试析钢结构焊接变形与焊接应力

试析钢结构焊接变形与焊接应力

温金华

身份证：13032119781015xxxx

摘要：在焊接过程中，诸多因素的影响，使得焊接结构会产生和内应力和变形。本文阐述了焊接应力产生的原因，若干种控制及消除焊接应力的措施，以及焊接变形的控制和矫正方法。

关键词：焊接应力，焊接变形，消除，控制

一、焊接应力与变形产生的原因

通常，我们把焊接时不均匀加热看成产生焊接应力与变形的根本原因，焊接应力与变形是由多种因素交互作用而导致的结果，如材料因素、工艺因素和结构因素等。若仅就其材料本身的物理性质和力学性质引起的内拘束条件影响而言，焊接应力与变形产生的原因可表述如下：当焊接时所使用的焊条可能会受热不均匀，而焊缝边缘已经被熔化了。此时由于一些材料的热膨胀特性使得母材料周围会产生低温区域，在这种情况下就会出现压缩性变形。有些材料在进行压缩塑性变形之后一旦冷却下来还会缩小，但是由于受到周边其他材料的影响就使得其不能正常冷却收缩，如果情况特殊材料还有可能被拉伸。对钢结构进行焊接时首先金属材料遇高温熔化，而此时的高温焊缝处会受到拉应力，这时焊接接头区域的材料会相对缩短，所以就产生了应力变形。

当对钢结构进行焊接时除了上文会出现的缩短不协调应变还会出现内应力，平常我们把内应力也叫作焊接应力。对金属材料进行焊接时它会遇高温熔化，一旦与低温冷却后又会恢复原来的弹性。如果在这个过程中金属的内部组织产生了变化，那么就意味着金属内部组织出现了焊接应力。

二、焊接应力与变形关系的阐述

进行焊接工作时出于焊缝位置的金属遇高温时就会熔化，金属的体积就会自然而然的发生膨胀，但是因为受到母材料的影响遇热想要膨胀的金属并不能自由膨胀，此时金属内部组织就产生了压应力。如果金属组织内部的屈服强度小于其内部的压应力就会使金属产生另一种变形，我们叫做塑性变形。当焊接材料内部的塑性变形没有达到完全化同时还会出现一种压缩弹性变形。为了使焊接的构件整个内部组织处于平衡状态高温区域就会产生压应力，而低温区域就会出现拉应力。

焊接金属高温熔化之后还会冷却下来，但是因为各种应力的作用并不会使熔化后的金属恢复原样，体积会缩小形状也会缩短，在内外组织的各项约束作用下就产生了拉应力。焊接的金属在冷却时会有一个拉伸的过程，就是在这样的一个过程中产生了焊接拉应力。在焊接金属内部组织中随着拉应力的产生同时也出现了压应力，一个拉应力一个压应力是整个金属物质处于一个相对平衡的状态。

在焊接时我们通过对金属组织内部进行分析可以得出一个结论，那就是所有的力都是成对出现的，为了保持组织内部结构平衡一些变形和力及影响因素都有很微妙的关系。金属焊接时温度会不断飙高，而金属内部的结构也会有所变化，屈服强度随着温度飙高是会不断减小的，这时焊接应力也减小了，反之同样成立。

三、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

残余应力危害多多，首先它会破坏金属构件的静载能力，残余应力也会使金属结构发生脆性断裂，在一定程度上也会破坏金属结构的稳定性和强度，伴随残余应力产生的还有应力，应力会增加金属的腐蚀程度，随着残余应力的不断迫害金属构件的精度也会不断降低。

