建筑鋼結構的焊接殘余應力與消除方法探索

真正 · 發表于 2008-12-1 18:18:13

轉載2008-12-1

摘要：
本文介紹了建筑鋼結構的焊接殘余應力測量結果及控制殘余應力的意義，以詳實的
數據分析了幾種可能采用的消應力方法，提出了在建筑鋼結構制造中采用振動時效與振動焊接
工藝的建議。
關鍵詞：
建筑鋼結構；焊接；殘余應力；時效
前言
0
建筑鋼結構是否需要和能否進行時效工藝，除熱時效外還有什么合適的消應力工藝可用于建筑鋼結構，是人們關心的問題。隨“奧運”和“世博”工程的推展，我國建筑鋼結構制造量近年迅猛上升。出現用鋼量達十萬噸的單體結構，結構鋼強度級別由235Mpa、345Mpa上升到390Mpa 乃至460Mpa，結構件板厚達到80－120mm，或更高。因此，目前的建筑鋼結構制造形勢對開展建筑鋼結構消應力技術應用研究及建立和完善相關的標準是個難得的機會。本文作者根據多年的實踐，介紹幾個大型鋼結構及建筑鋼結構工程的焊接殘余應力測量及應力消除的結果；以此為基礎，提出了在建筑鋼結構制造中采用振動時效與振動焊接工藝的建議。
1 建筑鋼結構的殘余應力
建筑焊接鋼結構與一般的焊接構一樣，同樣存在焊接殘余應力。以上海安亭蘊藻浜大橋為
例，鋼號為Q345B，σs=345MPa。其先在工廠進行箱型分段焊接，然后在現場進行拼焊。采用盲孔法對拼焊殘余應力進行測量，結果如表1：
表1 蘊藻浜大橋現場焊后殘余應力
位置應力Mpa 最大主應力最小主應力剪應力縱向應力橫向應力
上表面埋弧焊縱縫極值 315 -95 133 77 287
平均值 157 2 78 64 94
下表面手工焊縱縫極值 81 -74 79 48 -34
平均值 62 -46 54 31 -15
人孔封板手工焊縫極值 261 94 79 232 133
平均值 184 103 41 173 114
表1
結果表明：下表面焊縫為先焊焊縫，殘余應力水平比較低，而后焊接的上表面焊縫的應力水平則很高，個別值接近母材σs，平均值接近或超過σs/2水平；下文表2、3、4的數據也可以證實這種狀況。焊接構件由于存在高的拉伸殘余應力，且焊縫部位存在熱影響區、焊趾缺陷、接頭應力集中，形成構件上組織和力學的薄弱部位，有可能導致構件運行時的變形、早期開裂、應力腐蝕、疲勞斷裂和脆性斷裂。因此，在可能的情況下采用適合的時效工藝以改善組織性能及消除殘余應力，將可有效地提高構件的穩定性和安全性及使用壽命。
2 建筑鋼結構殘余應力的消除工藝
實際上一些高要求的建筑大型焊接鋼結構上已采用了時效工藝，包括有技術標準支持的熱時效、振動時效、TIG重熔和錘擊工藝，以及研發中的振動焊接、超聲沖擊、爆炸法技術。
2.1 熱時效
表2 金茂大廈轉換柱熱時效消應力效果分析表
殘余應力（MPa）最大主應力最小主應力縱向應力橫向應力
熱處理前平均值 135 51 58 128
熱處理后平均值 79 16 30 64
熱處理前后差值 56 35 28 64
變化率（%） 41 68 48 50
對重要焊接構件先進行整體熱時效，然后在現場與其它構件進行組合拼焊的工藝是建筑鋼結構制造常采用的方法。上海金茂大廈的鋼架采用全焊接結構，在工廠完成零部構件制造、且對受力構件－轉換柱先進行整體熱時效，然后運現場拼焊。采用盲孔法殘余應力測量技術對轉換柱熱時效工藝效果的評定結果見表2。
目前，熱時效仍是一種主流工藝，其具有焊縫去氫、恢復塑性和消應力三重功能。一般認為熱時效的消應力效果為40－80％，表2的結果符合這個規律；然而對建筑鋼結構而言，現場拼焊而產生的殘余應力將依然存在于鋼結構中，而在現場進一步采用熱時效工藝就十分困難了；局部熱時效可以降低被處理焊接接頭的應力，但加熱帶邊緣會產生新的熱處理應力，且局部熱時效實施比較困難，能耗很大。因此，需考慮其它補充、替代工藝。
2.2 TIG 重熔
焊趾缺陷是一種焊道融合線上中難以避免的小而尖銳、連續的缺陷，往往成為結構疲勞破壞的裂紋源。常采用TIG 重熔工藝對焊趾進行修整，重建裂紋起裂前的狀態，降低由于焊趾缺陷所造成的應力集中現象，以延長了疲勞壽命。同時TIG 重熔也能改善焊縫區的橫向殘余應力；上海寶冶工程技術公司進行重型門式起重機大梁維修，對其拘束模擬焊接試板焊縫TIG 重熔前后的殘余應力，通過X
射線方法進行測量，測定結果見表3。

