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摘要：为有效控制烟风煤管道因焊件的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形，就烟风煤管道焊接变形和焊接应力的各种影响因素进行分析，并提出相应的控制措施。
关键词：焊接变形，焊接应力，控制措施，新工艺
中图分类号：TG4文献标识码： A
人们都知道，钢材焊接后都要产生变形，烟风煤管道的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起的焊接变形。
1.焊接变形的影响因素
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,在建筑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、Ｔ形角焊、对接焊。
1.4.1 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。
1.4.2 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。
1.4.3 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
1.5.1 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。
1.5.2 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。
2.焊接变形的控制措施
在烟风煤管道焊接过程中 ,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工程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:
2.1 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)，选用焊接方法不同所采用的坡口形式及结构尺寸就不同，焊条电弧焊焊接时，焊件厚度≤3mm时，应选用Ⅰ型坡口，对口间隙1-2mm; 焊件厚度≤6mm时，选用v型坡口，坡口角度30°-35°对口间隙1-2mm;，钝边要留为0.5-2mm，ＣＯ2气体保护焊时，焊件厚度≤6mm时，对口间隙1-2mm，外观成型好，内在质量优，比焊条是弧焊效率高，变形量小。
2.2 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、层間温度;优先采用热输入较小的焊接方法,如ＣＯ2气体保护焊。
2.3 厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。
2.4 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。
2.5 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。
2.6 采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。
2.7 对已发生焊接变形采用电焊局部加热方法来进行控制。
2.8 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。
2.9 对于长构件的扭曲,主要利用平板机来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。
2.10 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。
3.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。
因此,对于一些构件截面厚大,焊接节点复杂,拘束度大,钢材强度级别高,使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。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:
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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。
3.4 降低焊件刚度,创造自由收缩的条件。
3.5 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。
4.从工艺方法上减小焊接变形
4.1选择合理的焊接方法和规范
选择焊接方法和规范的原则是：在保证焊接质量的前提下，选用较低的线能量，能有效地防止焊接变形。例如：埋弧自动焊与手工电弧焊相比，功率大，热利用率高，焊接速度快，焊缝收缩小，焊接变形就小；气焊比电弧的焊后变形大，也是因为气焊时，焊件受热范围大，加上焊接速度慢，使金属受热体积增大，导致焊后变形大。用二氧化碳气体保护焊代替手工电弧焊，不仅效率高，而且变形也小。
4.2采用合理的装焊顺序和方向
焊接结构的装焊顺序将给结构的变形带来较大的影响。为了使焊缝能自由收缩，一般情况下，同时存在对接焊缝和角焊缝时，先焊对接焊缝；同时存在薄板和厚板时，先焊厚板；对同时存在连续焊缝和断续焊缝时，先焊连续焊缝。焊接时，应对称焊接，对不对称焊缝先焊焊缝少的一侧。对于结构中长焊缝，尽量采取分段焊。
4.3刚性固定法
刚性固定法的实质是在焊接时，将焊件固定在具有足够刚性的基础上，使焊件在焊接时不能移动，在焊接完全冷却以后再将焊件放开，这时焊件的变形要比在自由状态下焊接时发生的变形小。
4.4反变形法
根据生产中已经发生变形的规律，预先把焊件人为地制成一个变形，使这个变形与焊后发生的变形方向相反而数值相等，以达到防止产生残余变形。这种方法在实际生产中使用较广泛。例如：采用外力将构件紧压在具有足够刚度的夹具和平台上，使它产生一个反变形，然后进行焊接。
4.5散热法
散热法又称强迫冷却法，是把焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近金属受热区域大大减小，以达到减少焊接变形的目的。但应注意散热法不适用于具有淬火倾向的钢板。
结束语：
综上所述,在施工过程中,一定要了解并掌握焊接工艺,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,可以保证工程中的焊接质量。
