浅谈钢结构焊接变形与焊接应力

王红庆 杜鸿

摘要：钢结构的优势在于其自重、强度及抗震上，同时在施工难度和时间上有着明显的优势，为建筑行业以及钢材去产能带来了契机，得到广泛采用。但是钢结构的缺陷和潜在隐患依然存在。例如随着钢结构使用时间增长，其疲劳破损机脆性情况会愈加严重，同时防腐蚀能力也减弱。文章从对钢结构焊接的残余应力的分类、产生原因及解决措施等方面进行剖析，阐述了应对残余应力的几条建议，希望对类似工程提供可供参考和借鉴的意见。

关键词：焊接;温度;焊接变形;焊接应力

在施工过程中一定要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和控制措施，以便减少和消除焊后残余应力、残余变形。在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑各种因素，以保证工程中的焊接质量。

一、焊接应力与变形关系的阐述

在焊接过程中，焊缝金属在热膨胀过程中受到处于相对低温区的母材金属的内拘束和结构外拘束，不能够自由膨胀而产生压应力，压应力大于屈服强度时，这样就产生了压缩塑性变形，随着变形量的增加，焊接应力减小，焊接变形成了应力的释放形式，由于材料还未成为完全塑性材料，在材料内部还会产生压缩弹性变形，为使整个构件平衡，接头高温区产生压应力，母材低温区产生拉应力。

在焊接接头冷却过程中，产生压缩塑性变形的焊缝区由于不能恢复到原来状态，要缩短，由于内外拘束条件的限制，焊缝金属产生了拉应力，屈服点却随温度的降低而升高，因此焊缝产生了一定量的拉伸应变，并未完全拉伸而卸载，即焊接拉应力在焊缝拉伸过程中有所减小，当减小到屈服点以下就以弹性应变的方式存在于焊接构件当中，即产生拉应力，为平衡与此构件当中产生了的焊接压应力，最终整个构件在一拉一压应力作用下平衡了，且构件面积变小。

由此可见焊接应力与变形总是成对出现，在焊接应力、温度和屈服强度的对比的条件下相互转化，温度升高，屈服强度降低，变形增加，焊接应力减小;反之，屈服强度降低，变形减小，焊接应力增加。

二、焊接变形和焊接应力产生的原因

产生焊接变形与应力最根本的原因是焊件受热或冷却不均匀，此外，焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性也是产生或影响焊接变形与应力的重要原因。

1、焊件的不均匀受热

焊接是一种局部加热和冷却的过程，焊件焊接区的金属在热作用下的热自由膨胀受到周围未被加热金属的阻碍而发生压缩性变形，所以焊后冷却时，这一区域的金属必然有收缩变短的趋势。

2、焊缝金属的收缩

焊缝金属包括熔化的母材和填充金属，甚至包括焊缝两侧力学熔点以上的固态母材金属，它们均处于全塑性状态，只有自身的塑性变形，对周围金属并无推力和拉动作用，这部分金属在力学熔点以下是不能自由收缩的。

3、金属组织的变化

有些金属在固态下有相变过程。焊缝金属在周围冷金属的包围中，冷却速度极快。如高强钢焊接时，焊缝金属像被淬火一样，来不及相变，直到较低温度下，才从奥氏体转变为马氏体，比容明显增大，这不但可能抵消焊接时产生的部分压缩塑性变形，减小残余拉应力，甚至可能使焊缝区出现较大的压应力。

4、焊件的刚性和拘束

焊件的刚性和拘束与焊接应力、焊接变形有密切的关系。焊件的刚度和拘束越大，焊接变形就越小、焊接应力则越大;反之，焊件的刚度和拘束越小，焊接变形就越大，焊接应力则越小。

三、焊接变形和焊接应力的预防和控制

1、预防和控制焊接变形的措施

（1）设计措施：

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轴，并使焊缝的布置与构件中轴相对称。

（2）工艺措施

①反变形法。在焊接前进行装配时，预先制造或设置一个与焊接变形相反的变形，以便在焊接过程中，使焊接变形与预制的反变形相互抵消，达到焊接后没有变形的目的，它属于预防焊接变形的措施。

