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鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與焊接應(yīng)力論文
鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與焊接應(yīng)力論文【1】
【摘 要】為有效控制鋼結(jié)構(gòu)因在焊接過程中的不均勻膨脹和收縮而造成的焊接變形，就產(chǎn)生焊接變形和焊接應(yīng)力的原因進(jìn)行了淺要的分析，提出了預(yù)防和控制焊接變形和焊接應(yīng)力的多種有效措施。
【關(guān)鍵詞】焊接 溫度 焊接變形 焊接應(yīng)力
在建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展如火如荼的今天，形式各異、功能優(yōu)良的焊接機(jī)械、焊接方法日新月異，焊接技術(shù)成了一個(gè)重要課題。
本文將通過簡要分析焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因，探究和把握它們和變化規(guī)律，以便在鋼結(jié)構(gòu)施工中對焊接變形和焊接應(yīng)力采取科學(xué)合理的方法予以預(yù)防、控制和消除。
一、焊接變形與焊接應(yīng)力的基本概念
1、焊接變形
焊接變形是由于焊接而引起的焊接結(jié)構(gòu)的變形，焊接結(jié)構(gòu)的變形從焊接開始即發(fā)生，并一直持續(xù)到焊接結(jié)構(gòu)冷卻至原始溫度時(shí)才結(jié)束。
焊接變形包括焊接過程中的變形和焊接殘余變形。
2、焊接應(yīng)力
焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后存在于焊接結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力，如圖所示對接接頭縱向焊接內(nèi)應(yīng)力的分布。
焊接應(yīng)力也是焊接一開始就產(chǎn)生，并且隨著焊接的進(jìn)行而不斷地改變它在結(jié)構(gòu)中的分布，按照焊接應(yīng)力作用時(shí)間的不同，焊接應(yīng)力分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。
二、焊接變形和焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因
產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力最根本的原因是焊件受熱或冷卻不均勻，此外，焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性也是產(chǎn)生或影響焊接變形與應(yīng)力的重要原因。
1、焊件的不均勻受熱
焊接是一種局部加熱和冷卻的過程，焊件焊接區(qū)的金屬在熱作用下的熱自由膨脹受到周圍未被加熱金屬的阻礙而發(fā)生壓縮縮性變形，所以焊后冷卻時(shí)，這一區(qū)域的金屬必然有收縮變短的趨勢。
2、焊縫金屬的收縮
焊縫金屬包括熔化的母材和填充金屬，甚至包括焊縫兩側(cè)力學(xué)熔點(diǎn)以上的固態(tài)母材金屬，它們均處于全塑性狀態(tài)，只有自身的塑性變形，對周圍金屬并無推力和拉動(dòng)作用，這部分金屬在力學(xué)熔點(diǎn)以下是不能自由收縮的。
3、金屬組織的變化
有些金屬在固態(tài)下有相變過程。
焊縫金屬在周圍冷金屬的包圍中，冷卻速度極快。
如高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，焊縫金屬像被淬火一樣，來不及相變，直到較低溫度下，才從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，比容明顯增大，這不但可能抵消焊接時(shí)產(chǎn)生的部分壓縮塑性變形，減小殘余拉應(yīng)力，甚至可能使焊縫區(qū)出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力。
4、焊件的剛性和拘束
焊件的剛性和拘束與焊接應(yīng)力、焊接變形有密切的關(guān)系。
焊件的剛度和拘束越大，焊接變形就越小、焊接應(yīng)力則越大;反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應(yīng)力則越小。
三、焊接變形和焊接應(yīng)力的預(yù)防和控制
1、預(yù)防和控制焊接變形的措施
(1)設(shè)計(jì)措施：
設(shè)計(jì)上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中軸相對稱。
(2)工藝措施
�、� 反變形法
在焊接前進(jìn)行裝配時(shí)，預(yù)先制造或設(shè)置一個(gè)與焊接變形相反的變形，以便在焊接過程中，使焊接變形與預(yù)制的反變形相互抵消，達(dá)到焊接后沒有變形的目的，它屬于預(yù)防焊接變形的措施。
② 選擇合理的裝配焊接順序
選擇合理的裝配焊接順序，使焊接變形消失于裝配焊接的過程中，或使不同時(shí)期，不同位置產(chǎn)生的焊接變形相反、相消，達(dá)到調(diào)整、控制和消減焊接變形的目的。
�、� 選擇適宜的焊接方法
多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫截面積相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護(hù)焊最小。
對屈服強(qiáng)度345Mpa以下，淬硬性不強(qiáng)的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱、層間溫度;優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護(hù)焊。
�、� 固定法
剛性固定法是一個(gè)傳統(tǒng)的限制焊接變形的方法，簡單的固定和限制松開后，彈性變形要釋放，不能完全防止焊接變形。
