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【摘要】: 近年来，随着我国的工业发展，钢结构工程在建筑领域被广泛应用。本文将主要讨论焊接残余应力、焊接残余变形的产生和控制。本文简单的介绍了现代建筑栓焊钢结构焊接工艺方法，分析了焊接应力与焊接变形的产生原因提出了一些控制焊接应力的措施和焊接变形的控制及矫正方法。
【关键词】:焊接应力;焊接变形;控制措施
中图分类号： TL374+.5 文献标识码： A 文章编号：
引言
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,由于焊接过程产生总会有一些问题,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。
一、现代建筑栓焊钢结构焊接工艺方法
在操作过程中为防止变形（T型焊缝的角变形及整体构件侧弯超差），各零件的尺寸要精确，在组对时要做到“顶紧”。由于焊缝交叉处40～50mm范围内无法清根（碳弧气刨、磨光机都因位置限制无法处理），因此在零件下料时4个角50mm范围内2mm组对时此处预留出2～3mm组对间隙， 选用CO2气体保护焊，因其焊丝的直径只有1.2mm，直接扎到根部，穿透能力强可保证焊透；由于是气体保护，不易出现夹渣，同时受热面积小，焊后的变形量也较小。为防止整体侧弯和保证焊缝外形的美观，构件要在专用平台上焊接。所有的焊缝填充时不可一次焊完，均要分2次完成。焊接位置尽可能焊平角缝，少焊立缝。依据情况具体确定参数见表1。
表1CO2气体保护焊参数表
二、焊接应力与焊接变形的产生原因
焊接过程中焊接件热量传输的不平衡产生不均匀的温度场，使材料产生不均匀的膨胀与收缩，从而形成内应力场。此外，焊件在热循环的作用下，焊缝内部金属组织发生变化，产生相变应力。持此之外，刚性固定以及焊接件之间相互关联，也会产生焊接应力。室温下，残存于焊接件中的内应力影响焊接结构的力学性能、受压稳定性、尺寸稳定性和加工精度等。
1、焊件的不均匀受热
（1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形。冷却后，构件就会有残余应力。
（2）焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。
（3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。
（4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力
2、焊缝金属的收缩
焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的。因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。
3、金属组织的变化
金属在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容不同，由此也会造成焊缝应力与变形。
4、焊缝的刚性和拘束
焊缝的刚性和拘束，对焊件应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力。而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质，焊件截面形状和尺寸有关，而拘束是一种外部条件，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。
三、控制焊接应力的措施
1、设计合理的焊接顺序
在焊接一个焊缝较多的构件时，粗看起来可以由焊工自由处理，按其方便选择焊接顺序。其实不然，我们发现选择合理的焊接顺序， 就有可能抵消或减少由于各条焊缝所引起的变形。
图1 选择合理的焊接顺序
如图1 A所示，在焊接多块拼接的平板时，应先焊所有的横向焊缝I，因为横向焊缝收缩量较大，应先在横向焊缝得到较好的收缩后再焊纵向搭接焊缝Ⅱ，并从中心向外依次焊接。这样焊后变形较小。对于有对称焊缝的构件(见图1 B)，
要尽量注意焊接顺序，使焊接变形相互抵消。
2、预热法
