探究钢结构焊接残余应力及焊接变形控制

探究钢结构焊接残余应力及焊接变形控制

马腾

浙江大港桥梁科学研究有限公司浙江杭州311215

摘要：随着我国各行各业大力发展。焊接技术运用也越来越广泛，对焊接结构的性能、焊接质量的要求越来越高。焊接残余应力消除是焊接结构重要保障，只有消除焊接残余应力才可达到焊接结构的稳定性、刚度、强度等质量指标。目前，焊接残余应力的消除还需要一段时间，需要行业人员在每一个环节进行深入的推敲，才可保证焊接结构的使用寿命及其性能。

关键词：钢结构；焊接；残余应力；变形控制

1焊接残余应力的介绍

在焊接钢结构焊件时，其中产生的热应力、相变应力以及加工应力完全超过屈服极限，将会导致钢结构焊件在冷却之后产生没有及时消除的应力，这也就是焊接残余应力。在钢结构进行焊接的过程，其将会受到不均匀温度场的影响，造成局部塑性变形问题以及比容不同组织，所以产生了严重的焊接应力与变形问题。在钢结构焊接加工中出现残余应力，可能会造成焊接材料产生变形翘曲的问题，甚至在后期导致焊接部位开裂与应力腐蚀等等一系列问题，从而使钢结构焊接件的使用寿命大大降低，使钢结构焊接的可靠性降低。

2焊接结构残余应力产生的因素

2.1钢结构材料性能和力学性能产生的焊接残余应力

对钢结构进行焊接过程中，其产生的残余应力主要因素是在加热时受热不均匀，导致焊接后温度呈梯度进行冷却造成的。其受热不均匀从物理因素层面可概括为以下内容。对不同材料性质的钢结构零部件进行加工时，由于其金属材料的不同，对温度的感应也必然有不同的反应，进而造成比热容发生变化，使焊接部位组织结构发生相应的变化。此外，由于焊接部位的密度，热膨胀系数、导热系数、密度等物理因素，同样会造成焊接部位受热不均匀，产生残余焊接应力。

2.2不同类型焊接热源所产生的残余应力

在焊接的过程中，不同焊接热源的接入也会对焊接残余应力造成不同的影响。目前，实现金属焊接所需的能量热源包括由电能、机械能、光辐射能及化学能。其对应产生的焊接热源就是电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源及电子束热源等。焊接的过程中采用不同的焊接热源，产生的温度场不同，因此产生的焊接残余应力也不同，进而对钢结构产生的变形影响不同。对钢结构进行加工时，应对不同钢材选取不同的焊接热源，进而减少钢材的变形与炸裂。

2.3其他原因产生焊接残余应力

除以上两种因素以外，焊接残余应力还可由其他间接因素产生。如对钢结构进行焊接前，对钢结构器或局部零部件材进行处理，使其进行过轧刹等，都会对焊接过程造成影响，增加焊接残余应力的产生。在焊接过程中，不仅要考虑焊接钢结构的物理因素，不同焊接热源所产生的影响还应当综合考虑钢结构本身所受过其他方面的影响。如处理不当，则会对钢结构以下几个方面造成不良的影响。

3钢结构焊接应力与焊接变形的种类

3.1焊接应力种类

3.1.1纵向焊接残余应力

钢材焊接时，焊件上会产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度可达到

1600℃，而其邻近部位温度相对较低。钢材在高温处变形大，而低温处变形小，高温处变形受到低温处钢材的限制，就会产生热状态下的塑性压缩变形。焊缝冷却至常温时，与初始长度相比，被塑性压缩的焊缝区长度变短了，同时两侧钢材限制了这种缩短变形，以至于焊缝区出现了纵向的拉应力，这就是所谓的纵向焊接残余应力。

