鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形控制分析

文/李本強(qiáng) 中國(guó)建筑第八工程局有限公司東北分公司 遼寧大連 116000

1、鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的概述

1.1 焊接殘余應(yīng)力的介紹

在焊接鋼結(jié)構(gòu)焊件時(shí)，其中產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力以及加工應(yīng)力完全超過(guò)屈服極限，將會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊件在冷卻之后產(chǎn)生沒(méi)有及時(shí)消除的應(yīng)力，這也就是焊接殘余應(yīng)力。在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的過(guò)程，其將會(huì)受到不均勻溫度場(chǎng)的影響，造成局部塑性變形問(wèn)題以及比容不同組織，所以產(chǎn)生了嚴(yán)重的焊接應(yīng)力與變形問(wèn)題。在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中出現(xiàn)殘余應(yīng)力，可能會(huì)造成焊接材料產(chǎn)生變形翹曲的問(wèn)題，甚至在后期導(dǎo)致焊接部位開(kāi)裂與應(yīng)力腐蝕等等一系列問(wèn)題，從而使鋼結(jié)構(gòu)焊接件的使用壽命大大降低，使鋼結(jié)構(gòu)焊接的可靠性降低。在測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力時(shí)，可以采用中子衍射、X射線衍射、小孔法、輪廓法、盲孔法等多種方法，進(jìn)而了解鋼結(jié)構(gòu)焊接連接的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)焊接中殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

目前，在工業(yè)化社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，鋼結(jié)構(gòu)焊接加工技術(shù)在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中容易產(chǎn)生各種殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力出現(xiàn)的主要原因在于受熱不均勻，所以會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊接中出現(xiàn)縱向或者橫向殘余應(yīng)力。

2、鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力以及變形控制的方法

2.1 控制鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的方法

在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，受到殘余應(yīng)力的影響，將會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)焊接的整體質(zhì)量降低，為了有效控制殘余應(yīng)力，提高鋼結(jié)構(gòu)焊接加工質(zhì)量?？梢赃x擇應(yīng)用這樣幾種方法：第一，采用焊接熱處理法。其主要利用退火處理技術(shù)，使焊接受熱的溫度不斷提高，從而有效延長(zhǎng)保溫時(shí)間，避免出現(xiàn)冷熱不均勻的問(wèn)題。但是在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)，需要把溫度控制在合理的范圍內(nèi)，一旦焊接的溫度太高，就可能會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)氧化過(guò)重的問(wèn)題。第二，應(yīng)用錘擊消除法。在鋼結(jié)構(gòu)焊接中應(yīng)用錘擊消除法，主要在焊接加工完成之后，需要應(yīng)用水錘敲擊焊接的位置，這樣能夠使焊接的位置保持延展，從而消除熱脹冷縮反應(yīng)中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止鋼結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生變形的問(wèn)題。但是在錘擊焊接部位時(shí)，必須確保母材受力均勻。第三，振動(dòng)消除法。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在當(dāng)前的鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，主要采用振動(dòng)消除法，來(lái)有效消除焊接殘余應(yīng)力。振動(dòng)消除法的處理時(shí)間非常短，能夠降低加工成本，不會(huì)產(chǎn)生氧化過(guò)重的問(wèn)題。其中使用的激振器中包含了偏心輪以及變速馬達(dá)，所以能夠讓焊接結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)共振循環(huán)反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力逐漸降低。

2.2 控制鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的方法

在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，為了有效控制鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的問(wèn)題，首先需要嚴(yán)格控制焊接量，避免焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)。在鋼結(jié)構(gòu)材料焊接加工前必須做好充足的準(zhǔn)備工作，深入了解和分析鋼結(jié)構(gòu)的基本特征，焊縫的尺寸需要進(jìn)行嚴(yán)格管理，母材不能進(jìn)行焊縫。其次，在鋼結(jié)構(gòu)焊接中需要合理調(diào)整焊接工藝次序，對(duì)于不必要的焊接次序需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如果鋼結(jié)構(gòu)的收縮量比較大，那么需要提前焊接，然而繼續(xù)焊接長(zhǎng)直縫，只有遵循先大后小的原則，才能避免殘余應(yīng)力。最后，在先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)支撐下，可以不斷改善焊接技術(shù)，加強(qiáng)應(yīng)用全新的焊接技術(shù)，例如：二氧化碳保護(hù)焊以及氬弧焊，這些焊接工藝技術(shù)都能避免鋼結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題產(chǎn)生。

3、鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料造成的影響

通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接加工產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因進(jìn)行深入分析，在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中出現(xiàn)殘余應(yīng)力，將會(huì)對(duì)鋼接材料的性能產(chǎn)生這樣幾點(diǎn)影響：

3.1 穩(wěn)定性

在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，這也是為了提高鋼結(jié)構(gòu)焊接加工質(zhì)量。如果鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性沒(méi)有滿足相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，那么將會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的質(zhì)量較低，無(wú)法滿足應(yīng)用要求。在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中出現(xiàn)殘余應(yīng)力，將會(huì)導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)變形問(wèn)題，無(wú)法保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且會(huì)在應(yīng)用中出現(xiàn)嚴(yán)重的問(wèn)題。

3.2 疲勞強(qiáng)度

在鋼結(jié)構(gòu)焊接加工中，疲勞強(qiáng)度主要指的是使用壽命，通過(guò)檢測(cè)疲勞強(qiáng)度，能夠了解鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度主要為性能不出現(xiàn)變化的時(shí)間長(zhǎng)短，當(dāng)剛接焊接殘余應(yīng)力擴(kuò)大之后，將會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，甚至降低鋼結(jié)構(gòu)材料的使用壽命，使鋼結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)報(bào)廢狀態(tài)，無(wú)法正常應(yīng)用。

3.3 強(qiáng)度和剛度問(wèn)題

從一定意義上來(lái)看，在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接加工時(shí)，焊接部位的強(qiáng)度必然會(huì)受到影響，在焊接殘余應(yīng)力的影響作用下，將會(huì)導(dǎo)致焊接部位呈現(xiàn)薄弱的狀態(tài)，進(jìn)而降低焊接部位的強(qiáng)度。如果無(wú)法確保焊接結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度提高，將會(huì)對(duì)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量造成影響，使鋼結(jié)構(gòu)變得非常脆弱，影響整體性能。與此同時(shí)，在鋼結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行焊接時(shí)，焊接部位受到外力的影響，將會(huì)導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)彎曲問(wèn)題，在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)時(shí)，其中的殘余應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)比較松散的狀態(tài)，影響了鋼結(jié)構(gòu)的整體剛度。

結(jié)語(yǔ)：

總而言之，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，為了有效控制鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力與變形問(wèn)題，需要加強(qiáng)應(yīng)用先進(jìn)的操作技術(shù)，注重保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命，減少裂縫問(wèn)題，才能促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)焊接加工朝著精細(xì)化發(fā)展。