建筑钢结构的焊接残余应力与消除方法探索

真正 · 发表于 2008-12-1 18:18:13

转载2008-12-1

摘要：
本文介绍了建筑钢结构的焊接残余应力测量结果及控制残余应力的意义，以详实的
数据分析了几种可能采用的消应力方法，提出了在建筑钢结构制造中采用振动时效与振动焊接
工艺的建议。
关键词：
建筑钢结构；焊接；残余应力；时效
前言
0
建筑钢结构是否需要和能否进行时效工艺，除热时效外还有什么合适的消应力工艺可用于建筑钢结构，是人们关心的问题。随“奥运”和“世博”工程的推展，我国建筑钢结构制造量近年迅猛上升。出现用钢量达十万吨的单体结构，结构钢强度级别由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa 乃至460Mpa，结构件板厚达到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑钢结构制造形势对开展建筑钢结构消应力技术应用研究及建立和完善相关的标准是个难得的机会。本文作者根据多年的实践，介绍几个大型钢结构及建筑钢结构工程的焊接残余应力测量及应力消除的结果；以此为基础，提出了在建筑钢结构制造中采用振动时效与振动焊接工艺的建议。
1 建筑钢结构的残余应力
建筑焊接钢结构与一般的焊接构一样，同样存在焊接残余应力。以上海安亭蕴藻浜大桥为
例，钢号为Q345B，σs=345MPa。其先在工厂进行箱型分段焊接，然后在现场进行拼焊。采用盲孔法对拼焊残余应力进行测量，结果如表1：
表1 蕴藻浜大桥现场焊后残余应力
位置应力Mpa 最大主应力最小主应力剪应力纵向应力横向应力
上表面埋弧焊纵缝极值 315 -95 133 77 287
平均值 157 2 78 64 94
下表面手工焊纵缝极值 81 -74 79 48 -34
平均值 62 -46 54 31 -15
人孔封板手工焊缝极值 261 94 79 232 133
平均值 184 103 41 173 114
表1
结果表明：下表面焊缝为先焊焊缝，残余应力水平比较低，而后焊接的上表面焊缝的应力水平则很高，个别值接近母材σs，平均值接近或超过σs/2水平；下文表2、3、4的数据也可以证实这种状况。焊接构件由于存在高的拉伸残余应力，且焊缝部位存在热影响区、焊趾缺陷、接头应力集中，形成构件上组织和力学的薄弱部位，有可能导致构件运行时的变形、早期开裂、应力腐蚀、疲劳断裂和脆性断裂。因此，在可能的情况下采用适合的时效工艺以改善组织性能及消除残余应力，将可有效地提高构件的稳定性和安全性及使用寿命。
2 建筑钢结构残余应力的消除工艺
实际上一些高要求的建筑大型焊接钢结构上已采用了时效工艺，包括有技术标准支持的热时效、振动时效、TIG重熔和锤击工艺，以及研发中的振动焊接、超声冲击、爆炸法技术。
2.1 热时效
表2 金茂大厦转换柱热时效消应力效果分析表
残余应力（MPa）最大主应力最小主应力纵向应力横向应力
热处理前平均值 135 51 58 128
热处理后平均值 79 16 30 64
热处理前后差值 56 35 28 64
变化率（%） 41 68 48 50
对重要焊接构件先进行整体热时效，然后在现场与其它构件进行组合拼焊的工艺是建筑钢结构制造常采用的方法。上海金茂大厦的钢架采用全焊接结构，在工厂完成零部构件制造、且对受力构件－转换柱先进行整体热时效，然后运现场拼焊。采用盲孔法残余应力测量技术对转换柱热时效工艺效果的评定结果见表2。
目前，热时效仍是一种主流工艺，其具有焊缝去氢、恢复塑性和消应力三重功能。一般认为热时效的消应力效果为40－80％，表2的结果符合这个规律；然而对建筑钢结构而言，现场拼焊而产生的残余应力将依然存在于钢结构中，而在现场进一步采用热时效工艺就十分困难了；局部热时效可以降低被处理焊接接头的应力，但加热带边缘会产生新的热处理应力，且局部热时效实施比较困难，能耗很大。因此，需考虑其它补充、替代工艺。
2.2 TIG 重熔
焊趾缺陷是一种焊道融合线上中难以避免的小而尖锐、连续的缺陷，往往成为结构疲劳破坏的裂纹源。常采用TIG 重熔工艺对焊趾进行修整，重建裂纹起裂前的状态，降低由于焊趾缺陷所造成的应力集中现象，以延长了疲劳寿命。同时TIG 重熔也能改善焊缝区的横向残余应力；上海宝冶工程技术公司进行重型门式起重机大梁维修，对其拘束模拟焊接试板焊缝TIG 重熔前后的残余应力，通过X
射线方法进行测量，测定结果见表3。

