摘要：钢结构具有强度高、结构力学性能优良、抗阻尼好、质量稳定、施工速度快、建设周期短等一系列优点，在建筑工程上得到日益广泛的应用，但是在钢结构杆件焊接过程中，由于钢结构截面小、板厚薄，在焊接过程中会产生焊接变形，如果变形程度比较大的话就会直接影响构件的安装精度和整个钢结构框架结构的安全稳定性。针对钢结构杆件的焊接应力和焊接变形，本文主要阐述了在钢结构焊接施工过程中焊接应力和焊接变形产生原因及危害性，焊接变形种类，本文借助于大型有限元分析软件ANSYS，针对本车间多数施焊的板厚种类进行了模拟有限元分析，得出了在施焊过程中各向焊接应力沿纵向、横向以及厚度方向上的变化曲线，进而讨论了焊接应力与焊接变形控制措施，焊接应力消除与焊接变形的矫正方法。
关键词：焊接应力 焊接变形 控制措施 应力消除 矫正方法
1.概述
随着我国的改革开放和经济的不断发展、钢材产量的增长，这为我国的钢结构建筑事业的发展创造了良好的时机。由于钢结构建筑具有轻质高强、力学性能良好、抗震性能优越等一系列的优点,近几年来钢结构建筑在我国出现了非常快的发展势头,其应用范不断地扩大。目前,我国钢结构建筑的发展处在建国以来最好的一个时期，但是与国外的一些发达国家相比,我国在许多方面还存在着明显的差距,如美国、日本、德国等国家。发达国家在工程建设中广泛采用钢结构,钢结构建筑在建筑中占的比重要远比我们国家的多，由可见，今后我国的钢结构建筑市场有着巨大的发展空间。
虽然钢结构在我国发展前景很好，但是在钢结构建筑工程的施工过程中还存在一些常见的技术问题，比如钢结构的焊接变形和焊接应力，处理这些问题是非常有必要的，对施工质量、杆件安装精度以及施工进度都是有好处的。本文介绍了焊接应力产生，焊接残余应力的危害、焊接变形的种类等来阐述钢结构在制作焊接的过程中所出现的焊接变形问题，并进一步研究了在实际的施工过程中，所采用的控制焊接变形的方法，这些方法的使用，在实际的施工中收到了良好的效果。
2.钢结构焊接应力、变形问题的阐述
2.1 焊接应力与焊接变形产生原因分析
钢结构杆件的装配件经过焊接连接后，焊缝冷却至原始温度时，在整个接头区内、焊缝区域及其附近区域之间产生的拉应力与压应力数值达到平衡，这时的应力状态称为焊接残余应力，简称焊接应力。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。
由于在焊接过程中，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，其温度接近与外界环境温度，这样，不受热的金属部分便阻碍了焊缝区域及其附近区域金属的膨胀和收缩，因此，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。
2.2焊件残余应力与变形危害
在施焊的过程中，焊件就会发生焊接变形，随着变形的产生，焊件内的应力状态也发生变形，而焊完并冷却后所留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害性比残余应力大得多，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，因此，在焊接钢结构杆件时，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。
2.3焊接变形种类
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：
1）横向收缩变形：构件焊后在垂直于焊缝方向产生收缩。
2）纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向产生收缩。
3）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。
4）弯曲变形：由于焊缝的纵向和横向收缩相对于构件的中轴不对称引起构的
整体弯曲。
5）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。
6）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。
2.4 焊接应力分析
2.4.1 焊接残余应力的影响因素分析
钢结构的基本构件(柱、梁、门架等)由型钢、钢板等连接而成，在设计中，焊接连接是钢结构最主要的连接方式。它的优点是任何形状的结构都可用焊缝连接，构造简单，并且一般不需要拼接材料，省钢省工。然而，在焊剂与基体金属之间产生了较大的残余应力，通常接近屈服应力，大大降低了该焊接结构的抗弯强度，并且容易导致脆性断裂。所以掌握焊接接头残余应力大小和分布对减少残余应力和控制焊接变形就变得十分的有必要。本文借助与大型的有限元分析软件ANSYA来分析影响钢结构杆件焊接残余应力的各种因素。
2.4.2 ANSYS分析流程
