焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響作用研究

摘要：鋼結(jié)構(gòu)件在冷熱焊接加工的過程中不可避免地會存在焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力可影響到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命，對鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂、焊件穩(wěn)定性、低溫工作性能、結(jié)構(gòu)變形等性能均有著較大的負(fù)面影響，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力控制及消除技術(shù)，最大限度地減少殘余應(yīng)力，以提高鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力；鋼結(jié)構(gòu)性能；影響作用

中圖分類號：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0075-02

隨著社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)以其材料強(qiáng)度高、自重輕、延性及抗震性好、工業(yè)化程度高、施工速度快等多個優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代化建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)是利用鋼材設(shè)計(jì)制作成構(gòu)件后通過一定的連接方式將構(gòu)件連接形成的，焊接是常用的鋼構(gòu)件連接方法，焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響，是實(shí)際工程中需關(guān)注的主要問題之一。

1 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是焊接過程中的局部不均勻熱輸入。按應(yīng)力分布形式分以下三種：

1.1 縱向殘余應(yīng)力

沿焊縫長度方向的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力（如下圖1），鋼材焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程，在焊接時，溫度很高的焊縫及其附近區(qū)域和溫度較低的臨近區(qū)域會產(chǎn)生不均勻的溫度場，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的膨脹，低溫度區(qū)的鋼材膨脹小，限制高溫度區(qū)鋼材膨脹，產(chǎn)生熱塑性壓縮，冷卻時，焊縫兩側(cè)鋼材又會限制塑性壓縮引起的焊縫縮短，產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，由于焊接殘余應(yīng)力是一種內(nèi)應(yīng)力，無荷載作用，需要在焊件內(nèi)部自相平衡，從而導(dǎo)致焊件上距焊縫稍遠(yuǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)力。

圖1 縱向殘余應(yīng)力分布

圖2 橫向殘余應(yīng)力分布

1.2 橫向殘余應(yīng)力

橫向殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力（如上圖2），受到塑性壓縮焊縫的縱向收縮可使焊縫兩側(cè)的鋼板形成反向彎曲變形，在兩塊鋼板間會產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，同時鋼板的兩端形成壓應(yīng)力；焊接時，焊縫焊接的先后順序不同，先焊接的焊縫先凝固，可限制后焊接焊縫的膨脹，引起橫向塑性壓縮變形，冷卻時，先焊接已凝固的焊縫限制后焊接焊縫的收縮形成橫向拉應(yīng)力，同時最后焊接的焊縫末端產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩塊鋼板間的橫向拉應(yīng)力及兩端的壓應(yīng)力與先焊接焊縫的橫向拉應(yīng)力及焊縫末端的拉應(yīng)力合成最終形成焊縫的橫向應(yīng)力。

1.3 沿厚度方向的殘余應(yīng)力

焊件采用厚鋼板時，焊接時需要多層施焊，由于焊接時不同厚度方向的溫度分布不均勻，冷卻時表面冷卻較中間快，可在焊縫中間層形成拉應(yīng)力，在外層形成壓應(yīng)力，從而形成除縱向和橫向殘余應(yīng)力外的沿厚度方向的殘余應(yīng)力。

通過以上焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生過程的分析，可以明顯的看出其產(chǎn)生的根本原因也就是在焊接過程中，對結(jié)構(gòu)件實(shí)施的不均勻加熱和冷卻造成的。其對鋼結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，因此必須要對其進(jìn)行消除和控制。

2 焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能所產(chǎn)生的影響

2.1 對結(jié)構(gòu)剛度的影響

焊接殘余應(yīng)力可減小結(jié)構(gòu)承受外荷載的有效截面面積，降低結(jié)構(gòu)剛度；截面上的參與拉伸應(yīng)力可降低構(gòu)件加載時的剛度和卸載時的回彈量，增大結(jié)構(gòu)變形，降低鋼結(jié)構(gòu)剛度。

