金屬材料焊接應(yīng)力與變形控制分析

林和 姜蘭英

[摘要]：金屬材料焊接應(yīng)用廣泛，焊接質(zhì)量與變形控制尤為重要，現(xiàn)結(jié)合金屬結(jié)構(gòu)的制作與安裝實踐經(jīng)驗，來分析焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因，根據(jù)鋼材特性及工況、焊材、電流電壓等因素對焊接質(zhì)量的影響，提煉闡述焊接應(yīng)力和焊接變形的控制方法。

[關(guān)鍵詞]： 金屬材料;焊接應(yīng)力;變形;控制

中圖分類號： TG404?? 文獻標(biāo)志碼：A

引言

工程建設(shè)項目中金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施占比越來越大，較復(fù)雜金結(jié)設(shè)備焊接施工也隨之增加。金屬結(jié)構(gòu)在制作和安裝的整個過程，焊接應(yīng)力和變形貫穿始終，良好的工藝措施不僅是金屬結(jié)構(gòu)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(yīng)用與焊接質(zhì)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(jié)構(gòu)建筑，無論是重型機械裝備還是輕鋼結(jié)構(gòu)，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?qū)附討?yīng)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(zhì)量和效益。

焊接質(zhì)量的影響因素主要有工藝安排、金屬材質(zhì)、結(jié)構(gòu)類型、電流電壓等。如果采用措施不當(dāng)、在焊接過程中結(jié)構(gòu)件會產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，嚴重的會造成塑性應(yīng)變脆化，產(chǎn)生裂紋。嚴重時會出現(xiàn)焊件的強度、鋼度，影響結(jié)構(gòu)件受壓時的穩(wěn)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(fā)一些意想不到新問題[2]。

2 焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因分析

2.1 焊接構(gòu)件溫差較大

焊接時焊縫高溫區(qū)域?qū)е抡麄€周邊溫度不斷發(fā)生變化，受環(huán)境溫度等因素影響，構(gòu)件產(chǎn)生局部溫度較大問題，這是導(dǎo)致應(yīng)力和變形的最主要原因[3]。焊接時焊縫金屬融化，導(dǎo)致焊縫區(qū)溫度相對較高，而焊縫區(qū)周圍金屬溫度相對較低，則焊接過程產(chǎn)生了相對較大的區(qū)域溫差，構(gòu)件內(nèi)部溫差較大，導(dǎo)致構(gòu)件整體的不規(guī)律膨脹和收縮，構(gòu)件在局部拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下不能自由膨脹。當(dāng)金屬材料受到的拉或壓應(yīng)力超過其屈服強度臨界點時，會產(chǎn)生塑性變形。焊件逐漸冷卻時，因受熱的部分金屬已產(chǎn)生了塑性變形，則會出現(xiàn)被加熱區(qū)域金屬構(gòu)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(dǎo)致整體構(gòu)件的不均勻受力，就會在整體金屬構(gòu)件中產(chǎn)生應(yīng)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(jù)熱脹冷縮原理，體積會收縮。隨著溫度變化，構(gòu)件會產(chǎn)生相應(yīng)的變形和應(yīng)力。焊縫的收縮會對焊縫區(qū)金屬產(chǎn)生壓應(yīng)力，焊縫區(qū)周圍金屬產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩種應(yīng)力作用下導(dǎo)致金屬結(jié)構(gòu)件局部的不規(guī)則受力而出現(xiàn)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(shù)量，即高溫區(qū)域的占比影響，所以采用的構(gòu)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(qū)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(nèi)部材料組織會相應(yīng)的發(fā)生變化，隨著金屬材料含量不同，焊縫金屬冷卻后會發(fā)生體積變化，但在周圍沒有組織變化的金屬則會產(chǎn)生限制作用力，則會產(chǎn)生構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力。

2.4 焊件的鋼度

金屬構(gòu)件在焊接過程中會約束部分金屬變形，鋼性不同的焊接結(jié)構(gòu)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(gòu)件變形，但同時會增大焊接應(yīng)力。

另外，焊件材質(zhì)、工藝和方法、對接形式、坡口的形式和角度、預(yù)留間隙、電流電壓、焊接速度、焊條直徑等都會對焊接應(yīng)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(yīng)力的控制

3.1 合理的設(shè)計措施

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在焊接上應(yīng)盡量減少焊縫數(shù)量，盡量減少焊接量來達到控制結(jié)構(gòu)件應(yīng)力的目的，根據(jù)焊件的面積、厚度、合理安設(shè)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(shù)。

3.2 工藝措施

鋼材的焊接由于局部金屬在短時間內(nèi)達到高溫熔化狀態(tài)，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(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)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(dāng)?shù)拇胧┖瓦m合的焊接參數(shù)、針對性的方法等要素才能取得良好的應(yīng)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(yīng)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(fù)雜的如箱罐底板縱橫交錯的對接焊縫應(yīng)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(jié)構(gòu)，對接焊縫收縮量相對較大應(yīng)先焊，先焊的收縮阻力小、應(yīng)力小。