在钢结构的焊接过程中一般无外力作用，残余应力主要由焊接过程中不均匀热循环作用引起，所以焊接瞬态温度场的计算是进行焊接残余应力分析的前提。将瞬态温度场得到的节点温度作为体载荷施加到结构的应力分析中去，便可以了解焊接过程中的瞬态应力场及最终的残余应力。ANSYS对焊接残余应力主要分析流程包括：前处理、焊接热输入、温度场的计算、应力场计算、后处理。
1.前处理：
前处理包括创建几何模型、定义单元属性、建立材料参数表和划分网格。可以直接在ANSYS中创建实体模型，也可以在其它软件中创建几何模型再导入ANSYS中，进行网格划分，在焊缝附近要划分较密的网格(如图所示)，以保证计算精度。并且，必须利用AN—SYS的mptemp和mpdata命令，建立材料随温度变化的热物性参数库。
有限元网格的划分图
2.焊接热输入
钢结构的焊接热源模型采用移动高斯热源，通过一系列载荷步逐渐加到焊缝单元中。划分网格时，将焊缝划分为的网格。开始焊接的时候，所有的网格均处于常态，根据焊接速度设定适当的时间步，使焊缝单元逐渐处于活跃状态，这时各个单元内部就产生了焊接应力，将焊接热源逐步施加到活跃的焊缝单元上。
3.温度场的计算
焊接过程属于瞬态传热过程，在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。在焊接过程中材料必然会有相变产生，随着相变而发生热量转换，为了准确计算焊接温度场，必须考虑相变潜热。ANSYS热分析最强大的功能之一就是可以分析相变问题。在热物理性能参数定义时，确定随温度变化的密度和比热后，ANSYS会自动算出热焓。将计算得到的各节点温度保存在热分析结果文件中，以便作为应力场分析的体载荷。
4.应力场计算
应用ANSYS的热一结构耦合技术，温度场分析后，重新进入前处理，先用etchg，tts命令将热分析单元转换为对应的结构单元，建立材料的力学性能参数库(包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数等)，设定结构的力学边界条件，然后将温度场分析的各节点温度用ldread命令读入，读入某一载荷步或者某一时间步的温度值作为结构分析的体载荷，用solve命令求解，得到焊接过程中的动态应力变化过程以及焊接完后的残余应力。
5.后处理
后处理就是观察和分析有限元的计算结果。ANSYS的后处理模块包括通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26。通用后处理器用于查看某一时刻的结果。通用后处理器的一个强大功能就是能够把任何结果数据映射到模型的任意路径上，以便用图形和列表的方式观察结果项沿路径的变化情况，利用通用后处理器来观察焊接构件上残余应力的分布情况。时间历程后处理器用于观察模型在不同时刻的结果，利用时间历程后处理器来观察各节点在焊接过程中的温度变化情况。
通过ANSYS软件的以上分析步骤我们就能得到在焊接过程中焊接残余应力的各种变化曲线，由于我车间以15mm-40mm之间的板材焊接件为主，属于中厚板焊接范围，因此本文采用ANSYS对尺寸规格为δ15X500X1000的两块平板对焊进行模拟分析，其结果如下各个后处理结果所示：
图1：纵向残余应力等值线图 图2：横向残余应力等值线图
图3：厚度方向等值线图
进一步进行后处理分析，我们得到该种板的各向应力变化曲线，如下曲线所示：
图4：纵向残余应力沿长度方向的变化曲线
图5：横向残余应力沿宽度方向的变化曲线
图6：厚度方向残余应力变化曲线
通过对这些曲线的分析，发现纵向残余残余应力为中心对称分布，横向残余应力分为大致为抛物线形式分布，在厚度方向圧应力呈递减形式分布。
6.影响残余应力的因素
通过ANSYS的一系列分析，可以掌握影响残余应力的主要因素，如下所列：
1) 焊缝尺寸。 焊缝较短时，纵向残余应力小于屈服极限；焊缝较长时，残余拉应力接近材料的屈服极限。
2) 板件厚度。 残余压应力随着厚度增加而减少
3) 施焊速度。 施焊速度加快，残余应力大幅度减少。
4) 预热处理。 对构件预热，可以减少残余应力。
5) 预约束。 预约束可以构件收缩，减少残余应力。
6) 焊接方向。 对称结构，从中间向两边焊则可减少残余应力。
2.5 焊接应力、变形的控制方法
2.5.1 焊接应力的控制
前面通过有限元分析软件ANSYS对钢结构焊接残余应力的影响因素进行了比较准确的分析，得出了影响焊接应力的因素，因此，控制焊接应力就基于这些因素来采取措施，具体措施如下所示：
1）尽量减小焊缝尺寸。
2）在施焊的过程中尽量采用比较均匀的速度，避免施焊速度不均而产生过大的焊接应力。
3）焊接前，应该按照焊接工艺对焊件严格的进行预热处理。
4）可以给杆件加上预约束来杆件收缩，从而达到减少焊接应力的目的。
5）焊接前确定出合理的焊接顺序，减少焊接应力。
2.5.2 焊接变形的控制
