焊接变形的控制及预防措施探究

焊接变形的控制及预防措施探究

黄明远

焊接过程中，由于焊缝金属和基础材料的冷热循环问题所引发的收缩、膨胀，被称之为是焊接变形问题。在进行焊接工作的时候，沿着同一边进行焊接，可能会引发变形超过两边交叉焊接，并且由于焊接所引发的冷热循环中，会对金属的收缩性造成影响，并导致变形问题的出现，像金属在受热过程中，其机械、物理性能都会有所变化，当热膨胀增大、热量增大的时候，焊接区域的温度会升高，进而导致焊接区域钢板的弹性、强度和热导性能出现降低的情况。

1焊接应力和焊接变形的定义

在钢结构焊接过程中，由于焊接时产生的热源以及焊接热循环的影响，使焊件不均匀受热，在焊件上形成了不均匀的温度区域，致使焊件根据钢结构的特性不均匀的收缩及膨胀，使焊件内部形成焊接应力引起形变。焊接应力根据焊件材质、焊接时施工方法、焊接工艺及固定时的拘束程度等，造成不同的焊接应力大小及分布，按照焊接应力作用方向可将其分为三大类，分别为单向力、双向应力及三向应力。薄板的对接焊划归为双向应力；大厚度焊件、丁字焊缝划归为三向应力，其具有纵向应力、横向应力及厚度方向产生的应力。三向应力会使钢结构的脆性断裂更易发生，降低材料的塑性，是一种存在安全隐患的应力状态。焊接残余应力和变形，对钢结构的承载能力以及构件的加工精度有着很大的影响，施工中应该从源头抓起，强化设计方案，增强焊接工艺、焊接方法的精确度，降低焊接应力和残余变形对钢结构造成的影响。

2导致焊接变形的原因

1)焊接应力的产生是导致焊接变形最主要的原因。焊接工件的大小程度，复杂情况会产生大小数量不等的复杂焊缝。在处理焊缝的过程中，就有难以预测的复杂应力产生，从而导致焊接变形。变形度越大那么工件的外观和质量就会受影响。甚至可能会报废，或发生安全事故，造成经济损失。2)受焊接材料的影响。焊接材料的质量好坏对焊接变形会产生影响。材料基本都是金属，金属本身有特殊的热物理性。焊接材料的热传导系数越大，温度梯度较小，这样焊接变形的几率也就越小。焊接是向母材料焊口加热，让其产生高温，使焊材与母材料完全融合。如果在加热过程中，受热不均匀，都会导致焊接变形。3)焊接结构的设计。焊接结构因素是焊接变形的最大原因。焊接结构设计非常复杂。工件自身是拘束体，它随焊接而慢慢变化。所以工作的难度比较大。焊接会出现数量、结构不一样的焊缝。如果焊缝的结构复杂，焊接就更难掌握。因为一部分结构件设计繁琐。技术含量要求比较高，所以对焊接的各环节的要求都很严格。假设焊接结构设计不合理，其中随便哪一个地方出现问题，都会出现焊接变形的情况。4)没有制定合理的焊接工艺。不合理的焊接工艺会影响产品的质量和生产效率。焊接工艺也考验师傅的手艺。当然，对技师的要求也必须要高。焊接时所需要的电压、工件的固定、焊接的前后顺序，怎么选择合理的焊接设备，等各方面用到的工具都是焊接工艺对焊接变不变形的重要影响部分。这就需要丰富的理论知识和实践经验的技师来制定合理的焊接工艺。

3钢结构焊接变形与焊接应力的分类

3.1钢结构焊接变形的种类

钢结构焊接变形可以分为两大类，即为面内变形和面外变形。而面内变形可分为纵向收缩变形、焊缝回转变形及横向收缩变形三小类，面外变形多为弯曲形变、扭曲形变、角形变及失稳波浪形变等。其中，钢结构多表现为纵向收缩变形和横向收缩变形，而在不同焊件中，这两种变形往往会因焊缝的数量及位置分布不同，表现出其他形式的变形。

3.2残余应力的分类

在进行焊接冷却后，部分焊件中仍残存未消除的应力。通常情况下，称此类残存应力为焊接残余应力，根据残余应力的方向区别，将残余应力分为纵向应力、横向应力及沿焊缝厚度方向的残余应力三类别。

4钢结构焊接应力控制的策略分析

4.1振动时效法

采用振动时效法实践的焊接经验可知，在降低焊接残余应力方面振动时效法有着显著作用，振动时效法其优势在于其作用下不受钢结构尺寸、形状、重量等因素的制约。同时施工周期短、效率高并且没有污染。因此可以选择结合钢结构的外形特点及应力情况，合理选择有效的振型，对钢结构残余应力部位施加适度振动，消除构件内部的残余应力，保证钢结构的稳定性。特别是对于环状钢结构，振动时效法对稳定构件的行为尺寸效果显著。

4.2采取合理的焊接顺序

在焊接过程中应遵循先焊中间，后焊四周的施工顺序，这样可以做到焊缝按照中间向四周的方向依次收缩，减小其相互作用力。在构件表面有交叉焊缝的情况下，着重注意交叉处的焊接工艺。在靠近纵向焊缝的横向焊缝处，多会有未焊透的情况，且同时此部分未焊透的情况多有出现，此时焊接缝正好在纵焊缝的拉伸应力场中，三向应力就会产生，造成脆性形变。

4.3间断焊接法

间断焊接法的原理是使焊接区附件的构件长期处于冷却状态，降低钢结构受到的热源影响，降低焊接应力。根据钢结构的实际情况，间断性的进行焊接，然而在时间上会用到更多工期。例如在电弧冷焊时，先进行很短的焊缝焊接，再进行其他的焊接工作。

4.4减小焊缝尺寸设计要求

在设计优化阶段，利用应力计算合理考虑局部加热循环，避免其引起的二次焊接应力。同时端正观念，消除焊缝越大越安全的错误想法。施焊过程中控制好焊缝的尺寸，控制好焊缝的坡口角度，尽量采用双面焊接坡口。

4.5减小焊接拘束度

焊接时构件受到的约束力越大，产生的焊接应力就越强，对钢结构的稳定性影响就越大。因此在焊接时，避免焊缝处受到的约束力过大。比如在长构件的焊接时，采用拼接板条，再进行自由状态下的施焊，严禁在组装时焊接。同时要按照施工工艺进行拼接步骤，避免钢结构的各个部位无法自行收缩，增大了其内部的约束力，造成残余应力的增加。

4.6对构件进行分解施工

常态下体积越大的钢结构，焊接起来更加复杂。在施工时可以把大型钢结构进行分解焊接，待校正完成后再进行总体焊接安装，提高施工效率的同时降低了焊接应力，同时提高了钢结构的整体精准度。

4.7补偿加热法

对于较厚的钢构件，可以在焊接前进行焊前预热，有效减少焊接热输入的流失，避免因热度不均匀而产生裂缝。结合现场实际情况对焊缝周围的一些构件部位进行预热，结合钢构件的实际情况确定加热的温度量。

5结论

产生焊接变形的原因非常复杂，特别是对于大构件的焊接，由于它本身质量和尺寸都比较大，焊缝的分布也比较复杂。还有设计方面的因素，所以，在对大构件焊接途中的变形控制就非常困难。同时，大件的生产成本本来就高的多，就必须要降低大件的报废率。所以，控制焊接变形是很重要的一门技术。当然，也要提高技师的专业水平，减少人为原因使焊接变形的情况。还要不断学习和引进优秀的技术和设备工具，有效地控制焊接变形，才能提高产品生产率、质量和合格率。

参考文献

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