鋼結(jié)構(gòu)在外荷載的作用下產(chǎn)生應(yīng)力，這一應(yīng)力可與結(jié)構(gòu)中存在的殘余應(yīng)力相互作用，當(dāng)二者疊加形成的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，可引起存在殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)材料的局部塑性變形，使該區(qū)域結(jié)構(gòu)失去承載外荷載的能力，減小有效截面面積，造成鋼結(jié)構(gòu)剛度下降。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在縱橫方向的裂縫時或經(jīng)火焰校正，尤其是采用大量火焰校正時可在較大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響。

2.2 對疲勞強(qiáng)度的影響

鋼材在無限多次交變荷載作用下而不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力稱為鋼材的疲勞強(qiáng)度，焊縫接頭處存在的殘余拉應(yīng)力可提高外加應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力，增大外荷載循環(huán)的疲勞損傷程度，降低焊縫接頭處的疲勞強(qiáng)度；焊縫接頭處的高值殘余拉應(yīng)力還可與動荷載外應(yīng)力疊加，使疲勞裂紋處始處于承受拉應(yīng)力作用的狀態(tài)，在外荷載循環(huán)作用的過程中，裂紋尖端始終處于展開狀態(tài)，并在殘余拉應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展，接頭處的疲勞強(qiáng)度不斷降低。

2.3 對低溫工作性能的影響

在厚鋼板焊縫處或是有縱橫交叉焊縫的部位可產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力和沿厚度方向的殘余應(yīng)力三個方向的應(yīng)力，阻礙該處鋼材塑性變形的發(fā)展，鋼材在低溫狀態(tài)下工作時，外荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加可拉近該區(qū)域三個方向應(yīng)力的數(shù)值，增加低溫環(huán)境下鋼材脆性傾向，降低鋼材低溫工作性能。

2.4 對應(yīng)力腐蝕開裂的影響

應(yīng)力腐蝕開裂是指承受應(yīng)力的金屬在腐蝕性環(huán)境中由于拉伸殘余應(yīng)力與腐蝕作用下產(chǎn)生的裂紋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只在特定的材料和介質(zhì)下發(fā)生，在同一環(huán)境下，應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間與殘余應(yīng)力成反比，即殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開裂所需時間越短，反之殘余應(yīng)力小，則應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間更長。

2.5 對焊件穩(wěn)定性的影響

在外荷載作用下，受壓焊件存在殘余應(yīng)力的區(qū)截面所受到的實(shí)際應(yīng)力為荷載應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加，這一疊加的殘余應(yīng)力可使截面提前達(dá)到屈服極限，進(jìn)入塑性狀態(tài)，喪失外荷載承載力，提前退出工作，使截面在承受外荷載時的有效界面減小，慣性距下降，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件整體的穩(wěn)定性降低。

2.6 對靜力強(qiáng)度的影響

焊接殘余應(yīng)力可在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡，通過自相平衡可使構(gòu)件受拉區(qū)和受壓區(qū)面積相等，構(gòu)件全截面與無殘余應(yīng)力的軸心受拉構(gòu)件全截面到達(dá)屈服強(qiáng)度時，前者所承受的外力對與后者承受的應(yīng)力相等，因此殘余應(yīng)力對靜力強(qiáng)度無影響。

此外，殘余應(yīng)力對構(gòu)件加工后的精度有著一定的影響，構(gòu)件在受到外力作用時，殘余應(yīng)力與外力相互作用，可使構(gòu)件局部呈塑性變形，外力去除后，構(gòu)件可發(fā)生變形。

3 焊接殘余應(yīng)力的有效控制

在焊縫布置較多的結(jié)構(gòu)件時，焊接順序應(yīng)按照先收縮量大的焊縫，后收縮量小的焊縫，先拘束度較大后拘束度較小的焊縫進(jìn)行，以盡可能地保證焊縫自由收縮，減少殘余應(yīng)力；先焊接受力較大的焊縫，后焊接受力較小的焊縫，如在梁接頭焊接中，應(yīng)先焊接受力較大的翼緣對接焊縫，后焊腹板對接焊縫，最后焊接預(yù)留的翼緣角焊縫。同時焊接還應(yīng)遵循由向外，逐步退焊或分散逐個焊接的順序。焊接過程中通過及減少焊接熱輸入來防止結(jié)晶過程中裂縫是焊接常用方法，一般在焊件達(dá)到一定厚度時，根據(jù)板厚及母材碳當(dāng)量確定一定加熱溫度對在正式焊接前對焊縫周邊進(jìn)行焊前預(yù)熱，減少焊接時焊縫周邊與焊接區(qū)域的溫度差，減少焊縫周邊對焊接區(qū)域的剛性約束，從而減小應(yīng)力。