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：
1）尽量减小焊缝截面积。尽可能采用较小的坡口尺寸。
2）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；优先采用热输入较小的焊接方法。
3）对于对接接头、T形接头和十字接头坡口焊接，在工件放置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。
4）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。
5）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。
6）设计上要尽量减小焊缝的数量和尺寸；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。
7）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。
8）宜采用反变形法控制角变形。
9）对于一般构件可用定位焊固定同时变形；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。
10）采用合理的焊接顺序也是防止焊接变形的有效措施。长焊缝可采用逆向分段焊接法；从中间向两端分开焊接法；两边对称施焊法（角接焊缝）；两把焊同步、同方向、同参数的三同施工焊接（H型钢、箱形构件主焊道）；大型梁腹板的现场总成对接焊采用从下向上施焊法达成上拱要求。当有几种纵横交叉焊缝施焊时，应先焊收缩变形较大的横缝，而后焊纵缝，这样焊横缝时不会受到纵缝的约束，使横缝的收缩力在无约束的情况下得到释放，可以减小焊接变形；对接焊缝和角对接同时存在时应优先焊接对接焊缝后焊接角焊缝。
2.6 焊接应力消除与焊接变形的矫正方法
2.6.1焊接应力消除方法
对于需要避免应力腐蚀，或要求在动载荷和疲劳载荷下工作，不产生脆性断裂构件必须在焊后对其进行应力消除。焊后应力消除方法大致有以下几种：
1）用锤击法消除中间焊层应力，应使用圆头手锤或小型振动工具进行，不应对根部焊缝、盖面焊缝进行锤击。
2）振动法进行应力消除。在进行振动应力消除时应符合国家现行《振动时效工艺参数选择及技术要求》（JB/T-5926）的规定。
3）加热炉整体退火或电加热器局部退火对焊件进行消除应力，在具体操作过程中视具体情况可以根据尺寸进行选择。
4）焊后对焊接进行焊后热处理。在焊后热处理时构件焊缝每侧加热宽度至少为3倍钢板厚度，且不应该小于200MM；加热宽度以往构件两侧尚宜用保温材料适当覆盖。
2.6.2 焊接变形的矫正方法
构件发生弯曲和扭曲变形的程度超过现行钢结构规范和设计要求时，必须进行矫正。焊接变形矫正方法有：机械矫正、火焰矫正和混合矫正。施工时，可以根据实际情况合理选用。矫正时应遵循以下原则：先总体，后局部；先主要，后次要；先下部，后上部；先主件，后次件。
1） 机械矫正法
机械矫正法主要是利用机械力的作用，以矫正焊接变形，常采用方法有液压矫正机矫、滚筒式矫正机滚矫、液压矫正机扳矫和千斤顶顶矫。
2）火焰矫正
采用火焰矫正的原理和焊接变形原理相同，只是反其道而行之，通过给金属输入热量，使金属达到塑性状态，从而产生变形，构件局部被加热后，依靠加热区的膨胀与收缩差，使构件按照预定的方向发生变形，从而达到矫正的目的。用火焰矫正，在实际施工中很难定量地确定加热部位、加热温度、加热时间及加热区域长度等，主要靠积累经验，因此，在准备矫正构件时，要选择有一定矫正经验的人员担任此项工作，并且人员要相对固定。
利用火焰矫正方便快捷，但必须注意几项基本要领。首先，加热温度要掌握
好，一般控制温度在650-850℃之间，温度太低效果不明显，温度太高易使材质
发生变化；要掌握在不同气温情况下的加热温度；变形较大的构件一次加热不能
完全清除变形时，应错开原来的加热点进行第二次加热矫正；采取合理的矫正顺
序，先矫正翼板不平、倾斜，再矫正侧向弯曲和起拱；矫正过程中要经常用直尺、
细钢线、水准仪等检查矫正情况，防止矫枉过正产生新的变形量。
3） 混合矫正
混合矫正就是根据具体构件变形情况，选用机械矫正和火焰矫正交替使用最后达到消除焊接变形目的。
上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。
3.结束语
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首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，使建筑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，以此保证整个建筑工程使用安全性。下载本文