由此可见：TIG重熔对于焊缝的纵向残余应力改善不明显，残余应力绝对值下降不大；但对于纵向残余应力的均匀分布有一定效果。但对横向残余应力有明显的改善效果，残余应力绝对值下降明显而且分布趋于均匀。考虑到
建筑钢结构的载荷特点以及生产效率的要求，TIG重熔可在横向拘束应力大的焊道上，作为缓和横向残余应力、降低应力集中的辅助工艺。
表3
重熔前后残余应力均值对比（材料：Q345；单位Mpa）
纵向应力横向应力编号重熔前重熔后下降量％重熔前重熔后下降量％
1 209 199 5.0 56 57 -2.3
2 206 240 -16.4 59 64 -8.0
3 236 213 9.6 -57 29 -150.9
4 265 245 7.7 259 84 67.5
5 189 201 -6.4 206 114 44.6
6 221 219 0.7 105 70 33.4
表4 典型焊接构件振动时效的效果
2.3
振动时效（VSR）
振动时效是对构件施加交变应力，与构件上的残余应力叠加达到材料的屈服应力，发生局部的宏观和微观塑性变形；这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大处和构件的应力集中点，使这里的残余应力得以释放，达到降低和均化残余应力的作用。应用振动时效技术在我国已达25年，相继出台三个技术标准[1]，也已纳入我国建筑钢结构施工规范，技术成熟。由于振动时效经济性好、方法简单、工艺快捷、效果显著、适用面广，且不受构件的大小、重量以及场地的限制，
已广泛应用于机床、起重运输、冶金、化工等制造业，也渗入到核工业（核反应堆内构件、核聚变设备）、磁悬浮交通、宇航等高尖领域。几个典型焊接构件振
动时效的效果分析见表4。
表4 典例皆应用功率不大于2KW的振动时效设备，对一个构件的处理时间一般为20－45分钟，结果表明：振动时效的消应力效果为20－50％；尽管振动时效不具备去氢和恢复塑性的功能，但从尺寸稳定性比较，已达到和超过热时效的水平，振动时效是一种以消应力、提高尺寸稳定性为目标的替代热时效的先进工艺。尽管目前振动时效在建筑钢结构应用尚少，
但根据建筑钢结构的载荷特点与施工要求，振动时效有可能成为今后建筑钢结构消应力的主流工艺之一。
2.4
振动焊接（VW or VCW）
振动焊接又称振动调制焊接、随焊振动，是目前国内外正在研发的新技术；在振动时效标准的附录中，已确认为可与振动时效组合的工艺之一[1]。其不改变原有的焊接工艺；在焊接过程，通过一个几百瓦的小激振器对构件注入频率和振幅可控的振动，即形成振动焊接。这种限幅的振动，势必对焊接熔池和热影响区产生一定的作用：
⑴
当焊缝金属在熔融状态下，由于振动使气泡、杂质等容易上浮、排除。

工程材料尺寸mm/重量ton消应力效％
200 吨级行车大梁 Q235 29000*3200*2000 13-22
4000 吨级锻机上横梁 Q235 130 吨 29
港口起重机卷筒体 Q345 D1400*13800δ50 30－56
核聚变试验装置底板 304L D7800 δ90 31
300MW 火电机架 20G D2900*3400 22-49
磁悬浮交通功能件 16Mn+软磁钢 3000*500*450 31
⑵
在结晶过程振动可细化晶粒，使焊缝的力学性能得到提高。
⑶温度大于600℃的区域，材料在强度逐步恢复的冷却过程中，伴随振动的热塑性变形，使逐步形成的焊接残余应力得到降低和均化，可减少焊接变形及焊接裂纹的形成。
表5 是对BB503 厚板(90mm)电渣焊采用振动焊接的应力测量结果。BB503 材料的屈服强度为295－315Mpa，试验表明：采用振动焊接（VW）或复合振动焊接（VSR+VW）可明显降低残余应力水平，且接头性能优化，如：侧弯合格率也由原25％上升为75-100％。对Q235材料焊接的H型轻钢（H900X200X6/8，长6m）的试验表明，振动焊接可使焊接变形下降21-32％。
表5 BB503 厚板振动焊接的残余应力测量结果
工艺最大主应力最小主应力纵向应力横向应力
0.6gVW 极值 209 -92 206 85
平均值 117 -16 109 -8
0.3gVW＋0.6gVSR 极值 81 -121 64 24
平均值 37 -47 28 -39
国内外的研究和实验都表明，振动焊接工艺经济、简便、高效，特别是可以在大型焊接钢结构上实施，振动焊接在降低焊缝残余应力、减少工件变形、提高结构疲劳寿命、提高接头力学性能，即全面提高焊缝质量方面有显著作用。基于振动焊接的优点，在我国重大工程中，对一些采用热时效工艺有困难的结构，已开始试验振动焊接工艺，包括核聚变试验装置、大厚壁高炉炉体、大直径阀体等。若能加强振动焊接在建筑钢结构上的应用试验和技术标准的建设，振动焊接很可能成为补充、替代传统热时效的又一重要工艺。
2.5 超声冲击与锤击
超声冲击消应力技术由乌克兰巴顿焊接研究所提出，近年引入我国，已在北京电视台钢结构立柱上进行过试验。超声冲击消应力工艺的特点是：在超声（≥16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；试验表明：
⑴
超声冲击对一定深度的表层有消应力的效果，在采用对焊道全覆盖冲击时，被冲
击的表面会形成压应力，对2～4mm 深度层消应力效果可达34～55％。
⑵
采用焊趾冲击法，可以快速修复焊趾的缺陷，降低应力集中。并伴随其压应力区的作用可以在一定程度上降低焊趾边未受冲击焊缝的残余应力，下降率达19％，对提高接头的疲劳寿命有明显作用。
⑶
由于冲击工艺处理的特点，仅可以用于冲击工具可达的外表面，其工作效率约为1200mm2/min。冲击工艺是以点接触、压应力屈服为主要特征的“面效应”型消应力工艺，伴随一定的振动时效效果，比较适合高拘束状态短焊缝的局部处理。如局部的焊接修复、大构件的组配焊接以及在厚壁结构上焊小构件，其焊缝处承受较大的拘束应力，且焊后易产生延迟冷裂纹等情况。可作为其它消应力工艺的补充工艺。应用人工或气动的锤击消应力工艺，通过敲击振动及表面压应力屈服实现消应力效果。该工艺已进入美国钢结构焊接规范，我国也成功应用于大型转炉的焊接和大型水轮机异重金属焊接的消应力处理。由于锤击工艺难以规范，对周边干扰大，劳动强度高，往往作为补充、应急工艺。
2.6 爆炸法工艺
将特种专用炸药沿焊缝走向粘贴在焊缝附近。炸药引爆后产生连续的冲击波迫使结构的峰值应力区域发生塑性变形，以此达到消应力的目的。据报道消除厚度可达70mm，效果可达60％，瞬间完成，适合大型和特大型结构，在水利涵管方面应用较多。爆炸法消应力施工时十分强调安全措施，故在城市建筑中应用有一定困难。