4 結(jié)語

綜上所述，焊接殘余應(yīng)力是造成鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂和變形的主要原因之一，本文在對鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，探討了其對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響，并對實(shí)踐中控制及消除焊接殘余應(yīng)力常用的措施與方法作了簡要闡述。以能夠?yàn)橥泄ぷ?，提供一定的參考資料。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣莉莎.焊接殘余應(yīng)力的危害及處理方法[J].滁

州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（2）：64-65.

[2] 趙金澤.焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對鋼結(jié)構(gòu)的影響

以及消除和調(diào)整的措施[J].城市建設(shè)理論研究

（電子版），2011，（23）：384-385.

[3] 王前華.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的影響因素與控制

[J].科技與生活，2012，（1）：188-188.

作者簡介：張紅（1969—），女，遼寧遼陽人，電力工業(yè)鐵塔質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心工程師，研究方向：焊接技術(shù)。endprint

摘要：鋼結(jié)構(gòu)件在冷熱焊接加工的過程中不可避免地會存在焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力可影響到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命，對鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂、焊件穩(wěn)定性、低溫工作性能、結(jié)構(gòu)變形等性能均有著較大的負(fù)面影響，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力控制及消除技術(shù)，最大限度地減少殘余應(yīng)力，以提高鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力；鋼結(jié)構(gòu)性能；影響作用

中圖分類號：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0075-02

隨著社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)以其材料強(qiáng)度高、自重輕、延性及抗震性好、工業(yè)化程度高、施工速度快等多個優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代化建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)是利用鋼材設(shè)計(jì)制作成構(gòu)件后通過一定的連接方式將構(gòu)件連接形成的，焊接是常用的鋼構(gòu)件連接方法，焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響，是實(shí)際工程中需關(guān)注的主要問題之一。

1 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是焊接過程中的局部不均勻熱輸入。按應(yīng)力分布形式分以下三種：

1.1 縱向殘余應(yīng)力

沿焊縫長度方向的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力（如下圖1），鋼材焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程，在焊接時，溫度很高的焊縫及其附近區(qū)域和溫度較低的臨近區(qū)域會產(chǎn)生不均勻的溫度場，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的膨脹，低溫度區(qū)的鋼材膨脹小，限制高溫度區(qū)鋼材膨脹，產(chǎn)生熱塑性壓縮，冷卻時，焊縫兩側(cè)鋼材又會限制塑性壓縮引起的焊縫縮短，產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，由于焊接殘余應(yīng)力是一種內(nèi)應(yīng)力，無荷載作用，需要在焊件內(nèi)部自相平衡，從而導(dǎo)致焊件上距焊縫稍遠(yuǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)力。

圖1 縱向殘余應(yīng)力分布

圖2 橫向殘余應(yīng)力分布

1.2 橫向殘余應(yīng)力

橫向殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力（如上圖2），受到塑性壓縮焊縫的縱向收縮可使焊縫兩側(cè)的鋼板形成反向彎曲變形，在兩塊鋼板間會產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，同時鋼板的兩端形成壓應(yīng)力；焊接時，焊縫焊接的先后順序不同，先焊接的焊縫先凝固，可限制后焊接焊縫的膨脹，引起橫向塑性壓縮變形，冷卻時，先焊接已凝固的焊縫限制后焊接焊縫的收縮形成橫向拉應(yīng)力，同時最后焊接的焊縫末端產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩塊鋼板間的橫向拉應(yīng)力及兩端的壓應(yīng)力與先焊接焊縫的橫向拉應(yīng)力及焊縫末端的拉應(yīng)力合成最終形成焊縫的橫向應(yīng)力。

