李廷凱 李玉振

摘 要：隨著焊接技術(shù)也已經(jīng)發(fā)展的越來越普及，但是焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對鋼結(jié)構(gòu)的影響非常大，必須加強對焊接質(zhì)量研究。本文對焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對鋼結(jié)構(gòu)的影響以及消除和調(diào)整進行了探討分析。

關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力；焊接變形；鋼結(jié)構(gòu)；消除和調(diào)整

1 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

1.1 塑性壓縮造成的縱向殘余應(yīng)力

在焊接的過程中，由于溫度上的差距，焊縫及其周圍都會受到因熱膨脹和周圍溫度較低的金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。當焊接完成之后，溫度驟減，母性材料就會制約著焊縫和近縫區(qū)域之間的收縮，這就在很大程度上導(dǎo)致了殘余應(yīng)力的存在。并且殘余應(yīng)力的范圍將會和高溫環(huán)境下造成的塑性范圍相一致，彈性拉伸區(qū)域和殘余拉應(yīng)力也是相對應(yīng)的。從這些都可以看出來，塑性壓縮就是造成焊接過程中縱向殘余應(yīng)力的主要 原因。

1.2 塑性壓縮的應(yīng)變導(dǎo)致的橫向殘余應(yīng)力

塑性壓縮的應(yīng)變，除了能夠說成是造成縱向殘余應(yīng)力的主要原因，同時也能理解為造成橫向殘余應(yīng)力的原因之一，但是造成橫向殘余應(yīng)力的主要原因是母材的收縮。當對母材進行焊接時，母材會出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，并且當焊接縫的金屬材料逐漸形成固體時，膨脹中的母材必定會受到壓縮，這種塑性壓縮是橫向收縮中的重要的一部分，焊縫自身那一小部分收縮僅僅只占到橫向收縮的十分之一左右。主要的橫向收縮那部分存在于焊接縫沿著焊縫軸線進行切割后的中心區(qū)域，那才是拉應(yīng)力中的橫向應(yīng)力。

2消除殘余應(yīng)力的方法

2.1 熱處理的方法

這種方法對于焊件的性能有著至關(guān)重要的作用，它不僅可以消除殘余應(yīng)力，還能夠改進焊接接頭的性能。熱處理方法就是在焊件還處在高溫條件下的時候，去降低屈服點和蠕變現(xiàn)象，從而實現(xiàn)去除殘余應(yīng)力的一種方法。這種方法分為兩個步驟，首先就是總體熱處理，其次是局部熱處理。在總體熱處理的過程中，加熱的溫度和保溫時間和加熱以及冷卻速度都會影響到去除焊接殘余應(yīng)力的效果。在局部熱處理的過程中，一般只能降低殘余應(yīng)力的峰值，而不能直接消除殘余應(yīng)力。但是對于消除殘余應(yīng)力的過程起到了無可替代的作用，所以局部熱處理還是需要的一個步驟。在采用熱處理的方法時，加熱的方法主要有電加熱和火加熱兩種，而且消除殘余應(yīng)力的效果和加熱范圍的關(guān)系很大，所以一般需要大范圍的加熱才能達到較好的效果。

2.2 加載的方法

加載的方法，目的就是為了使得焊接縫周圍形成的壓縮塑性變形和焊縫周圍的拉伸塑性變形兩者形成抵消，從而讓應(yīng)力保持松弛狀態(tài)。它主要就是采用各種方法，在部件上制造一定的拉伸應(yīng)力，讓這個應(yīng)力來完成與壓縮塑性變形產(chǎn)生的力進行抵消。在如何形成這種拉伸應(yīng)力的方法上有兩種：第一就是機械拉伸的方法，第二則是溫差拉伸的方法。機械拉伸法就是對部件進行加載荷處理，讓焊縫區(qū)域形成塑性拉伸，這個塑性拉伸形成的力將會和已經(jīng)存在的那個壓縮塑變應(yīng)力達到抵消的作用，從而消除焊接過程中形成的殘余應(yīng)力。溫差拉伸法，主要就是利用了受熱膨脹的原理，來達到消除殘余應(yīng)力的方法。它的做法過程，顧名思義就是利用溫度差形成的力，讓焊縫兩側(cè)的金屬通過受熱膨脹后，往焊縫區(qū)進行拉伸，逐漸的形成拉伸應(yīng)力，最后和那壓縮塑變應(yīng)力進行抵消作用。這兩種拉伸方法都是采用抵消的原則，從而達到減小甚至消除殘余應(yīng)力的目的。

