鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形控制分析

張學(xué)英

摘要：鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展中，焊接技術(shù)作為其中一項重要的條件，逐漸被廣泛應(yīng)用，具有很多顯著的優(yōu)勢，同時也存在很多不足。鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力以及焊接過程中，存在很多明顯的變形問題。在進(jìn)行焊接作業(yè)的過程中，當(dāng)出現(xiàn)鋼材結(jié)構(gòu)溫度不均勻的情況，將會導(dǎo)致鋼材結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力較多，造成一系列的焊接鋼結(jié)構(gòu)變形以及開裂的問題，從而嚴(yán)重影響了鋼結(jié)構(gòu)的整體施工質(zhì)量。所以文章針對鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及變形控制問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接殘余應(yīng)力;變形控制;焊接熱源

前言：隨著時代的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的快速提高，進(jìn)一步促進(jìn)了我國工業(yè)的發(fā)展。所以在焊接加工技術(shù)方面也在快速的進(jìn)步，很多現(xiàn)代化的加工技術(shù)已經(jīng)逐漸精良。在鋼結(jié)構(gòu)的加工過程中可以有效地加快操作過程，更加方便快捷，節(jié)約大量的鋼材。由于鋼結(jié)構(gòu)的焊接中出現(xiàn)參與應(yīng)力，主要原因在于受熱或者冷卻的條件嚴(yán)重不均勻，所以造成鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熱脹冷縮的情況，在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中，需要嚴(yán)格控制殘余力，同時制定完善的策略。

1 鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力和變形問題的概述

焊接鋼結(jié)構(gòu)時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及相變應(yīng)力等都會超出極限，進(jìn)一步導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的焊件發(fā)生冷卻，從而產(chǎn)生沒有及時消除應(yīng)力，這就是焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。在鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接的過程中，由于受到不均勻溫度場帶來的影響，所以會帶來很多局部塑性產(chǎn)生變形，還有很多比容不同組織系統(tǒng)，所以形成了嚴(yán)重的焊接應(yīng)力和各種變形問題。鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，會給焊接材料產(chǎn)生一定程度的變形，在后期的焊接過程稿中，存在不同部位的開裂和腐蝕問題。進(jìn)一步給鋼結(jié)構(gòu)焊接件降低使用壽命，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的可靠性降低。在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力時可以采用小孔法、盲孔法、中子衍射等各種方法，可以快速的了解焊接可連接穩(wěn)定性和強度。

由于當(dāng)前的工業(yè)化社會發(fā)展過程中，鋼結(jié)構(gòu)焊接加工技術(shù)的在很多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)的焊接加工非常容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，所以鋼結(jié)構(gòu)焊接中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的根源，在于殘余應(yīng)力存在受熱不均勻的問題，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的焊接存在縱向或者橫向的殘余應(yīng)力。除此之外，還包括很多其它方面的問題，首先是由于鋼結(jié)構(gòu)本身的材料性能不合格以及力學(xué)性能不符合標(biāo)準(zhǔn)的問題，由于鋼結(jié)構(gòu)的材料接受焊接和加熱時受到的溫度不夠均勻，主要表現(xiàn)在一是多種金屬材料的鋼結(jié)構(gòu)對各種溫度的情況表現(xiàn)不一，其中的比熱容就會發(fā)生較大的變化，從而引起鋼結(jié)構(gòu)的焊接部位產(chǎn)生一定程度的變化。在鋼機構(gòu)的焊接過程中，焊接位置的密度和熱膨脹系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)等都會對焊接工藝效果產(chǎn)生很大的影響，焊接的鋼結(jié)構(gòu)材料也會由于受熱不均勻，所以出現(xiàn)大量的殘余焊接應(yīng)力。