焊接前对焊接件进行预热，不仅可以减少内应力，而且也是一种减少变形的好方法。焊前将焊件整体或一部分加热，降低焊接过程中的温度场的不平衡性从而减小焊接应力。焊件是否需要预热，需要综合考虑焊件材料的成分、厚度和结构钢都等因素。 在焊接中、高碳钢、合金钢、铸铁等材料时经常采用预热法。低碳钢和有色金属的塑性较好，只有对大截面零件进行焊接和在气温较低的情况下焊接时才进行预热。高碳钢视含碳量不同，可以预热到300℃以上，铸铁零件则应预热到600℃上。焊件越厚、刚度越大的焊接结构，越需要预热。因为焊件越厚，热量散失越快，冷却速度高，需要预热减缓冷却速度。焊接结构刚度越大，焊缝收缩所受到的制约也越大，焊接应力越大，采用预热法可以降低焊接应力。
3、合理选择焊接规范
合理选择焊接规范，对减少焊件变形影响很大。如随着电流强度的增加，焊件变形相应增大。为了尽量焊接过程中的热影响，根据实际情况，合适的情况下采用小直径焊条和小电流焊接，可以减少焊接残余应力。
四、消除焊接应力的方法
1、热处理法
整体热处理：消除应力的程度主要决定于材质的成分、组织、加热温度和保温时间。低碳钢及部分低合金钢焊接构件在650度，保温20-40h，可基本消除全部残余应力。
局部热处理：大型焊接结构，受加热炉的限制或要求不高时采用这种方法。可采用火焰、红外、电阻、感应等加热方式，应保持均匀加热并具有一定的加热宽度。低合金高强钢，一般在焊缝两侧各100-200mm。
2、机械锤击法
在长焊缝焊接过程中，趁着焊缝和堆焊层在赤热状态，用手锤敲打，可以抵消焊缝的收缩和减少内应力，减小或矫正变形。锤击施焊部位，可以提高金属的机械性能和耐蚀性。延展性能较好的金属，采用这个方法效果较好。对于底层和表面层的焊缝一般不锤击。锤击时必须注意选择合适的温度范围。比如钢铁材料温度在300℃-500℃时有蓝脆性，也不能进行锤击。铝加热到400℃-500℃时，强度几乎丧失，此时，锤击会损坏焊件。含磷高的钢铁材料，冷态锤击时也易产生裂纹。
3、振动时效法
振动时效作为目前比较常用的一种时效方式，已经越来越多的应用于各个机械制造行业。振动时效适用于碳素结构钢、低合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属等材质的焊接结构；可插在任何工序之间多次处理；几十米长、数百吨重、上千条焊缝的工件都可适用。 具有低能耗、短周期、无污染等优点。
五、 焊接变形的控制及矫正方法
1、刚性加固法
刚度大的焊件，焊后变形一般都较小。因此，施焊前如果加强焊件的刚性，则可防止被焊件在焊接时产生变形。对于壁厚小于等于2mm的薄壁零件和折断零件的焊接，常需加以刚性固定，以防变形或错位。固定的方法有很多形式，有时采用专用的焊接夹具，有时点焊固定在刚性工作台上，有时利用焊件本身构成刚性结构。
2、反变形法
预加反变形法是根据经验和焊件金属性质，预先凭经验估计出焊修后发生变形的方向和收缩量，在焊修前，将工件用机械方法预先使焊件向相反方向变形，或将焊件布置成相反的位置，使焊修后的变形恰好和预变形抵消，达到所需要的正常状态。
3、合理控制焊接线能量
焊接线能量是一个非常重要的参数，对焊接变形有着明显的影响。焊接过程中，线能量的提高会导致变形程度的增大。所以在保证焊接质量的前提下，选择尽可能小的线能量。因此恰当的焊接坡口形式尤为重要。在保证焊接质量的前提下，破口应尽可能小，甚至不开坡口，比如超窄間隙的焊接，线能量很小，热输入小，很好地控制了焊接变形。
4、矫正法
整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热, 在焊接过程中就要注意温度。如表2.在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
表2 火焰矫正时的加热温度（材质为低碳钢）
火焰矫正法是利用焊接变形的原理加以矫正的，在变形部位加热，使受热部位的收缩塑性变形达到矫正目的，如图2.此外,还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正,包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。
图2
变形矫正
A——加热区 B——上拱高度
结束语
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。
参考文献:
[1]孙伟.浅谈钢结构工程施工禁忌事项.《中国科技纵横》2011
[2]中华人民共和国行业标准.建筑钢结构焊接技术规程JGJ81-2010
[3]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.