3.2.2 降低焊縫的拘束度

在焊接受結(jié)構(gòu)局限而造成相關(guān)的封閉焊縫拘束度較大，例如箱罐環(huán)縫的最后封口焊接，以及拘束度大而易產(chǎn)生變形的結(jié)構(gòu)，就要根據(jù)情況事先采用鋼性固定法、反變形法及焊前預(yù)熱焊后緩冷等措施來控制結(jié)構(gòu)焊接時的局部拘束度，釋放局部應(yīng)力控制變形，控制整體結(jié)構(gòu)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(yīng)力均衡作用，使焊縫收縮及周邊金屬膨脹應(yīng)力均衡，讓焊縫區(qū)金屬得到有效延展。但錘擊力度應(yīng)適當(dāng)，避免過力產(chǎn)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(yīng)法

在焊件的減應(yīng)區(qū)加熱使金屬材料膨脹而延長，加熱區(qū)的延長可以帶動焊接區(qū)產(chǎn)生與焊縫方向相反的變形。這樣，在加熱區(qū)冷卻收縮時，焊縫就可以自由地收縮，達到減少內(nèi)應(yīng)力，類似于火焰矯正消除應(yīng)力的效果。

3.2.5 采用冷焊法

采用冷焊法力求做到整個結(jié)構(gòu)上的溫度分布盡量均勻，追求焊縫和高溫?zé)嵊绊憛^(qū)的寬度盡量窄小，控制溫度，這樣收縮造成的應(yīng)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(xiàn)。如采用小徑焊條、小電流多層直焊法。

3.2.6 焊前預(yù)熱和焊后緩冷

根據(jù)才特性，一些特殊材料的焊接需要焊前預(yù)熱，來減少焊縫區(qū)與周圍區(qū)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(dāng)溫度來降低焊縫區(qū)的冷卻速度，使焊件能較均勻緩慢冷卻，來控制焊接應(yīng)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(yù)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(jù)經(jīng)驗對焊接變形量大小和走向的一個預(yù)判，而在金屬結(jié)構(gòu)件組對和拼裝時預(yù)留一定的相反變形量，使結(jié)構(gòu)件焊后與焊前預(yù)留量產(chǎn)生的變形相抵消，來達到構(gòu)件平整的目的和想達到的理想狀態(tài)。

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(jié)構(gòu)裝配的調(diào)整可有效控制焊接變形，同樣的結(jié)構(gòu)如采用不同的焊接順序和合理的裝配方法，便可實現(xiàn)良好控制結(jié)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(yīng)采取對稱焊、由內(nèi)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(jù)整體結(jié)構(gòu)件或設(shè)備結(jié)構(gòu)情況安排焊接位置、方向、焊接人數(shù)，達到控制變形量最小的目的，焊接人數(shù)都是成對成組配置，較大的結(jié)構(gòu)需多人同時施焊，使焊接變形相互制約，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力得到均衡而不產(chǎn)生較大的整體變形。

4.4 剛性固定法

有些結(jié)構(gòu)在沒法設(shè)置反變形等的情況下，只能選擇將構(gòu)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(zhì)影響會造成較大的結(jié)構(gòu)變形，有的材料在使用了上述各種方法后還是出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形，這就是鋼材本身（金屬元素的化學(xué)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(zhì)量。如果合金元素含量不穩(wěn)定的材料，則會增大焊接區(qū)域材料的硬脆性，降低可焊性，針對此類材料應(yīng)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(guī)因素，要遵循材質(zhì)匹配原則，根據(jù)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(diào)整要根據(jù)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(jié)

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

參考文獻

[1]王豐景. 鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與焊接應(yīng)力研究[J]. 工程技術(shù)研究， 2017（04）：72-73.

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

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

[4]吳輝宇， 向青山. 鋼結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析及焊接變形與應(yīng)力控制[J]. 中外建筑， 2009（04）：176-178.

[5]蔣莉莎. 焊接殘余應(yīng)力的危害及處理方法[J]. 滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報， 2011， 10（02）：64-65+69.

[6]楊燕. 焊接熱源對鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力的影響[J]. 鑄造技術(shù)， 2014， 35（02）：374-377.

[7]姜秀麗， 宋增栓， 李蘭英. 金屬結(jié)構(gòu)件組裝及焊接變形控制[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備， 2012（04）：47-48.

[8]王聰. 鋼結(jié)構(gòu)大型焊接構(gòu)件的焊接變形預(yù)測與控制[D]. 青島理工大學(xué)， 2012.

[9]舒先慶， 黃新明， 代國文. 鋼結(jié)構(gòu)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(shè)項目管理工作。

單位名稱：中工國際工程股份有限公司