由此可見：TIG重熔對于焊縫的縱向殘余應力改善不明顯，殘余應力絕對值下降不大；但對于縱向殘余應力的均勻分布有一定效果。但對橫向殘余應力有明顯的改善效果，殘余應力絕對值下降明顯而且分布趨于均勻。考慮到
建筑鋼結構的載荷特點以及生產效率的要求，TIG重熔可在橫向拘束應力大的焊道上，作為緩和橫向殘余應力、降低應力集中的輔助工藝。
表3
重熔前后殘余應力均值對比（材料：Q345；單位Mpa）
縱向應力橫向應力編號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 典型焊接構件振動時效的效果
2.3
振動時效（VSR）
振動時效是對構件施加交變應力，與構件上的殘余應力疊加達到材料的屈服應力，發生局部的宏觀和微觀塑性變形；這種塑性變形往往首先發生在殘余應力最大處和構件的應力集中點，使這里的殘余應力得以釋放，達到降低和均化殘余應力的作用。應用振動時效技術在我國已達25年，相繼出臺三個技術標準[1]，也已納入我國建筑鋼結構施工規范，技術成熟。由于振動時效經濟性好、方法簡單、工藝快捷、效果顯著、適用面廣，且不受構件的大小、重量以及場地的限制，
已廣泛應用于機床、起重運輸、冶金、化工等制造業，也滲入到核工業（核反應堆內構件、核聚變設備）、磁懸浮交通、宇航等高尖領域。幾個典型焊接構件振
動時效的效果分析見表4。
表4 典例皆應用功率不大于2KW的振動時效設備，對一個構件的處理時間一般為20－45分鐘，結果表明：振動時效的消應力效果為20－50％；盡管振動時效不具備去氫和恢復塑性的功能，但從尺寸穩定性比較，已達到和超過熱時效的水平，振動時效是一種以消應力、提高尺寸穩定性為目標的替代熱時效的先進工藝。盡管目前振動時效在建筑鋼結構應用尚少，
但根據建筑鋼結構的載荷特點與施工要求，振動時效有可能成為今后建筑鋼結構消應力的主流工藝之一。
2.4
振動焊接（VW or VCW）
振動焊接又稱振動調制焊接、隨焊振動，是目前國內外正在研發的新技術；在振動時效標準的附錄中，已確認為可與振動時效組合的工藝之一[1]。其不改變原有的焊接工藝；在焊接過程，通過一個幾百瓦的小激振器對構件注入頻率和振幅可控的振動，即形成振動焊接。這種限幅的振動，勢必對焊接熔池和熱影響區產生一定的作用：
⑴
當焊縫金屬在熔融狀態下，由于振動使氣泡、雜質等容易上浮、排除。

工程材料尺寸mm/重量ton消應力效％
200 噸級行車大梁 Q235 29000*3200*2000 13-22
4000 噸級鍛機上橫梁 Q235 130 噸 29
港口起重機卷筒體 Q345 D1400*13800δ50 30－56
核聚變試驗裝置底板 304L D7800 δ90 31
300MW 火電機架 20G D2900*3400 22-49
磁懸浮交通功能件 16Mn+軟磁鋼 3000*500*450 31
⑵
在結晶過程振動可細化晶粒，使焊縫的力學性能得到提高。
⑶溫度大于600℃的區域，材料在強度逐步恢復的冷卻過程中，伴隨振動的熱塑性變形，使逐步形成的焊接殘余應力得到降低和均化，可減少焊接變形及焊接裂紋的形成。
表5 是對BB503 厚板(90mm)電渣焊采用振動焊接的應力測量結果。BB503 材料的屈服強度為295－315Mpa，試驗表明：采用振動焊接（VW）或復合振動焊接（VSR+VW）可明顯降低殘余應力水平，且接頭性能優化，如：側彎合格率也由原25％上升為75-100％。對Q235材料焊接的H型輕鋼（H900X200X6/8，長6m）的試驗表明，振動焊接可使焊接變形下降21-32％。
表5 BB503 厚板振動焊接的殘余應力測量結果
工藝最大主應力最小主應力縱向應力橫向應力
0.6gVW 極值 209 -92 206 85
平均值 117 -16 109 -8
0.3gVW＋0.6gVSR 極值 81 -121 64 24
平均值 37 -47 28 -39
國內外的研究和實驗都表明，振動焊接工藝經濟、簡便、高效，特別是可以在大型焊接鋼結構上實施，振動焊接在降低焊縫殘余應力、減少工件變形、提高結構疲勞壽命、提高接頭力學性能，即全面提高焊縫質量方面有顯著作用。基于振動焊接的優點，在我國重大工程中，對一些采用熱時效工藝有困難的結構，已開始試驗振動焊接工藝，包括核聚變試驗裝置、大厚壁高爐爐體、大直徑閥體等。若能加強振動焊接在建筑鋼結構上的應用試驗和技術標準的建設，振動焊接很可能成為補充、替代傳統熱時效的又一重要工藝。
2.5 超聲沖擊與錘擊
超聲沖擊消應力技術由烏克蘭巴頓焊接研究所提出，近年引入我國，已在北京電視臺鋼結構立柱上進行過試驗。超聲沖擊消應力工藝的特點是：在超聲（≥16KHz）下應用束狀沖頭，在對焊趾和焊縫表面進行沖擊；試驗表明：
⑴
超聲沖擊對一定深度的表層有消應力的效果，在采用對焊道全覆蓋沖擊時，被沖
擊的表面會形成壓應力，對2～4mm 深度層消應力效果可達34～55％。
⑵
采用焊趾沖擊法，可以快速修復焊趾的缺陷，降低應力集中。并伴隨其壓應力區的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應力，下降率達19％，對提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。
⑶
由于沖擊工藝處理的特點，僅可以用于沖擊工具可達的外表面，其工作效率約為1200mm2/min。沖擊工藝是以點接觸、壓應力屈服為主要特征的“面效應”型消應力工藝，伴隨一定的振動時效效果，比較適合高拘束狀態短焊縫的局部處理。如局部的焊接修復、大構件的組配焊接以及在厚壁結構上焊小構件，其焊縫處承受較大的拘束應力，且焊后易產生延遲冷裂紋等情況。可作為其它消應力工藝的補充工藝。應用人工或氣動的錘擊消應力工藝，通過敲擊振動及表面壓應力屈服實現消應力效果。該工藝已進入美國鋼結構焊接規范，我國也成功應用于大型轉爐的焊接和大型水輪機異重金屬焊接的消應力處理。由于錘擊工藝難以規范，對周邊干擾大，勞動強度高，往往作為補充、應急工藝。
2.6 爆炸法工藝
將特種專用炸藥沿焊縫走向粘貼在焊縫附近。炸藥引爆后產生連續的沖擊波迫使結構的峰值應力區域發生塑性變形，以此達到消應力的目的。據報道消除厚度可達70mm，效果可達60％，瞬間完成，適合大型和特大型結構，在水利涵管方面應用較多。爆炸法消應力施工時十分強調安全措施，故在城市建筑中應用有一定困難。