剛性固定的方法很多，有的用簡單的夾具成支撐，有的采用專用的胎具，有的是臨時(shí)點(diǎn)固在剛性工作平臺(tái)上，有的甚至利用結(jié)構(gòu)本身去構(gòu)成剛性較大的組合體。
�、� 散熱法
散熱法又稱強(qiáng)迫冷卻法，就是把焊接熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減小，達(dá)到減小焊接變形的目的，常用的散熱法有水浸法和散熱墊法。
水浸法常用于表面堆焊和補(bǔ)焊。
2、預(yù)防和控制焊接應(yīng)力的措施
(1)采用合理的焊接順序
不僅防止彎曲及角變形等焊接變形時(shí)要考慮合理安排焊接順序，而且減小應(yīng)力也應(yīng)選擇合理的焊接順序，具體原則如下：
�、� 平面上的焊縫焊接時(shí)，要保證焊縫的縱向和橫向(特別是橫向)收縮不要受到較大的約束。
�、� 收縮量最大的焊縫應(yīng)當(dāng)先焊。
因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，故應(yīng)力較小。
(2)預(yù)先留出保證焊縫能夠自由收縮的余量
1開緩和槽減小應(yīng)力法：厚度大的焊件剛性大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的前提下，可以采用在焊縫附近開緩和槽的方法來減小焊接應(yīng)力，避免裂紋的產(chǎn)生。
2采用“冷焊”的方法：這種方法的原則是使整個(gè)結(jié)構(gòu)上的溫度分布盡可能均勻，即要求焊接部位這個(gè)“局部”的溫度應(yīng)盡量控制得低些，同時(shí)這個(gè)“局部”在結(jié)構(gòu)這個(gè)“整體”中所占的面積范圍應(yīng)盡量小些。
3整體預(yù)熱法：這種方法減小焊接應(yīng)力的原理與“冷焊法”在本質(zhì)上是相似的，即同樣是使焊接區(qū)的溫度和結(jié)構(gòu)整體溫度之間的差別減小，差別愈小，冷卻后焊接應(yīng)力也愈小，產(chǎn)生裂紋的傾向也愈小。
4采用加熱“減應(yīng)區(qū)”法：這種方法就是加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位(“減應(yīng)區(qū)”)，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用。
這種方法又稱為加熱去除約束法。
四、焊接變形和焊接應(yīng)力的消除
1、焊接變形的矯正
在鋼結(jié)構(gòu)加工之前，首先考慮采取各種有效措施防止或減小焊接變形，但在實(shí)際施工中由于某些原因，焊后結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生了超過產(chǎn)品技術(shù)要求所允許的變形，這樣就必須設(shè)法矯正變形，使之符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。
2、焊接應(yīng)力的消除
(1)去應(yīng)力退火：又稱高溫回火，焊后鋼件加熱溫度為500～650℃，可進(jìn)行整體去應(yīng)力退火，也可以局部退火。
(2)機(jī)械拉伸法：即對焊件施加載荷，使焊縫區(qū)產(chǎn)生塑性拉伸，以減少其原有的壓縮塑變，從而降低或消除應(yīng)力。
如：壓力容器的水壓試驗(yàn)。
(3)溫差拉伸法：利用溫差使焊縫兩側(cè)金屬受熱膨脹以對焊縫區(qū)進(jìn)行拉伸，使其產(chǎn)生拉伸塑變以抵消原有的壓縮塑變，從而減少或消除應(yīng)力，該法適用于焊縫較規(guī)則，厚度在40�L以下的板殼結(jié)構(gòu)。
(4)振動(dòng)法：通過激振器使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生共振產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力來降低或消除內(nèi)應(yīng)力。
結(jié)束語：
在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，一定要了解焊接結(jié)構(gòu)的材料、工作條件等各方面，正確編制焊接工藝，采用合理有效的焊接方法和預(yù)防控制措施，減小焊接變形和焊接應(yīng)力。
同時(shí)在工作實(shí)踐中需要不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗(yàn)，綜合分析分析各種因素，確保鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。
建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力變形控制【2】
【摘要】在焊接過程中焊件將發(fā)生變形，隨著變形的產(chǎn)生，焊件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生變化，而焊完并冷卻后所留下的變形不是暫時(shí)的而是殘余的。
通常焊接的殘余變形和應(yīng)力是同時(shí)存在的，但在一般焊接結(jié)構(gòu)中殘余變形的危害性比殘余應(yīng)力大得多，它使焊件或部件尺寸改變而無法組裝，使整個(gè)構(gòu)件喪失穩(wěn)定而不能承受荷載，使產(chǎn)品質(zhì)量大大降低，而矯正卻要浪費(fèi)大量的人力和物力，有時(shí)還導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢。
同時(shí)焊接裂紋的產(chǎn)生往往和焊接殘余應(yīng)力和焊接變形有著密切的關(guān)系。
【關(guān)鍵詞】建筑鋼結(jié)構(gòu) 焊接 應(yīng)力 變形控制
一、產(chǎn)生原因分析
1.焊接應(yīng)力
焊縫溫度冷卻至室溫后，在整個(gè)接頭區(qū)內(nèi)焊縫及近縫的拉應(yīng)力與母材的壓應(yīng)力區(qū)域達(dá)到平衡，這時(shí)應(yīng)力狀態(tài)稱為焊接殘余應(yīng)力，形成焊接應(yīng)力。