1.3 沿厚度方向的殘余應(yīng)力

焊件采用厚鋼板時，焊接時需要多層施焊，由于焊接時不同厚度方向的溫度分布不均勻，冷卻時表面冷卻較中間快，可在焊縫中間層形成拉應(yīng)力，在外層形成壓應(yīng)力，從而形成除縱向和橫向殘余應(yīng)力外的沿厚度方向的殘余應(yīng)力。

通過以上焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生過程的分析，可以明顯的看出其產(chǎn)生的根本原因也就是在焊接過程中，對結(jié)構(gòu)件實(shí)施的不均勻加熱和冷卻造成的。其對鋼結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，因此必須要對其進(jìn)行消除和控制。

2 焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能所產(chǎn)生的影響

2.1 對結(jié)構(gòu)剛度的影響

焊接殘余應(yīng)力可減小結(jié)構(gòu)承受外荷載的有效截面面積，降低結(jié)構(gòu)剛度；截面上的參與拉伸應(yīng)力可降低構(gòu)件加載時的剛度和卸載時的回彈量，增大結(jié)構(gòu)變形，降低鋼結(jié)構(gòu)剛度。

鋼結(jié)構(gòu)在外荷載的作用下產(chǎn)生應(yīng)力，這一應(yīng)力可與結(jié)構(gòu)中存在的殘余應(yīng)力相互作用，當(dāng)二者疊加形成的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，可引起存在殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)材料的局部塑性變形，使該區(qū)域結(jié)構(gòu)失去承載外荷載的能力，減小有效截面面積，造成鋼結(jié)構(gòu)剛度下降。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在縱橫方向的裂縫時或經(jīng)火焰校正，尤其是采用大量火焰校正時可在較大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響。

2.2 對疲勞強(qiáng)度的影響

鋼材在無限多次交變荷載作用下而不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力稱為鋼材的疲勞強(qiáng)度，焊縫接頭處存在的殘余拉應(yīng)力可提高外加應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力，增大外荷載循環(huán)的疲勞損傷程度，降低焊縫接頭處的疲勞強(qiáng)度；焊縫接頭處的高值殘余拉應(yīng)力還可與動荷載外應(yīng)力疊加，使疲勞裂紋處始處于承受拉應(yīng)力作用的狀態(tài)，在外荷載循環(huán)作用的過程中，裂紋尖端始終處于展開狀態(tài)，并在殘余拉應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展，接頭處的疲勞強(qiáng)度不斷降低。

2.3 對低溫工作性能的影響

在厚鋼板焊縫處或是有縱橫交叉焊縫的部位可產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力和沿厚度方向的殘余應(yīng)力三個方向的應(yīng)力，阻礙該處鋼材塑性變形的發(fā)展，鋼材在低溫狀態(tài)下工作時，外荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加可拉近該區(qū)域三個方向應(yīng)力的數(shù)值，增加低溫環(huán)境下鋼材脆性傾向，降低鋼材低溫工作性能。

2.4 對應(yīng)力腐蝕開裂的影響

應(yīng)力腐蝕開裂是指承受應(yīng)力的金屬在腐蝕性環(huán)境中由于拉伸殘余應(yīng)力與腐蝕作用下產(chǎn)生的裂紋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只在特定的材料和介質(zhì)下發(fā)生，在同一環(huán)境下，應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間與殘余應(yīng)力成反比，即殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開裂所需時間越短，反之殘余應(yīng)力小，則應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間更長。

2.5 對焊件穩(wěn)定性的影響

在外荷載作用下，受壓焊件存在殘余應(yīng)力的區(qū)截面所受到的實(shí)際應(yīng)力為荷載應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加，這一疊加的殘余應(yīng)力可使截面提前達(dá)到屈服極限，進(jìn)入塑性狀態(tài)，喪失外荷載承載力，提前退出工作，使截面在承受外荷載時的有效界面減小，慣性距下降，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件整體的穩(wěn)定性降低。