3.1.2横向焊接残余应力

横向焊接残余应力有两部分组成。一部分是焊缝发生纵向收缩，使得两块钢板发生反向的弯曲变形。两块钢板通过焊缝连接可以连成一个整体。但焊缝的作用会使得两块钢板中间有横向拉应力产生，而两端会有压应力产生。另一部分是由于焊接顺序的不同导致焊缝的冷却时间不一致，最开始焊缝先凝固同时具有一定的强度，这样就阻止了后来焊的焊缝的横向自由膨胀，使得后焊的焊缝发生了横向塑性压缩变形。由于先焊焊缝凝固，中间焊缝再逐渐凝固，后焊焊缝最后才凝固，这三部分会产生杠杆作用，后焊部分因为收缩而受垃，先焊部分因杠杆作用也受垃，而只有中间部分受压。这两种横向应力通过叠加成为最后的横向残余应力。

3.1.3沿厚度方向的焊接残余应力

厚度比较大的钢板进行焊接时，由于焊缝与钢板接触面和空气接触，使得其散热较快而先冷却，但内部的焊缝不与空气接触而后冷却，后冷却的焊缝的收缩变形会受到外面已凝固的焊缝阻碍，从而形成了中间受垃、四周受压的应力状态。

3.2焊接变形种类

按焊接残余变形的外观形态分为以下几种变形。

(1)纵向变形—焊接后指的是焊件沿着焊接方向发生收缩。

(2)横向变形—焊接后指的是焊件垂直于焊接方向发生收缩。

(3)挠曲变形—穿过焊缝线并与板件垂直的平面内变形。

(4)角变形—焊接后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。

(5)波浪变形—焊接后构件呈现波浪形。

(6)扭转变形—焊接后结构上出现扭曲。

4钢结构焊接残余应力以及变形控制的方法

4.1控制钢结构焊接残余应力的方法

4.1.1焊接热处理法

其主要利用退火处理技术，使焊接受热的温度不断提高，从而有效延长保温时间，避免出现冷热不均匀的问题。但是在应用这一技术时，需要把温度控制在合理的范围内，一旦焊接的温度太高，就可能会造成钢结构氧化过重的问题。

4.1.2锤击消除法

在钢结构焊接中应用锤击消除法，主要在焊接加工完成之后，需要应用水锤敲击焊接的位置，这样能够使焊接的位置保持延展，从而消除热胀冷缩反应中产生的残余应力，防止钢结构材料产生变形的问题。但是在锤击焊接部位时，必须确保母材受力均匀。

4.1.3振动消除法

随着科学技术的快速发展，在当前的钢结构焊接加工中，主要采用振动消除法，来有效消除焊接残余应力。振动消除法的处理时间非常短，能够降低加工成本，不会产生氧化过重的问题。其中使用的激振器中包含了偏心轮以及变速马达，所以能够让焊接结构中出现共振循环反应，进而导致内应力逐渐降低。

4.2控制钢结构焊接变形的方法

在钢结构焊接加工中，为了有效控制钢结构焊接变形的问题，首先需要严格控制焊接量，避免焊接残余应力出现。在钢结构材料焊接加工前必须做好充足的准备工作，深入了解和分析钢结构的基本特征，焊缝的尺寸需要进行严格管理，母材不能进行焊缝。其次，在钢结构焊接中需要合理调整焊接工艺次序，对于不必要的焊接次序需要进行优化调整，如果钢结构的收缩量比较大，那么需要提前焊接，然而继续焊接长直缝，只有遵循先大后小的原则，才能避免残余应力。最后，在先进的科学技术支撑下，可以不断改善焊接技术，加强应用全新的焊接技术，例如：二氧化碳保护焊以及氩弧焊，这些焊接工艺技术都能避免钢结构变形问题产生。

5结语

随着社会经济和科学技术的发展，各行各业对于焊接技术的要求有了很大的提高，需要对其性能、质量等进行相应的提高和完善。对于焊接结构来说，焊接残余应力跌消除是至关重要的，可为其提供重要的保障，在一定程度上提高其刚度、强度和稳定性等。不过，就当下的形势来说，焊接残余应力跌消除还需要一段时间，必须要对每一个环节进行充分的研究和改变，使其朝着越来越精细化的方向发展。

参考文献

[1]钢结构焊接残余应力及焊接变形控制研究[J].季鹏,季鹤.世界有色金属.2017(03)

[2]浅析焊接残余应力的产生及其消除方法[J].高洪一.农机使用与维修.2015(02)

[3]孙学勇.浅析钢结构焊接变形及其控制方法[J].城市建设理论研究（电子版）,2013,(31).