2.焊接變形
在焊接應(yīng)力的作用下，如果焊件的約束較小，則焊件會(huì)產(chǎn)生形影的尺寸變化或彎曲或翹曲變形，稱為焊接變形。
3.焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生原因
在焊接過程中，在不均勻加熱使得焊縫及其附近的溫度很高，而遠(yuǎn)處大部分金屬不受熱，其溫度接近室內(nèi)溫度。
這樣，不受熱的金屬部分便阻礙了焊縫及近縫金屬的膨脹和收縮，因而，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力(縱向和橫向)，就造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。
金屬內(nèi)部晶粒組織的轉(zhuǎn)變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形，這也是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因。
4.焊件殘余應(yīng)力與變形危害
在焊接過程中焊件將發(fā)生變形，隨著變形的產(chǎn)生，焊件內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生變形，而焊完并冷卻后所留下的變形不是暫時(shí)的而是殘余的。
通常焊接的殘余變形和應(yīng)力是同時(shí)訊在的，但在一般焊接結(jié)構(gòu)中殘余變形的危害性比殘余應(yīng)力大得多，它使焊件或不見尺寸改變而無法組裝，使整個(gè)構(gòu)件喪失穩(wěn)定而不能承受荷載，使展品質(zhì)量大大降低，而矯正卻要浪費(fèi)大量的人力和物力，有時(shí)還導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢。
同時(shí)焊接裂紋的產(chǎn)生往往和焊接殘余應(yīng)力和焊接變形有著密切的關(guān)系。
有的金屬由于焊后產(chǎn)生了殘余應(yīng)力而使其適用性能大為下降，從而對這類金屬的焊件生產(chǎn)工藝上就存在大量困難。
因此，在制造焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分了解焊接時(shí)應(yīng)力發(fā)生的機(jī)理和焊后決定工件變形的基本規(guī)律，以控制和減小它的危害。
二、鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力、變形分析與控制
1.焊接變形的控制措施
全面分析各因素對焊接變形的影響，掌握其影響規(guī)律，即可采取合理的控制措施。
(1)焊縫截面積的影響
焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。
焊縫面積越大，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的，而且是主要的影響因素，因此，在板厚相同時(shí)，坡口尺寸越大，收縮變形越大。
(2)焊接熱輸入的影響
一般情況下，熱輸入大時(shí)，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區(qū)增大。
(3)焊接方法的影響
多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的集中焊接方法中，除電渣焊以外，埋弧焊熱輸入量最大;在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，埋弧焊收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護(hù)焊最小。
(4)接頭形式的影響
在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方法等因素條件相同時(shí)，不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。
常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。
�、俦砻娑押笗r(shí)，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母線的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時(shí)受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對較小。
�、赥型角接接頭和搭接接頭時(shí)，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。
③對接接頭在單道(層)焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時(shí)坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。
雙面焊接時(shí)情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時(shí)角變形也減小。
(5)焊接層數(shù)的影響
�、贆M向收縮;在對接接頭多層焊接時(shí)，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規(guī)律，第一層以后相當(dāng)于無間隙對接焊，接近于蓋面焊道時(shí)與堆焊的條件和變形規(guī)律相似，因此，收縮變形相對較小。
�、诳v向收縮;多層焊接時(shí)，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時(shí)的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對下層焊縫形成約束，因此，多層焊時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)小得多，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。
