焊接应力、焊接变形的产生和控制

李季

（齐齐哈尔市自来水集团广源给水工程有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

在建筑工程钢结构日益发展的今天，形式各样的焊接机械、焊接方法日新月异，焊接技术和焊接质量成了一个关键的课题。但是在施工过程中，由于焊接过程产生的焊接残余应力和焊接残余变形，严重影响着工程的质量、工程的安装进度和结构承载力（即使用功能），因此，需要采用合理的焊接方法和焊接工艺加以控制。建筑工程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。

焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。按应力作用时间的不同，焊接应力可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬间应力，是指焊接过程中某一瞬时的焊接应力，它随时间而变化。焊件冷却后，残留于焊件内的应力，称为焊接残余应力。焊接变形，即由于焊接而引起的焊件变形。焊接变形包括焊接过程中的变形和焊接残余变形。焊后焊件不能消失的变形，称为焊接残余变形。我们将主要讨论焊接残余应力、焊接残余变形的产生和控制。

1 焊接残余应力与焊接残余变形产生的原因

影响焊接应力与变形的因素很多，最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性的不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与焊接变形的大小、方向、分布等也都有一定影响。

2 焊接残余应力和焊接残余变形的分类

2.1 焊接残余应力

按焊接应力的性质划分：拉应力；压应力。

2.2 按引起焊接应力的基本原因划分

热应力，也称温差应力；组织应力，也称相变应力；拘束应力，也称反作用应力或收缩应力。

2.3 按焊接应力作用的方向划分

纵向应力；横向应力；厚度方向应力。

2.4 按焊接应力在焊接结构中存在的情况划分

单向应力（线应力）；两向应力（平面应力）；三向应力（体积应力）。

2.5 按内应力的发生和分布范围划分

第一类应力，又称宏观应力；第二类应力，又称微观应力；第三类应力，它的平衡范围更小，其平衡范围只可用晶格尺寸来比量。

焊接残余变形，焊接变形分为六种基本变形形式：收缩变形：纵向收缩变形；横向收缩变形；弯曲变形；角变形；波浪变形；扭曲变形；错边变形。

3 焊接残余应力、焊接残余变形的控制措施

针对这些不同种类的焊接残余应力和焊接残余变形，追溯根源，根据实际情况进行分析，采取有效可行的控制措施。

3.1 焊接残余应力的控制措施

构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。焊接残余变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制焊接变形，往往对控制焊接残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制焊接变形，与此同时实际上是增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩较大时，虽然焊接变形会较小，但却同时产生较大的焊接内应力，甚至产生焊接裂纹。因此，对于一些构件截面厚大，焊接节点复杂，拘束度大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种：减小焊缝尺寸；减小焊接拘束度；采取合理的焊接顺序；降低焊件刚度，创造自由收缩的条件；锤击法减小焊接残余应力；采用抛丸机除锈。

3.2 焊接残余变形的控制措施

全面分析各种因素对焊接残余变形的影响，掌握其影响规律，就可以采取合理有效的控制措施。

3.2.1 焊缝截面积的影响

焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响作用，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。

3.2.2 焊接热输入的影响

一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。

3.2.3 焊接方法的影响

多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。

3.2.4 接头形式的影响

在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等条件因素相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度，使焊缝收缩的同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。

3.2.5 焊接层数的影响

横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊接时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。

在工程焊接实践过程中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，充分了解各因素单独作用的影响，以便于对工程焊接具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，就可以采取合理有效的控制焊接残余变形的技术措施：

1 )减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸（角度和间隙）。对屈服强度345MPa以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊。在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接方法可采用间断焊接法。双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊接时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。采用刚性夹具固定法控制焊后变形。采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm～0.7mm。对于长构件的扭曲，主要靠提高板材平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙准确，电弧的指向或对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。

综上所述，在建筑工程钢结构焊接过程中，一定要了解焊接工艺，采取合理有效的焊接方法和控制措施，以便减少和消除焊接残余应力和焊接残余变形。在工作实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑各种影响因素，才可以保证建筑工程中的焊接工程质量。

[1]王者昌.关于焊接应力应变问题的再探讨[J].焊接学报，2006-08-25.