金属材料焊接应力与变形控制分析

林和 姜兰英

[摘要]：金属材料焊接应用广泛，焊接质量与变形控制尤为重要，现结合金属结构的制作与安装实践经验，来分析焊接应力和变形产生的原因，根据钢材特性及工况、焊材、电流电压等因素对焊接质量的影响，提炼阐述焊接应力和焊接变形的控制方法。

[关键词]： 金属材料;焊接应力;变形;控制

中图分类号： TG404   文献标志码：A

引言

工程建设项目中金属结构设施占比越来越大，较复杂金结设备焊接施工也随之增加。金属结构在制作和安装的整个过程，焊接应力和变形贯穿始终，良好的工艺措施不仅是金属结构的安全性和可靠性的保证，也影响了工作效率，所以采取合理的控制措施尤为重要，值得深入分析和研究[1]。

1 焊接的应用与焊接质量影响因素

近年来的大型会展中心、车站、场馆尤其是海外项目，均大量采用钢结构建筑，无论是重型机械装备还是轻钢结构，制作安装主要采用焊接方式。能够制定一套适合的焊接工艺措施，能够对焊接应力和焊接变形进行良好控制，才能更好的保证整个工程的质量和效益。

焊接质量的影响因素主要有工艺安排、金属材质、结构类型、电流电压等。如果采用措施不当、在焊接过程中结构件会产生较大的应力和变形，严重的会造成塑性应变脆化，产生裂纹。严重时会出现焊件的强度、钢度，影响结构件受压时的稳定性和后期制作加工精度。在采取矫正变形时，则会费工、费时、增加成本，还会引发一些意想不到新问题[2]。

2 焊接应力与焊接变形产生的原因分析

2.1 焊接构件温差较大

焊接时焊缝高温区域导致整个周边温度不断发生变化，受环境温度等因素影响，构件产生局部温度较大问题，这是导致应力和变形的最主要原因[3]。焊接时焊缝金属融化，导致焊缝区温度相对较高，而焊缝区周围金属温度相对较低，则焊接过程产生了相对较大的区域温差，构件内部温差较大，导致构件整体的不规律膨胀和收缩，构件在局部拉应力和压应力作用下不能自由膨胀。当金属材料受到的拉或压应力超过其屈服强度临界点时，会产生塑性变形。焊件逐渐冷却时，因受热的部分金属已产生了塑性变形，则会出现被加热区域金属构件长度缩短情况，但其周边未受加热影响的部分金属又会阻碍它的缩短，这样会导致整体构件的不均匀受力，就会在整体金属构件中产生应力[4]。

2.2 焊缝金属的收缩

焊缝金属从高温到冷却过程中，根据热胀冷缩原理，体积会收缩。随着温度变化，构件会产生相应的变形和应力。焊缝的收缩会对焊缝区金属产生压应力，焊缝区周围金属产生拉应力，两种应力作用下导致金属结构件局部的不规则受力而出现凸凹不平变形。焊缝金属的收缩量主要受控于熔化金属的数量，即高温区域的占比影响，所以采用的构件坡口形式对焊接变形影响比较大。

2.3 焊缝金属的组织变化

焊缝金属在施焊达到熔点融化开始，随着焊接过程焊缝区域金属融合了两个焊件及焊材的材料，从熔点高温冷却到常温，金属内部材料组织会相应的发生变化，随着金属材料含量不同，焊缝金属冷却后会发生体积变化，但在周围没有组织变化的金属则会产生限制作用力，则会产生构件内部的应力。

2.4 焊件的钢度

金属构件在焊接过程中会约束部分金属变形，钢性不同的焊接结构件，焊后变形的情况也不同。如采取工装胎具固定后焊接，由于工装的限制，焊件不能随温度的变化自由膨胀和收缩，就会有效地减少构件变形，但同时会增大焊接应力。

另外，焊件材质、工艺和方法、对接形式、坡口的形式和角度、预留间隙、电流电压、焊接速度、焊条直径等都会对焊接应力和变形造成影响，对较大焊件，焊接顺序影响最大。

3 焊接应力的控制

3.1 合理的设计措施

在建筑结构设计中，在焊接上应尽量减少焊缝数量，尽量减少焊接量来达到控制结构件应力的目的，根据焊件的面积、厚度、合理安设计焊缝量和坡口型式。

焊缝尽量对称，避免密集和交叉焊缝。

盡量利用型材代替板材进行焊接，以减少焊缝条数。

3.2 工艺措施

钢材的焊接由于局部金属在短时间内达到高温熔化状态，焊缝熔池金属会迅速降温，伴随着膨胀、收缩的急剧变化和内应力的产生 ，还有钢材组织性能的变化。所以选择合理的焊接顺序、良好的工艺、适当的措施和适合的焊接参数、针对性的方法等要素才能取得良好的应力控制。

3.2.1 采用合理的焊接顺序和方向

金属材料在焊接前，应主要排除焊缝的纵、横向不能自由收缩限制因素，合理安排焊接顺序和方向，可采用从中间向两端进行施焊，对于复杂的如箱罐底板纵横交错的对接焊缝应整体来考虑焊接顺序，从中部向外、先短后长焊缝、先交叉焊缝、对称退焊等综合方法，利于各道焊缝的自由收缩。

收缩量最大的焊缝要先进行施焊，对于有对接焊缝和角焊缝的结构，对接焊缝收缩量相对较大应先焊，先焊的收缩阻力小、应力小。

3.2.2 降低焊缝的拘束度

在焊接受结构局限而造成相关的封闭焊缝拘束度较大，例如箱罐环缝的最后封口焊接，以及拘束度大而易产生变形的结构，就要根据情况事先采用钢性固定法、反变形法及焊前预热焊后缓冷等措施来控制结构焊接时的局部拘束度，释放局部应力控制变形，控制整体结构变形的目的。

