焊接应力变形的控制.doc

1焊接应力与变形控制21.1特点21.2焊接应力与变形的危害71.3焊接应力与变形产生原因81.4焊接应力与变形的控制原理91.5应力的控制措施111.6变形的控制措施111.7焊接应力与变形控制措施121.7.1焊前措施131.7.1.1设计措施131.7.1.2选材措施141.7.1.3焊接残余应力和变形值的估算151.7.1.4反变形法151.7.1.5焊接应力和变形的数值分析与模拟191.7.1.6刚性固定231.7.1.7合理的装配焊接顺序241.7.1.8合理的焊接分段和焊接顺序251.7.1.9合理的焊接方向311.7.1.10合理的热输入321.7.1.11振动焊接351.7.2焊时措施391.7.2.1合理的焊缝尺寸391.7.2.2加热补偿391.7.2.3跟踪监控391.7.2.4锤击法391.7.3焊后措施401.7.3.1加热矫正法401.7.3.2机械矫正401.7.3.3混合矫正411.7.3.4焊后热处理411.7.3.5振动时效41参考文献44441 焊接应力与变形控制1.1 特点由于焊件在焊接和冷却过程中受热和冷却都不均匀，和焊缝在结构上的位置和焊缝截面的不对称，以及施焊顺序和施焊方向不合适，在焊缝区域会产生不同的焊接应力和变形。存在于焊接结构中的应力，按其产生的原因和性质大致可分为热应力、拘束应力、相变应力、氢致应力、焊接残余应力。焊件产生的焊接残余变形主要包括尺寸收缩，如纵向收缩和横向收缩，以及形状变形如弯曲变形、角变形、扭曲变形和波浪变形等共六种。其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式，在不同的焊件上，由于焊缝的数量和位置分布不同，这两种变形又可表现为其它几种不同形式的变形。内应力太大会导致焊接裂纹或层间撕裂等。焊接变形超过允许偏差值，会影响结构的尺寸精度和外观，并导致构件的初弯曲、初扭曲、初偏心等，使受力时产生附加的弯矩、扭矩和变形，以及内应力的存在，会降低其强度和稳定的承载力，将影响结构的正常安全使用。钢结构构件截面复杂巨大、焊接工程量大、焊接变形不易控制。有些钢构件截面为非对称组合截面，截面形式复杂巨大，板厚能达到80mm以上，其焊接变形控制没有现成的经验可以借鉴，因此焊接变形与应力控制是大型非线性弯曲箱型钢结构肋架构件制作中的重点难点。鉴于钢结构由于具有强度高、结构自重轻、构件截面小、抗震性好、平面布置灵活、有效节约空间、质量可靠，施工速度快、现场用工省，建设周期短等一些列优点，其在建筑行业得到广泛的应用。但由于在焊接过程中易产生焊接应力和焊接变形，然而由于焊接应力和焊接变形的存在存苜先在加工过程中大量增加了加工制造物力和人力，同时使整个构件丧失稳定性。使框架系统承载能力下降，从而使建筑安全使用性大为降低。故在钢结构施工过程中应制定合理有效控制焊接应力和焊接变形措施，把焊接应力和焊接变形程度降到最低同时针对仍有超标部分的变形应根据具体结构和变形量采用有效矫正方法进行矫正，以此保证整个工程使用安全性。引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系焊接箱形杆件的内应力分布 不同焊接方向对横向应力分布的影响厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布a) z在厚度上的分布 b) x在厚度上的分布 c) y在厚度上的分布25mm厚低碳钢板多层对接焊的残余应力沿板厚方向的分布实测结果焊接残余变形的分类；（1） 纵向收缩变形；2） 横向收缩变形；3） 挠曲变形。4） 角变形；5） 波浪变形；6） 错边变形。7） 螺旋形变形。2变形种类焊接变形的种类很多，与构件形状和尺寸，焊接方法和顺序，约束情况等很多因素有关。常见焊接变形主要分为以下几大类：横向收缩变形：构件焊后在垂直于焊缝方向产生收缩。纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向产生收缩。角变形：由于焊缝的横向收缩使得焊件平面绕焊缝轴产生角变化。弯曲变形：由于焊缝的纵向和横向收缩相对于构件的中和轴不对称引起构件整体弯曲。扭曲变形：焊后构件的角变形沿构件纵轴方向数值不同及构件翼缘与腹板的纵向收缩不一致，综合而形成的变形形态。波浪变形：薄板焊接后，母材受压应力由于失稳而使板面产生翘曲3.3.1 焊接残余应力的分布一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，厚度方向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴的，即为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向上才有较大的残余应力。通常，将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以x表示；将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以y表示；对厚度方向上的残余应力以z表示。1.纵向残余应力的分布平板对接焊件中的焊缝及近缝区等经历过高温的区域中存在纵向残余应力，其纵向残余应力沿焊缝长度方向的分布如下图所示。