真正 · 发表于 2008-12-1 18:19:28

3 讨论与结论
⑴
建筑钢结构焊后存在高的残余应力，时效工艺可以明显降低应力水平，对安全性及使用寿命带来好处。
⑵
上述消应力工艺皆可应用于建筑钢结构：其中热时效可作为重要零部件的整体消应力工艺；局部热时效、TIG重熔、超声冲击、锤击可作为现场拼焊后的消应力和控制应力集中的工艺；振动时效和振动焊接则可更广泛地满足零部件制造和现场拼焊控制残余应力的要求。
⑶
在目前的建筑钢结构制造中，除热时效外尚有多种消应力工艺尚未得到有效应用，应加强应用试验，把在其它行业已成功的技术进行移植、推广应用，并逐步建立技术标准。
⑷
我国的振动时效和振动焊接技术在国际上占领先地位；这两种工艺对建筑钢结构的载荷特点和制造要求具有良好的适用性，应首先加强这两种工艺的应用试验。
参考文献：
[1] JB/T10375-200，焊接结构振动时效工艺参数选择及要求[S].北京：中华人民共和国机械行业标准出版社，2002.
焊接应力
一、焊接残余应力的分类
1
．根据应力性质划分：拉应力、压应力
2
．根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力
3
．根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力
4
．根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力
5
．根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力
二、焊接残余应力的分布规律
1
．纵向应力бx 的分布
бx 在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服
强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。бx在焊件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，бx=0，越靠近纵截面的中间，бx越大，逐渐趋近于бs。如图2-9所示。图2-11为板边堆焊时，бx在焊缝横截面上的分布。T 形接头的бx布与立板和水平板尺寸有很大关系，δ/h
越小，接近于板边堆焊的情况；δ/h越大，接近于等宽板对接的情况。
2
．横向应力бy 的分布 бy =бy′+бy″бy′：
焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力；бy″：
焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。
3
．特殊情况下的焊接残余应力
① 厚板中的焊接残余应力
② 拘束状态下焊接残余应力
③ 封闭焊缝中的残余应力
④ 焊接梁柱中的残余应力
⑤ 焊接管道中的残余应力
三、焊接残余应力对焊接结构的影响
1
．对结构强度的影响
只要材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。对脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中
应力峰值不断增加。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。
2
．对构件加工尺寸精度的影响
3
．对梁柱结构稳定性的影响
四、减小焊接残余应力的措施
一般来说，可以从设计和工艺两方面着手：
1
．设计措施
①
尽可能减少焊缝数量；
②
合理布置焊缝；
③
采用刚性较小的接头形式。
2
．工艺措施
（1
）采用合理的装配和焊接顺序及方向
①
钢板拼接焊缝的焊接；
②
同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时，应先焊收缩量大的
焊缝；
③
对工作时受力较大的焊缝应先焊；
④
平面交叉焊缝的焊接。
（2
）缩小焊接区与结构整体之间的温差
（预热法、冷焊法）
（3
）加热“减应区”法
（4
）降低接头局部的拘束度
（5
）锤击焊缝
五、消除焊接残余应力的方法
1
．热处理法
热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松驰焊接残余应力的目的，同时热处理还可以改善接头的性能。
（1）整体热处理
整体炉内热处理、整体腔内热处理
整体加热热处理消除残余应力的效果取决于热处理温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。保温时间根据板厚确定，一般按每毫米板厚1~2 min计算，但最短不小于30 min，最长不超过3h。
碳钢及中、低合金钢：加热温度为580~680℃；
铸铁：加热温度为600~650℃。
（2）局部热处理
局部热处理只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热、远红外加热等，消除应力效果与加热区的范围、温度分布有关。
2
．加载法
加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松驰应力的目的。
（1）机械拉伸法
（2）温差拉伸法
（3）振动法
六、焊接残余应力的测定
目前，测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类，即机械方法和物理方法。
1
．机械方法
利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。包括切条法、钻孔法和套孔法。
2
．物理方法
是非破坏性测定焊接残余应力的方法，常用的有磁性法、超声波法和X射线衍射法。
（1）磁性法是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。
（2）X 射线衍射法是根据测定金属晶体晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力
的无损测量方法。
（3）超声波法是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余
应力的。
焊接应力的控制及消除
高红, 曲金萍, 刘风山, 龚帮军, 马艳
(铁煤集团公司大兴煤矿, 辽宁调兵山112700)

