淺談鋼結構焊接變形與焊接應力

王紅慶 杜鴻

摘要：鋼結構的優勢在于其自重、強度及抗震上，同時在施工難度和時間上有著明顯的優勢，為建筑行業以及鋼材去產能帶來了契機，得到廣泛采用。但是鋼結構的缺陷和潛在隱患依然存在。例如隨著鋼結構使用時間增長，其疲勞破損機脆性情況會愈加嚴重，同時防腐蝕能力也減弱。文章從對鋼結構焊接的殘余應力的分類、產生原因及解決措施等方面進行剖析，闡述了應對殘余應力的幾條建議，希望對類似工程提供可供參考和借鑒的意見。

關鍵詞：焊接;溫度;焊接變形;焊接應力

在施工過程中一定要了解焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，以便減少和消除焊后殘余應力、殘余變形。在實踐中不斷總結、積累焊接經驗，綜合分析考慮各種因素，以保證工程中的焊接質量。

一、焊接應力與變形關系的闡述

在焊接過程中，焊縫金屬在熱膨脹過程中受到處于相對低溫區的母材金屬的內拘束和結構外拘束，不能夠自由膨脹而產生壓應力，壓應力大于屈服強度時，這樣就產生了壓縮塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應力減小，焊接變形成了應力的釋放形式，由于材料還未成為完全塑性材料，在材料內部還會產生壓縮彈性變形，為使整個構件平衡，接頭高溫區產生壓應力，母材低溫區產生拉應力。

在焊接接頭冷卻過程中，產生壓縮塑性變形的焊縫區由于不能恢復到原來狀態，要縮短，由于內外拘束條件的限制，焊縫金屬產生了拉應力，屈服點卻隨溫度的降低而升高，因此焊縫產生了一定量的拉伸應變，并未完全拉伸而卸載，即焊接拉應力在焊縫拉伸過程中有所減小，當減小到屈服點以下就以彈性應變的方式存在于焊接構件當中，即產生拉應力，為平衡與此構件當中產生了的焊接壓應力，最終整個構件在一拉一壓應力作用下平衡了，且構件面積變小。

由此可見焊接應力與變形總是成對出現，在焊接應力、溫度和屈服強度的對比的條件下相互轉化，溫度升高，屈服強度降低，變形增加，焊接應力減小;反之，屈服強度降低，變形減小，焊接應力增加。

二、焊接變形和焊接應力產生的原因

產生焊接變形與應力最根本的原因是焊件受熱或冷卻不均勻，此外，焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性也是產生或影響焊接變形與應力的重要原因。

1、焊件的不均勻受熱

焊接是一種局部加熱和冷卻的過程，焊件焊接區的金屬在熱作用下的熱自由膨脹受到周圍未被加熱金屬的阻礙而發生壓縮性變形，所以焊后冷卻時，這一區域的金屬必然有收縮變短的趨勢。

2、焊縫金屬的收縮

焊縫金屬包括熔化的母材和填充金屬，甚至包括焊縫兩側力學熔點以上的固態母材金屬，它們均處于全塑性狀態，只有自身的塑性變形，對周圍金屬并無推力和拉動作用，這部分金屬在力學熔點以下是不能自由收縮的。

3、金屬組織的變化

有些金屬在固態下有相變過程。焊縫金屬在周圍冷金屬的包圍中，冷卻速度極快。如高強鋼焊接時，焊縫金屬像被淬火一樣，來不及相變，直到較低溫度下，才從奧氏體轉變為馬氏體，比容明顯增大，這不但可能抵消焊接時產生的部分壓縮塑性變形，減小殘余拉應力，甚至可能使焊縫區出現較大的壓應力。

4、焊件的剛性和拘束

焊件的剛性和拘束與焊接應力、焊接變形有密切的關系。焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小、焊接應力則越大;反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應力則越小。

三、焊接變形和焊接應力的預防和控制

1、預防和控制焊接變形的措施

（1）設計措施：

設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中軸，并使焊縫的布置與構件中軸相對稱。

（2）工藝措施

①反變形法。在焊接前進行裝配時，預先制造或設置一個與焊接變形相反的變形，以便在焊接過程中，使焊接變形與預制的反變形相互抵消，達到焊接后沒有變形的目的，它屬于預防焊接變形的措施。