当焊缝比较长时，在焊缝中段会出现一个稳定区，对于低碳钢材料来说，稳定区中的纵向残余应力x将达到材料的屈服强度s，在焊缝的端部存在应力过渡区，纵向应力逐渐减小，在板边处x=0。一般来说，当内应力的方向垂直于材料边界时，则在该边界处的与边界垂直的应力值必然等于零。如果应力的方向与边界不垂直，则在边界上就会存在一个切应力分量，因而不等于零。当焊缝长度比较短时，应力稳定区将消失，仅存在过渡区，并且焊缝越短纵向应力的数值就越小，其随焊缝长度变化情况如下图。纵向应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力，两边为压应力，拉应力和压应力在截面内平衡。低碳钢焊缝纵向应力沿板材横向上的分布如下图。2.横向残余应力的分布横向残余应力产生的直接原因是来自焊缝冷却时的横向收缩，间接原因是来自焊缝的纵向收缩。另外，表面和内部不同的冷却过程以及可能叠加的相变过程也会影响横向应力的分布。（1）纵向收缩的影响考虑到边缘无拘束（横向可以自由收缩）时平板对接焊的情况。如果将焊件自焊缝中心线一分为二，就相当于两块板同时受到板边加热的情形。由前述分析可知，两块板将产生相对的弯曲。由于两块板实际上已经连接在一起，因而必将在焊缝的两端部分产生压应力而中心部分产生拉应力，这样才能保证板不弯曲。所以焊缝上的横向应力应表现为两端受压、中间受拉的形式，压应力的值要比拉应力大得多，如下图所示。当焊缝较长时，中心部分的拉应力值将有所下降，并逐渐趋近于零。不同长度焊缝上的横向应力分布如下图。（2）横向收缩的影响对于边缘受拘束的板，焊缝及其周围区域受拘束的横向收缩对横向应力起主要作用。由于一条焊缝的各个部分不是同时完成的，先焊接的部分先冷却并恢复弹性，会对后冷却的部分的横向收缩产生阻碍作用，因而产生横向应力。基于这一分析可以发现，焊接的方向和顺序对横向应力必然产生影响。例如：平板对接时如果从中间向两边施焊，中间部分先于再过冷却，后冷却的两边在冷却收缩过程中会对中间先冷却的部分产生产生横向挤压作用，使中间部分受到压应力；而中间部分会对两端的收缩产生阻碍，使两端承受拉应力。所以在这种情况下，分布表现为中间部分承受压应力，两端部分承受拉应力，如下图所示。如果将焊接方向改为从两端向中心施焊，造成两端先冷却并阻碍中心部分冷却时的横向收缩，就会对中间部分施加拉应力并同时承受中间部分收缩所带来的压应力。因此，在这种情况下分布表现为中间部分承受拉应力，两端部分承受压应力，如下图所示，与前一种情况正好相反。对于直通焊缝来说，焊缝尾部最后冷却，因而其横向收缩受到已经冷却的先焊部分的阻碍，故表现为拉应力，焊缝中段则为压应力。而焊缝初始段由于要保持截面内应力的平衡，也表现为拉应力，其横向应力的分布规律如下图。采用分段退焊和分段跳焊，分布将出现多次交替的拉应力和压应力区。焊缝纵向收缩和横向收缩是同时存在的，因此横向应力的两个组成部分也是同时存在的。横向 应力应是上述两部分应力综合作用的结果。横向应力在与焊缝平行的各截面上的分布与在焊缝中心线上的分布相似，但随着离开焊缝中心线距离的增加，应力值降低，在板的边缘处为零。由此可以看出，横向应力沿板材横截面的分布表现为：焊缝中心应力值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。1.2 焊接应力与变形的危害14焊件残余应力与变形危害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变形，而焊完并冷却后所钢下的变形不是暂时的而是残余的。通常焊接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孝陛比残余应力大得多，它使焊件或部件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，而矫正却要浪费大量的人力和物力，有时还导致产品的报废。同时焊接裂纹的产生往往和焊接残余应力和焊接变形有着密切的关系。有的金属由于焊后产生了残余应力而使其使用性能大为下降，从而对这类金属的焊件生产工艺上的就存在大量困难。因此，在制造焊接结构时必须充分了解焊接时应力发生的机理和焊后决定工件变形的基本规律，以控制和减小它的危害。焊接应力是产生热裂纹、冷裂纹及层间撕裂的主要原因，它与焊接变形往往综合、叠加出现，影响构件的制作和使用。在焊接过程中，温度、组织及结构刚性拘束度的相互作用，焊接应力达到一定值时，就会产生焊接裂纹等，导致返修，甚至焊件报废。纵向、横向和厚度方向残余应力会使构件形成双轴或三轴复杂应力状态，与焊缝和热影响区共同作用下，会降低结构静力强度、刚度、稳定性、疲劳强度，对结构运行安全不利。它的存在对结构的安全使用，造成潜在的威胁。1）降低结构的承载能力（1）焊件残余应力与工作应力叠加，增加了构件承受的应力水平，实际上降低了结构的承载能力或降低了结构的强度安全裕量。（2）当应力水平超过材料的屈服极限时，将造成接头区的拉伸塑性变形，消耗材料的一部分塑性。（3）在厚壁结构的焊接区，立体交叉焊缝或焊缝中存在的缺陷，都有可能造成三向拉伸应力，降低材料塑性变形的能力，可能成为低应力脆断的起源点。（4）在低周疲劳载荷下，较高的拉伸残余应力会使长期使用的结构产生一定程度的变形。