真正 · 发表于 2008-12-1 18:20:44

摘要:通过对焊件在焊接中产生应力的分析,提出科学合理地控制及消除焊接应力的方法。
关键词:焊缝; 焊接应力; 温度
0 前言
在对矿山设备的机修件进行焊接中,为防止和减少焊件变形,必须控制焊修区域的收缩,但是对收缩变形的控制将会促进内应力的显著增加。焊件自身在焊接过程中,由于受到不均匀的加热和冷却,在结构中必然会产生焊接应力,这些焊接应力会残留在焊后已经冷却的结构中。焊接应力是引起焊接接头中产生各种焊接裂纹的重要因素。焊后残留在结构中的焊接应力将会影响整个结构的使用寿命;因此,控制和消除焊接应力值,有利于提高整个构件的焊
接质量。
1 控制焊接应力的方法
1.1 从设计上考虑控制焊接应力的方法控制焊接残余应力可以从焊接结构的设计上考虑,在保证结构有足够的强度条件下,尽量减少焊缝的数量和尺寸。
1.2 合理的焊接顺序法
在焊接过程中尽量使所焊焊缝能自由收缩。先焊收缩量较大的焊缝,使其能在结构整体刚性较小的情况下自由收缩;先焊错开的短焊缝,后焊直通长焊缝;当结构上的多余焊缝受力不均时,应先焊在工作时受力较大的焊缝,使焊接应力能合理地分布;焊接带有交叉焊缝的接头,焊接时必须采用保证交叉点部位不易产生缺陷的焊接顺序。如:井下用起吊间在构件上分布着对接焊缝和角焊缝两种焊缝形式,由于对接焊缝的收缩量大于角焊缝的收缩量,所以应先焊对接焊缝。
1.3 降低局部刚性法
结构刚性增加时,焊接应力随之加大,降低局部刚性有利于减少应力。焊接封闭焊缝或刚性较大的焊缝,焊接时可以采取反变形法降低结构的局部刚性,也可根据情况在焊缝附近开缓和槽,降低焊接部位的局部刚性,尽量使焊缝有自由收缩的可能,以便能有效地减少焊接应力。
1.4 预热和缓冷方法
焊件本体上温差越大,焊接应力也越大。焊前对焊件进行预热能减小温差和减慢冷却速度,两者均能减少焊接应力。在焊修前将工件放在炉内加热到一定温度(100～600℃) ,并在焊接过程中防止加热后的工件急剧冷却,这样降低焊修部分温度与基体金属温度的差值,使膨胀数值接近,从而减少内应力。若焊件整体预热有困难,可采用局部预热,即在焊缝及其两侧不少于80 mm 处进行加热,因为加热太窄会造成新的温差应力。预热时温升不要太快,要均匀,并要求整条焊缝各部位温度应基本一致。缓冷时将焊接后的工件加热到600 ℃,放在退火炉内,让它慢慢地冷却下来。
1.5 锤击法
当焊修较长的裂缝和堆焊层,焊缝金属冷却时,由于焊缝收缩时受阻力而产生拉应力,趁着焊缝和堆层在赤热的状态下,用锤轻敲焊缝区能使金属展开,焊缝扩展可减少焊缝的收缩,焊接应力可减少1/ 2～1/ 4。锤打时,焊修金属温度在800 ℃时效果最好。若温度降低,敲打力量也要随之减少。进行锤击时,温度应在300 ℃以下或400 ℃以上,避免在300～400 ℃之间进行,因为此时金属材料正处于蓝脆阶段,
锤击焊缝容易造成断裂。多层焊时,第一层和最后一层焊缝不用锤击,其余每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹,最后一层焊缝要焊接得较薄,以便消除由于锤击而引起的冷作硬化。
2 消除焊接残余应力的措施
2.1 焊件整体高温回火
将整个焊件放在加热炉内加热到一定的温度,然后保温一段时间再冷却,同种材料回火温度越高,时间越少,焊接应力消除越彻底。这种方法可将焊件内80 %～90 %的焊接残余应力消除掉。保温时间通常按每毫米1～2 min ,一般不低于30 min ,不高于3 h。
2.2 局部高温回火
只对焊缝及附近区域进行加热以消除焊接残余应力。此方法通常用于焊接管道接头及长构件的对接接头等。
2.3 机械拉伸法
对焊接结构进行加载,使焊接压缩塑性变形区得以拉伸,可减少由焊接引起的局部压缩塑性变形量,使焊接应力得以降低。
2.4 温差拉伸法
用焊修件局部加热的温差来拉伸焊缝区,两侧温度高,焊接区温度低,两侧受热膨胀金属对温度较低的区域进行拉伸,可消除部分应力。
3 结束语
矿山机械零件种类较多,所受载荷和工件条件各不相同,对各类零件机械性能要求也不同。在焊修前,
必须对该零件的材料、工作条件、机械性能、热处理等方面有明确的了解,正确安排焊接工艺,采取有利措施,以获得最好焊接效果,达到整个焊件的焊接质量要求。减少焊接应力和焊接变形的方法
（1）采用适当的焊接程序，如分段焊、分层焊；
（2）尽可能采用对称焊缝，使其变形相反而抵消；
（3）施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形；
（4）对于小构件焊前预热、焊后回火，然后慢慢冷却，以消除焊接应力。
合理的焊缝设计
（1）避免焊缝集中、三向交叉焊缝；
（2）焊缝尺寸不宜太大；
（3）焊缝尽可能对称布置，连接过渡平滑，避免应力集中现象；
（4）避免仰焊。
焊接变形的产生和防止
手工电弧焊接过程中的变形成因及对策
在工业生产中，焊接作业特别是手工电弧焊作业作为制造、修理的一种重要的工艺方法得到越来越广泛的运用。同时，由于手工电弧焊自身的焊接特点必然引起其焊接变形较大，如不对其变形的原因进行分析并针对其成因提出有效的对策，必将给生产带来极大的危害。
一、手工电弧焊接过程中的变形成因
我们知道，手工电弧焊接过程中的焊接电弧由在两个电极之间的气体介质中产生持久的放电现象所产生的。电弧的产生是先将两电极相互接触而形成短路，由于接触电阻和短路电流产生电流热效应的
结果，使两电极间的接触点达到白热状态，然后将两电极拉开，两电极间的空气间隙强烈地受热，空气热作用后形成电离化；与此同时，阴极上有高速度的电子飞出，撞击空气中的分子和原子，将其中的电子撞击出来，产生了离子和自由电子。在电场的作用下，阳离子向阴极碰撞；阴离子和自由电向阳极碰撞。这样碰撞的结果，在两电极间产生了高热，并且放射强光。电弧是由阴极区（位于阴极）、弧柱（其长度差不多等于电弧长度）和阳极区（位于阳极）三部分所组成。阴极区和阳极区的温度，主要取决于电极的材料。一般地，随电极材料而异，阴极区的温度大约为2400K—3500K，而阳极区大约为2600K—4200K，中间弧柱部分的温度最高，约为5000K—8000K。焊接接头包括焊缝和热影响区两部分金属。焊缝金属是由熔池中的液态金属迅速冷却、凝固结晶而成，其中心点温度可达2500℃以上。靠近焊缝的基本金属在电弧的高温作用下，内部组织发生变化，这一区域称为热影响区。焊缝处的温度很高，而稍稍向外则温度迅速下降，热影响区主要由不完全熔化区、过热区、正火区、不完全正火区、再结晶区和蓝脆区等段组成，热影响区的宽度在8—30 mm范围内，其温度从底到高大约在500 ℃--1500℃之间。金属结构内部由于焊接时不均匀的加热和冷却产生的内应力叫焊接应力。由于焊接应力造成的变形叫焊接变形。