[4]陈伯蠡 关于焊接工程缺陷分析与对策［M］机械工业出版社2006
[5]张洪哲 浅谈焊接应力和变形的控制方法［J］企业科技与发展 2009
[6]朱江，刘飞，浅谈焊接变形的控制和预防［J］电焊机 2009
【关键词】:焊接应力;焊接变形;控制措施
中图分类号： TL374+.5 文献标识码： A 文章编号：
引言
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,由于焊接过程产生总会有一些问题,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。
一、现代建筑栓焊钢结构焊接工艺方法
在操作过程中为防止变形（T型焊缝的角变形及整体构件侧弯超差），各零件的尺寸要精确，在组对时要做到“顶紧”。由于焊缝交叉处40～50mm范围内无法清根（碳弧气刨、磨光机都因位置限制无法处理），因此在零件下料时4个角50mm范围内2mm组对时此处预留出2～3mm组对间隙， 选用CO2气体保护焊，因其焊丝的直径只有1.2mm，直接扎到根部，穿透能力强可保证焊透；由于是气体保护，不易出现夹渣，同时受热面积小，焊后的变形量也较小。为防止整体侧弯和保证焊缝外形的美观，构件要在专用平台上焊接。所有的焊缝填充时不可一次焊完，均要分2次完成。焊接位置尽可能焊平角缝，少焊立缝。依据情况具体确定参数见表1。
表1CO2气体保护焊参数表
二、焊接应力与焊接变形的产生原因
焊接过程中焊接件热量传输的不平衡产生不均匀的温度场，使材料产生不均匀的膨胀与收缩，从而形成内应力场。此外，焊件在热循环的作用下，焊缝内部金属组织发生变化，产生相变应力。持此之外，刚性固定以及焊接件之间相互关联，也会产生焊接应力。室温下，残存于焊接件中的内应力影响焊接结构的力学性能、受压稳定性、尺寸稳定性和加工精度等。
1、焊件的不均匀受热
（1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形。冷却后，构件就会有残余应力。
（2）焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。
（3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。
（4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力
2、焊缝金属的收缩
焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的。因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形。
3、金属组织的变化
金属在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容不同，由此也会造成焊缝应力与变形。
4、焊缝的刚性和拘束
焊缝的刚性和拘束，对焊件应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力。而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质，焊件截面形状和尺寸有关，而拘束是一种外部条件，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。
三、控制焊接应力的措施
1、设计合理的焊接顺序
在焊接一个焊缝较多的构件时，粗看起来可以由焊工自由处理，按其方便选择焊接顺序。其实不然，我们发现选择合理的焊接顺序， 就有可能抵消或减少由于各条焊缝所引起的变形。
图1 选择合理的焊接顺序
如图1 A所示，在焊接多块拼接的平板时，应先焊所有的横向焊缝I，因为横向焊缝收缩量较大，应先在横向焊缝得到较好的收缩后再焊纵向搭接焊缝Ⅱ，并从中心向外依次焊接。这样焊后变形较小。对于有对称焊缝的构件(见图1 B)，
要尽量注意焊接顺序，使焊接变形相互抵消。
2、预热法
焊接前对焊接件进行预热，不仅可以减少内应力，而且也是一种减少变形的好方法。焊前将焊件整体或一部分加热，降低焊接过程中的温度场的不平衡性从而减小焊接应力。焊件是否需要预热，需要综合考虑焊件材料的成分、厚度和结构钢都等因素。 在焊接中、高碳钢、合金钢、铸铁等材料时经常采用预热法。低碳钢和有色金属的塑性较好，只有对大截面零件进行焊接和在气温较低的情况下焊接时才进行预热。高碳钢视含碳量不同，可以预热到300℃以上，铸铁零件则应预热到600℃上。焊件越厚、刚度越大的焊接结构，越需要预热。因为焊件越厚，热量散失越快，冷却速度高，需要预热减缓冷却速度。焊接结构刚度越大，焊缝收缩所受到的制约也越大，焊接应力越大，采用预热法可以降低焊接应力。