（5）在焊接过程中产生变形，降低装配质量（如错边），在外载作用下将会产生应力集中和附加应力。2）造成应力腐蚀拉伸残余应力的存在，使工作在腐蚀介质中的结构产生应力腐蚀开裂，引起应力腐蚀和低应力脆断。3）影响结构尺寸的稳定性特别是在焊后要加工的结构，加工后会破坏内应力的平衡，引起结构变形或加工尺寸不稳定。4）使得构件报废在焊接及结构使用过程中，因焊接应力产生的焊接裂纹、层间撕裂有时无法返修，产生的焊接变形无法矫正，使得构件甚至结构报废。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大。截面本身的惯性矩较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至使裂纹产生。在未产生裂纹的情况下，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中往往导致塑性变形区扩大，局部材料塑性下降，从而对构件承受动载条件、三向应力状态、低温环境下使用有不利影响。因此对于一些构件截面厚大，焊接节点复杂、拘束度大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构特别要注意焊接应力的控制。1.3 焊接应力与变形产生原因1产生原因分析1j焊接应力焊缝冷却至原始温度后，在整个接头区内焊缝及近缝的拉应力与母材的压应力区数值达到平衡，这时应力状态称为焊接残余应力，简称焊接应力。12焊接变形在焊接应力作用下，如果焊件的约束较小，则焊件会产生相应的尺寸变化或弯曲或翘曲变形，称为焊接变形。13焊接应力与焊接变形产生原因在焊接过程中，在不均匀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，其温度接近室内温度。这样，不受热的金属部分便阻碍了焊缝及近缝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，这也是产生焊接应力与变形的根本原因。焊接应力与变形往往综合、叠加出现，它们的大小和分布与结构设计、焊接材料、钢材的特性（如强度和膨胀系数）、焊接工艺方法、热输入、工艺参数、焊接装配顺序及操作方法有关，结构本身或外加拘束度、焊接环境条件等也对其有影响。焊接应力与变形的产生原因主要有：（1）焊缝布置不均构件焊缝布置不均，导致收缩不均匀，焊缝多的部位收缩大、变形也大。（2）接头形式的影响常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。其中角焊又有搭接接头、T形角焊接头、T形角焊和坡口对接焊的组合接头三种形式。在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。a.表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵、横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚深度方向母材的约束，因此变形相对较小。b.角接接头和搭接接头，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。T形接头由于焊缝横向收缩方向与接头的翼板面成45角，因此角变形比较大，而且数值为翼板和腹板角变形之和。c.对接接头在单道（层）焊的情况下，其焊缝横向收缩比截焊和角焊大。在单面焊且坡口角度大时，板厚上、下收缩量差别大，因而角度变形也较大。双面焊时情况下有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小。同时角变形也减小。d.T形接头角对接时，工件的翼板相当于截焊，其横向收缩相当于堆焊情况。腹板则相当于对接，其横向收缩相当于对接焊情况。如采用两面坡口角对接，则其角变形很小。整个接头的角变形当然会比T形接头角焊时小得多。（3）焊接放置不平焊接放置不平，加工件的刚性小或不均匀，焊后收缩应力集中释放不一致，引起变形（4）焊接顺序方向不合理 焊接顺序方向不合理，未对称分层、分段、间断施焊，焊接电流、速度、方向不一致，造成加工件变形的不一致。（5）焊缝尺寸的影响焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大。焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的作用。因此在板厚相同时，坡口尺寸越大（包括间隙和角度），收缩变形越大。焊接时咬肉过大，引起焊接应力集中和过量变形。（6）焊接热输入的影响一般情况下，热输入大时，加热在高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。不论对纵向、横向或角变形都有变形增大的影响。唯有在表面堆焊时，由于加热作用集中于表面，随着热输入增大，塑变区向板厚方向扩大，引起角变形增大，但热输入增大到一定程度时，由于整个板厚温度趋近，因而即使热输入继续增大，角变形不再增大，反而有所下降。（7）工件的预热、层间温度影响预热温度和层间温度越高，相当于热输入增大，使冷却速度减慢，收缩变形增大。同理如焊后立即实施消氢热处理，也会有同样的影响。（8）焊接方法的影响各种焊接方法的热输入差别较大，在其他条件相同情况下，收缩变形值不同。