在焊接过程中，不均匀的加热，使得焊缝及其附近的温度很高，而远处大部分金属不受热，其温度还是室内温度。这样，不受热的冷金属部分便阻碍了焊缝及近缝区金属的膨胀和收缩；因而，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力（纵向和横向），就造成了焊接结构的各种变形。金属内部发生晶粒组织的转变所引起的体积变化也可能引起焊件的变形。这是
产生焊接应力与变形的根本原因。
二、焊件的残余变形和应力的危害性
在焊接过程中焊件将发生变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生了变化，而焊完并冷却后所留下的变形和应力不是暂时的而是残余的。通常焊件的残余变形和应力是同时存在的，但在一般焊接结构中残余变形的危害性比残余应力大得多，它使焊件或部件的尺寸改变而无法组装，使整个构件丧失稳定而不能承受载荷，使产品质量大大下降，而校正却要消耗大量的精力和物力，有时导致产品报废。同时焊接裂缝的产生往往也和焊接残余变形和应力有着密切的关系。有的金属由于焊后产生了残余应力而使的使用性能大为下降，从而对这类金属的焊接件生产造成工艺上的大量困难。因此，在制造焊接结构时，必须充分了解焊接时内应力发生的机理和焊后决定工件变形的基本规律，以控制和减少它的危害性。
三、影响焊接结构变形的主要因素及变形的种类
（一）、影响焊接结构变形的主要因素有：
1.
焊缝在结构中的位置；
2.
结构刚性的大小；
3.
装配和焊接顺序；
4.
焊接规范的选择。
（二）、焊接变形的种类有：
1.
纵向收缩和横向收缩；
在焊缝长度方向上的收缩称纵向收缩，而在垂直于焊缝纵向的收缩称横向收缩。由于这种收
缩，便使焊件发生了变形。
2.
角变形；
3.
弯曲变形；
4.
波浪变形；
5.
扭曲变形。
（三）、从焊接工艺上分析，影响焊缝收缩量的因
素有：
用手工电弧焊焊接长焊缝时，一般采用焊前沿焊缝进行点固焊。这不仅有利于减小焊接变形，
也有利于减小焊接内应力。
备料情况和装配质量对焊接变形也会产生影响。
焊接工艺中影响焊缝收缩量的因素有：
1.
线膨胀系数大的金属材料，其变形比线膨胀系数小的金属材料大；
2.
焊缝的纵向收缩量随着焊缝长度的增加而增加；
3.
角焊缝的横向收缩比对接焊缝的横向收缩小；
4.
间断焊缝比连续焊缝的收缩量小；
5.
多层焊时，第一层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小；
6. 在夹具固定条件下的焊接收缩量比没有夹具固定的焊接
收缩量小，约减少40%--70%；
7.
焊脚等于平板厚度的丁字接头，角变形量较大。
四、防止焊接变形的方法
通过以上的分析，我们基本了解焊接变形的原因及变形的种类，针对焊接变形的原因和种类从焊接工艺上进行改进，可以有效防止和减少焊接变形所带来的危害。下面，我们主要介绍几种常见的防止焊接变形的方法。
1. 反变形法
在焊前进行装配时，预置反方向的变形量为抵消（补偿）焊接变形，这种方法叫做反变形法。图1 所示为8—12mm 厚的钢板V形坡口单面对接焊时，采用反变形法以后，基本消除了角变形。
2.
利用装配和焊接顺序来控制变形；
采用合理的装配和焊接程序来减少变形，这在生产实践中是行之有效的好办法，如图2（a）所示为一箱形梁，由于焊缝不对称，焊后产生下挠弯曲变形。解决办法是由两人或四人，对称地先焊只有两条焊缝的一侧，如图2（b）中焊缝1 和1 然后就造成了如图2 (c)的上拱变形。由于这两条焊缝焊后增加了箱形梁的刚性。当焊接另一侧的两条焊缝时，如先焊图2(d)中焊缝2 和2，最后再焊图2(e)中焊缝3 和3，就基本上防止了变形。有许多结构截面形状对称，焊缝布置也对称，但焊后却发生弯曲或扭曲的变形，这主要是装配和焊接顺序不合理引起的，也就是各条焊缝引起的变形，未能相互抵消，于是发生变形。焊接顺序是影响焊接结构变形的主要因素之一，安排焊接顺序时应注意下列原则：
1）尽量采用对称焊接。对于具有对称焊缝的工作，最好由成对的焊工对称进行焊接。这样可以使由各焊缝所引起的变形相互抵消一部分。
2）对某些焊缝布置不对称的结构，应先焊焊缝少的一侧。
3）依据不同焊接顺序的特点，以焊接程序控制焊接变形量。常见的焊接顺序有五种，即：
a.分段退焊法
这种方法适用于各种空间的位置的焊接，除立焊外，钢材较厚、焊缝较长时都可以设挡弧板，多人同时焊接。其优点是可以减小热影响区，避免变形。每段长应为0.5—1m。见图2(f)
b.分中分段退焊法
这种方法适用于中板或较薄的钢板的焊接，它的优点是中间散热快，缩小焊缝两端的温度差。焊缝热影响区的温度不至于急剧增高，减少或避免热膨胀变形。这种方法特别适用于平焊和仰焊，横焊一般不采用，立焊根本不能用。见图2(g)
c.跳焊法
这种方法除立焊外，平焊、横焊、仰焊三种方法都适用，多用在6—12mm 厚钢板的长焊缝和铸铁、不锈钢、铜的焊接上，可以分散焊缝热量，避免或减小变形。钢材每段焊缝长度在200—400mm之间；铸铁焊件按铸铁焊接规范处理；不锈钢和铜由于导热快，每段长不宜超过200mm (薄板应短些)。见图 2(h)
d.交替焊法
这种焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距离拉长，特别适用于薄板和长焊缝。见图2(i)
e.分中对称法
这种方法适用于焊缝较短的焊件，为了减小变形，由中心分两端一次焊完。见图2(j)
3.刚性固定法
刚性固定法减小变形很有效，且焊接时不必过分考虑焊接顺序。缺点是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件还有少许变形和较大的残余应力。这种方法适用于焊接厚度小于6
mm 及韧性较好的薄壁材料。如果与反变形法配合使用则效果更好。
对于形状复杂，尺寸不大，又是成批生产的焊件，可设计一个能够转动的专用焊接胎具，既可以防止变形，又能提高生产率。当工件较大，数量又不多时，可在容易发生变形的部位临时焊上一些支撑或拉杆，增加工件的刚性，也能有效的减少焊接变形。

