焊接变形的分析与控制

焊接变形的分析与控制

随着我国钢结构产业的高速发展，焊接技术在钢结构工程中得到大量的应用，焊接工件尤其是厚板件的变形现象也成为人们密切关注的焦点。

在焊接过程中，焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程、焊接结构的使用性能、焊接接头的抗脆断能力、疲惫强度、抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂能力。焊接变形在制造过程中也会危及外形与公差尺寸、接头安装偏差且增加坡口间隙，使制造过程更加困难，当出现题目时还需采取一些费时耗资的附加工序来进行弥补，不仅增加本钱，还可能出现由此工序带来的其他不利因素。因此，要得到高质量的焊接结构必须对这些现象严格控制。焊接应力分析

熔化焊接时，被焊金属在热源作用下发生局部加热和熔化，材料的力学性能也会发生明显的变化，而焊接热过程也直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、残余应力与变形大小，所以焊接热过程的正确计算和测定是焊接应力和变形分析的条件。因此在焊接过程的模拟研究中，只考虑温度场对应力场的影响，而忽略应力场对温度场的作用。同时，非线性、瞬时作用以及温度相关性效应等也会妨碍正确描述在各种情况下产生的残余应力，并使同一系统化的工作很难完成。为使其简单化，实际中常用焊接性的概念作为一种分类系统，将焊接分解为热力学、力学和显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。图1所示的工艺基础将焊接性分解为温度场、应力和变形场以及显微组织状态场。这种分解针对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。

在狭义上，焊接性又可理解成所要求的强度性能。影响强度性能的主要因素又包括化学成分、相变显微组织、焊接温度循环、焊后热处理、构件外形、负载条件以及氢含量等。因此可将图1扩展成图2以夸大相变行为的影响。其中，图1和图2中的箭头表示相互影响，实箭头表示强烈的影响，虚箭头表示较弱的影响。显微组织的转变不仅决定于材料的化学成分，也决定于其受热过程（特别是与焊接有关的过程），特别是它在焊接接头的热影响区和熔化区的影响更加引人留意。

图1 显微组织度与温度、应力应变场

图2 扩展的显微组织和温度、应力应变场之间的相互关系

从客观规律来看，构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形。但一般人们在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时增加的瞬时应力与焊接残余应力，此时构件在拉应力作用下甚至可能出现裂纹。即使未产生裂纹，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中也会导致构件失稳、变形甚至破坏。因此焊接应力的控制与消除在钢结构制作过程中是十分重要的。

焊接变形控制

在焊接过程中，厚板对接焊后的变形主要是角变形。在实践中一般采取控制变形的发法，即先焊正面的一部分焊道，翻转工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻转工件，这样如此往复。一般来说，每次焊接3~5道焊缝后即可翻身，直至焊满正面的各道焊缝。同时

在施焊时要随时观察其角变形情况，留意随时预备翻身焊接，以尽可能的减少焊接变形及焊缝内应力。另外，设置胎夹具对构件进行约束也可有效地控制变形，此类方法一般适用于异形厚板结构，由于厚板异形结构造型奇异，断面、截面尺寸各异，在自由状态下，尺寸精度难以保证，这就需要根据构件的外形，制作胎模夹具，将构件处于固定的状态下进行装配、定位、焊接，进而控制焊接变形。

除以上方法外，用以下方法也可以防止焊接变形：

1. 采取公道的焊接顺序

选择与控制公道的焊接顺序，是防止焊接应力的有效措施，也是防止焊接变形最有效的方法之一。根据不同的焊接方法，制定不同的焊接顺序，埋弧焊一般采用逆向法、退步法；CO2气体保护焊及手工焊采用对称法、分散均匀法；编制公道的焊接顺序的方针是“分散、对称、均匀、减小拘束度”。

2. 采取反变形措施

对于钢结构工程中比较常见的箱形构件，将上、下翼缘板按图3所示压制反变形后进行组装。

图3 反变形示意

反变形角度α可通过对焊缝焊接过程中的热输进量的计算来确定。构件焊后由于焊接角变形现象，基本可将翼板回复至平直状态。

焊接应力的控制

控制应力的目标是降低应力的峰值并使其均匀分布。具体措施有以下几种：

1. 减小焊缝尺寸

焊接内应力由局部加热循环而引起，我们要针对不同厚度的板材，尽量采用双面坡口，减小焊缝尺寸。

2. 减小焊接拘束度

拘束度越大，焊接应力就越大，因此应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接。如长构件需要拼

接板条时，要尽量在自由状态下施焊，不要待到组装时再焊，应先将其拼接工作完成，再行组装构件。若组装后再焊，则因其无法自由收缩，拘束度过大而产生很大应力。

3. 采取公道的焊接顺序

在焊接较多组装件的条件下，应根据构件外形和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。

4. 采用补偿加热法

在构件焊接过程中，为了减少焊接热输进流失过快，焊缝在结晶过程中产生裂纹的现象，当板厚达到一定厚度时，焊前应对焊缝周边一定范围内进行加热，即焊前预热，加热温度视板厚及母材碳当量（CE）而定。

5. 对构件进行分解施工

对于大型结构应采取分部组装焊接，即对结构各部分分别施工、焊接，矫正合格后再总装焊接。

焊接应力的消除

我们在实际生产制作过程中要采取有效措施控制焊接应力，但是对于一些特殊工程或特殊构件，还可以采取以下方法进一步消除构件残余应力。

1. 利用对零件整平消除应力

钢板在切割过程中由于切割边所受热量大、冷却速度快，因此切割边沿存在较大的收缩应力。中、薄板切割后产生扭曲变形，便是这些应力开释的后果。对于厚板，由于其抗弯截面大，不足以产生弯曲，但收缩应力是客观存在的，因此在整平过程中可加大对零件切割边沿的反复碾压，这对产生的收缩应力的消除极为有利。

2. 进行局部烘烤开释应力

构件完工后在其焊缝背部或焊缝两侧进行烘烤。此法过往常用于对“T”形构件焊接角变形的矫正中，不需施加任何外力，构件角变形即可得以校正。由此可见只要控制加热温度与范围，此法对消余应力还是极为有效的。

3. 采用超声波震动消除应力

超声冲击（UIT）的基本原理就是利用大功率超声波推动工具以大于2万次/s的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表面产生较大的压塑变形，同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。此种方法对消除应力极为有效，超声冲击如图4所示。

图4 超生冲击消除焊接应力

4. 采用振动时效法消除应力

振动时效的原理是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力，使其产生共振，从而使工件获得一定的振动能量，使工件内部产生微观的塑性变形，从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态，晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎，使得残余应力得以被消除和均化。振动时效法具有周期短、效率高以及无污染的特点，且不受工件尺寸、外形和重量等限制，经过大量的工程实践证实，对消除工件应力有明显效果。

5. 利用冲砂除锈的工序进行消除应力

冲砂除锈时，喷出的铁砂束高达2500MP/cm2，用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀的冲击，除了达到除锈效果外，对构件的应力消除也会起到良好的效果。