在建筑结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣焊以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大。焊条电弧焊热输入居中，收缩变形比埋弧焊小。熔化极气体保护焊热输入最小，收缩变形相应也最小。（9）焊接层数（道数）的影响a.横向收缩：在对接接头多层焊时，第一道焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时已与堆焊的条件和变形规律相似，因此收缩变形相对较小。b.纵向收缩：多层焊时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多。另一方面多层焊时各层焊缝所产生的塑性变形区有相当大的部分是相互重叠的，其总塑变面积并未加大很多。而且前层焊缝焊成后都对后层焊缝形成约束，因此多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。影响焊接变形量的因素较多，它们并不是孤立存在的，有时同一因素对纵向变形、横向变形及角变形会有相反的影响。全面分析各因素对各种变形的影响，掌握其影响规律是采取合理措施控制变形的基础，否则难以达到预期效果。在工程焊接中，由于各种条件、因素综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，应对工程具体情况作具体的综合分析。1.4 焊接应力与变形的控制原理由于焊接热过程的影响，焊接变形的发生是不可避免的，但在焊接施工中可以根据各种因素对变形的影响，采取适当的措施将焊接变形减少到允许变形的极限以内。根据焊接应用技术理论，在具体工作中正确掌握焊接残余应力、焊接残余应变的控制方法，希望得到的结果是焊接残余应力在允许范围内，又没有影响观感质量的焊接残余变形，也就是说：既安全又美观。一般情况下，如焊接时较严格地限制和约束焊件的变形，则残余变形较小而残余应力增大；反之如允许焊件自由变形，则残余应力较小而残余变形增大。残余应力和残余变形在焊接结构中是互相关连的。若为了减小残余变形，在施焊时对焊件加强约束，则残余应力将随之增大。焊接变形的矫正很费时费工，构件制造中首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，也常用一些卡具、支撑以增加刚性的措施来控制变形，与此同时增大了瞬时应力和焊后残余应力。钢结构工程焊缝主要分为两大类型：角焊缝及对接焊缝。一般来说角焊缝的焊接变形不会太大，其残余能量主要以焊接残余应力的形式存在于钢结构的焊缝和HAZ之中；角焊缝不是主要受力焊缝，控制焊接残余应力大小的关键是控制焊缝的最小焊脚尺寸。厚板对接焊缝的残余能量以焊缝的收缩变形和焊接残余应力的形式存在于焊缝和HAZ之中。实践证明：焊接应力及残余应力同时存在于同一焊件之中，既相辅相成又可以相互转换，该结论的理论依据是能量守恒，见式（1），（2）。设焊缝焊接的总能量E总=1:E总=W有+W无+=1（1）当焊接结束后：+=E总-W有-W无=C1+=C1（2）式中：W有为参加冶金反应的有用能量；W无为所有无用能量的总和，包括：传导；辐射；对流所损失的能量；为焊接变形所需的能量；为焊接残余应力所需的能量；C为焊接变形及残余应力所需的能量，是小于1的常数。根据式（2），焊接变形和焊接残余应力不仅存在于同一焊缝和HAZ，而且可以互相转化，在无外加能量的前提下，减少一方必须增大另一方。焊接变形以尺寸的误差明显表示在钢结构的实体上，焊接残余应力毫无外观表示存在于构件内部之中。当焊接残余应力残s（母材屈服强度）时，钢结构就会出现失稳状态，严重时，会带来灾难性的后果。在钢结构工程中，希望结构变形不要太大而影响安装精度和美观，又不希望有较大的焊接应力而影响结构的安全，因此控制焊接变形及焊接残余应力必须综合治理。在对接焊缝中：焊接变形为收缩变形，其收缩量的定量计算可按（3）式进行。F=0.2Fn/ (3)式中：F焊接变形的收缩量；Fn焊缝的横截面积；母材的板厚；该式的具体意义是，当焊接变形（收缩量）完全实现时，焊接残余应力是一个非常小的安全值；当焊接变形因约束不能实现时，对接焊缝的两端会产生极大的拉应力场；拉应力场的大小完全取决于焊缝横截面积的大小。因此：根据式（3）可以作出对接焊缝控制焊接变形和焊接残余应力相互转化的工艺方法。根据式（2）、（3），对接焊缝的焊接变形及应力控制主要有以下两种方法：A.用自由端自由收缩的方法来减少焊接残余应力。在对接钢构件时（多数为水平对接），在焊缝的另一端不加任何约束；以焊接变形（收缩变形）为代价减少焊接残余应力，见下图。图10-1自由端自由收缩示意图该方法适合任何对接构件，采用该法前都应用（3）式进行计算，确定焊接变形的数值，必须在制作结构中预留（如变形小可不考虑预留）。B.在固定焊缝的焊接时，用减少焊缝截面积的方法来实现减少焊接残余应力的目的。在固定焊缝的焊接中，用焊接变形（自由收缩）的焊接方法来减少焊接残余应力已不可能实现，因为构件两端的刚性很大，产生变形必然形成两端焊缝的强拉应力场，对焊缝的安全不利，唯一的方法减少固定焊缝截面积和采用能量密度较高的焊接方法（如熔化极气体保护焊和药芯焊丝自保护焊等），并采用较小的小线能量，这样便可以达到控制焊接残余应力的目的，见下图。