2.降低焊接应力的措施

（1）设计措施

在进行焊接时我们需要做一些准备工作，降低焊接应力确实有许多可行的方法，例如尽可能的把金属焊缝的尺寸和数量控制到最小，只要选好焊缝的位置焊接应是有可能降低的。

（2）工艺措施

在进行焊接工艺时我们是有多样选择的，我们完全可以选择一种比较合适的焊接方式将焊接应力及各种影响焊接质量的力降到最小。在进行焊接时我们需要事先确定好焊接工艺的顺序，一个比较恰当的施工顺序是可以减小金属的塑性变形的。金属自由伸缩有的放矢自然也就将残余应力减小了。同时在焊接完毕之后为了尽可能的减小焊接应力还需要对焊缝进行锤击，这样扩大了金属延展性的同时也降低了金属的焊接应力。

降低焊接应变力时还需要做好热处理工作，我们可以选择整体高温加热的方法，也可以选择局部加热的方法，如果有必要还可以采取温差拉伸加热的方法。而最后一种加热方式具体操作就是在焊缝加热过程中还要对其两侧不断用凉水冲击使其冷却。

四、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

焊接变形准确来说可分为两大类，一类是焊接加热过程产生了变形，这种变形又分为瞬间的热变形和室温情况下的残余变形。另一类是焊接面发生了变形，有面内变形和面外变形两种。面内变形又可分为三种变形，有焊接纵向和横向的收缩变形、及焊缝的回转变形。面外又分成了四种变形，有角变形、弯曲变形及扭曲变形和矢稳波浪边形。

2、焊接变形的危害

焊接变形存在着巨大危害例如降低了装配的质量；影响了物品的外观优美程度；焊接变形必然会增加些许工序，这样就提高了制造的成本。

3.预防焊接变形的措施

（1）进行合理的焊接结构设计

焊接前要找准焊缝位置，确保焊缝是沿着构件界面的中轴线对称的；不能因为任何原因使得焊缝过多，并且要保证焊缝有一个合适的尺寸和形状。在构件结构的承载力有保证的情况下，我们焊接时都会选择将焊缝焊的尺寸小些，并且还要找一个对称的坡口。竟可能的保证焊缝少尺寸小。

（2）采取合理的装配工艺措施

a、预留收缩余量法。采取这种方法主要是避免焊件焊接后期发生缩短问题，焊接尺寸缩短要是提前预留出来就能避免掉很多麻烦。通常我们会将三种算法同时应用确保预留尺寸精度，三种分别是估算、经验及实测法。

b、反变形法。所谓反变形法，就是事先将焊件向变形的反方向进行变形，这样就能抵消掉焊接过程中产生的变形。这种防止变形的方法只要提前做好准备工作能控制好变形精度，就能在焊接过程中确保构件装备合理。反变形法主要是为了避免发生角变形及壳体的局部塌陷。

c、刚性固定法。对于防止产生角变形及破浪变形技术人员想到了刚性固定法，这种方法多被用在比较小的焊接构件中。如果焊接比较薄的焊件焊接时通常在焊缝两侧加型钢、压铁或楔子压紧固定。如果需要对压力容器及球形罐体进行装备我们会选择弧形的加强刚性固定板还有日字型的刚性固定板。

d、合理的选择装配程序。如果我们需要焊接大型设备结构，我们通常会先将结构划分为几个小部分，然后逐个进行焊接，焊接完毕之后将每个小部分再焊接到一起。这种焊接保证了每个小部件的自由收缩，避免整个构件产生各种形式的变形。一般我们对储罐进行焊接时是先进行短焊接再进行长焊接的，在焊接焊接之前要做好焊接方式的选取。

（3）采取合理的焊接工艺措施

a、合理的焊接方法。我们尽可能多用气体焊接，为了确保焊接质量过关焊接时通常会用气体保护热源相对集中的地方。

b、合理的焊接规范。如果能采用小规模的焊接方式我们选择小规模焊接法，这样就能将焊接线能量降到最小。

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。

参考文献：

[1]董涛，李兴春.焊接变形的控制方法[J].现代制造技术与装备，2010（2）.

[2]尹妍.车载式电子设备机柜结构轻型化设计[J].指挥信息系统与技术，2010（4）.

[3]白艳玲.指挥方舱设备装载形式[J].指挥信息系统与技术，2011（4）.