参考文献：
「电焊工基本技术」高忠民编著.―第二次修订版.―北京：金盾出版社，2000.12
（建筑工人职业技能培训丛书）引用部分P528页～P548页
关键词：焊接变形，焊接应力，控制措施，新工艺
中图分类号：TG4文献标识码： A
人们都知道，钢材焊接后都要产生变形，烟风煤管道的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起的焊接变形。
1.焊接变形的影响因素
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,在建筑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、Ｔ形角焊、对接焊。
1.4.1 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。
1.4.2 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。
1.4.3 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
1.5.1 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。
1.5.2 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。
2.焊接变形的控制措施
在烟风煤管道焊接过程中 ,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工程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:
2.1 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)，选用焊接方法不同所采用的坡口形式及结构尺寸就不同，焊条电弧焊焊接时，焊件厚度≤3mm时，应选用Ⅰ型坡口，对口间隙1-2mm; 焊件厚度≤6mm时，选用v型坡口，坡口角度30°-35°对口间隙1-2mm;，钝边要留为0.5-2mm，ＣＯ2气体保护焊时，焊件厚度≤6mm时，对口间隙1-2mm，外观成型好，内在质量优，比焊条是弧焊效率高，变形量小。
2.2 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、层間温度;优先采用热输入较小的焊接方法,如ＣＯ2气体保护焊。
2.3 厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。
2.4 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。
2.5 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。
2.6 采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。
2.7 对已发生焊接变形采用电焊局部加热方法来进行控制。
2.8 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。
2.9 对于长构件的扭曲,主要利用平板机来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。
2.10 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。
3.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。
因此,对于一些构件截面厚大,焊接节点复杂,拘束度大,钢材强度级别高,使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。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:
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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。
3.4 降低焊件刚度,创造自由收缩的条件。
3.5 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。
4.从工艺方法上减小焊接变形
4.1选择合理的焊接方法和规范
选择焊接方法和规范的原则是：在保证焊接质量的前提下，选用较低的线能量，能有效地防止焊接变形。例如：埋弧自动焊与手工电弧焊相比，功率大，热利用率高，焊接速度快，焊缝收缩小，焊接变形就小；气焊比电弧的焊后变形大，也是因为气焊时，焊件受热范围大，加上焊接速度慢，使金属受热体积增大，导致焊后变形大。用二氧化碳气体保护焊代替手工电弧焊，不仅效率高，而且变形也小。
4.2采用合理的装焊顺序和方向
焊接结构的装焊顺序将给结构的变形带来较大的影响。为了使焊缝能自由收缩，一般情况下，同时存在对接焊缝和角焊缝时，先焊对接焊缝；同时存在薄板和厚板时，先焊厚板；对同时存在连续焊缝和断续焊缝时，先焊连续焊缝。焊接时，应对称焊接，对不对称焊缝先焊焊缝少的一侧。对于结构中长焊缝，尽量采取分段焊。
4.3刚性固定法
刚性固定法的实质是在焊接时，将焊件固定在具有足够刚性的基础上，使焊件在焊接时不能移动，在焊接完全冷却以后再将焊件放开，这时焊件的变形要比在自由状态下焊接时发生的变形小。
4.4反变形法
根据生产中已经发生变形的规律，预先把焊件人为地制成一个变形，使这个变形与焊后发生的变形方向相反而数值相等，以达到防止产生残余变形。这种方法在实际生产中使用较广泛。例如：采用外力将构件紧压在具有足够刚度的夹具和平台上，使它产生一个反变形，然后进行焊接。
4.5散热法
散热法又称强迫冷却法，是把焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近金属受热区域大大减小，以达到减少焊接变形的目的。但应注意散热法不适用于具有淬火倾向的钢板。
结束语：
综上所述,在施工过程中,一定要了解并掌握焊接工艺,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,可以保证工程中的焊接质量。
参考文献：
「电焊工基本技术」高忠民编著.―第二次修订版.―北京：金盾出版社，2000.12
（建筑工人职业技能培训丛书）引用部分P528页～P548页