在工程焊接實(shí)踐中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較復(fù)雜，了解各因素單獨(dú)作用的影響便于對工程具體情況作具體的綜合分析。
所以，了解焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素，則可以采取以下控制變形的措施：
a.減小焊縫截面積，在得到完整、無超標(biāo)缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸(角度或者間隙)。
b.對屈服強(qiáng)度345MPa以下，且硬性不強(qiáng)的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱和層間溫度;優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護(hù)焊
c.厚板焊接時(shí)盡可能采用多層焊代替單層焊。
d.在滿足設(shè)計(jì)要求情況下，縱向加強(qiáng)肋和橫向加強(qiáng)肋的焊接可采用間斷焊接發(fā)。
e.雙面均可焊接操作時(shí)，要采用雙面對稱坡口，并在多層焊時(shí)采用與構(gòu)件中和軸對稱的焊接順序。
f.T形接頭板厚較大時(shí)采用開坡口叫對接焊縫。
g.采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。
h.采用剛性夾具固定法控制焊后變形。
i.采用構(gòu)建預(yù)留長度補(bǔ)償焊縫縱向收縮變形，如H形縱向焊縫每米長可預(yù)留0.5～0.7mm。
j.對于長構(gòu)件的扭曲，主要靠提高板材平整度和構(gòu)件組裝精度，使坡口角度和間隙準(zhǔn)確，電弧的指向和對中準(zhǔn)確，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構(gòu)件長度方向一致。
k.在焊縫眾多的構(gòu)件組焊和結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，要采取合理的焊接順序。
l.設(shè)計(jì)上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中和軸相對陳。
2、焊接應(yīng)力的控制措施
構(gòu)件焊接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)內(nèi)應(yīng)力，焊接后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并同時(shí)產(chǎn)生殘余變形，這是不可避免的現(xiàn)象。
焊接變形的矯正費(fèi)時(shí)費(fèi)工，構(gòu)件制造和安裝企業(yè)首先考慮的是控制變形，往往對控制殘余應(yīng)力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來控制變形，實(shí)際上增大了焊后的殘余應(yīng)力。
對于一些本身剛性較大的構(gòu)件，雖然變形會(huì)較小，但卻同時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋。
因此，對于一些構(gòu)件截面厚大、焊接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜、拘束度大、鋼材強(qiáng)度級(jí)別高、使用條件惡劣的重要結(jié)構(gòu)件要注意焊接應(yīng)力的控制。
控制應(yīng)力的目的是降低其峰值使其均勻分布，其控制措施有以下幾種：
2.1減小焊縫遲勛;焊接內(nèi)應(yīng)力由局部加熱循環(huán)而引起，為此，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，不應(yīng)加大焊縫尺寸和層高，要轉(zhuǎn)變焊縫越大越安全的觀念。
2.2.減小焊接拘束度;拘束度越大，焊接應(yīng)力越大，首先應(yīng)盡量使焊縫在較小拘束度下焊接，盡可能不用剛性固定的方法控制變形，以免增大焊接拘束度。
2.3.采取合理的焊接順序;在焊接較多的組裝條件下，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件形狀和焊縫的布置，采取先焊收縮較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫;先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。
2.4.降低焊件剛度;創(chuàng)造自由收縮的條件。
2.5.錘擊法減小焊接殘余應(yīng)力;在每層焊道完后立即用源頭敲渣小錘或電動(dòng)錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬，使其產(chǎn)生塑性延伸變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應(yīng)力。
但根據(jù)焊道、坡口內(nèi)及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側(cè)焊道不宜錘擊，以免出現(xiàn)熔合線和近縫區(qū)的硬化或裂紋。
高強(qiáng)度低合金鋼，如屈服強(qiáng)度級(jí)別大于345MPa時(shí)，也不宜用錘擊法消除焊接殘余應(yīng)力。
2.6.采用拋丸機(jī)除銹;通過鋼丸均勻敲打來抵消構(gòu)件的焊接應(yīng)力。
四、結(jié)束語
綜上所述，在施工過程中一定要了解焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，以便減少和消除焊接后殘余應(yīng)力、殘余變形。
在實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗(yàn)，綜合分析考慮各種因素，以保證工程中的焊接質(zhì)量。
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