图10-2固定焊缝的焊接示意图一般解决变形问题有三个途径：1） 研究减少变形的焊接方法和制造工艺；2） 合理制定允许变形极限的标准；3） 研究变形产生后消除变形的相应技术。在控制焊接变形中，最有效的方法是把这三种途径正确地结合起来。降低焊接残余应力可从下述方面着手：1）降低残余应力水平，减低其峰值并使其均匀分布，特别是降低最大残余拉应力水平；2）缩小高残余应力的存在区间和范围；3）减少残余拉应力的维数；4）减少焊接变形则指减少最明显的永久性变形。1.5 应力的控制措施构件制作和安装企业往往优先考虑的是控制焊接变形，对焊接应力的控制较为忽视。但由于残余应力对构件承受动力载荷、三向应力状态和低温下使用有非常不利的影响，因此对焊接残余应力的控制也需要特别注意。控制焊接应力的目的是减低其峰值并使其均匀分布，控制措施可以从以下几方面予以加强：尽量减小焊缝尺寸减小焊接约束度采取合理焊接顺序降低焊件刚度，创造自由收缩条件锤击法减小焊接残余应力1.6 变形的控制措施焊接变形直接影响构件、结构的安装及使用，并引起附加内力或次应力降低结构承载力，故控制焊接变形很重要。控制焊接变形主要有以下措施：尽量减小焊缝截面积。在实际施焊中能达到无超标缺陷焊缝的前提下选择工艺参数，尽可能采用较小的坡口尺寸。对于屈服强度小于345MPA的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热和层间温度t优先采用热输入较小的焊接方法。对于对接接头、T形接头和十字接头坡口焊接，在工件放最条件允许或易于翻身的情况下，宜采用双面坡口对称焊接；对于有对称截面的构件，宜采用对称于中和轴的顺序焊接。对于双面非对称坡口焊接，宜采用先焊接深坡口侧部分焊缝，后焊浅坡口侧焊缝，最后焊完深坡口侧焊缝的顺序。在节点形式、焊缝布置、焊接顺序确定情况下，宜优先采用熔化极气体保护电弧焊或药芯焊丝自动保护电弧焊等能量密度相对较高的焊接方法，并采用较小的热输入。设计上要尽量减小焊缝的数量和尺寸t合理布置焊缝，除了要避免焊缝的密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。对于某些焊缝布置不对称结构，应优先焊接焊缝少的一侧；厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊接。宜采用反变形法控制角变形。对于一般构件可用定位焊固定同时限制变形对于大型、厚度构件宜用刚性固定法增加结构焊接时刚性；对于大型结构件宜采用分部分组装焊接，分别矫正后再进行总装或连续施工方法。 用合理的焊接顺序也是防止焊接变形的有效措施。1.7 焊接应力与变形控制措施以JGJ 81-2002建筑钢结构焊接技术规程为指导思想，以焊接应力变形控制的理论为基础，编制科学合理的焊接程序，有效控制钢结构整体的应力及变形，使焊接残余应力和变形相对合理地存在于结构之中，希望焊接应力不至于过大而影响结构安全（应尽可能小），又不希望有过大变形而影响美观。在焊接过程中很多因素都会造成大型复杂结构的变形，这些因素包括：焊接顺序、约束度、焊接条件、接头特征、预热温度和层间温度等，针对这些因素，可单独或综合采用相应降低焊接残余应力或减少焊接变形的措施。降低焊接残余应力或减少焊接变形的措施可分为设计措施、选材措施和制造工艺措施，又可分为焊前、焊时和焊后措施。焊前措施指焊件结构设计及材料选择等方面所采取的措施，也包括采用预先成形、选择焊件支撑或固定方式以及确定焊接顺序和焊接规范等；焊时措施包括预热或冷却；焊后措施则指焊后热处理或矫正处理。图10-3控制焊接应力和变形的措施示意图下述方法都是钢结构焊接施工中对焊接变形矫正的一些常用方法，但何时应用何种方法并无明确规定，通常要根据结构形式和施工方案，并结合丰富的施工经验才能取到事半功倍的效果。随着建筑市场的发展，新设备的大量使用，各种施工工艺都有新发展，对于预防和处理焊接变形会有更好处理方法。1.7.1 焊前措施1.7.1.1 设计措施用以控制焊接应力与变形的主要设计原则有：1）使焊缝数量尽可能少，长度尽可能最短；2）使板厚尽可能最小；3）使焊缝尺寸尽可能最小；4）断续焊缝与连续焊缝相比，优先选用断续焊缝；5)角焊缝与对接焊缝相比，优先选用角焊缝；6）采用对接焊缝连接的构件应（在垂直于焊缝方向上）具有较大的可变形长度；根据设计原则，具体的设计措施如下：1）合理设计焊接接头、焊缝、坡口形式和尺寸在满足强度要求的前提下，尽量减少焊缝的数量，采用较小的坡口尺寸（角度和间隙），能有效减小焊接热输入量及熔敷金属量，在提高焊接效率的同时对焊接变形的控制也能起到有效的控制作用。搭接角焊缝宜设计成焊脚尺寸适当小些而长度相应长些，以避免焊接热量过于集中。上下翼缘严重不对称的工字形截面梁中，较小翼缘与腹板的连接焊缝需要较小焊脚尺寸，不必与较大翼缘取统一。双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口。对于受力较大或板厚较大的T型接头或十字接头，在保证相同的强度条件下，采用对接与角接组合焊缝比角焊缝可以大大减少焊缝金属熔敷量，减小焊接应力和变形。图10-4不同坡口形式的十字接头的焊接变形示意图焊接箱形组合梁、柱的纵向焊缝，宜采用全焊透或部分焊透的对接焊缝；要求全焊透时，应采用衬垫单面焊。