鋼結構焊接殘余應力及焊接變形控制技術分析

侯 彬

（中國人民解放軍92267部隊，山東 青島 266102）

在鋼結構焊接時，若鋼結構中出現(xiàn)溫度分布不均狀況，就很容易產(chǎn)生較多的焊接殘余應力，從而導致鋼結構焊接部位出現(xiàn)變形問題，并最終對鋼結構的實際性能造成不良影響。因此，鋼結構焊接人員應采取合理策略，以有效降低鋼結構焊接殘余應力，全面控制焊接變形問題。

1 焊接應力與焊接變形概述

（1）焊接應力。焊接應力是指在進行焊接時，受焊接熱源、焊接熱循環(huán)的作用，焊件受熱不均而出現(xiàn)的內(nèi)應力。一般來講基于焊接操作產(chǎn)生的不均勻溫度場徹底消失之前，焊件中出現(xiàn)的內(nèi)應力叫做瞬態(tài)焊接應力?；诤附硬僮鳟a(chǎn)生的不均勻溫度場徹底消失之后，焊件中出現(xiàn)的內(nèi)應力叫做殘余焊接應力。

（2）焊接變形。焊接變形是指在焊接操作產(chǎn)生的不均勻溫度場中，被焊接工件在形狀與尺寸等方面出現(xiàn)的變化叫做焊接變形。一般來講基于焊接操作產(chǎn)生的不均勻溫度場徹底消失之前，由于溫度變化而出現(xiàn)的變形叫做焊接瞬時變形?；诤附硬僮鳟a(chǎn)生的不均勻溫度場徹底消失之后，焊接部位冷卻到最初溫度后出現(xiàn)的變形叫做焊接殘余變形。

2 鋼結構焊接殘余應力產(chǎn)生的原因

（1）焊接熱源不同。在金屬焊接形式中，通常采用電能與化學能作為主要熱源，與此同時也就產(chǎn)生相應的電弧焊熱源與電子束熱源等焊接熱源類型。而采用不同熱源進行鋼結構焊接，其所產(chǎn)生的溫度場也存在一定差異，因此而出現(xiàn)的焊接殘余應力也各不相同，并在一定程度上影響到鋼結構的變形。

（2）受熱不均勻。在焊接鋼結構時，其殘余應力出現(xiàn)的最為主要的原因就是受熱不均勻。在受熱不均勻的情況下，鋼結構焊接后的溫度下降過程具有一定的冷卻規(guī)律，也就是其溫度以梯度形式下降的。從物理因素角度來看鋼結構類型不同，其零部件所采用的材料性質(zhì)也具有一定差異，在對鋼結構進行焊接的過程中，不同的金屬材料會對溫度產(chǎn)生不同程度的感應，這在一定程度上造成比熱容發(fā)生變化，與此同時焊接部位的組織結構也隨之出現(xiàn)一定的改變[1]。

3 鋼結構焊接殘余應力的控制措施

（1）振動時效法。振動時效法的優(yōu)點是在應用該方法的過程中，鋼結構尺寸、形狀以及重量等不會對焊接過程產(chǎn)生影響，并且利用此方法進行焊接操作，施工周期相對較短施工效率較高，不會產(chǎn)生污染問題。所以焊接人員可根據(jù)鋼結構的具體外形特點與應力狀況等，科學選用適當?shù)恼裥?，適當振動鋼結構殘余應力部位，將鋼結構構件中的殘余應力有效消除，從而確保鋼結構的穩(wěn)定性。

在振動時效法運用過程中需要通過激振器給鋼結構施加動應力，使其與鋼結構內(nèi)的殘余應力出現(xiàn)疊加，從而引發(fā)塑性變形使得鋼結構焊接殘余應力逐漸松弛乃至消除，并在此基礎上增強鋼結構的抗變形能力。從這里可以看出在應用振動時效法的過程中，焊接動應力發(fā)揮著關鍵作用。根據(jù)相關標準要求，焊接動應力一般控制在35兆帕到50兆帕至今。工作人員可通過動態(tài)電阻應變儀來測量動應力的具體數(shù)值，還可采用改變激振力大小的方式來調(diào)整動應力數(shù)值。

激振力計算公式為：

該公式中，Q表示偏心塊重量，g表示重力加速度，e表示偏心距，X表示激振頻率。

（2）采取合理的焊接順序。在焊接鋼結構的過程中，施工人員要按照先中間后四周的順序進行焊接操作，如此能夠使焊縫從中間向四周逐次收縮，從而促使其相互作用力有效減小。在此過程中在距離縱向焊縫較近的橫向焊縫位置，通常會存在沒有焊透的狀況，并且該位置未焊透情況出現(xiàn)頻率較高，而焊接縫正處于縱焊縫的拉伸應力場中，此時就會產(chǎn)生三向應力，從而引起脆性形變[2]。因此，對于在構件表面存在交叉焊縫的情況下，施工人員要高度重視交叉位置的焊接操作。