2.6 對靜力強(qiáng)度的影響

焊接殘余應(yīng)力可在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡，通過自相平衡可使構(gòu)件受拉區(qū)和受壓區(qū)面積相等，構(gòu)件全截面與無殘余應(yīng)力的軸心受拉構(gòu)件全截面到達(dá)屈服強(qiáng)度時，前者所承受的外力對與后者承受的應(yīng)力相等，因此殘余應(yīng)力對靜力強(qiáng)度無影響。

此外，殘余應(yīng)力對構(gòu)件加工后的精度有著一定的影響，構(gòu)件在受到外力作用時，殘余應(yīng)力與外力相互作用，可使構(gòu)件局部呈塑性變形，外力去除后，構(gòu)件可發(fā)生變形。

3 焊接殘余應(yīng)力的有效控制

在焊縫布置較多的結(jié)構(gòu)件時，焊接順序應(yīng)按照先收縮量大的焊縫，后收縮量小的焊縫，先拘束度較大后拘束度較小的焊縫進(jìn)行，以盡可能地保證焊縫自由收縮，減少殘余應(yīng)力；先焊接受力較大的焊縫，后焊接受力較小的焊縫，如在梁接頭焊接中，應(yīng)先焊接受力較大的翼緣對接焊縫，后焊腹板對接焊縫，最后焊接預(yù)留的翼緣角焊縫。同時焊接還應(yīng)遵循由向外，逐步退焊或分散逐個焊接的順序。焊接過程中通過及減少焊接熱輸入來防止結(jié)晶過程中裂縫是焊接常用方法，一般在焊件達(dá)到一定厚度時，根據(jù)板厚及母材碳當(dāng)量確定一定加熱溫度對在正式焊接前對焊縫周邊進(jìn)行焊前預(yù)熱，減少焊接時焊縫周邊與焊接區(qū)域的溫度差，減少焊縫周邊對焊接區(qū)域的剛性約束，從而減小應(yīng)力。

4 結(jié)語

綜上所述，焊接殘余應(yīng)力是造成鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂和變形的主要原因之一，本文在對鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，探討了其對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響，并對實(shí)踐中控制及消除焊接殘余應(yīng)力常用的措施與方法作了簡要闡述。以能夠?yàn)橥泄ぷ?，提供一定的參考資料。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣莉莎.焊接殘余應(yīng)力的危害及處理方法[J].滁

州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（2）：64-65.

[2] 趙金澤.焊接殘余應(yīng)力和焊接變形對鋼結(jié)構(gòu)的影響

以及消除和調(diào)整的措施[J].城市建設(shè)理論研究

（電子版），2011，（23）：384-385.

[3] 王前華.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的影響因素與控制

[J].科技與生活，2012，（1）：188-188.

作者簡介：張紅（1969—），女，遼寧遼陽人，電力工業(yè)鐵塔質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心工程師，研究方向：焊接技術(shù)。endprint

摘要：鋼結(jié)構(gòu)件在冷熱焊接加工的過程中不可避免地會存在焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力可影響到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命，對鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂、焊件穩(wěn)定性、低溫工作性能、結(jié)構(gòu)變形等性能均有著較大的負(fù)面影響，因此在實(shí)際工程中，應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力控制及消除技術(shù)，最大限度地減少殘余應(yīng)力，以提高鋼結(jié)構(gòu)的安全性。

關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力；鋼結(jié)構(gòu)性能；影響作用

中圖分類號：TG457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0075-02

隨著社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)以其材料強(qiáng)度高、自重輕、延性及抗震性好、工業(yè)化程度高、施工速度快等多個優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代化建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)是利用鋼材設(shè)計(jì)制作成構(gòu)件后通過一定的連接方式將構(gòu)件連接形成的，焊接是常用的鋼構(gòu)件連接方法，焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響，是實(shí)際工程中需關(guān)注的主要問題之一。

1 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是焊接過程中的局部不均勻熱輸入。按應(yīng)力分布形式分以下三種：

