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摘要：在钢结构的焊接过程中，由于焊接区域的局部收缩和应力作用将产生焊接变形，焊接变形会影响钢结构的尺寸精度、安装要求和施工进度。阐述了焊接变形的控制方法和减小焊接应力的一些措施。从焊缝坡口设置、选择合理的焊接顺序、采取反变形措施和对称焊接四个方面可有效减小钢结构的焊接变形；从焊缝设计、焊接材料和焊接参数选择、焊接工艺布局、适当的热处理措施和振动时效处理五个方面来降低钢结构的焊接应力。
关键词：焊接变形；应力；控制措施
Abstract: in the process of welding steel structure, due to the local contraction of weld zone and stress will produce the welding deformation, the welding deformation will affect the dimensional accuracy of steel structure, the installation requirements and construction schedule. The control method of welding deformation and welding stress reduction measures. Reasonable selection from the weld groove, welding sequence, take anti-deformation measures and symmetric welding four aspects can effectively reduce the steel structure of the welding deformation; from the design of welding seam, welding heat treatment measures and vibration of appropriate materials and the choice of welding parameters, welding process layout, efficient processing five aspects to reduce the welding stress of steel structure.
Keywords: welding deformation; stress; control measures
中图分类号: TU391
前言
我国钢结构需求迅猛发展，焊接技术在钢结构的制作中得到了大量的应用。在焊接过程中，不均匀温度场及其引起的局部塑性变形和比容不同的组织不可避免地会产生焊接应力和变形[1]，如何有效地减少应力和变形成为研究的焦点。焊接应力会影响焊接接头的韧性、疲劳强度和抗腐蚀能力，而变形则会影响产品的几何尺寸和装配质量。焊接变形是应力作用的宏观表现，焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪边形、扭曲变形五种形式[2]。
1 控制焊接变形的工艺方法
(1)坡口设置
合理设置坡口可以有效减小焊接变形。如对于拼接焊缝，特别是厚板的拼接焊缝，为了减少焊后变形，将坡口设置成非对称坡口，如图1 所示。
图1 焊接坡口设置
具体方法是：先焊坡口较深一侧的1／3，翻转背面焊接完成后，再翻过来焊接剩余的2／3。两次翻转焊接完成整条拼缝。实践证明，此方法翻转次数少，焊接变形小，生产效率高。
(2)选择合理的焊接顺序
选择合理的焊接顺序既能减小焊接应力集中，又能防止焊接变形。如腹板较宽需多块钢板拼接时，应先焊横焊缝，后焊纵焊缝，如图2 所示。
图2 合理安排焊接顺序
图2 中有四处焊缝，焊缝1、2、3 可互换焊接顺序，但焊缝4 必须在焊缝1～3 焊接完成后才能进行焊接，这是因为焊缝1～3 焊接完成后会产生横向收缩，再焊接焊缝4(產生纵向收缩)时已得到释放。如果全部点焊后不论顺序焊接，在丁字口处容易产生应力集中，且钢板焊后易产生波浪状变形[3]。
(3)反变形措施
反变形措施常用在角焊缝的焊接中，特别是薄翼板与腹板的焊接，如图3 所示的叠梁，叠板1、2厚度只有25 mm。在与腹板焊接时两端易产生向腹板方向的翘曲变形，为了保证叠板1、2 中间的贴合面要求，采取反变形措施(见图3a)，通过焊接热输入精确计算变形量b，这样叠板1、2 与腹板焊接后基本能恢复到平直状态(见图3b)。
图3 反变形措施
(4)对称焊缝采用对称焊接施工