焊缝坡口横截面尺寸应尽可能窄小。其结果是，熔化区和塑性变形区较小，因而可减少残余应力和变形。坡口横截面（尺寸）受所选坡口形状的影响较大。I形坡口（即不开坡口）的横截面最小，U形坡口优于V形坡口。形状对称的焊缝坡口其角收缩较小但使残余应力增加。因此，对于对接焊缝来说，V形（或Y形）坡口可用双V形（即X形）坡口代替。同样，双面角焊缝可用于代替单面角焊缝。不过，采用双面焊缝时也只有当同时在构件两面施焊，或者可进行交替多层焊时，才能充分保证角收缩得以减小。对于薄钢板（16mm以下），采用预留810mm间隙，不开坡口的焊接形式，即可减少二次坡口加工热切割变形，也可减少焊缝总热输入量，进而减少焊接变形。2）合理布置焊缝尽量使工件各部分刚度和焊缝均匀布置，除了要减少甚至避免焊缝交叉或密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中轴，并使焊缝的布置与构件中轴相对称。例如桁架杆件间留一定的空隙；梁的加劲肋、翼缘板拼接、腹板拼接间错开一定距离，加劲肋内面切角以避免其焊缝与受力上较为主要的翼缘和腹板间焊缝交叉。3）焊缝连接过渡尽量平滑避免截面突变出现应力集中现象。例如宽度或厚度不同的钢板拼接时采用1:2.5坡度过渡；直接承受动力荷载结构的角焊缝采用凹形或平坡形角焊缝等。4）搭接连接中搭接长度搭接长度应5tmin及25mm，且不应只采用一条正面角焊缝来传力。5）焊缝应布置在焊工便于达到和施焊的位置焊缝位置便于焊工有合适的焊条运转空间和角度，尽量避免仰焊。1.7.1.2 选材措施从焊接残余应力（有关脆性断裂）和焊后变形的角度来评定焊接适应性，可用焊接适应性指数o（相对于脆断有关的焊接应力）和t（相对于焊接变形）来作出综合性评定，o和t两者表明了所论材料与某一参考材料（下两式中带星号者）间各有关特性参数的乘积叠加与比值关系，即o=TtmattEtKlc/TmaEKtlct=TtmattE/TmaEtt指数o和t只是从焊接残余应力（有关脆性断裂）和焊后变形的角度来评定焊接适应性，并未考虑焊接高温下。焊接适应性指数还可用于定量表示预热对残余应力和变形的影响。焊接适应性指数除可表征材料关于焊接残余应力与变形的焊接适应性之外，也可作（用于表征钢材焊接时热影响区中的淬硬倾向的）焊接性指数或硬化当量的补充。表10-1决定焊接残余应力与焊后变形、评定焊接适应性的材料特征值（0时）（焊接适应性指数取表中所示材料特征值范围的中间值进行计算）母材熔化温度Tm热扩散率amm2/s热膨胀率L/C弹性模量EKN/mm2低合金钢15207.5-9.51110-6210高合金钢14005.0-7.51610-6200母材屈服极限N/mm2断裂韧度KlcN/mm3/2焊接适应指数o- t-低合金钢200-7008001.0 1.0高合金钢250-5508001.07 0.861.7.1.3 焊接残余应力和变形值的估算1.7.1.4 反变形法合理的焊接顺序等措施虽是控制焊接变形的有效途径，但还是不能完全控制焊接变形，还需采取采用焊前反变形法预加变形量进行控制。反变形控制法主要有永久反变形法和弹性反变形方法。在施焊前使构件有一个与焊接残余变形相反的预变形，以减小最终的总变形。对于焊后易产生角变形的零部件，如钢板V形坡口对接，在焊接前应将接口适当垫高，这样可使焊后变平。有的构件焊缝对于结构重心线设计布置极不对称，且构件长度较大、刚性小，焊后极易产生弯曲变形，可以采用反变形法。如果采用永久反变形法，就需要在装配前用压机将钢板顶出相当于焊接变形量的永久变形，然后进行装配，在焊接后，构件恢复原状。这种方法虽然能保证构件几何尺寸要求，但预先永久反变形需要的人工量相当大，而且要预先计算出反变形量，不但不容易做到，也不经济。如果采用弹性反变形方法，将组对好的构件焊后会变凸的一面朝下放置，其下部中心垫高，垫高量为60mm左右，依靠自身重力，再加两侧施加一定压力，使之产生弹性反变形，再由两名焊工从两侧采用分中对称焊接方法同向施焊，防止产生扭曲变形，待焊接冷却后，将两侧压力去掉，则构件几乎不会因焊接而产生变形。在大型钢结构制造加工中，定量地对构件焊接后的挠曲变形、角变形和横向收缩变形进行计算和分析是非常必要和重要的，根据计算和分析结果采取相应的控制措施和焊接工艺措施是有效降低和减少焊接变形，提高构件的加工效率，并确保大型构件的加工尺寸精度的关键。焊接变形的经验估算值，是根据在一定条件下的生产实践和经验得到的，只可作为参考，应用时应按具体情况加以考虑。采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H型钢纵向焊缝每米长可预留0.5-0.7mm，每对横筋对应的型钢长度可预留0.5mm。采用预留周长法补偿圆柱管构件的焊缝纵向及横向收缩变形，如板厚大于10mm时，每个纵向及环向焊缝均预留2.0mm周长。对于有较大收缩或角变形的接头，正式焊接前应采用预留焊接收缩裕量或反变形方法控制收缩和变形。必要时，柱的垂偏可采用反向预置偏斜法控制。1) 纵向收缩变形量焊缝的纵向收缩变形量随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积的增加而减少。