真正 · 發表于 2008-12-1 18:19:28

3 討論與結論
⑴
建筑鋼結構焊后存在高的殘余應力，時效工藝可以明顯降低應力水平，對安全性及使用壽命帶來好處。
⑵
上述消應力工藝皆可應用于建筑鋼結構：其中熱時效可作為重要零部件的整體消應力工藝；局部熱時效、TIG重熔、超聲沖擊、錘擊可作為現場拼焊后的消應力和控制應力集中的工藝；振動時效和振動焊接則可更廣泛地滿足零部件制造和現場拼焊控制殘余應力的要求。
⑶
在目前的建筑鋼結構制造中，除熱時效外尚有多種消應力工藝尚未得到有效應用，應加強應用試驗，把在其它行業已成功的技術進行移植、推廣應用，并逐步建立技術標準。
⑷
我國的振動時效和振動焊接技術在國際上占領先地位；這兩種工藝對建筑鋼結構的載荷特點和制造要求具有良好的適用性，應首先加強這兩種工藝的應用試驗。
參考文獻：
[1] JB/T10375-200，焊接結構振動時效工藝參數選擇及要求[S].北京：中華人民共和國機械行業標準出版社，2002.
焊接應力
一、焊接殘余應力的分類
1
．根據應力性質劃分：拉應力、壓應力
2
．根據引起應力的原因劃分：熱應力、組織應力、拘束應力
3
．根據應力作用方向劃分：縱向應力、橫向應力、厚度方向應力
4
．根據應力在焊接結構中的存在情況劃分：單向應力、兩向應力、三向應力
5
．根據內應力的發生和分布范圍劃分：第一類應力、第二類應力、第三類應力
二、焊接殘余應力的分布規律
1
．縱向應力бx 的分布
бx 在焊件橫截面上的分布規律為：焊縫及其附近區域為殘余拉應力，一般可達材料的屈服
強度，隨著離焊縫距離的增加，拉應力急劇下降并轉為壓應力。бx在焊件縱截面上的分布規律為：在焊件縱截面端頭，бx=0，越靠近縱截面的中間，бx越大，逐漸趨近于бs。如圖2-9所示。圖2-11為板邊堆焊時，бx在焊縫橫截面上的分布。T 形接頭的бx布與立板和水平板尺寸有很大關系，δ/h
越小，接近于板邊堆焊的情況；δ/h越大，接近于等寬板對接的情況。
2
．橫向應力бy 的分布 бy =бy′+бy″бy′：
焊縫及其塑性變形區的縱向收縮引起的橫向應力；бy″：
焊縫及其塑性變形區的橫向收縮不均勻、不同時引起的橫向應力。
3
．特殊情況下的焊接殘余應力
① 厚板中的焊接殘余應力
② 拘束狀態下焊接殘余應力
③ 封閉焊縫中的殘余應力
④ 焊接梁柱中的殘余應力
⑤ 焊接管道中的殘余應力
三、焊接殘余應力對焊接結構的影響
1
．對結構強度的影響
只要材料具有足夠的塑性，焊接殘余應力的存在并不影響結構的靜載強度。對脆性材料制造的焊接結構，由于材料不能進行塑性變形，隨著外力的增加，構件不可能產生應力均勻化，所以在加載過程中
應力峰值不斷增加。當應力峰值達到材料的強度極限時，局部發生破壞，而最后導致構件整體破壞。所以焊接殘余應力對脆性材料的靜載強度有較大的影響。
2
．對構件加工尺寸精度的影響
3
．對梁柱結構穩定性的影響
四、減小焊接殘余應力的措施
一般來說，可以從設計和工藝兩方面著手：
1
．設計措施
①
盡可能減少焊縫數量；
②
合理布置焊縫；
③
采用剛性較小的接頭形式。
2
．工藝措施
（1
）采用合理的裝配和焊接順序及方向
①
鋼板拼接焊縫的焊接；
②
同時存在收縮量大和收縮量小的焊縫時，應先焊收縮量大的
焊縫；
③
對工作時受力較大的焊縫應先焊；
④
平面交叉焊縫的焊接。
（2
）縮小焊接區與結構整體之間的溫差
（預熱法、冷焊法）
（3
）加熱“減應區”法
（4
）降低接頭局部的拘束度
（5
）錘擊焊縫
五、消除焊接殘余應力的方法
1
．熱處理法
熱處理法是利用材料在高溫下屈服點下降和蠕變現象來達到松馳焊接殘余應力的目的，同時熱處理還可以改善接頭的性能。
（1）整體熱處理
整體爐內熱處理、整體腔內熱處理
整體加熱熱處理消除殘余應力的效果取決于熱處理溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度、加熱方法和加熱范圍。保溫時間根據板厚確定，一般按每毫米板厚1~2 min計算，但最短不小于30 min，最長不超過3h。
碳鋼及中、低合金鋼：加熱溫度為580~680℃；
鑄鐵：加熱溫度為600~650℃。
（2）局部熱處理
局部熱處理只能降低殘余應力峰值，不能完全消除殘余應力。加熱方法有電阻爐加熱、火焰加熱、感應加熱、遠紅外加熱等，消除應力效果與加熱區的范圍、溫度分布有關。
2
．加載法
加載法就是通過不同方式在構件上施加一定的拉伸應力，使焊縫及其附近產生拉伸塑性變形，與焊接時在焊縫及其附近所產生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，達到松馳應力的目的。
（1）機械拉伸法
（2）溫差拉伸法
（3）振動法
六、焊接殘余應力的測定
目前，測定焊接殘余應力的方法主要可歸結為兩類，即機械方法和物理方法。
1
．機械方法
利用機械加工將試件切開或切去一部分，測定由此而釋放的彈性應變來推算構件中原有的殘余應力。包括切條法、鉆孔法和套孔法。
2
．物理方法
是非破壞性測定焊接殘余應力的方法，常用的有磁性法、超聲波法和X射線衍射法。
（1）磁性法是利用鐵磁材料在磁場中磁化后的磁致伸縮效應來測量殘余應力的。
（2）X 射線衍射法是根據測定金屬晶體晶格常數在應力的作用下發生變化來測定殘余應力
的無損測量方法。
（3）超聲波法是根據超聲波在有應力的試件和無應力的試件中傳播速度的變化來測定殘余
應力的。
焊接應力的控制及消除
高紅, 曲金萍, 劉風山, 龔幫軍, 馬艷
(鐵煤集團公司大興煤礦, 遼寧調兵山112700)

