杨云
川庆钻探长庆钻井总公司装备公司 陕西省西安市 710000
[摘 要] 为有效控制钢结构因焊件的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形，就焊接变形和焊接应力的各种影响因素进行分析，提出了相应的控制措施。
[关键词] 焊接变形 焊接应力 热过程 焊接工艺
一、前言
在钻井大提速大发展的今天，需要的井队配套设备越来越多，质量要求也不断提高，我厂承接的钢结构铆焊件制造任务也比较繁多，焊接技术成了一个关键的课题。但在施工过程中，由于焊接产生的残余焊接应力和焊接变形，严重影响着钢结构铆焊件的质量、制造进度和使用寿命，因而急需采用合理的方法予以控制
二、焊接应力和变形概念
焊接应力和变形是指焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。
焊接应力和变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺性的重要因素。它会导致在焊接接头中产生冷热裂纹等缺陷，在一定条件下还会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度有不利影响。钢结构的焊接过程中常见的焊接应力有 ：1)纵向应力 ；2)横向应力 ；3)厚度方向应力。常见的焊接变形有 ：1)纵向收缩变形 ；2)横向收缩变形 ；3)角变形 ；4)弯曲变形 ；5)扭曲变形 ；6)波浪变形。
三、焊接应力和变形的控制措施
针对这些不同种类的焊接变形和应力分布，我们应该追溯根源，具体进行研究控制。
1、焊接变形的控制措施
全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。
1.1焊缝截面积的影响
焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。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，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。
1.2焊接热输入的影响
一般情况下，热输入量大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。
1.3焊接方法的影响
多种焊接方法的热输入差别较大，在钢结构焊接常用的几种焊接 方法中，除电渣以外，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，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。
1.4接头形式的影响
在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。
1)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、母材方面的约束，因此，变形相对较小。
2)T形角接接头和搭接接头时，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。
3)对接接头在单道 (层 )焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。
双面焊时情况有所不同，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。
1.5焊接层数的影响
1)横向收缩 ：在对接接头多层焊接时，第一层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，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。
2)纵向收缩 ：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，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。
在焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施 ：
1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸 (角度和间隙 )。
2)对屈服强度 345MPa以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度 ；优先采用热输入较小的焊接方法，如CO2气体保护焊。
3)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。
4)在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。
5)双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。
6)T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。
7)采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。
8)采用刚性夹具固定法控制焊后变形。
9)采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如H形纵向焊缝每米长可预留 0.5ｍｍ～ 0.7ｍｍ。
10)对于长构件的扭曲，主要靠提高板材平整度和构件组装精度，使坡口角度和间隙准确，电弧的指向或对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。
11)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。
12)设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。
2、焊接应力的控制措施
构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。 控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种 ：
1)减小焊缝尺寸 ：焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。
2)减小焊接拘束度 ：拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。
3)采取合理的焊接顺序 ：在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝 ；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。
4)降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。
5)锤击法减小焊接残余应力 ：在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。
但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于 345MPa时，也不宜用锤击法消除焊接残余应力。
6 )采用喷丸除锈 ：通过钢丸均匀敲打来抵消构件的焊接应力。
四、小结
综上所述，在施工过程中，一定要了解焊接工艺，采用合理的焊接方法和控制措施，以便减少和消除焊后残余应力和残余变形。在实践中不断总结、积累焊接经验，综合分析考虑的各种因素，可以保证施工中的焊接质量。
参考文献：
[1]陈伯蠡著，焊接冶金原理，北京：清华大学出版社，1991．
[2]陈丙森等，焊接结构，北京:机械工业出版社，2001.