焊接应力与焊接变形

4.2 焊接应力与变形：

4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响：

焊接变形

1.影响工件形状、尺寸精度

2.影响组装质量

3.增大制造成本———矫正变形费工、费时

4.降低承载能力———变形产生了附加应力

焊接应力

1.降低承载能力

2.引起焊接裂纹，甚至脆断

3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹

4.引起变形

4.2.2 焊接变形和应力的产生原因：

根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8

焊接应力

焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示）

远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示）

焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力

焊接变形：当焊接应力超过金属σs时，焊件将产生变形

焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。

4.2.3 焊接变形的控制和矫正：

4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9

如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型

1、2---纵向收缩量 3---横向收缩量 4、5---角变形量 f---挠度

（1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。如图5-2-9 a

（2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。如图5-2-9b

（3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。如图5-2-9c

（4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。如图5-2-9d

（5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。如图5-2-9e

4.2.3.2 控制焊接变形的措施

（1）设计措施（详见焊接结构设计）

尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。如图6-2-10

瞄囵团困口囫嗣口丽ＬＵＩＵ　ＩＮ　Ｕｏ￣　ａ　ｃｔｓ　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）　工业技术　摘要：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。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。　关键词：焊接应力；焊接变形；控制措施　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按弓ｌ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，其平衡范围只可用品格尺寸来比量。　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　一１　１６一　中国新技术新产品　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，热输人大时，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，ＣＯ：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。】）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）Ｗ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Ｉ：１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ＣＯ　气体保护焊。　厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊０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一０．７ｍｍ。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。　参考文献　『１】王者昌．关于焊接应力应变问题的再探讨阴．　焊接学报，２００６．－０８－２５．

龙源期刊网

焊接应力\焊接变形的产生和控制

作者：李 季

来源：《中国新技术新产品》2010年第09期

摘要: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。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。

关键词:焊接应力;焊接变形;控制措施

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

焊接应力与变形：

4.2.1

焊接变形和残余应力的不利影响：

焊接变形 { 1.影响工件形状、尺寸精度

2.影响组装质量

3.增大制造成本———矫正变形费工、费时

4.降低承载能力———变形产生了附加应力

焊接应力 { 1.降低承载能力

2.引起焊接裂纹，甚至脆断

3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹

4.引起变形

4.2.2 焊接变形和应力的产生原因：

根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8

焊接应力 { 焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示）

远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示）

焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力

焊接变形：当焊接应力超过金属σs时，焊件将产生变形

焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。

4.2.3 焊接变形的控制和矫正：

4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9

如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型

1、2---纵向收缩量 3---横向收缩量 4、5---角变形量 f---挠度

（1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。如图5-2-9 a

（2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。如图5-2-9b

（3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。如图5-2-9c

（4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。如图5-2-9d

（5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。如图5-2-9e

4.2.3.2 控制焊接变形的措施

（1）设计措施（详见焊接结构设计）