现代化背景下金属结构件的焊接应力与焊接变形控制方法分析

摘 要 金属结构件主要包括框架式与箱式两种形式的构件。金属结构件在生产和制作过程中，通常是用焊热接的形式对各零件进行组装、定位和焊接。但是，金属结构件在制作过程中，由于焊接应力等会导致金属结构件焊接变形，从而对结构件的形状、强度、稳定性、加工精度及防腐造成了严重的影响。因此，只有控制好焊接应力与变形，才能提高金属结构件的整体质量。本文就金属结构件组装过程中焊接应力、焊接变形等影响因素进行了分析，并提出了相关控制方法，有效改善了金属结构件因焊接应力而造成的焊接变形。

关键词 金属结构件；焊接应力；焊接变形；控制方法

1 金属结构件产生焊接应力与焊接变形的原因

焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。

1.1 金属结构件焊接应力产生的原因

金属结构件在进行焊接的过程中，因焊接导致构件局部高温，构件受热不均匀，导致了金属结构件产生尺寸和形状变化，冷却后使金属结构件产生焊接应力。

1.2 金属结构件焊接变形产生的原因

焊接变形产生的原因主要有以下几种：①不均匀的局部加热和冷却是产生焊接变形的最主要原因，焊接时焊件的局部被加热到熔化状态，形成了焊件上温度的不均匀分布区，使焊件出现不均匀的热膨胀，受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而产生压力，当被加热金属受到的压应力超过其屈服点的时候，就会产生塑性变形，焊件冷却时，由于加热金属在加热过程中已经产生了压缩的塑性变形，所以最后长度要比未被加热时金属的长度短一些。②焊缝金属在冷却过程中，体积发生了收缩，这种收缩使焊件产生变形和应力；③焊缝金属的组织发生变化，焊缝金属在焊接时加热到很高的温度达到熔点，从熔点到常温，焊缝金属内部组织要发生变化，由于各种组织比容不同，焊缝金属冷却下来时要发生体积的变化；④焊件刚性限制了焊件在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小就不同[1]。

2 金属结构件焊接应力和焊接变形的控制方法

2.1 合理设计

合理控制焊缝的位置、数量和尺寸。①在金属结构件焊接的过程中，应合理布焊缝位置，各个焊缝之间保持一定的距离，避免焊缝过于集中，导致较大焊接应力和焊接变形。②在施工能力允许的情况下，应尽量减少焊缝的数量，来减小焊接应力和焊接变形的发生。③采用合理焊缝尺寸，减少焊接填充量的方式来避免过大的焊接应力和焊接变形。如改善焊接接头形式，减小坡口角度和坡口形式，减小装配间隙。

2.2 合理的工艺措施

（1）合理的装配、焊接顺序。金属结构件的装配、焊接顺利也会对金属结构件焊接应力与焊接变形产生影响。因此，设计合理的装配与焊接顺序就要根据以下的原则进行。①收缩量比较大的焊缝必须先焊，收缩量小的留在最后焊。因為先焊的焊缝收缩阻力会比较小，所以焊接应力也比较小。②选用对称焊接的方法。通过对称焊接可以减少焊接之后的再次变形情况。对称焊接是可以同时对结构件施焊的，对于结构复杂，刚性大易变性的焊缝，一般在焊接时需要两个或两个以上焊工对其焊接，只有多人同时焊接，才可以对所焊的焊缝之间的温度相互制约，避免了温度的不均匀分布，有效控制结构的整体变形。③在焊接的过程中，如果遇到比较大型的结构件，还是要选取对称焊接的方法，将结构件进行分段，逐段退焊，确保焊缝温度均匀分布，减少结构件的变形现象。④主焊缝优先焊接，对接焊缝优先于角焊缝进行焊接。

（2）合理的焊接方向。对于金属结构件，由于长度过长，其横向受力的分布总是在末端产生较大的拉应力，中段受到大的压应力，而且焊缝越长，采用直通焊的方法所产生的应力就越大，因此构件的变形就越大，这不仅是因为在焊接过程中沿焊缝方向的热量分布不均匀，主要是由于冷却有先有后，在膨胀收缩过程中受到的约束程度不同而引起的。因此焊接时，要保证焊缝的纵向和横向的收缩都比较自由。例如，对接焊缝要从中间依次向两端焊接，使焊缝能够较好的自由收缩，收缩量最大的焊缝应焊在一个结构上。在对接平面上带有交叉焊缝的接头时，必须采用保证交叉点部位不易产生缺陷的焊接顺序。

（3）冷焊法。避免焊接件局部过热，我们可以采用冷焊法的方式，如使用较小的线能量，使用合理的焊接方法，小直径快速焊的方式，多层多道，分段退焊法等形式来减小焊接件局部过热，产生焊接应力和焊接变形。

（4）锤击法。通过有圆弧的工具进行锤击焊缝，促进焊缝的延展方向，从而降低结构件的内应力，锤击时要保持力量适度均匀，为了防止结构件出现裂纹现象，在锤击的过程中，要控制好力量，通常情况下，结构件的底面与背面不需要进行锤击。

（5）加热减应力法。也就是在焊接过程中，通过对焊接结构进行部位的适当加热，使焊缝得以延伸，加热区在温度的影响下，焊缝逐渐伸长，并带动焊接部位延伸，使结构件在相反的焊缝方向处变形。当加热区开始冷却时开始收缩，导致焊缝的收缩也比较自由，因此，结构件内应力减少。

（6）反变形法。在焊接过程中，反变形法是应用比较广的，它是建立在焊接之前设计好焊接变形的方向与大小的。在装配的过程中，预先加入相反的变形，导致在焊接时产生变形，从而起到抵消变形的作用。

（7）刚性固定法。刚性固定法是在结构件没有发生反变形作用下，将结构件进行固定，防止结构件焊接变形。

（8）焊后热处理法。在焊接结束之后可以通过退火的方法消除焊接应力，退火的温度通常在600℃左右，经过保温之后再进行缓慢冷却。

2.3 金属结构件的变形的矫正

金属结构件的变形主要有扭曲和拱形两种，焊后可根据火工矫正的方式调节焊接变形，释放焊接残余应力[2]。

3 结束语

综上所述，在金属结构件的焊接过程中，必须要根据结构件的结构形式和焊接特点，采用相应的焊接顺序和焊接方法进行焊接，从而减少焊接变形。同时，在组装、设计与工艺等方面上，要对金属结构件进行全面的控制，达到工程质量的要求，确保焊接金属结构件的质量。

参考文献

[1] 陈诚贵，仝振，陈彦兵.薄板结构件焊接变形的控制和矫正[J].科技与企业，2013，（06）：287.

[2] 姜保国，谢大维，古晓光.焊接变形的分析与控制在纵梁组装焊接中的应用[J].起重运输机械，2011，2（12）：89-91.