浅析钢结构焊接变形和焊接应力控制

浅析钢结构焊接变形和焊接应力控制

黄成成 张家勋 冷胡权 叶斌

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266000）

摘要：

在钢结构焊接时，若钢结构中出现温度分布不均状况，很容易产生较多的焊接残余应力，从而导致钢结构焊接部位出现变形问题，并最终对钢结构的实际性能造成不良影响。焊接变形是钢结构制造中所遇到的一个普遍问题。如何控制好焊接变形成为了钢结构产品制造成功与否的关键之一，也是难点之一。针对此问题，本文对钢结构焊接变形和焊接应力的概念、分类、影响因素及控制措施进行了阐述。

关键词：钢结构；焊接变形；焊接应力；控制策略

1 焊接应力与焊接变形的概念

1.1 焊接应力

焊接应力是指在进行焊接时，受焊接热源、焊接热循环的作用，焊件受热不均而出现的内应力。一般来讲基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之前，焊件中出现的内应力叫做瞬态焊接应力；基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之后，焊件中出现的内应力叫做残余焊接应力。

1.2 焊接变形

焊接变形是指在焊接操作产生的不均匀温度场中，被焊接工件在形状与尺寸等方面出现的变化。一般来讲基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之前，由于温度变化而出现的变形叫做焊接瞬时变形；基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之后，焊接部位冷却到最初温度后出现的变形叫做焊接残余变形。

2 焊接变形的种类

施工中发生的焊接变形的类型主要有:收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。收缩变形包括横向收缩变形和纵向收缩变形，即焊件沿着焊缝轴线方向和垂直于焊缝轴线方向分别发生尺寸上的缩短。角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致，因此板厚越大产生的角变形也越大。弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称边收缩变形大而另一边收缩变形小，造成焊件弯曲。波浪变形常发生于板厚小于6m的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形，当焊接残余应力超过焊件失稳临界应力时就会发生局部失稳，在平面上即形成波浪形式。当焊件上的几条角焊缝靠得很近时，由每角焊缝所引起的角变形连贯在一起也会形成波浪变形。扭曲变形主要是焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀所引起的。

3 焊接残余应力对钢结构造成的影响

3.1 稳定性

稳定性是确保钢结构能够进行正常工作的基本要求，对于钢结构的焊接质量具有决定性的影响。钢结构在工作过程中一旦失去稳定性，就会导致钢结构内部的受力状态发生剧变，进而导致钢结构破坏的发生。当钢结构内具有一定的残余应力，就可能在焊接部位进行聚集，进而对焊接部位造成不利影响，导致焊接部位的稳定性发生一定程度的降低，这就导致其无法与钢结构的其他部位进行有效配合，长此以往，就会导致焊接部位出现裂缝、变形等问题，进而影响到钢结构的稳定性。

3.2 疲劳强度

在钢结构焊接作业中，疲劳强度的指向为钢结构的使用寿命，通过测试钢结构疲劳强度，可有效体现钢结构的整体质量。钢结构的疲劳强度主要体现为钢结构性能维持稳定不发生变化的时间长短，当焊接残余应力变大，会使得钢结构疲劳强度下降，影响钢结构的使用寿命。

4 钢结构焊接变形优化策略

4.1 火焰矫正法

火焰矫正法是用氧乙炔火焰或其他气体火焰（一般采用中性焰），对变形构件的局部（变形处伸长的部分）加热到一定的温度，在其自然冷却或使用强制冷却后，使之产生新的塑性变形来抵消原有变形。火焰矫正法的关键是掌握火焰局部加热时引起变形的规律，以便定出正确的加热位置，否则会得到相反的效果。加热的温度一般500~800℃，高于800℃会影响金属组织。加热一般在焊件变形凸起或伸长部位进行，加热方式有点状加热、线状加热和三角形加热三种。点状加热一般用于矫正刚性小的薄件，线状加热用于矫正中等刚性的焊件，三角形加热可用几个气焊炬同时进行，用于矫正刚性大的焊件。