真正 · 發表于 2008-12-1 18:20:44

摘要:通過對焊件在焊接中產生應力的分析,提出科學合理地控制及消除焊接應力的方法。
關鍵詞:焊縫; 焊接應力; 溫度
0 前言
在對礦山設備的機修件進行焊接中,為防止和減少焊件變形,必須控制焊修區域的收縮,但是對收縮變形的控制將會促進內應力的顯著增加。焊件自身在焊接過程中,由于受到不均勻的加熱和冷卻,在結構中必然會產生焊接應力,這些焊接應力會殘留在焊后已經冷卻的結構中。焊接應力是引起焊接接頭中產生各種焊接裂紋的重要因素。焊后殘留在結構中的焊接應力將會影響整個結構的使用壽命;因此,控制和消除焊接應力值,有利于提高整個構件的焊
接質量。
1 控制焊接應力的方法
1.1 從設計上考慮控制焊接應力的方法控制焊接殘余應力可以從焊接結構的設計上考慮,在保證結構有足夠的強度條件下,盡量減少焊縫的數量和尺寸。
1.2 合理的焊接順序法
在焊接過程中盡量使所焊焊縫能自由收縮。先焊收縮量較大的焊縫,使其能在結構整體剛性較小的情況下自由收縮;先焊錯開的短焊縫,后焊直通長焊縫;當結構上的多余焊縫受力不均時,應先焊在工作時受力較大的焊縫,使焊接應力能合理地分布;焊接帶有交叉焊縫的接頭,焊接時必須采用保證交叉點部位不易產生缺陷的焊接順序。如:井下用起吊間在構件上分布著對接焊縫和角焊縫兩種焊縫形式,由于對接焊縫的收縮量大于角焊縫的收縮量,所以應先焊對接焊縫。
1.3 降低局部剛性法
結構剛性增加時,焊接應力隨之加大,降低局部剛性有利于減少應力。焊接封閉焊縫或剛性較大的焊縫,焊接時可以采取反變形法降低結構的局部剛性,也可根據情況在焊縫附近開緩和槽,降低焊接部位的局部剛性,盡量使焊縫有自由收縮的可能,以便能有效地減少焊接應力。
1.4 預熱和緩冷方法
焊件本體上溫差越大,焊接應力也越大。焊前對焊件進行預熱能減小溫差和減慢冷卻速度,兩者均能減少焊接應力。在焊修前將工件放在爐內加熱到一定溫度(100～600℃) ,并在焊接過程中防止加熱后的工件急劇冷卻,這樣降低焊修部分溫度與基體金屬溫度的差值,使膨脹數值接近,從而減少內應力。若焊件整體預熱有困難,可采用局部預熱,即在焊縫及其兩側不少于80 mm 處進行加熱,因為加熱太窄會造成新的溫差應力。預熱時溫升不要太快,要均勻,并要求整條焊縫各部位溫度應基本一致。緩冷時將焊接后的工件加熱到600 ℃,放在退火爐內,讓它慢慢地冷卻下來。
1.5 錘擊法
當焊修較長的裂縫和堆焊層,焊縫金屬冷卻時,由于焊縫收縮時受阻力而產生拉應力,趁著焊縫和堆層在赤熱的狀態下,用錘輕敲焊縫區能使金屬展開,焊縫擴展可減少焊縫的收縮,焊接應力可減少1/ 2～1/ 4。錘打時,焊修金屬溫度在800 ℃時效果最好。若溫度降低,敲打力量也要隨之減少。進行錘擊時,溫度應在300 ℃以下或400 ℃以上,避免在300～400 ℃之間進行,因為此時金屬材料正處于藍脆階段,
錘擊焊縫容易造成斷裂。多層焊時,第一層和最后一層焊縫不用錘擊,其余每層都要錘擊。第一層不錘擊是為了避免產生根部裂紋,最后一層焊縫要焊接得較薄,以便消除由于錘擊而引起的冷作硬化。
2 消除焊接殘余應力的措施
2.1 焊件整體高溫回火
將整個焊件放在加熱爐內加熱到一定的溫度,然后保溫一段時間再冷卻,同種材料回火溫度越高,時間越少,焊接應力消除越徹底。這種方法可將焊件內80 %～90 %的焊接殘余應力消除掉。保溫時間通常按每毫米1～2 min ,一般不低于30 min ,不高于3 h。
2.2 局部高溫回火
只對焊縫及附近區域進行加熱以消除焊接殘余應力。此方法通常用于焊接管道接頭及長構件的對接接頭等。
2.3 機械拉伸法
對焊接結構進行加載,使焊接壓縮塑性變形區得以拉伸,可減少由焊接引起的局部壓縮塑性變形量,使焊接應力得以降低。
2.4 溫差拉伸法
用焊修件局部加熱的溫差來拉伸焊縫區,兩側溫度高,焊接區溫度低,兩側受熱膨脹金屬對溫度較低的區域進行拉伸,可消除部分應力。
3 結束語
礦山機械零件種類較多,所受載荷和工件條件各不相同,對各類零件機械性能要求也不同。在焊修前,
必須對該零件的材料、工作條件、機械性能、熱處理等方面有明確的了解,正確安排焊接工藝,采取有利措施,以獲得最好焊接效果,達到整個焊件的焊接質量要求。減少焊接應力和焊接變形的方法
（1）采用適當的焊接程序，如分段焊、分層焊；
（2）盡可能采用對稱焊縫，使其變形相反而抵消；
（3）施焊前使結構有一個和焊接變形相反的預變形；
（4）對于小構件焊前預熱、焊后回火，然后慢慢冷卻，以消除焊接應力。
合理的焊縫設計
（1）避免焊縫集中、三向交叉焊縫；
（2）焊縫尺寸不宜太大；
（3）焊縫盡可能對稱布置，連接過渡平滑，避免應力集中現象；
（4）避免仰焊。
焊接變形的產生和防止
手工電弧焊接過程中的變形成因及對策
在工業生產中，焊接作業特別是手工電弧焊作業作為制造、修理的一種重要的工藝方法得到越來越廣泛的運用。同時，由于手工電弧焊自身的焊接特點必然引起其焊接變形較大，如不對其變形的原因進行分析并針對其成因提出有效的對策，必將給生產帶來極大的危害。
一、手工電弧焊接過程中的變形成因
我們知道，手工電弧焊接過程中的焊接電弧由在兩個電極之間的氣體介質中產生持久的放電現象所產生的。電弧的產生是先將兩電極相互接觸而形成短路，由于接觸電阻和短路電流產生電流熱效應的
結果，使兩電極間的接觸點達到白熱狀態，然后將兩電極拉開，兩電極間的空氣間隙強烈地受熱，空氣熱作用后形成電離化；與此同時，陰極上有高速度的電子飛出，撞擊空氣中的分子和原子，將其中的電子撞擊出來，產生了離子和自由電子。在電場的作用下，陽離子向陰極碰撞；陰離子和自由電向陽極碰撞。這樣碰撞的結果，在兩電極間產生了高熱，并且放射強光。電弧是由陰極區（位于陰極）、弧柱（其長度差不多等于電弧長度）和陽極區（位于陽極）三部分所組成。陰極區和陽極區的溫度，主要取決于電極的材料。一般地，隨電極材料而異，陰極區的溫度大約為2400K—3500K，而陽極區大約為2600K—4200K，中間弧柱部分的溫度最高，約為5000K—8000K。焊接接頭包括焊縫和熱影響區兩部分金屬。焊縫金屬是由熔池中的液態金屬迅速冷卻、凝固結晶而成，其中心點溫度可達2500℃以上。靠近焊縫的基本金屬在電弧的高溫作用下，內部組織發生變化，這一區域稱為熱影響區。焊縫處的溫度很高，而稍稍向外則溫度迅速下降，熱影響區主要由不完全熔化區、過熱區、正火區、不完全正火區、再結晶區和藍脆區等段組成，熱影響區的寬度在8—30 mm范圍內，其溫度從底到高大約在500 ℃--1500℃之間。金屬結構內部由于焊接時不均勻的加熱和冷卻產生的內應力叫焊接應力。由于焊接應力造成的變形叫焊接變形。