3焊接變形的影響因素

焊接變形可以分為在焊接熱過程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和在室溫條件下的殘余變形。影響焊接變形的因素很多，但歸納起來主要有材料、結(jié)構(gòu)和工藝3個方面。

3.1材料因素的影響。材料對于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關(guān)，而且和母材也有關(guān)系，材料的熱物理性能參數(shù)和力學性能參數(shù)都對焊接變形的產(chǎn)生過程有重要的影響。其中熱物理性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在熱傳導(dǎo)系數(shù)上，一般熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，溫度梯度越大，焊接變形越顯著。力學性能對焊接變形的影響比較復(fù)雜，熱膨脹系數(shù)的影響最為明顯，隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應(yīng)增加。同時材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，隨著彈性模量的增大，焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會引起較高的殘余應(yīng)力，焊接結(jié)構(gòu)存儲的變形能量也會因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應(yīng)變較小且塑性區(qū)范圍不大，因而焊接變形得以減少。

3.2結(jié)構(gòu)因素的影響。焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計對焊接變形的影響最關(guān)鍵，也是最復(fù)雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加，焊接殘余應(yīng)力增加，而焊接變形則相應(yīng)減少。結(jié)構(gòu)在焊接變形過程中，工件本身的拘束度是不斷變化著的，因此自身為變拘束結(jié)構(gòu)，同時還受到外加拘束的影響。

3.3工藝因素的影響。焊接工藝對焊接變形的影響方面很多，例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應(yīng)用等。在各種工藝因素中，焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戄^為顯著，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)，減少焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數(shù)也對焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長期研究中，總結(jié)出一些經(jīng)驗，利用特殊的工藝規(guī)范和措施，達到減少焊接殘余應(yīng)力和變形，改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的目的。

4.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制

4.1設(shè)計措施。合理地選擇焊接的尺寸和形式焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大，因此，在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，設(shè)計時應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸。對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，在保證相同的強度條件下，采用開坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬，對減小變形有利。盡可能減少不必要的焊縫在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，合理地選擇筋板的形狀，適當?shù)匕才沤畎宓奈恢?，力求焊縫數(shù)量少，避免不必要的焊縫，從而減小焊接變形。

4.2工藝措施。工藝措施是指在焊接構(gòu)件生產(chǎn)制造過程中所采用的一系列措施，將其分為焊前預(yù)防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正措施。焊前預(yù)防措施焊前預(yù)防主要包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。預(yù)變性法或稱反變形法是根據(jù)預(yù)測的焊接變形大小和方向，在待焊工件裝配時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預(yù)變形量，焊后焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量，使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計要求的幾何形狀和尺寸。預(yù)拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件，焊接時在薄板有預(yù)張力或有預(yù)先熱膨脹量的情況下進行的。焊后，去除預(yù)拉伸或加熱，薄板恢復(fù)初始狀態(tài)，可有效地降低焊接殘余應(yīng)力，控制焊接變形。

4.3焊接過程控制措施。焊接過程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)，選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規(guī)范參數(shù)可以有效地防止焊接變形。

4.4焊后矯正措施。當構(gòu)件焊接后，只能通過矯正措施來減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和局部加熱。整體熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法，可用以消除較大的形狀偏差。

結(jié)語

焊接作為鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方式，對焊接工藝和焊接質(zhì)量的要求也在不斷地提高。研究焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對鋼構(gòu)件的影響，通過合理的設(shè)計和制造以及相應(yīng)的措施減小焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對構(gòu)件的影響，將有效的提高鋼結(jié)構(gòu)的性能，滿足建設(shè)的需求。

參考文獻

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）