3、合理选择焊接规范
合理选择焊接规范，对减少焊件变形影响很大。如随着电流强度的增加，焊件变形相应增大。为了尽量焊接过程中的热影响，根据实际情况，合适的情况下采用小直径焊条和小电流焊接，可以减少焊接残余应力。
四、消除焊接应力的方法
1、热处理法
整体热处理：消除应力的程度主要决定于材质的成分、组织、加热温度和保温时间。低碳钢及部分低合金钢焊接构件在650度，保温20-40h，可基本消除全部残余应力。
局部热处理：大型焊接结构，受加热炉的限制或要求不高时采用这种方法。可采用火焰、红外、电阻、感应等加热方式，应保持均匀加热并具有一定的加热宽度。低合金高强钢，一般在焊缝两侧各100-200mm。
2、机械锤击法
在长焊缝焊接过程中，趁着焊缝和堆焊层在赤热状态，用手锤敲打，可以抵消焊缝的收缩和减少内应力，减小或矫正变形。锤击施焊部位，可以提高金属的机械性能和耐蚀性。延展性能较好的金属，采用这个方法效果较好。对于底层和表面层的焊缝一般不锤击。锤击时必须注意选择合适的温度范围。比如钢铁材料温度在300℃-500℃时有蓝脆性，也不能进行锤击。铝加热到400℃-500℃时，强度几乎丧失，此时，锤击会损坏焊件。含磷高的钢铁材料，冷态锤击时也易产生裂纹。
3、振动时效法
振动时效作为目前比较常用的一种时效方式，已经越来越多的应用于各个机械制造行业。振动时效适用于碳素结构钢、低合金钢、不锈钢、铸铁、有色金属等材质的焊接结构；可插在任何工序之间多次处理；几十米长、数百吨重、上千条焊缝的工件都可适用。 具有低能耗、短周期、无污染等优点。
五、 焊接变形的控制及矫正方法
1、刚性加固法
刚度大的焊件，焊后变形一般都较小。因此，施焊前如果加强焊件的刚性，则可防止被焊件在焊接时产生变形。对于壁厚小于等于2mm的薄壁零件和折断零件的焊接，常需加以刚性固定，以防变形或错位。固定的方法有很多形式，有时采用专用的焊接夹具，有时点焊固定在刚性工作台上，有时利用焊件本身构成刚性结构。
2、反变形法
预加反变形法是根据经验和焊件金属性质，预先凭经验估计出焊修后发生变形的方向和收缩量，在焊修前，将工件用机械方法预先使焊件向相反方向变形，或将焊件布置成相反的位置，使焊修后的变形恰好和预变形抵消，达到所需要的正常状态。
3、合理控制焊接线能量
焊接线能量是一个非常重要的参数，对焊接变形有着明显的影响。焊接过程中，线能量的提高会导致变形程度的增大。所以在保证焊接质量的前提下，选择尽可能小的线能量。因此恰当的焊接坡口形式尤为重要。在保证焊接质量的前提下，破口应尽可能小，甚至不开坡口，比如超窄間隙的焊接，线能量很小，热输入小，很好地控制了焊接变形。
4、矫正法
整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
局部热矫正多采用火焰对焊接构件局部加热, 在焊接过程中就要注意温度。如表2.在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的,火焰加热法采用一般的气焊焊炬,不需要专门的设备,方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
表2 火焰矫正时的加热温度（材质为低碳钢）
火焰矫正法是利用焊接变形的原理加以矫正的，在变形部位加热，使受热部位的收缩塑性变形达到矫正目的，如图2.此外,还有利用机械力或冲击能等进行焊接变形矫正,包括静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等。
图2
变形矫正
A——加热区 B——上拱高度
结束语
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。
参考文献:
[1]孙伟.浅谈钢结构工程施工禁忌事项.《中国科技纵横》2011
[2]中华人民共和国行业标准.建筑钢结构焊接技术规程JGJ81-2010
[3]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.
[4]陈伯蠡 关于焊接工程缺陷分析与对策［M］机械工业出版社2006
[5]张洪哲 浅谈焊接应力和变形的控制方法［J］企业科技与发展 2009
[6]朱江，刘飞，浅谈焊接变形的控制和预防［J］电焊机 2009