1.1 縱向殘余應(yīng)力

沿焊縫長度方向的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力（如下圖1），鋼材焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程，在焊接時，溫度很高的焊縫及其附近區(qū)域和溫度較低的臨近區(qū)域會產(chǎn)生不均勻的溫度場，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的膨脹，低溫度區(qū)的鋼材膨脹小，限制高溫度區(qū)鋼材膨脹，產(chǎn)生熱塑性壓縮，冷卻時，焊縫兩側(cè)鋼材又會限制塑性壓縮引起的焊縫縮短，產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，由于焊接殘余應(yīng)力是一種內(nèi)應(yīng)力，無荷載作用，需要在焊件內(nèi)部自相平衡，從而導(dǎo)致焊件上距焊縫稍遠(yuǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)力。

圖1 縱向殘余應(yīng)力分布

圖2 橫向殘余應(yīng)力分布

1.2 橫向殘余應(yīng)力

橫向殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力（如上圖2），受到塑性壓縮焊縫的縱向收縮可使焊縫兩側(cè)的鋼板形成反向彎曲變形，在兩塊鋼板間會產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，同時鋼板的兩端形成壓應(yīng)力；焊接時，焊縫焊接的先后順序不同，先焊接的焊縫先凝固，可限制后焊接焊縫的膨脹，引起橫向塑性壓縮變形，冷卻時，先焊接已凝固的焊縫限制后焊接焊縫的收縮形成橫向拉應(yīng)力，同時最后焊接的焊縫末端產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩塊鋼板間的橫向拉應(yīng)力及兩端的壓應(yīng)力與先焊接焊縫的橫向拉應(yīng)力及焊縫末端的拉應(yīng)力合成最終形成焊縫的橫向應(yīng)力。

1.3 沿厚度方向的殘余應(yīng)力

焊件采用厚鋼板時，焊接時需要多層施焊，由于焊接時不同厚度方向的溫度分布不均勻，冷卻時表面冷卻較中間快，可在焊縫中間層形成拉應(yīng)力，在外層形成壓應(yīng)力，從而形成除縱向和橫向殘余應(yīng)力外的沿厚度方向的殘余應(yīng)力。

通過以上焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生過程的分析，可以明顯的看出其產(chǎn)生的根本原因也就是在焊接過程中，對結(jié)構(gòu)件實(shí)施的不均勻加熱和冷卻造成的。其對鋼結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，因此必須要對其進(jìn)行消除和控制。

2 焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能所產(chǎn)生的影響

2.1 對結(jié)構(gòu)剛度的影響

焊接殘余應(yīng)力可減小結(jié)構(gòu)承受外荷載的有效截面面積，降低結(jié)構(gòu)剛度；截面上的參與拉伸應(yīng)力可降低構(gòu)件加載時的剛度和卸載時的回彈量，增大結(jié)構(gòu)變形，降低鋼結(jié)構(gòu)剛度。

鋼結(jié)構(gòu)在外荷載的作用下產(chǎn)生應(yīng)力，這一應(yīng)力可與結(jié)構(gòu)中存在的殘余應(yīng)力相互作用，當(dāng)二者疊加形成的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，可引起存在殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)材料的局部塑性變形，使該區(qū)域結(jié)構(gòu)失去承載外荷載的能力，減小有效截面面積，造成鋼結(jié)構(gòu)剛度下降。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在縱橫方向的裂縫時或經(jīng)火焰校正，尤其是采用大量火焰校正時可在較大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響。

2.2 對疲勞強(qiáng)度的影響

鋼材在無限多次交變荷載作用下而不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力稱為鋼材的疲勞強(qiáng)度，焊縫接頭處存在的殘余拉應(yīng)力可提高外加應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力，增大外荷載循環(huán)的疲勞損傷程度，降低焊縫接頭處的疲勞強(qiáng)度；焊縫接頭處的高值殘余拉應(yīng)力還可與動荷載外應(yīng)力疊加，使疲勞裂紋處始處于承受拉應(yīng)力作用的狀態(tài)，在外荷載循環(huán)作用的過程中，裂紋尖端始終處于展開狀態(tài)，并在殘余拉應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展，接頭處的疲勞強(qiáng)度不斷降低。