对于截面形状对称、焊缝分布均匀，且是对称构件，应采用对称焊接施工。如腹板上的筋板，筋板的两侧均与腹板焊接，因此焊接时应由两名焊工在筋板两侧同时施焊，这样焊后筋板才能基本垂直于腹板，很少校形；否则焊完筋板一侧再焊另一侧，由于焊接变形，焊后筋板很难垂直于腹板，需大量火焰矫正。
2 减少焊接应力的工艺措施
(1)焊缝尺寸的选择
焊缝应力是由焊接区域热胀冷缩形成的，焊接区域越小，热输入就越少，变形也越小，如小角度坡口、厚板尽量采用双面坡口。
(2)合适的焊接材料和焊接参数
焊材选择适当可有效降低焊缝中淬硬组织的形成和应力集中，提高焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性能。通常都是使焊缝金属的含碳量低于母材，依靠提高焊缝中硅、锰含量来达到与母材等强度[4]。焊接参数中的焊接线能量与焊接变形成正比，焊接线能量越大，则焊接时产生的塑性变形越大，应力越大，焊后变形也越大，反之则越小[5]。
(3)合理的焊接工艺
对于钢结构中的长焊缝，在可能的情况下将连续焊改成分段焊接，分段焊时在接头处要交错覆盖对方的接头，避免接头对齐。分段焊时注意焊接变形，温度太高时要停下来缓冷或翻转焊接背面；多件焊接时要先焊拘束度大的构件，后焊拘束度小的构件；三面焊接时可适当地改变焊接方向，从中间向两侧焊接。
(4)热处理措施
采取适当的热处理措施，既能消除应力和变形，又能防止产生裂纹。如厚板下料和焊接前应进行预热，因为预热可降低焊缝金属和热影响区的冷却速度，抑制淬硬组织马氏体的形成，避免气割边缘和焊缝产生较大的应力。如厚度大于100 mm 的低合金钢板预热温度应高于100℃，加热范围为切割线或坡口两侧150～200 mm。焊后进行缓冷或后热，以利于焊缝中扩散氢的逸出，避免氢富集产生应力，后热温度高于150℃，保温2～3h。消除应力的退火处理除了可使氢逸出外还能改善组织性能，退火处理温度550℃～600℃。
(5)采取振动时效的方法消除应力
对于不易进行焊缝退火处理的大型结构件可进行振动时效。振动时效的原理是给工件施加一个与固有谐振频率相一致的周期振动力，使其产生共振，从而产生一定的共振能量，使工件内部产生微小的塑性变形，将残余应力造成的歪曲晶格恢复到平衡状态，从而消除或均匀化残余应力。使用该方法具有生产周期短、效率高，效果好等优点[6]。如果生产周期较长，还可以采取振动时效和自然时效相结合的办法。
综上所述，通过采取适当的设计措施和工艺措施，可以有效地控制钢结构的焊接变形，保证工程质量。
由于影响钢结构焊接变形的因素较多，因此出现焊接变形也是难免的。具体问题具体分析，将焊接变形控制在最小范围之内，不要影响到钢结构的尺寸精度和安装技术要求。
参考文献：
[1] 陈祝年．焊接工程师手册[M]．北京：机械工业出版社，2002．
[2] 史耀武．焊接技术手册[M]．福州：福州科学技术出版社，2005．
[3] 朱江．焊接变形的控制和预防[J]．电焊机，2009，39(8)：90－93．
关键词：焊接变形；应力；控制措施
Abstract: in the process of welding steel structure, due to the local contraction of weld zone and stress will produce the welding deformation, the welding deformation will affect the dimensional accuracy of steel structure, the installation requirements and construction schedule. The control method of welding deformation and welding stress reduction measures. Reasonable selection from the weld groove, welding sequence, take anti-deformation measures and symmetric welding four aspects can effectively reduce the steel structure of the welding deformation; from the design of welding seam, welding heat treatment measures and vibration of appropriate materials and the choice of welding parameters, welding process layout, efficient processing five aspects to reduce the welding stress of steel structure.
