ ℃时段 进行结构 ５ ２． ． １荷载选取 。根据现场工期安 排及 相 在大 电流 密度 下保 持 电弧持 续稳 定 的特性 。 合拢较为合适 ， ２ 控制焊接变形与应力的措施可 应的气象资料， 将在 ２ 及 ３ ．℃的温度工况 ３２ ５ｃ ２ ８ ．． ４焊接坡 口。焊前严格按照工艺试验确定的 为其他同类工程提供借鉴参考。 条件下合拢，比选结构 此时的温度变形 及应力 ， 坡口尺寸认 真组装， 特别对铸钢节点的坡 口尺 以确定最佳 的合拢温度。 ．２截面选取。 ２． ２ 计算 寸检查， 比现行规范严格 ２ ３ 同时。 要 － 倍。 为减少 截 面 选 择 合 拢 时 的结 构 面 框 架 。 材 质 为 热输人量， 在工艺试验取得成功 的前提 下。 适当 Ｑ ４ Ｇ Ｂ的钢材。 ．－ ３５ Ｊ ２２３模型建立 。 根据结构 的 减少焊缝坡 口尺寸 … ５接头全位置各种角度 ３ ２ 实际尺寸， 建立胎架 的空 间三维模型作为计算 的焊接 。 接头拼装后． 考虑工件尺寸， 采取两人对 模型． 钢材料为 Ｑ ４ Ｇ Ｂ 弹性模量 Ｅ ２ ６ Ｘ 称 焊， 以仰焊部位起弧， ３５ Ｊ 。 ＝． ０ 都 以平焊部位收弧； 按照
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