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焊接变形的分析与控制

随着我国钢结构产业的高速发展，焊接技术在钢结构工程中得到大量的应用，焊接工件尤其是厚板件的变形现象也成为人们密切关注的焦点。

在焊接过程中，焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程、焊接结构的使用性能、焊接接头的抗脆断能力、疲惫强度、抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂能力。焊接变形在制造过程中也会危及外形与公差尺寸、接头安装偏差且增加坡口间隙，使制造过程更加困难，当出现题目时还需采取一些费时耗资的附加工序来进行弥补，不仅增加本钱，还可能出现由此工序带来的其他不利因素。因此，要得到高质量的焊接结构必须对这些现象严格控制。

焊接应力分析

熔化焊接时，被焊金属在热源作用下发生局部加热和熔化，材料的力学性能也会发生明显的变化，而焊接热过程也直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、残余应力与变形大小，所以焊接热过程的正确计算和测定是焊接应力和变形分析的条件。因此在焊接过程的模拟研究中，只考虑温度场对应力场的影响，而忽略应力场对温度场的作用。同时，非线性、瞬时作用以及温度相关性效应等也会妨碍正确描述在各种情况下产生的残余应力，并使同一系统化的工作很难完成。为使其简单化，实际中常用焊接性的概念作为一种分类系统，将焊接分解为热力学、力学和显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。图1所示的工艺基础将焊接性分解为温度场、应力和变形场以及显微组织状态场。这种分解针对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。

?在狭义上，焊接性又可理解成所要求的强度性能。影响强度性能的主要因素又包括化学成分、相变显微组织、焊接温度循环、焊后热处理、构件外形、负载条件以及氢含量等。因此可将图1扩展成图2以夸大相变行为的影响。其中，图1和图2中的箭头表示相互影响，实箭头表示强烈的影响，虚箭头表示较弱的影响。显微组织的转变不仅决定于材料的化学成分，也决定于其受热过程（特别是与焊接有关的过程），特别是它在焊接接头的热影响区和熔化区的影响更加引人留意。

图1?显微组织度与温度、应力应变场

图2?扩展的显微组织和温度、应力应变场之间的相互关系

从客观规律来看，构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形。但一般人们在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时增加的瞬时应力与焊接残余应力，此时构件在拉应力作用下甚至可能出现裂纹。即使未产生裂纹，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中也会导致构件失稳、变形甚至破坏。因此焊接应力的控制与消除在钢结构制作过程中是十分重要的。

焊接变形控制

在焊接过程中，厚板对接焊后的变形主要是角变形。在实践中一般采取控制变形的发法，即先焊正面的一部分焊道，翻转工件，碳刨清根后焊反面的焊道，再翻转工件，这样如此往复。一般来说，每次焊接3~5道焊缝后即可翻身，直至焊满正面的各道焊缝。同时

图4?超生冲击消除焊接应力

4.采用振动时效法消除应力

振动时效的原理是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力，使其产生共振，从而使工件获得一定的振动能量，使工件内部产生微观的塑性变形，从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态，晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎，使得残余应力得以被消除和均化。振动时效法具有周期短、效率高以及无污染的特点，且不受工件尺寸、外形和重量等限制，经过大量的工程实践证实，对消除工件应力有明显效果。

5.利用冲砂除锈的工序进行消除应力

冲砂除锈时，喷出的铁砂束高达2500MP/cm2，用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀的冲击，除了达到除锈效果外，对构件的应力消除也会起到良好的效果。