在焊接過程中，不均勻的加熱，使得焊縫及其附近的溫度很高，而遠處大部分金屬不受熱，其溫度還是室內溫度。這樣，不受熱的冷金屬部分便阻礙了焊縫及近縫區金屬的膨脹和收縮；因而，冷卻后，焊縫就產生了不同程度的收縮和內應力（縱向和橫向），就造成了焊接結構的各種變形。金屬內部發生晶粒組織的轉變所引起的體積變化也可能引起焊件的變形。這是
產生焊接應力與變形的根本原因。
二、焊件的殘余變形和應力的危害性
在焊接過程中焊件將發生變形，隨著變形的產生，焊件內的應力狀態也發生了變化，而焊完并冷卻后所留下的變形和應力不是暫時的而是殘余的。通常焊件的殘余變形和應力是同時存在的，但在一般焊接結構中殘余變形的危害性比殘余應力大得多，它使焊件或部件的尺寸改變而無法組裝，使整個構件喪失穩定而不能承受載荷，使產品質量大大下降，而校正卻要消耗大量的精力和物力，有時導致產品報廢。同時焊接裂縫的產生往往也和焊接殘余變形和應力有著密切的關系。有的金屬由于焊后產生了殘余應力而使的使用性能大為下降，從而對這類金屬的焊接件生產造成工藝上的大量困難。因此，在制造焊接結構時，必須充分了解焊接時內應力發生的機理和焊后決定工件變形的基本規律，以控制和減少它的危害性。
三、影響焊接結構變形的主要因素及變形的種類
（一）、影響焊接結構變形的主要因素有：
1.
焊縫在結構中的位置；
2.
結構剛性的大小；
3.
裝配和焊接順序；
4.
焊接規范的選擇。
（二）、焊接變形的種類有：
1.
縱向收縮和橫向收縮；
在焊縫長度方向上的收縮稱縱向收縮，而在垂直于焊縫縱向的收縮稱橫向收縮。由于這種收
縮，便使焊件發生了變形。
2.
角變形；
3.
彎曲變形；
4.
波浪變形；
5.
扭曲變形。
（三）、從焊接工藝上分析，影響焊縫收縮量的因
素有：
用手工電弧焊焊接長焊縫時，一般采用焊前沿焊縫進行點固焊。這不僅有利于減小焊接變形，
也有利于減小焊接內應力。
備料情況和裝配質量對焊接變形也會產生影響。
焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有：
1.
線膨脹系數大的金屬材料，其變形比線膨脹系數小的金屬材料大；
2.
焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長度的增加而增加；
3.
角焊縫的橫向收縮比對接焊縫的橫向收縮小；
4.
間斷焊縫比連續焊縫的收縮量小；
5.
多層焊時，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減小；
6. 在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒有夾具固定的焊接
收縮量小，約減少40%--70%；
7.
焊腳等于平板厚度的丁字接頭，角變形量較大。
四、防止焊接變形的方法
通過以上的分析，我們基本了解焊接變形的原因及變形的種類，針對焊接變形的原因和種類從焊接工藝上進行改進，可以有效防止和減少焊接變形所帶來的危害。下面，我們主要介紹幾種常見的防止焊接變形的方法。
1. 反變形法
在焊前進行裝配時，預置反方向的變形量為抵消（補償）焊接變形，這種方法叫做反變形法。圖1 所示為8—12mm 厚的鋼板V形坡口單面對接焊時，采用反變形法以后，基本消除了角變形。
2.
利用裝配和焊接順序來控制變形；
采用合理的裝配和焊接程序來減少變形，這在生產實踐中是行之有效的好辦法，如圖2（a）所示為一箱形梁，由于焊縫不對稱，焊后產生下撓彎曲變形。解決辦法是由兩人或四人，對稱地先焊只有兩條焊縫的一側，如圖2（b）中焊縫1 和1 然后就造成了如圖2 (c)的上拱變形。由于這兩條焊縫焊后增加了箱形梁的剛性。當焊接另一側的兩條焊縫時，如先焊圖2(d)中焊縫2 和2，最后再焊圖2(e)中焊縫3 和3，就基本上防止了變形。有許多結構截面形狀對稱，焊縫布置也對稱，但焊后卻發生彎曲或扭曲的變形，這主要是裝配和焊接順序不合理引起的，也就是各條焊縫引起的變形，未能相互抵消，于是發生變形。焊接順序是影響焊接結構變形的主要因素之一，安排焊接順序時應注意下列原則：
1）盡量采用對稱焊接。對于具有對稱焊縫的工作，最好由成對的焊工對稱進行焊接。這樣可以使由各焊縫所引起的變形相互抵消一部分。
2）對某些焊縫布置不對稱的結構，應先焊焊縫少的一側。
3）依據不同焊接順序的特點，以焊接程序控制焊接變形量。常見的焊接順序有五種，即：
a.分段退焊法
這種方法適用于各種空間的位置的焊接，除立焊外，鋼材較厚、焊縫較長時都可以設擋弧板，多人同時焊接。其優點是可以減小熱影響區，避免變形。每段長應為0.5—1m。見圖2(f)
b.分中分段退焊法
這種方法適用于中板或較薄的鋼板的焊接，它的優點是中間散熱快，縮小焊縫兩端的溫度差。焊縫熱影響區的溫度不至于急劇增高，減少或避免熱膨脹變形。這種方法特別適用于平焊和仰焊，橫焊一般不采用，立焊根本不能用。見圖2(g)
c.跳焊法
這種方法除立焊外，平焊、橫焊、仰焊三種方法都適用，多用在6—12mm 厚鋼板的長焊縫和鑄鐵、不銹鋼、銅的焊接上，可以分散焊縫熱量，避免或減小變形。鋼材每段焊縫長度在200—400mm之間；鑄鐵焊件按鑄鐵焊接規范處理；不銹鋼和銅由于導熱快，每段長不宜超過200mm (薄板應短些)。見圖 2(h)
d.交替焊法
這種焊法和跳焊法基本相同，只是每段焊接距離拉長，特別適用于薄板和長焊縫。見圖2(i)
e.分中對稱法
這種方法適用于焊縫較短的焊件，為了減小變形，由中心分兩端一次焊完。見圖2(j)
3.剛性固定法
剛性固定法減小變形很有效，且焊接時不必過分考慮焊接順序。缺點是有些大件不易固定，且焊后撤除固定后，焊件還有少許變形和較大的殘余應力。這種方法適用于焊接厚度小于6
mm 及韌性較好的薄壁材料。如果與反變形法配合使用則效果更好。
對于形狀復雜，尺寸不大，又是成批生產的焊件，可設計一個能夠轉動的專用焊接胎具，既可以防止變形，又能提高生產率。當工件較大，數量又不多時，可在容易發生變形的部位臨時焊上一些支撐或拉桿，增加工件的剛性，也能有效的減少焊接變形。