②选择合理的装配焊接顺序。选择合理的装配焊接顺序，使焊接变形消失于装配焊接的过程中，或使不同时期，不同位置产生的焊接变形相反、相消，达到调整、控制和消减焊接变形的目的。

③选择适宜的焊接方法。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，在其他条件如焊缝截面积相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。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。

④固定法。刚性固定法是一个传统的限制焊接变形的方法，简单的固定和限制松开后，弹性变形要释放，不能完全防止焊接变形。刚性固定的方法很多，有的用简单的夹具成支撑，有的采用专用的胎具，有的是临时点固在刚性工作平台上，有的甚至利用结构本身去构成刚性较大的组合体。

⑤散热法。散热法又称强迫冷却法，就是把焊接热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减小，达到减小焊接变形的目的，常用的散热法有水浸法和散热垫法。水浸法常用于表面堆焊和补焊。

2、预防和控制焊接应力的措施

（1）采用合理的焊接顺序

不仅防止弯曲及角变形等焊接变形时要考虑合理安排焊接顺序，而且减小应力也应选择合理的焊接顺序，具体原则如下：

①平面上的焊缝焊接时，要保证焊缝的纵向和横向（特别是横向）收缩不要受到较大的约束。

②收缩量最大的焊缝应当先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，故应力较小。

（2）预先留出保证焊缝能够自由收缩的余量

①开缓和槽减小应力法：厚度大的焊件刚性大，焊接时容易产生裂纹，在不影响结构强度性能的前提下，可以采用在焊缝附近开缓和槽的方法来减小焊接应力，避免裂纹的产生。

②采用“冷焊”的方法：这种方法的原则是使整个结构上的温度分布尽可能均匀，即要求焊接部位这个“局部”的温度应尽量控制得低些，同时这个“局部”在结构这个“整体”中所占的面积范围应尽量小些。

③整体预热法：这种方法减小焊接应力的原理与“冷焊法”在本质上是相似的，即同样是使焊接区的温度和结构整体温度之间的差别减小，差别愈小，冷却后焊接应力也愈小，产生裂纹的倾向也愈小。

④采用加热“减应区”法：这种方法就是加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位（“减应区”），使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用。这种方法又称为加热去除约束法。

四、焊接变形和焊接应力的消除

1、焊接变形的矫正

在钢结构加工之前，首先考虑采取各种有效措施防止或减小焊接变形，但在实际施工中由于某些原因，焊后结构会发生了超过产品技术要求所允许的变形，这样就必须设法矫正变形，使之符合产品质量要求。

2、焊接应力的消除

（1）去应力退火：又称高温回火，焊后钢件加热温度为500～650℃，可进行整体去应力退火，也可以局部退火。

（2）机械拉伸法：即对焊件施加载荷，使焊缝区产生塑性拉伸，以减少其原有的压缩塑变，从而降低或消除应力。如：压力容器的水压试验。

（3）温差拉伸法：利用温差使焊缝两侧金属受热膨胀以对焊缝区进行拉伸，使其产生拉伸塑变以抵消原有的压缩塑变，从而減少或消除应力，该法适用于焊缝较规则，厚度在40L以下的板壳结构。

（4）振动法：通过激振器使焊接结构发生共振产生循环应力来降低或消除内应力。

五、结束语

综上所述，在对钢结构焊接过程中，焊接变形和焊接应力的控制，要结合实际情况，依据现场条件、钢结构的受力情况、焊接工艺的选择等具体参数，结合有效的焊接措施见效焊接变形以及残余应力的影响，保证钢结构的整体结构稳定性。

参考文献：

[1]尹士科.焊接材料实用基础知识[M].北京：化学工业出版社，2017.

[2]牛传波，张彦平，陈小华，等.钢结构焊接变形控制分析[J].建材发展导向（下半月），2017，（9）：43-43.