2.3 對低溫工作性能的影響

在厚鋼板焊縫處或是有縱橫交叉焊縫的部位可產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力和沿厚度方向的殘余應(yīng)力三個方向的應(yīng)力，阻礙該處鋼材塑性變形的發(fā)展，鋼材在低溫狀態(tài)下工作時，外荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加可拉近該區(qū)域三個方向應(yīng)力的數(shù)值，增加低溫環(huán)境下鋼材脆性傾向，降低鋼材低溫工作性能。

2.4 對應(yīng)力腐蝕開裂的影響

應(yīng)力腐蝕開裂是指承受應(yīng)力的金屬在腐蝕性環(huán)境中由于拉伸殘余應(yīng)力與腐蝕作用下產(chǎn)生的裂紋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只在特定的材料和介質(zhì)下發(fā)生，在同一環(huán)境下，應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間與殘余應(yīng)力成反比，即殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開裂所需時間越短，反之殘余應(yīng)力小，則應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間更長。

2.5 對焊件穩(wěn)定性的影響

在外荷載作用下，受壓焊件存在殘余應(yīng)力的區(qū)截面所受到的實(shí)際應(yīng)力為荷載應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加，這一疊加的殘余應(yīng)力可使截面提前達(dá)到屈服極限，進(jìn)入塑性狀態(tài)，喪失外荷載承載力，提前退出工作，使截面在承受外荷載時的有效界面減小，慣性距下降，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件整體的穩(wěn)定性降低。

2.6 對靜力強(qiáng)度的影響

焊接殘余應(yīng)力可在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡，通過自相平衡可使構(gòu)件受拉區(qū)和受壓區(qū)面積相等，構(gòu)件全截面與無殘余應(yīng)力的軸心受拉構(gòu)件全截面到達(dá)屈服強(qiáng)度時，前者所承受的外力對與后者承受的應(yīng)力相等，因此殘余應(yīng)力對靜力強(qiáng)度無影響。

此外，殘余應(yīng)力對構(gòu)件加工后的精度有著一定的影響，構(gòu)件在受到外力作用時，殘余應(yīng)力與外力相互作用，可使構(gòu)件局部呈塑性變形，外力去除后，構(gòu)件可發(fā)生變形。

3 焊接殘余應(yīng)力的有效控制

在焊縫布置較多的結(jié)構(gòu)件時，焊接順序應(yīng)按照先收縮量大的焊縫，后收縮量小的焊縫，先拘束度較大后拘束度較小的焊縫進(jìn)行，以盡可能地保證焊縫自由收縮，減少殘余應(yīng)力；先焊接受力較大的焊縫，后焊接受力較小的焊縫，如在梁接頭焊接中，應(yīng)先焊接受力較大的翼緣對接焊縫，后焊腹板對接焊縫，最后焊接預(yù)留的翼緣角焊縫。同時焊接還應(yīng)遵循由向外，逐步退焊或分散逐個焊接的順序。焊接過程中通過及減少焊接熱輸入來防止結(jié)晶過程中裂縫是焊接常用方法，一般在焊件達(dá)到一定厚度時，根據(jù)板厚及母材碳當(dāng)量確定一定加熱溫度對在正式焊接前對焊縫周邊進(jìn)行焊前預(yù)熱，減少焊接時焊縫周邊與焊接區(qū)域的溫度差，減少焊縫周邊對焊接區(qū)域的剛性約束，從而減小應(yīng)力。

4 結(jié)語

綜上所述，焊接殘余應(yīng)力是造成鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂和變形的主要原因之一，本文在對鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，探討了其對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響，并對實(shí)踐中控制及消除焊接殘余應(yīng)力常用的措施與方法作了簡要闡述。以能夠?yàn)橥泄ぷ?，提供一定的參考資料。

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作者簡介：張紅（1969—），女，遼寧遼陽人，電力工業(yè)鐵塔質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心工程師，研究方向：焊接技術(shù)。endprint