（3）間斷焊接法。間斷焊接法是通過使焊接周邊構件始終處于冷卻狀態(tài)，來避免鋼結構受熱源影響，從而有效減小焊接應力。施工人員要從鋼結構的具體狀況出發(fā)，采用間斷性焊接方式。不過該方法的應用，會相應增加較多的施工時間。比如在進行電弧冷焊的過程中，施工人員可先焊接較短的焊縫，再進行其他焊接操作。

（4）熱處理消除法。熱處理退火法的具體應用過程是，通過持續(xù)升溫將鋼結構整體或焊縫部位加熱到Acl相交點下的合理溫度即退火溫度，同時在經(jīng)過一段時間的保溫后根據(jù)一定速度進行降溫。因為鋼結構材料的屈服應力與溫度呈反相關，所以在達到退火溫度時鋼結構材料以及焊縫材料的屈服應力比殘余應力低，而殘余應力在局部塑性變形的作用下變小。與此同時鋼結構與焊縫材料在退火溫度環(huán)境中發(fā)生蠕變，然后其殘余應力逐步被釋放出去（見圖1：退火過程中殘余應力的變化）。

在鋼結構焊接過程中，熱處理法的應用，通常能達到如下效果：第一點，能有效減少焊接殘余應力，進而在一定程度上避免脆性斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，延遲裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展同時還能保證鋼結構的形狀和尺寸，有效增強其抗疲勞能力與抗應力腐蝕能力。第二點，能促進熱影響區(qū)域內(nèi)母材與焊縫材料性能的進一步改善，增強焊接材料的延展性與韌性，并能將有害氣體有效排出。

4 鋼結構焊接變形的控制措施

（1）設計環(huán)節(jié)的焊接變形控制。一方面在具體設計過程中，設計人員應充分了解導致各類焊接變形的發(fā)生原因，以及各類焊接變形的特點，并據(jù)此合理選擇具體焊接形式以及焊縫尺寸，有效布置焊縫數(shù)量及其焊縫尺寸，使設計出的鋼結構滿足焊接要求。另一方面由于焊縫數(shù)量與尺寸，與鋼結構所受熱源成正相關，焊接變形產(chǎn)生的幾率也與之呈正相關。所以設計鋼結構節(jié)點的過程中，設計人員要對結構節(jié)點受力狀況進行認真分析，嚴格控制焊縫數(shù)量與尺寸從而降低焊接變形的產(chǎn)生率[3]。

（2）合理選擇焊縫位置。第一，該鋼結構焊接過程中，焊縫位置要與鋼結構截面呈對稱狀態(tài)，也可使其靠近鋼結構截面的中性軸，以有效降低鋼結構焊接變形程度。第二，施工人員要合理選擇焊縫坡口形狀及其尺寸，避免不必要的焊縫，以促使焊縫面積有效減少，從最大程度地降低鋼結構焊接變形程度。第三，還可采用小剛性節(jié)點形式，避免焊縫太過集中而出現(xiàn)雙向與三向相交現(xiàn)象，以減小焊縫應力，防止焊縫交叉情況的出現(xiàn)。第四，設計人員不要將焊縫位置選擇在高應力區(qū)域，以免由于應力過大而出現(xiàn)焊接變形。第五，施工人員應盡可能不采取仰焊操作方式，以免加大鋼結構焊接難度從而確保鋼結構焊接質(zhì)量。

（3）施工環(huán)節(jié)的焊接變形控制。首先在進行鋼結構焊接之前，施工人員要綜合分析各節(jié)點構造、焊縫種類等方面，同時合理選用剛性固定法、反變形法等焊接方法，并有效設定焊接順序。其次在具體焊接施工過程中，施工人員可采用對稱焊接的方式來焊接焊縫。在鋼結構剛度較小的情況下，先焊的焊縫很容易發(fā)生焊接變形，因此應均勻布設焊縫位置。在鋼結構截面形狀較為對稱的情況下，通過對稱焊接有效防止焊接變形現(xiàn)象的出現(xiàn)。如果焊縫不對稱，就對焊縫相對較少的一側進行焊接，之后再焊接另一側。另外施工人員可采用發(fā)變形法，來處理焊接后出現(xiàn)的角變形。該方法是在實際焊接前，先將構件可能出現(xiàn)的焊接變形方向與大小確定下來，并盡可能使焊接操作滿足設計要求。

5 結語

加強對鋼結構殘余應力及焊接變形的控制，不僅有利于提高焊接質(zhì)量還對保證鋼結構的穩(wěn)定性等方面，有著十分重要的現(xiàn)實意義。因此施工人員必須充分了解焊接應力及焊接變形的涵義，深刻認知鋼結構焊接殘余應力及焊接變形產(chǎn)生的原因，合理選擇焊接方法實現(xiàn)掉鋼結構焊接殘余應力及焊接變形的全面控制。