真正 · 發表于 2008-12-1 18:21:49

3. 散熱法
散熱法又稱強迫冷卻法，即將焊接處的熱量迅速散走，使焊縫附近的金屬受熱面大大減少，達到減小焊接變形的目的。圖 3（a）為水浸法示意圖，常用于表面堆焊和焊補。圖3(b)是散熱法示意圖，用紫銅作散熱墊，有的還鉆孔通冷卻水，這些墊板越靠近焊縫效果越好。但散熱法比較麻煩，且對于淬火傾向大的鋼材不宜采用，否則易裂。
4. 錘擊焊縫法
錘擊焊縫法，即用圓頭小錘對焊縫敲擊，可減少焊接變形和應力。因此對焊縫適當鍛延，使其伸長來補償這個縮短，就能減小變形和應力。錘擊時用力要均勻，一般采用0.5Kg—1.0Kg的手錘，其端部為圓角（R=3—5mm）。底層和表面焊道一般不錘擊，以免金屬表面冷作硬化。其余各道焊完一道后立刻錘擊，直至將焊縫表面打出均勻致密的點為止。
五、常見復雜構件防止變形的方法
1. 鋼架的焊接
鋼架焊接的關鍵問題，是如何保證強度和防止變形。從工藝上保證強度能適應載荷的變化，其變形量不致影響安裝和使用的要求，因此：
1）焊縫的高度和長度，要按圖施工。裝配誤差要小，坡口要清理干凈。
2）鋼架的焊接一般先焊腹桿與節點板之間的焊縫，然后再焊上、下弦與節點板之間的焊縫，焊接順序不應集中，而應在節點間間隔跳開焊接（見圖4(a)）。
3）節點板與桿件之間的橫向焊縫不焊（見圖4(b)），各種焊縫應盡量采用船形焊。
2. 鍋爐集箱管接頭的焊接
鍋爐集箱管接頭焊縫集中，又偏于一側，焊后產生較大的彎曲變形，見圖5
在圓筒上側有兩排共26個管接頭。采用跳焊的焊接順序可解決變形問題。先由一名焊工在第一根集箱上相隔2—3 個管接頭跳焊一個接頭。跳焊完第一根后接著又到第二根進行同樣的跳焊。依次把6—10 根集箱跳焊過一遍后，再反過來從第一根開始跳焊第二遍，這時早已焊好的管接頭溫度已降低到40℃--50℃以下。這樣反復跳焊幾遍直到全部管接頭焊完。焊后雖然尚有2—3mm彎曲變形，但已在
公差范圍內，達到質量要求。焊接應力和焊接變形對構件有哪些危害?焊接應力產生的主要原因，有以下三個方面：
（1）熱應力。焊接過程對被焊工件來說，是局部的不均勻加熱過程和不均勻冷卻過程。這種不均勻冷熱過程，會使工件中產生熱應力。
（2）拘束應力。由于構件本身或外加的剛性拘束作用，使焊接時熱膨脹不暢，引起構件產生拘束應力。
（3）相變應力：焊接時，接頭區域產生不均勻組織轉變而引起的應力。
由廠焊接應力的存在，使接頭區產生不均勻的塑性變形，稱為焊接變形。殘留在焊接構件中的焊接應力（又稱為焊接殘余應力）會降低接頭區實際承受載荷的能力。特別是當構件承受動載疲勞載荷時，有可能發生低應力破壞。對于厚壁結構的焊接接頭、立體交叉焊縫的焊接區或存在焊接缺陷的區域，由于焊接殘余應力，使材料的塑性變形能力下降，會造成構件發生脆性破裂。焊接殘余應力在一定條件下會引起裂紋，有時導致產品返修或報廢。如果在工作溫度下材料的塑性較差，由于焊接拉伸應力的存在，會降低結構的強度，縮短使用壽命。通常，焊件的焊接殘余變形和殘余應力是同時存在的，有時焊接殘余變形的危害比殘余應力的危害還要大。焊接殘余變形使焊件或部件的尺寸改變，降低裝配質量，甚至使產品直接報廢。矯正變形是一件費時的事，會增加制造成本，降低焊接接頭的性能。另外，由于角變形、彎曲變形和扭曲變形使構件承受載荷時產生附加應力，因而會降低構件的實際承載能力，導致發生斷事故。
鋼結構手工電弧焊焊接工藝標準
范圍
本工藝標準適用于一般工業與民用建筑工程中鋼結構制作與安裝手工電弧焊焊接工程。
施工準備
2.1
材料及主要機具：
2.1.1
電焊條：其型號按設計要求選用，必須有質量證明書。按要求施焊前經過烘焙。嚴禁使用藥皮脫落、焊芯生銹的焊條。設計無規定時，焊接Q235 鋼時宜選用E43 系列碳鋼結構焊條；焊接16Mn 鋼時宜選用 E50系列低合金結構鋼焊條；焊接重要結構時宜采用低氫型焊條（堿性焊條）。按說明書的要求烘焙后，放入保溫桶內，隨用隨取。酸性焊條與堿性焊條