②選擇合理的裝配焊接順序。選擇合理的裝配焊接順序，使焊接變形消失于裝配焊接的過程中，或使不同時期，不同位置產生的焊接變形相反、相消，達到調整、控制和消減焊接變形的目的。

③選擇適宜的焊接方法。多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結構焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫截面積相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護焊最小。對屈服強度345Mpa以下，淬硬性不強的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度;優先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護焊。

④固定法。剛性固定法是一個傳統的限制焊接變形的方法，簡單的固定和限制松開后，彈性變形要釋放，不能完全防止焊接變形。剛性固定的方法很多，有的用簡單的夾具成支撐，有的采用專用的胎具，有的是臨時點固在剛性工作平臺上，有的甚至利用結構本身去構成剛性較大的組合體。

⑤散熱法。散熱法又稱強迫冷卻法，就是把焊接熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減小，達到減小焊接變形的目的，常用的散熱法有水浸法和散熱墊法。水浸法常用于表面堆焊和補焊。

2、預防和控制焊接應力的措施

（1）采用合理的焊接順序

不僅防止彎曲及角變形等焊接變形時要考慮合理安排焊接順序，而且減小應力也應選擇合理的焊接順序，具體原則如下：

①平面上的焊縫焊接時，要保證焊縫的縱向和橫向（特別是橫向）收縮不要受到較大的約束。

②收縮量最大的焊縫應當先焊。因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，故應力較小。

（2）預先留出保證焊縫能夠自由收縮的余量

①開緩和槽減小應力法：厚度大的焊件剛性大，焊接時容易產生裂紋，在不影響結構強度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開緩和槽的方法來減小焊接應力，避免裂紋的產生。

②采用“冷焊”的方法：這種方法的原則是使整個結構上的溫度分布盡可能均勻，即要求焊接部位這個“局部”的溫度應盡量控制得低些，同時這個“局部”在結構這個“整體”中所占的面積范圍應盡量小些。

③整體預熱法：這種方法減小焊接應力的原理與“冷焊法”在本質上是相似的，即同樣是使焊接區的溫度和結構整體溫度之間的差別減小，差別愈小，冷卻后焊接應力也愈小，產生裂紋的傾向也愈小。

④采用加熱“減應區”法：這種方法就是加熱那些阻礙焊接區自由伸縮的部位（“減應區”），使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應力的作用。這種方法又稱為加熱去除約束法。

四、焊接變形和焊接應力的消除

1、焊接變形的矯正

在鋼結構加工之前，首先考慮采取各種有效措施防止或減小焊接變形，但在實際施工中由于某些原因，焊后結構會發生了超過產品技術要求所允許的變形，這樣就必須設法矯正變形，使之符合產品質量要求。

2、焊接應力的消除

（1）去應力退火：又稱高溫回火，焊后鋼件加熱溫度為500～650℃，可進行整體去應力退火，也可以局部退火。

（2）機械拉伸法：即對焊件施加載荷，使焊縫區產生塑性拉伸，以減少其原有的壓縮塑變，從而降低或消除應力。如：壓力容器的水壓試驗。

（3）溫差拉伸法：利用溫差使焊縫兩側金屬受熱膨脹以對焊縫區進行拉伸，使其產生拉伸塑變以抵消原有的壓縮塑變，從而減少或消除應力，該法適用于焊縫較規則，厚度在40L以下的板殼結構。

（4）振動法：通過激振器使焊接結構發生共振產生循環應力來降低或消除內應力。

五、結束語

綜上所述，在對鋼結構焊接過程中，焊接變形和焊接應力的控制，要結合實際情況，依據現場條件、鋼結構的受力情況、焊接工藝的選擇等具體參數，結合有效的焊接措施見效焊接變形以及殘余應力的影響，保證鋼結構的整體結構穩定性。

參考文獻：

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[2]牛傳波，張彥平，陳小華，等.鋼結構焊接變形控制分析[J].建材發展導向（下半月），2017，（9）：43-43.