纵向长焊缝的钢构件，单道焊时纵向收缩量估算公式为：L=K1AWL/A式中AW为焊缝截面积，mm2；A为杆件截面积，mm2；L为杆件长度，mm；L为纵向收缩量，mm；K1为与焊接方法、材料热膨胀系数和多层焊层数有关的系数，对于不同焊接方法、系数K1的数值不同：熔化极气体保护焊K1=0.043，埋弧焊K1=0.071-0.076，焊条电弧焊K1=0.048-0.057。当焊缝在构件中的位置相对于中和轴不对称时，焊缝的纵向收缩变形还会使构件弯曲而产生挠度，钢结构单道焊时，由于纵向收缩引起的挠度可用以下公式估算：f=KfAWeL/8I(cm)式中e为焊缝到时构件中和轴的距离，cm；L为杆件长度，cm；AW为焊缝截面积，cm2；I为杆件截面惯性矩，cm4；Kf为系数（与纵向收缩量公式中K1的数值相同）。表10-2焊缝纵向收缩变形量的近似值（mm/m）（适用于宽厚比约15中等厚度的板）对接焊缝连续角焊缝间断角焊缝0.150.30.20.400.12) 横向收缩变形量当两板自由对接、焊缝不长、横向没有约束时，横向收缩变形量要比纵向的大得多。焊件横向收缩变形量随板厚的增加而增加，板件的厚度较大，焊接收缩较大。为保证构件的尺寸精度需对每个接头预留焊接横向收缩余量，余量的计算按下公式进行。F=KAW/式中：F为焊接横向收缩余量，mm；K为系数，一般为0.10.2（拘束度高取0.1，拘束度适中取0.15，拘束度低取0.2）；AW为焊缝的截面积，mm2；为板厚，mm。由于影响横向收缩的因素很多，简单的公式不能表达所有因素的影响，因而不同文献提供估算公式各不相同，可作参考的估算公式如下：B=0.2AW/+0.05b（mm）式中B为对接接头横向收缩量，mm；AW为焊缝横缝面积，mm2；b为根部间隙，mm；为板厚，mm。表10-3对接接头横向收缩变形量的近似计算公式坡口形式横向收缩量计算公式Y形L横=0.1+0.6X形L横=0.1+0.4板厚（mm）对接焊缝垂直于长构件轴线并与中轴不对称时，该焊缝的横向收缩也会使长构件产生挠曲，其挠度量则与焊缝布置，焊缝面积以及构件截面形式、刚度有关，不能用单一公式表达。图10-22板厚对T型接头横向收缩的影响图10-23焊缝截面积与横向收缩值的关系图图10-24 T型接头焊脚尺寸与横向反变形量的关系表10-4焊缝横向收缩近似值接头型式板厚/mm3-44-88-1212-1616-2020-2424-30收缩量/mmV型坡口对接0.7-1.31.3-1.41.4-1.81.8-2.12.1-2.62.6-3.1/X形坡口对接/1.6-1.91.9-2.42.4-2.82.8-3.2单面坡口十字接头1.5-1.61.6-1.81.8-2.12.1-2.52.5-3.03.0-3.53.5-4.0单面坡口角焊缝0.80.70.60.4/无坡口单面角焊缝0.90.80.70.4/双面断续角焊缝0.40.30.2/图10-25对接接头横向收缩变形量（实验值）图10-26 T形、搭接、十字、角接接头横向收缩变形量（实验值）3) 角变形量角变形量可根据下式进行估算：=0.07Bhf1.3/2(rad)式中：为角变形量，rad；B为翼缘宽，mm；为翼缘厚，mm；hf为焊脚尺寸，mm。图10-27板厚对T型接头角变形的影响图10-28焊缝计算厚度对角接头变形的影响图10-29板厚及焊脚hf与T形接头角变形的关系曲线图10-30低碳钢对接接头焊后角变形（实验值）（在自由状态下）图10-31低碳钢角接接头角变形表10-5箱形构件翼板的角度反变形值1.7.1.5 焊接应力和变形的数值分析与模拟焊接是通过熔化金属进行连接的工艺过程，它必然产生热应力、残余应力和变形。从力学的观点出发解释其产生机理以及研究其对焊接结构所给予的影响的理论体系称之为焊接力学。以前的焊接力学主要通过实验或简单的理论公式来进行定性研究，然而随热弹塑性有限元法的普及，详细模拟焊接过程中的力学现象（特别是焊接应力和变形）已成为可能。通常通过一系列的试验或根据经验来获得可靠而经济的焊接结构，但是对于一些新的大型工程结构的焊接，没有多少经验可以借鉴。如果只依靠试验方法积累数据，需花费很长时间和经费。而且在很多情况下，实验是无法进行的，例如大型复杂结构焊接应力和变形的预测。近年来，随着计算机技术和数值计算技术的发展，数值模拟（特别是有限元法）起来越多地用于焊接应力和变形的工程分析。一般来讲，数值模拟具有以下几方面的优点：1）数值模拟可以不受物理条件（例如尺寸、时间和温度等）的限制；2）试验不可能完成的理想情况，可以通过数值模拟很容易地实现；3）可以通过数值计算模拟极端的条件；4）通过数值模拟可以得到全场数据，例如结构内部各处的温度和力学状态，这是通过试验无法做到的（一般情况下试验只能得到有限点的离散数据）；5）数值模拟在时间和金钱上的花费远远小于试验。1) 焊接应力和变形数值分析的一般方法焊接应力和变形数值分析的研究内容包括：焊接时动态的应力应变过程、焊接残余应力和残余变形、应力消除处理（如热处理降低残余应力）、相变应力、三维残余应力测定的数值方法、与焊接裂纹有关的力学参量、薄板构件的失稳、焊接应力和变形对焊接接头强度的影响等。其中焊接时的应力应变和变形过程，特别是焊接残余应力和变形，是其他各方面研究的基础，最为重要。焊接应力与变形计算的数值方法中有限元方法应用最为普遍，包括热弹塑性分析、弹粘塑性分析以及各种简化方法，如固有应变法、收缩体积法（收缩力法）、局部-整体方法、分段移动热源等。