不準混雜使用。
2.1.2
引弧板：用坡口連接時需用弧板，弧板材質和坡口型式應與焊件相同。
2.1.3
主要機具：電焊機（交、直流）、焊把線、焊鉗、面罩、小錘、焊條烘箱、焊條保溫桶、鋼絲刷、石棉布、測溫計等。
2.2 作業條件
2.2.1
熟悉圖紙，做焊接工藝技術交底。
2.2.2
施焊前應檢查焊工合格證有效期限，應證明焊工所能承擔的焊接工作。
2.2.3
現場供電應符合焊接用電要求。
2.2.4 環境溫度低于0℃
，對預熱，后熱溫度應根據工藝試驗確定。
操作工藝
3.1 工藝流程
作業準備 → 電弧焊接 (
平焊、立焊、橫焊、仰焊) → 焊縫檢查
3.2
鋼結構電弧焊接：
3.2.1 平焊
3.2.1.1
選擇合適的焊接工藝，焊條直徑，焊接電流，焊接速度，焊接電弧長度等，通過焊接工藝試驗驗證。
3.2.1.2
清理焊口：焊前檢查坡口、組裝間隙是否符合要求，定位焊是否牢固，焊縫周圍不得有油污、銹物。
3.2.1.3
烘焙焊條應符合規定的溫度與時間，從烘箱中取出的焊條，放在焊條保溫桶內，隨用隨取。
3.2.1.4
焊接電流：根據焊件厚度、焊接層次、焊條型號、直徑、焊工熟練程度等因素，選擇適宜的焊接電流。
3.2.1.5
引弧：角焊縫起落弧點應在焊縫端部，宜大于10mm，不應隨便打弧，打火引弧后應立即將焊條從焊縫區拉開，使焊條與構件間保持2～4mm間隙產生電弧。對接焊縫及對接和角接組合焊縫，在焊縫兩端設引弧板和引出板，必須在引弧板上引弧后再焊到焊縫區，中途接頭則應在焊縫接頭前方15～20mm
處打火引弧，將焊件預熱后再將焊條退回到焊縫起始處，把熔池填滿到要求的厚度后，方可向前施焊。
3.2.1.6
焊接速度：要求等速焊接，保證焊縫厚度、寬度均勻一致，從面罩內看熔池中鐵水
與熔渣保持等距離（2～3mm）為宜。
3.2.1.7
焊接電弧長度：根據焊條型號不同而確定，一般要求電弧長度穩定不變，酸性焊條一般為3～4mm，堿性焊條一般為2～3mm為宜。
3.2.1.8
焊接角度：根據兩焊件的厚度確定，焊接角度有兩個萬面，一是焊條與焊接前進方向的夾角為60～75°
；二是焊條與焊接左右夾角有兩種情況，當焊件厚度相等時，焊條與焊件夾角均為 45°；當焊件厚度不等時，焊條與較厚焊件一側夾角應大于焊條與較薄焊件一側夾角。
3.2.1.9
收弧：每條焊縫焊到末尾，應將弧坑填滿后，往焊接方向相反的方向帶弧，使弧坑甩在焊道里邊，以防弧坑咬肉。焊接完畢，應采用氣割切除弧板，并修磨平整，不許用錘擊落。
3.2.1.10
清渣：整條焊縫焊完后清除熔渣，經焊工自檢（包括外觀及焊縫尺寸等）確無問題后，方可轉移地點繼續焊接。
3.2.2
立焊：基本操作工藝過程與平焊相同，但應注意下述問題：
3.2.2.1
在相同條件下，焊接電源比平焊電流小10%～15%。
3.2.2.2
采用短弧焊接，弧長一般為2～3mm。
3.2.2.3
焊條角度根據焊件厚度確定。兩焊件厚度相等，焊條與焊條左右方向夾角均為45°；兩焊件厚度不等時，焊條與較厚焊件一側的夾角應大于較薄一側的夾角。焊條應與垂直面形成60°～80°角，使電弧略向上，吹向熔池中心。
3.2.2.4
收弧：當焊到末尾，采用排弧法將弧坑填滿，把電弧移至熔池中央停弧。嚴禁使弧坑甩在一邊。為了防止咬肉，應壓低電弧變換焊條角度，使焊條與焊件垂直或由弧稍向下吹。
3.2.3
橫焊：基本與平焊相同，焊接電流比同條件平焊的電流小10%～15%，電弧長2～4mm。焊條的角度，橫焊時焊條應向下傾斜，其角度為70°～80°，防止鐵水下墜。根據兩焊件的厚度不同，可適當調整焊
條角度，焊條與焊接前進方向為70°～90°。
3.2.4
仰焊：基本與立焊、橫焊相同，其焊條與焊件的夾角和焊件厚度有關，焊條與焊接方向成70°～80角，宜用小電流、短弧焊接。

