浅谈钢结构焊接变形和焊接应力.doc

浅谈钢结构变形的控制由于现今钢结构发展极其快速，各种焊接机械、焊接方法日新月异。但在施工过程中，由于焊接过程中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的变形，严重影响工程质量、工程进度和焊接的使用功能。因为我处承担制作了马来西亚电解槽长侧、短侧等钢构件。虽然电解槽壳总体上对变形误差要求不高，设计上一些尺寸的允许偏差甚至达到±20mm，但有些误差却要求只能是负差。而且我们前期制作能控制好变形，减少误差，将能使后期的安装效率增加，并能节省安装调整所用的材料，达到时间和金钱的双赢。下面我根据实际工作经验和平时学习到的一些理论知识，谈一下钢结构焊接应力和变形的知识，由于经验浅薄，不足之处请大家指正。 钢结构焊接工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以及由它引起的局部塑性变形和组织间比容不同，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。在马来西亚工程中，长侧等焊件的外型尺寸较大、形状多样、焊缝多、焊接位置不对称等因素都能引起焊接变形。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。常见的焊接应力有：1）纵向应力（图一）；2）横向应力（图二）；3）厚度方向应力（图三）；由这应力引起的焊接变形有：1)纵向收缩变形：沿焊缝长度方向的收缩；2)横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩；3)角变形：绕焊缝轴线的角位移；4)挠曲变形：构件中性轴上下部对称的收缩引起的弯曲变形；5)失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形；6)错边变形：焊接边缘在焊接过程中，因膨胀不一致而产生的厚度方向的错边；7）扭曲变形：由于装备不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。在马来西亚工程中，长侧等焊件常见的是：1)纵向收缩变形；2)横向收缩变形；3)角变形；4)挠曲变形；5）扭曲变形。 一、 焊接变形的控制 要有效地控制焊接变形，就要了解焊接变形产生的原因： 1）焊件的刚性小或不均匀，焊后收缩，变形不一致；2）焊件本身焊缝布置不均，导致收缩不均匀，焊缝多的部位收缩大、变形也大；3） 焊接人员操作不当，未对称分层、分段、间断施焊，焊接电流、速度、方向不一致，造成加工件变形不一致； 4） 焊接时咬肉过大，引起焊接应力集中和过量变形；5） 焊件放置不平，应力集中释放时引起变形在工程焊接实践中，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，所以本工程的钢结构焊接在长期摸索实践中，逐渐形成以下控制焊接变形的措施：1) 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，可将坡口设置成非对称坡口，如图：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，在翻过来焊接剩余的2/3。两次翻转焊接完成整条拼缝。根据我自己的实践，工期要求紧张的情况下，也可先焊较浅一侧，最后翻面焊接较深侧。 2)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，要求焊工尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)进行焊接。   3)采用热输入较小的CO2气体保护焊。  4)双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。   5)长侧上的小部件组焊矫正后，在进行装配焊接，以减小整体的变形。   6)对于长侧等变形较大的焊件，采用刚性夹具固定法控制焊后变形。 7）采用反变形措施，反变形措施常用在角焊缝的焊接中。一般通过焊接热输入精确计算变形量。  8)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。 9)要采取合理的焊接顺序，以减少变形。例如筋板焊接时，要求焊工先焊主焊缝后焊次要焊缝，先焊对称部位的焊缝后焊非对称焊缝，先焊收缩量大的焊缝后焊收缩量小的焊缝，先焊对接焊缝后焊角焊缝。焊接长侧时应从构件的中轴向两侧退焊，焊接时人员应对称分散布置，避免热量集中引起变形。二、焊接应力的控制构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后也会产生残余应力，并产生残余变形，这是不可避免的现象。如果构件变形控制很小，但却产生较大的内应力时，可能产生裂纹。所以，焊接应力和焊接变形的控制一样重要而且必要，通过一段时期的施工和学习资料，逐渐总结出一些控制应力的措施：1) 严格要求焊工按照设计要求的焊缝焊接，质检时要转变焊缝越大越安全的观念，因为前面提到焊接应力是由焊接区域热胀冷缩形成的，焊接区域越小，热输入就越小，变形就越小。2) 采取合理的焊接顺序：在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则；3) 对于长焊缝，在可能的情况下将连续焊改为分段焊接，分段焊接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打的构件，后焊拘束度小的的构件。4) 采用热处理（高温回火）消除残余应力，也可用机械方法均匀敲打来抵消构件的焊接应力。采用热处理技能消除应力，也能消除变形，又能防止产生裂纹。在工程中，因为材料的堆放或者施工过程中的失误导致部分构件的较大变形，常采用热处理的方式进行处理，都取得了较好的效果。在实际工程中，焊接变形和焊接应力的产生还有很多复杂的原因，但只要了解焊接工艺，掌握其产生的原因和影响因素，在实践中不断总结、积累和学习焊接经验，认真分析和考虑，控制好焊接产生的变形和组对中的误差，就能有效控制结构的变形。 鑫恒结构厂：王东山