3.2.3 锤击焊道法

在施焊过程同时，采用手锤等工具锤击焊缝，可起到熔池焊缝应力均衡作用，使焊缝收缩及周边金属膨胀应力均衡，让焊缝区金属得到有效延展。但锤击力度应适当，避免过力产生裂纹。锤击适用于多层多道焊缝，在打底层和表面层不宜使用。

3.2.4 加热减应法

在焊件的减应区加热使金属材料膨胀而延长，加热区的延长可以带动焊接区产生与焊缝方向相反的变形。这样，在加热区冷却收缩时，焊缝就可以自由地收缩，达到减少内应力，类似于火焰矫正消除应力的效果。

3.2.5 采用冷焊法

采用冷焊法力求做到整个结构上的温度分布尽量均匀，追求焊缝和高温热影响区的宽度尽量窄小，控制温度，这样收缩造成的应力则会比较小，例如采用较小的焊接线能量、合理的焊接顺序和操作方法都可以实现。如采用小径焊条、小电流多层直焊法。

3.2.6 焊前预热和焊后缓冷

根据才特性，一些特殊材料的焊接需要焊前预热，来减少焊缝区与周围区域的温差。焊后缓冷是焊缝在温度降低时可再次加热到适当温度来降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀缓慢冷却，来控制焊接应力与变形。如锅炉上采用的耐热钢材料12Cr1MoVG在焊接工艺上需要焊前预热、焊后保温退火、热处理等措施[5]。

4 焊接变形的控制

4.1 反变形法

反变形法在施工中使用较广的方法，它是根据经验对焊接变形量大小和走向的一个预判，而在金属结构件组对和拼装时预留一定的相反变形量，使结构件焊后与焊前预留量产生的变形相抵消，来达到构件平整的目的和想达到的理想状态。

4.2 利用装配和焊接顺序控制变形

通过对焊接顺序的和结构装配的调整可有效控制焊接变形，同样的结构如采用不同的焊接顺序和合理的装配方法，便可实现良好控制结果。所以选择正确合理的焊接与组装顺序比较重要，一般可按以下原则[6]：

收缩量大的焊缝先焊。

采取对称同时施焊法（从中心对称向外施焊法）。

长焊缝焊接时，应采取对称焊、由内向外、逐步退焊、跳焊順序。

4.3 对称施焊法

对称施焊法在制定焊接工艺时，根据整体结构件或设备结构情况安排焊接位置、方向、焊接人数，达到控制变形量最小的目的，焊接人数都是成对成组配置，较大的结构需多人同时施焊，使焊接变形相互制约，使结构内部应力得到均衡而不产生较大的整体变形。

4.4 刚性固定法

有些结构在没法设置反变形等的情况下，只能选择将构件进行钢性固定方式进行焊接，可采用各自工装夹具进行固定后焊接，待焊接冷却后拆除夹具的方法。该方法对角变形和波浪变形均能起到一定的作用、效果较好[7]。

5 钢材特性及匹配电流、电压对变形的影响

5.1 钢材的可焊性

金属材质影响会造成较大的结构变形，有的材料在使用了上述各种方法后还是出现结构变形，这就是钢材本身（金属元素的化学含量）的问题[8]。含碳量小于0.4%的碳素钢可焊性较好，可保证焊接质量。如果合金元素含量不稳定的材料，则会增大焊接区域材料的硬脆性，降低可焊性，针对此类材料应实施综合工艺安排，才能保证焊接效果。

5.2 焊条材料及电流、电压匹配

焊接材料的匹配和电流、电压的选用是影响焊接的常规因素，要遵循材质匹配原则，根据焊缝坡口类型选择焊材直径，保证焊材的强度大于焊件的强度。焊接电流、电压的调整要根据焊口型式和工艺安排等情况来验证确定，此处不再讨论[9]。

总结

综上所述，焊接应力和变形可以通过采取特定方法加以控制，针对不同的结构和金属材料特性做技术分析，采取不同的施工工艺和方法即可实现方案优化，利用变形和应力原理可解决焊接过程中的相应问题，从而实现省时、省力而又高效、保质地进行施工。

参考文献

[1]王丰景. 钢结构焊接变形与焊接应力研究[J]. 工程技术研究， 2017（04）：72-73.

[2]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.

[3]吕仲， 韩巧珍. 钢结构焊接变形控制[J]. 电焊机， 2011， 41（08）：73-74+85.

[4]吴辉宇， 向青山. 钢结构温度效应分析及焊接变形与应力控制[J]. 中外建筑， 2009（04）：176-178.

[5]蒋莉莎. 焊接残余应力的危害及处理方法[J]. 滁州职业技术学院学报， 2011， 10（02）：64-65+69.

[6]杨燕. 焊接热源对钢结构焊接应力的影响[J]. 铸造技术， 2014， 35（02）：374-377.

[7]姜秀丽， 宋增栓， 李兰英. 金属结构件组装及焊接变形控制[J]. 现代制造技术与装备， 2012（04）：47-48.

[8]王聪. 钢结构大型焊接构件的焊接变形预测与控制[D]. 青岛理工大学， 2012.

[9]舒先庆， 黄新明， 代国文. 钢结构制造中焊接变形的控制方法[J]. 电焊机， 2007（06）：127-129.

作者简介：林和（1970-），男，吉林永吉人，工程师，主要从事工程建设项目管理工作。

单位名称：中工国际工程股份有限公司