真正 · 發表于 2008-12-1 18:22:39

3.3
冬期低溫焊接：
3.3.1 在環境溫度低于0℃
條件下進行電弧焊時，除遵守常溫焊接的有關規定外，應調整焊接工藝參數，使焊縫和熱影響區緩慢冷卻。風力超過4級，應采取擋風措施；焊后未冷卻的接頭，應避免碰到冰雪。
3.3.2
鋼結構為防止焊接裂紋，應預熱、預熱以控制層間溫度。當工作地點溫度在0℃以下
時，應進行工藝試驗，以確定
適當的預熱，后熱溫度。
質量標準
4.1 保證項目
4.1.1
焊接材料應符合設計要求和有關標準的規定，應檢查質量證明書及烘焙記錄。
4.1.2
焊工必須經考試合格，檢查焊工相應施焊條件的合格證及考核日期。
4.1.3 Ⅰ、Ⅱ
級焊縫必須經探傷檢驗，并應符合設計要求和施工及驗收規范的規定，檢查焊縫探傷報告。
4.1.4 焊縫表面Ⅰ、Ⅱ
級焊縫不得有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑等缺陷。Ⅱ級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑、裂紋、電弧擦傷等缺陷，且Ⅰ級焊縫不得有咬邊、未焊滿等缺陷。
4.2 基本項目
4.2.1
焊縫外觀：焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過渡平滑，焊渣和飛濺物清除干凈。
4.2.2
表面氣孔：Ⅰ、Ⅱ級焊縫不允許；Ⅲ級焊縫每50mm 長度焊縫內允許直徑≤0.4t；且≤3mm 氣孔2個；氣孔間距≤6倍孔徑。
4.2.3
咬邊：
Ⅰ級焊縫不允許。
Ⅱ級焊縫：咬邊深度≤0.05t，且≤0.5mm，連續長度≤100mm，且兩側咬邊總長≤10%焊縫長度。
Ⅲ級焊縫：咬邊深度≤0.lt，且≤lmm。注；t為連接處較薄的板厚。
4.3
允許偏差項目，見表5-1。
表5-1項允許偏差 (mm) 檢驗次 Ⅰ級 Ⅱ級 Ⅲ級方法
焊縫余高 b<20 0.5～2 0.5～2.5 0.5～3.5
1 對接焊縫 (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 縫
2 角焊縫 (mm) hf>6 0～+3 量
焊縫余高 hf≤6 0～+1.5 規(mm) hf>6 0～+3 檢
3 組合焊縫 T
形接頭，十字接頭、角接頭 >t/4 查焊角尺寸起重量≥50t，中級工作制吊車梁T 形接頭 t/2 且≯10
注：b為焊縫寬度，t為連接處較薄的板厚，hf為焊角尺寸。
成品保護
5.1
焊后不準撞砸接頭，不準往剛焊完的鋼材上澆水。低溫下應采取緩冷措施。
5.2
不準隨意在焊縫外母材上引弧。
5.3
各種構件校正好之后方可施焊，并不得隨意移動墊鐵和卡具，以防造成構件尺寸偏差。隱蔽部位的焊縫必須辦理完隱蔽驗收手續后，方可進行下道隱蔽工序。
5.4
低溫焊接不準立即清渣，應等焊縫降溫后進行。
應注意的質量問題
6.1
尺寸超出允許偏差：對
焊縫長寬、寬度、厚度不足，中心線偏移，彎折等偏差，應嚴格控制焊接部位的相對位置尺寸，合格后方準焊接，焊接時精心操作。
6.2
焊縫裂紋：為防止裂紋產生，應選擇適合的焊接工藝參數和施焊程序，避免用大電流，不要突然熄火，焊縫接頭應搭10～15mm，焊接中木允許搬動、敲擊焊件。
6.3
表面氣孔：焊條按規定的溫度和時間進行烘焙，焊接區域必須清理干凈，焊接過程中選擇適當的焊接電流，降低焊接速度，使熔池中的氣體完全逸出。
6.4
焊縫夾渣：多層施焊應層層將焊渣清除干凈，操作中應運條正確，弧長適當。注意熔渣的流動方向，采用堿性焊條時，上須使熔渣留在熔渣后面。
質量記錄
本工藝標準應具備以下質量記錄：
7.1
焊接材料質量證明書。
7.2
焊工合格證及編號。
7.3
焊接工藝試驗報告。
7.4
焊接質量檢驗報告、探傷報告。
7.5
設計變更、洽商記錄。
7.6
隱蔽工程驗收記錄。
7.7
其它技術文件。

明月千里寄相思 · 發表于 2008-12-5 22:20:25

不錯,學習了

技術監督 · 發表于 2008-12-6 09:38:28

內容較全，實用。參考使用。

shinshing · 發表于 2009-5-21 20:45:56

學習學習,是看到精僻內容,不錯

zlw789 · 發表于 2012-1-29 21:36:03

好真的不錯

feiliong · 發表于 2012-1-30 07:34:29

很厚道,不用花錢就可以看到,內容較全，實用,謝謝。

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建筑鋼結構的焊接殘余應力與消除方法探索