4.2 科学合理规划焊接工艺次序

钢结构焊接残余应力和钢结构焊接变形与钢结构焊接工艺次序的选择有一定关联。焊接作业前，对钢结构焊接位置和焊接工艺所选定的焊接次序进行统筹规划和科学合理的安排，继而达到科学合理且有针对性的调整钢结构焊接次序，可以为钢结构焊接残余应力和焊接变形的控制夯实基础。钢结构焊接过程中应先对收缩量大的区域进行焊接，再对钢结构收缩量小的区域进行焊接，这样可以在一定程度上控制残余应力的形成。除此之外，在钢结构焊接之前还可以对钢结构采取局部预热的处理方式来降低钢结构焊接过程中所存在的温度差异，继而达到控制钢结构焊接变形和焊接残余应力的目的。

4.3 合理控制焊接量

在进行焊接的过程中，焊接量的多少一定程度也会影响到焊接的残余应力，所以，企业领导人员和相关管理人员需要严格控制焊接量，逐渐提升焊接结构的质量和工作效率，在确保各方面符合标准的情况下，减少焊接的使用。与此同时，在焊接之前，需要对焊接的位置进行充分分析，确保焊接的钢材符合要求，避免焊接残余应力的形成。

4.4

合理选择焊缝位置

第一，在钢结构焊接过程中，焊缝位置要与钢结构截面呈对称状态，也可使其靠近钢结构截面的中性轴，以有效降低钢结构焊接变形程度。第二，施工人员要合理选择焊缝坡口形状及其尺寸，避免不必要的焊缝，以促使焊缝面积有效减少，最大程度地降低钢结构焊接变形程度。第三，采用小刚性节点形式，避免焊缝太过集中而出现双向与三向相交现象，以减小焊缝应力，防止焊缝交叉情况的出现。第四，避免将焊缝位置选择在高应力区域，以免由于应力过大而出现焊接变形。第五，焊接时尽可能不采取仰焊操作方式，以免加大钢结构焊接难度，从而确保钢结构焊接质量。

5 钢结构焊接应力消除方法

5.1 高温回火

通过整体高温回火的方法能够使钢结构焊接中产生的应力得以消除，当焊件加热至一定的温度后，使其保持这个温度一段时间，之后让焊件自然冷却至室温。焊件高温回火时，要对加热速度、恒温时间有效控制，从而达到消除应力的效果。将温度升到300℃，恒温时间可以按照钢材的质地予以确定，如碳素钢与合金钢的恒温时间应不少于30min，钢材的厚度增加，恒温时间相应增加。

5.2 局部回火

部分钢结构可以采用局部回火的方法消除焊接应力，对焊缝区域应力较大的部位进行加热，使其达到一定温度，并在该温度下保持一段时间后，自然冷却。该方法适用于管道及长筒形的压力容器。虽然局部回火无法使钢结构焊接的残余应力全部消除，但却能够使应力的峰值有所降低，应力的分布会变得更加均匀，对钢结构的影响程度随之减轻。局部回火的应力消除效果与加热区域内温度分布的均匀性密切相关，在加热宽度足够的情况下，能使应力消除效果达到最佳程度。局部回火时，可以采用气体火焰、红外线等加热方式。

6 结束语

综上所述，在进行钢结构的施工时，为避免焊接变形和焊接应力的不利影响，应针对不同结构类型，采用与之对应的焊接技术。施工人员在焊接时，要重视质量的控制，确保钢结构的安全性和可靠性。不同的焊接技术各有优劣，应根据现场的实际情况选择适合的焊接技术，充分发挥各种焊接技术的优势，保障钢结构的整体质量，同时在实践中不断总结、积累经验，并进一步探索并研究焊接技术新工艺，以应对未来钢结构焊接技术的广泛应用。

参考文献

[1]钟齐健. 钢结构焊接应力和变形的控制措施[J]. 中华建设, 2023, (08): 160-162.

[2]卢青钱. 钢结构焊接应力和变形的控制措施[J]. 硫磷设计与粉体工程, 2020, (04): 35-37.

[3]史慧. 钢结构焊接变形和焊接应力控制分析[J]. 四川水泥, 2017, (12): 321+330.