2) 焊接应力和变形数值分析的困难一般来说，焊接是一个有高度集中热源的动态加热过程，焊接熔池进行着复杂的冶金反应，焊缝的形成是热力学过程和力学行为等综合作用的结果；其应力和变形的数值模拟存在着以下几个困难。1）焊接热源高度集中，温度场和应力应变场在空间上的分布极不均匀，在焊缝附近采用足够细密的网格才能达到必要的数值求解的精度，结果造成自由度数目庞大，解题规模大。2）焊接的温度场和与之相关的应力和应变场是随时间快速变化的动态场，这需要用很小的时间增量才能模拟这种变化，模拟整个焊接过程需要很多的时间增量步；数值计算中如果在时间上采用差分格式（如热弹塑性的有限元分析），每个时间增量步就要求解一次非线性方程组，计算量非常大。3）焊接过程中材料性能随温度呈非线性变化，并且伴随着相变的发生；焊接过程中不同的温度阶段对应于不同的本构关系；焊接金属的填充、熔池金属的熔化和流动需要进行特殊的处理。这些都大大增加了数值求解的非线性，造成求解过程的收敛困难，并影响到数值求解的精度。4）焊接过程包含了很多复杂现象，对这些复杂现象之间的相互关系难以用准确的数学模型统一描述。例如，焊接过程是一个多场耦合的过程，焊接应力和变形与温度场、相变场等密切相关，求解过程中耦合场的计算也造成数值分析的困难。5）对工程焊接结构的应力和变形分析，因为工程结构的复杂性，一般需要进行三维的建模和计算；另外工程结构中具体的细节问题也增加了数值计算的复杂性。6）材料在高温阶段特别是在接近熔化状态的热物理参数和力学参数严重缺乏，某些材料仅有室温数据，这也造成了焊接过程数值模拟的困难。因此高温阶段往往是选取能够使数值模拟取得收敛解的材料参数，或者按照某种算法进行外推。此外，焊接过程的其他不确定性因素，例如焊接热效率、不同焊接方法热输入的分布等，也是影响焊接数值分析精度的重要原因。7）焊接应力和变形计算结果的一致性不好。不同的研究主体对相同问题进行焊接过程的模拟计算时，部分工艺计算结果差异很大。一般由于材料硬化特性的建模、有限单元模型的长度、焊接时的拘束、热流分布、层间温度等的差别存在，是造成模拟计算差别的主要原因。因为影响焊接数值模拟的因素很多，如果数值模型没有正确地描述实际物理模型，则就会得出不正确的计算结果，所以对计算进行实验验证很有必要。 焊接应力和变形的数值分析在工业应用中涉及的问题较多，例如评估结构的静载和动载强度、疲劳强度、形状稳定性、热裂和冷裂，工程优化等。目前，虽然在焊接数值模拟方面的研究取得了很大的进展，但是因为实际焊接过程和焊接结构的复杂性（几何尺寸、焊接过程、物理现象），对工程实际结构进行焊接应力和变形的数值分析，还不能完全满足工业应用的要求；其中主要的原因是在数值模型能正确反映实际物理模型的前提下，计算精度和计算效率的问题。然而，焊接数值计算的精度和效率这两个方面相互制约，提高计算精度（例如细化网格、减小时间步、降低非线性迭代的误差限）往往是以延长计算时间为代价。通常，在实际工程应用中，焊接工艺和材料参数的分散性很大，这往往降低了对计算精度的要求。因此在保证一定精度的前提，冗长的计算时间成了焊接应力和变形仿真分析的最关键问题。 提高计算效率、降低计算时间可以从以下两个方面进行： （1）提高计算能力，开发高效的计算方法，如采用大型快速的计算机，进行并行计算等； （2）在保证特定精度的前提下，对数值模型进行简化，以满足实际的需要。 在计算资源一定的情况下，对数值模型进行一定的简化，是工程分析中更为可行的方案。 用热弹塑性有限元方法直接预测实际焊接结构的焊接变形，预测大型结构的焊接变形，需要非常长的计算时间。固有应变法是预测大型焊接结构构件的一种有效的方法。焊接是通过熔化金属进行连接的工艺过程，它必然产生热应力、残余应力和变形。从力学的观点出发解释其产生机理以及研究其对焊接结构所给予的影响的理论体系称之为焊接力学。以前的焊接力学主要通过实验或简单的理论公式来进行定性研究，然而随热弹塑性有限元法的普及，详细模拟焊接过程中的力学现象已成为可能。不论在什么情况下，要采取措施解决焊接产生的问题，预测焊接残余应力和变形的大小都是必不可少的。预测焊接残余应力和变形的重要手段就是：计算机数值模拟。3) 焊接数值模拟的基本流程和具体顺序为了理解焊接过程中产生的变形和残余应力，进而解决由它引起的种种工程问题，以焊接力学为基础的数值模拟是很好的手段。焊接数值模拟的基本流程如下：首先，在进行实际数值模拟之前要把数值模拟的目的搞清楚，设定要解决的问题；然后根据问题的对象和目的建立解析模型、生成输入文件，按温度解析以及应力解析的顺序实施计算。对于得到的计算结果，还要通过简单的评价印证模型和输入数据无误，在此前提下才能从要解决问题的视点出发分析计算结果，发现解决问题的方向，修改模型，再度进行计算。通过这样的循环计算可以找到解决实际问题的方法和策略。更详细的分析列举见表4-6。4) 正确进行数值模拟的检查项目输入数据文件生成时的检查项目：（1）确认掌握了所有必须的项目温度解析、热弹塑性解析、固有应变解析所必需的信息列举如下表，在做成输入文件前必须全部掌握。（2）使用单位的确认如果不确认使用的单位，输入数据中的材料常数可能出现数量级的误差，结果会导致输出的应力也产生数量级的差错。为了防止这个误操作，应给出了使用的标准单位。5) 大型焊接结构的变形解析实例实际焊接结构中大多数是大型结构物，采用详细的热弹