真正 · 发表于 2008-12-1 18:21:49

3. 散热法
散热法又称强迫冷却法，即将焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热面大大减少，达到减小焊接变形的目的。图 3（a）为水浸法示意图，常用于表面堆焊和焊补。图3(b)是散热法示意图，用紫铜作散热垫，有的还钻孔通冷却水，这些垫板越靠近焊缝效果越好。但散热法比较麻烦，且对于淬火倾向大的钢材不宜采用，否则易裂。
4. 锤击焊缝法
锤击焊缝法，即用圆头小锤对焊缝敲击，可减少焊接变形和应力。因此对焊缝适当锻延，使其伸长来补偿这个缩短，就能减小变形和应力。锤击时用力要均匀，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手锤，其端部为圆角（R=3—5mm）。底层和表面焊道一般不锤击，以免金属表面冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻锤击，直至将焊缝表面打出均匀致密的点为止。
五、常见复杂构件防止变形的方法
1. 钢架的焊接
钢架焊接的关键问题，是如何保证强度和防止变形。从工艺上保证强度能适应载荷的变化，其变形量不致影响安装和使用的要求，因此：
1）焊缝的高度和长度，要按图施工。装配误差要小，坡口要清理干净。
2）钢架的焊接一般先焊腹杆与节点板之间的焊缝，然后再焊上、下弦与节点板之间的焊缝，焊接顺序不应集中，而应在节点间间隔跳开焊接（见图4(a)）。
3）节点板与杆件之间的横向焊缝不焊（见图4(b)），各种焊缝应尽量采用船形焊。
2. 锅炉集箱管接头的焊接
锅炉集箱管接头焊缝集中，又偏于一侧，焊后产生较大的弯曲变形，见图5
在圆筒上侧有两排共26个管接头。采用跳焊的焊接顺序可解决变形问题。先由一名焊工在第一根集箱上相隔2—3 个管接头跳焊一个接头。跳焊完第一根后接着又到第二根进行同样的跳焊。依次把6—10 根集箱跳焊过一遍后，再反过来从第一根开始跳焊第二遍，这时早已焊好的管接头温度已降低到40℃--50℃以下。这样反复跳焊几遍直到全部管接头焊完。焊后虽然尚有2—3mm弯曲变形，但已在
公差范围内，达到质量要求。焊接应力和焊接变形对构件有哪些危害?焊接应力产生的主要原因，有以下三个方面：
（1）热应力。焊接过程对被焊工件来说，是局部的不均匀加热过程和不均匀冷却过程。这种不均匀冷热过程，会使工件中产生热应力。
（2）拘束应力。由于构件本身或外加的刚性拘束作用，使焊接时热膨胀不畅，引起构件产生拘束应力。
（3）相变应力：焊接时，接头区域产生不均匀组织转变而引起的应力。
由厂焊接应力的存在，使接头区产生不均匀的塑性变形，称为焊接变形。残留在焊接构件中的焊接应力（又称为焊接残余应力）会降低接头区实际承受载荷的能力。特别是当构件承受动载疲劳载荷时，有可能发生低应力破坏。对于厚壁结构的焊接接头、立体交叉焊缝的焊接区或存在焊接缺陷的区域，由于焊接残余应力，使材料的塑性变形能力下降，会造成构件发生脆性破裂。焊接残余应力在一定条件下会引起裂纹，有时导致产品返修或报废。如果在工作温度下材料的塑性较差，由于焊接拉伸应力的存在，会降低结构的强度，缩短使用寿命。通常，焊件的焊接残余变形和残余应力是同时存在的，有时焊接残余变形的危害比残余应力的危害还要大。焊接残余变形使焊件或部件的尺寸改变，降低装配质量，甚至使产品直接报废。矫正变形是一件费时的事，会增加制造成本，降低焊接接头的性能。另外，由于角变形、弯曲变形和扭曲变形使构件承受载荷时产生附加应力，因而会降低构件的实际承载能力，导致发生断事故。
钢结构手工电弧焊焊接工艺标准
范围
本工艺标准适用于一般工业与民用建筑工程中钢结构制作与安装手工电弧焊焊接工程。
施工准备
2.1
材料及主要机具：
2.1.1