Keywords: welding deformation; stress; control measures
中图分类号: TU391
前言
我国钢结构需求迅猛发展，焊接技术在钢结构的制作中得到了大量的应用。在焊接过程中，不均匀温度场及其引起的局部塑性变形和比容不同的组织不可避免地会产生焊接应力和变形[1]，如何有效地减少应力和变形成为研究的焦点。焊接应力会影响焊接接头的韧性、疲劳强度和抗腐蚀能力，而变形则会影响产品的几何尺寸和装配质量。焊接变形是应力作用的宏观表现，焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪边形、扭曲变形五种形式[2]。
1 控制焊接变形的工艺方法
(1)坡口设置
合理设置坡口可以有效减小焊接变形。如对于拼接焊缝，特别是厚板的拼接焊缝，为了减少焊后变形，将坡口设置成非对称坡口，如图1 所示。
图1 焊接坡口设置
具体方法是：先焊坡口较深一侧的1／3，翻转背面焊接完成后，再翻过来焊接剩余的2／3。两次翻转焊接完成整条拼缝。实践证明，此方法翻转次数少，焊接变形小，生产效率高。
(2)选择合理的焊接顺序
选择合理的焊接顺序既能减小焊接应力集中，又能防止焊接变形。如腹板较宽需多块钢板拼接时，应先焊横焊缝，后焊纵焊缝，如图2 所示。
图2 合理安排焊接顺序
图2 中有四处焊缝，焊缝1、2、3 可互换焊接顺序，但焊缝4 必须在焊缝1～3 焊接完成后才能进行焊接，这是因为焊缝1～3 焊接完成后会产生横向收缩，再焊接焊缝4(產生纵向收缩)时已得到释放。如果全部点焊后不论顺序焊接，在丁字口处容易产生应力集中，且钢板焊后易产生波浪状变形[3]。
(3)反变形措施
反变形措施常用在角焊缝的焊接中，特别是薄翼板与腹板的焊接，如图3 所示的叠梁，叠板1、2厚度只有25 mm。在与腹板焊接时两端易产生向腹板方向的翘曲变形，为了保证叠板1、2 中间的贴合面要求，采取反变形措施(见图3a)，通过焊接热输入精确计算变形量b，这样叠板1、2 与腹板焊接后基本能恢复到平直状态(见图3b)。
图3 反变形措施
(4)对称焊缝采用对称焊接施工
对于截面形状对称、焊缝分布均匀，且是对称构件，应采用对称焊接施工。如腹板上的筋板，筋板的两侧均与腹板焊接，因此焊接时应由两名焊工在筋板两侧同时施焊，这样焊后筋板才能基本垂直于腹板，很少校形；否则焊完筋板一侧再焊另一侧，由于焊接变形，焊后筋板很难垂直于腹板，需大量火焰矫正。
2 减少焊接应力的工艺措施
(1)焊缝尺寸的选择
焊缝应力是由焊接区域热胀冷缩形成的，焊接区域越小，热输入就越少，变形也越小，如小角度坡口、厚板尽量采用双面坡口。
(2)合适的焊接材料和焊接参数
焊材选择适当可有效降低焊缝中淬硬组织的形成和应力集中，提高焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性能。通常都是使焊缝金属的含碳量低于母材，依靠提高焊缝中硅、锰含量来达到与母材等强度[4]。焊接参数中的焊接线能量与焊接变形成正比，焊接线能量越大，则焊接时产生的塑性变形越大，应力越大，焊后变形也越大，反之则越小[5]。
(3)合理的焊接工艺
对于钢结构中的长焊缝，在可能的情况下将连续焊改成分段焊接，分段焊时在接头处要交错覆盖对方的接头，避免接头对齐。分段焊时注意焊接变形，温度太高时要停下来缓冷或翻转焊接背面；多件焊接时要先焊拘束度大的构件，后焊拘束度小的构件；三面焊接时可适当地改变焊接方向，从中间向两侧焊接。
(4)热处理措施
采取适当的热处理措施，既能消除应力和变形，又能防止产生裂纹。如厚板下料和焊接前应进行预热，因为预热可降低焊缝金属和热影响区的冷却速度，抑制淬硬组织马氏体的形成，避免气割边缘和焊缝产生较大的应力。如厚度大于100 mm 的低合金钢板预热温度应高于100℃，加热范围为切割线或坡口两侧150～200 mm。焊后进行缓冷或后热，以利于焊缝中扩散氢的逸出，避免氢富集产生应力，后热温度高于150℃，保温2～3h。消除应力的退火处理除了可使氢逸出外还能改善组织性能，退火处理温度550℃～600℃。
(5)采取振动时效的方法消除应力
对于不易进行焊缝退火处理的大型结构件可进行振动时效。振动时效的原理是给工件施加一个与固有谐振频率相一致的周期振动力，使其产生共振，从而产生一定的共振能量，使工件内部产生微小的塑性变形，将残余应力造成的歪曲晶格恢复到平衡状态，从而消除或均匀化残余应力。使用该方法具有生产周期短、效率高，效果好等优点[6]。如果生产周期较长，还可以采取振动时效和自然时效相结合的办法。
综上所述，通过采取适当的设计措施和工艺措施，可以有效地控制钢结构的焊接变形，保证工程质量。
由于影响钢结构焊接变形的因素较多，因此出现焊接变形也是难免的。具体问题具体分析，将焊接变形控制在最小范围之内，不要影响到钢结构的尺寸精度和安装技术要求。
参考文献：
[1] 陈祝年．焊接工程师手册[M]．北京：机械工业出版社，2002．
[2] 史耀武．焊接技术手册[M]．福州：福州科学技术出版社，2005．
[3] 朱江．焊接变形的控制和预防[J]．电焊机，2009，39(8)：90－93．