电焊条：其型号按设计要求选用，必须有质量证明书。按要求施焊前经过烘焙。严禁使用药皮脱落、焊芯生锈的焊条。设计无规定时，焊接Q235 钢时宜选用E43 系列碳钢结构焊条；焊接16Mn 钢时宜选用 E50系列低合金结构钢焊条；焊接重要结构时宜采用低氢型焊条（碱性焊条）。按说明书的要求烘焙后，放入保温桶内，随用随取。酸性焊条与碱性焊条
不准混杂使用。
2.1.2
引弧板：用坡口连接时需用弧板，弧板材质和坡口型式应与焊件相同。
2.1.3
主要机具：电焊机（交、直流）、焊把线、焊钳、面罩、小锤、焊条烘箱、焊条保温桶、钢丝刷、石棉布、测温计等。
2.2 作业条件
2.2.1
熟悉图纸，做焊接工艺技术交底。
2.2.2
施焊前应检查焊工合格证有效期限，应证明焊工所能承担的焊接工作。
2.2.3
现场供电应符合焊接用电要求。
2.2.4 环境温度低于0℃
，对预热，后热温度应根据工艺试验确定。
操作工艺
3.1 工艺流程
作业准备 → 电弧焊接 (
平焊、立焊、横焊、仰焊) → 焊缝检查
3.2
钢结构电弧焊接：
3.2.1 平焊
3.2.1.1
选择合适的焊接工艺，焊条直径，焊接电流，焊接速度，焊接电弧长度等，通过焊接工艺试验验证。
3.2.1.2
清理焊口：焊前检查坡口、组装间隙是否符合要求，定位焊是否牢固，焊缝周围不得有油污、锈物。
3.2.1.3
烘焙焊条应符合规定的温度与时间，从烘箱中取出的焊条，放在焊条保温桶内，随用随取。
3.2.1.4
焊接电流：根据焊件厚度、焊接层次、焊条型号、直径、焊工熟练程度等因素，选择适宜的焊接电流。
3.2.1.5
引弧：角焊缝起落弧点应在焊缝端部，宜大于10mm，不应随便打弧，打火引弧后应立即将焊条从焊缝区拉开，使焊条与构件间保持2～4mm间隙产生电弧。对接焊缝及对接和角接组合焊缝，在焊缝两端设引弧板和引出板，必须在引弧板上引弧后再焊到焊缝区，中途接头则应在焊缝接头前方15～20mm
处打火引弧，将焊件预热后再将焊条退回到焊缝起始处，把熔池填满到要求的厚度后，方可向前施焊。
3.2.1.6
焊接速度：要求等速焊接，保证焊缝厚度、宽度均匀一致，从面罩内看熔池中铁水
与熔渣保持等距离（2～3mm）为宜。
3.2.1.7
焊接电弧长度：根据焊条型号不同而确定，一般要求电弧长度稳定不变，酸性焊条一般为3～4mm，碱性焊条一般为2～3mm为宜。
3.2.1.8
焊接角度：根据两焊件的厚度确定，焊接角度有两个万面，一是焊条与焊接前进方向的夹角为60～75°
；二是焊条与焊接左右夹角有两种情况，当焊件厚度相等时，焊条与焊件夹角均为 45°；当焊件厚度不等时，焊条与较厚焊件一侧夹角应大于焊条与较薄焊件一侧夹角。
3.2.1.9
收弧：每条焊缝焊到末尾，应将弧坑填满后，往焊接方向相反的方向带弧，使弧坑甩在焊道里边，以防弧坑咬肉。焊接完毕，应采用气割切除弧板，并修磨平整，不许用锤击落。
3.2.1.10
清渣：整条焊缝焊完后清除熔渣，经焊工自检（包括外观及焊缝尺寸等）确无问题后，方可转移地点继续焊接。
3.2.2
立焊：基本操作工艺过程与平焊相同，但应注意下述问题：
3.2.2.1
在相同条件下，焊接电源比平焊电流小10%～15%。
3.2.2.2
采用短弧焊接，弧长一般为2～3mm。
3.2.2.3
焊条角度根据焊件厚度确定。两焊件厚度相等，焊条与焊条左右方向夹角均为45°；两焊件厚度不等时，焊条与较厚焊件一侧的夹角应大于较薄一侧的夹角。焊条应与垂直面形成60°～80°角，使电弧略向上，吹向熔池中心。
3.2.2.4
收弧：当焊到末尾，采用排弧法将弧坑填满，把电弧移至熔池中央停弧。严禁使弧坑甩在一边。为了防止咬肉，应压低电弧变换焊条角度，使焊条与焊件垂直或由弧稍向下吹。
3.2.3
横焊：基本与平焊相同，焊接电流比同条件平焊的电流小10%～15%，电弧长2～4mm。焊条的角度，横焊时焊条应向下倾斜，其角度为70°～80°，防止铁水下坠。根据两焊件的厚度不同，可适当调整焊
条角度，焊条与焊接前进方向为70°～90°。
3.2.4
仰焊：基本与立焊、横焊相同，其焊条与焊件的夹角和焊件厚度有关，焊条与焊接方向成70°～80角，宜用小电流、短弧焊接。

真正 · 发表于 2008-12-1 18:22:39

3.3
冬期低温焊接：
3.3.1 在环境温度低于0℃
条件下进行电弧焊时，除遵守常温焊接的有关规定外，应调整焊接工艺参数，使焊缝和热影响区缓慢冷却。风力超过4级，应采取挡风措施；焊后未冷却的接头，应避免碰到冰雪。
3.3.2
钢结构为防止焊接裂纹，应预热、预热以控制层间温度。当工作地点温度在0℃以下
时，应进行工艺试验，以确定
适当的预热，后热温度。
质量标准
4.1 保证项目
4.1.1
焊接材料应符合设计要求和有关标准的规定，应检查质量证明书及烘焙记录。
4.1.2
焊工必须经考试合格，检查焊工相应施焊条件的合格证及考核日期。
4.1.3 Ⅰ、Ⅱ
级焊缝必须经探伤检验，并应符合设计要求和施工及验收规范的规定，检查焊缝探伤报告。
4.1.4 焊缝表面Ⅰ、Ⅱ
级焊缝不得有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。Ⅱ级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，且Ⅰ级焊缝不得有咬边、未焊满等缺陷。
4.2 基本项目
4.2.1
焊缝外观：焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和飞溅物清除干净。
4.2.2
表面气孔：Ⅰ、Ⅱ级焊缝不允许；Ⅲ级焊缝每50mm 长度焊缝内允许直径≤0.4t；且≤3mm 气孔2个；气孔间距≤6倍孔径。
4.2.3
咬边：
Ⅰ级焊缝不允许。
Ⅱ级焊缝：咬边深度≤0.05t，且≤0.5mm，连续长度≤100mm，且两侧咬边总长≤10%焊缝长度。
Ⅲ级焊缝：咬边深度≤0.lt，且≤lmm。注；t为连接处较薄的板厚。
4.3
允许偏差项目，见表5-1。
表5-1项允许偏差 (mm) 检验次 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级方法
焊缝余高 b<20 0.5～2 0.5～2.5 0.5～3.5
1 对接焊缝 (mm) b≥20 0.5～3 0.5～3.5 0～3.5 用<0.1t 且 <0.1t 且 <0.1t 且焊不大于2.0 不大于2.0 不大于3.0焊角尺寸 hf≤6 0～+1.5 缝
2 角焊缝 (mm) hf>6 0～+3 量
焊缝余高 hf≤6 0～+1.5 规(mm) hf>6 0～+3 检
3 组合焊缝 T
形接头，十字接头、角接头 >t/4 查焊角尺寸起重量≥50t，中级工作制吊车梁T 形接头 t/2 且≯10
注：b为焊缝宽度，t为连接处较薄的板厚，hf为焊角尺寸。
成品保护
5.1
焊后不准撞砸接头，不准往刚焊完的钢材上浇水。低温下应采取缓冷措施。
5.2
不准随意在焊缝外母材上引弧。
5.3
各种构件校正好之后方可施焊，并不得随意移动垫铁和卡具，以防造成构件尺寸偏差。隐蔽部位的焊缝必须办理完隐蔽验收手续后，方可进行下道隐蔽工序。
5.4
低温焊接不准立即清渣，应等焊缝降温后进行。
应注意的质量问题
6.1
尺寸超出允许偏差：对
焊缝长宽、宽度、厚度不足，中心线偏移，弯折等偏差，应严格控制焊接部位的相对位置尺寸，合格后方准焊接，焊接时精心操作。
6.2
焊缝裂纹：为防止裂纹产生，应选择适合的焊接工艺参数和施焊程序，避免用大电流，不要突然熄火，焊缝接头应搭10～15mm，焊接中木允许搬动、敲击焊件。
6.3
表面气孔：焊条按规定的温度和时间进行烘焙，焊接区域必须清理干净，焊接过程中选择适当的焊接电流，降低焊接速度，使熔池中的气体完全逸出。
6.4
焊缝夹渣：多层施焊应层层将焊渣清除干净，操作中应运条正确，弧长适当。注意熔渣的流动方向，采用碱性焊条时，上须使熔渣留在熔渣后面。
质量记录
本工艺标准应具备以下质量记录：
7.1
焊接材料质量证明书。
7.2
焊工合格证及编号。
7.3
焊接工艺试验报告。
7.4
焊接质量检验报告、探伤报告。
7.5
设计变更、洽商记录。
7.6
隐蔽工程验收记录。
7.7
其它技术文件。

明月千里寄相思 · 发表于 2008-12-5 22:20:25

不错,学习了

技术监督 · 发表于 2008-12-6 09:38:28

内容较全，实用。参考使用。

shinshing · 发表于 2009-5-21 20:45:56

学习学习,是看到精僻內容,不錯

zlw789 · 发表于 2012-1-29 21:36:03

好真的不错

feiliong · 发表于 2012-1-30 07:34:29

很厚道,不用花钱就可以看到,内容较全，实用,谢谢。

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