其次是由于熱源不同從而產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中，熱源是非常關(guān)鍵的步驟，由于焊接熱源存在很大的區(qū)別，所以導(dǎo)致金屬在焊接過程中使用的各種熱源，包括點能、化學(xué)能、焊接熱源等都會產(chǎn)生電弧焊熱源的問題。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)焊接中存在多變的熱源，導(dǎo)致溫度場都存在很大的不同，焊接殘余應(yīng)力也會產(chǎn)生不同，最終導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程出現(xiàn)變形。最后是焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是其他因素帶來的，鋼結(jié)構(gòu)的焊接加工殘余應(yīng)力的會受到各種因素的影響，舉例來說，在焊接加工操作前鋼結(jié)構(gòu)的操作兩件以及器材會受到影響，也會影響鋼結(jié)構(gòu)的焊接加工過程，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程出現(xiàn)多種類型不同的殘余應(yīng)力。所以鋼結(jié)構(gòu)的加工過程，還需要重點考慮更多因素的多方面影響，可以有效的避免出現(xiàn)較大的殘余力。

2 鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力及變形控制

2.1 鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力控制措施分析

對鋼結(jié)構(gòu)道德焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行控制時，可以采用振動時效法，振動時效法的重要優(yōu)點就是對鋼結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀對整個焊接過程并不會產(chǎn)生較大的影響，利用振動時效法可以搞笑的實施焊接操作過程稿，同時提高施工周期，以及提高施工效率。對整個施工過程也不會產(chǎn)生很大的環(huán)境污染問題。所以其中的焊接人員需要根據(jù)具體的鋼結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行調(diào)整，更加科學(xué)合理的選擇，給鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力進(jìn)行振動，實現(xiàn)消除殘余應(yīng)力的目的。進(jìn)一步保障港機構(gòu)的穩(wěn)定性。這種振動時效法的應(yīng)用，需要通過激振器進(jìn)一步給鋼結(jié)構(gòu)施加動應(yīng)力，加幾個殘余應(yīng)力進(jìn)行累積，引起塑性變形，從而使殘余應(yīng)力實現(xiàn)松弛直到消失，這種方法在消除殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上還能增強鋼結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。所以這種振動時效的方法，在焊接應(yīng)力中扮演重要的角色。

二是采取合理的焊接的順序，在焊接鋼結(jié)構(gòu)過程中，施工人員需要按照一定的順序?qū)嵤┖附舆^程，從中間向四周進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)一步促進(jìn)了焊接過程的相互之間的作用力。在這個過程中在縱向焊縫較近橫向焊縫位置進(jìn)行控制，由于存在無法焊接透的問題，所以焊接縫拉伸會產(chǎn)生三向應(yīng)力，從而引起脆性形變。所以在當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件表面出現(xiàn)交叉焊縫的情況，相關(guān)的施工技術(shù)人員需要高度重視交叉位置進(jìn)行焊接操作。三是間接焊接法，這種方法是通過焊接周邊的構(gòu)件，由于構(gòu)件處于冷卻狀態(tài)，所以能夠減少鋼結(jié)構(gòu)的受熱問題，從而降低焊接應(yīng)力。相關(guān)的施工人員需要結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)本身的具體情況，進(jìn)行間斷性的焊接，這種方法的應(yīng)用會導(dǎo)致整個工期的延長，所以需要增加更多的施工時間，舉例來說，進(jìn)行電弧焊接時，可以優(yōu)先對較小的焊縫進(jìn)行焊接處理。

四是熱處理消除法，這種方法的整個實施過程是對鋼結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行持續(xù)性升溫，同時在一段升溫后，立即降溫。由于鋼結(jié)構(gòu)的材料和焊接材料本身的屈服力和殘余應(yīng)力之間的關(guān)系和溫度是相反的，而且殘余應(yīng)力在局部變形的作用下，鋼結(jié)構(gòu)的焊縫材料在溫度退下以后會導(dǎo)致發(fā)生蠕變，殘余應(yīng)力也會逐漸被釋放。在鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程中，熱處理的應(yīng)用中主要是為了實現(xiàn)降低焊接殘余應(yīng)力的目的，在很大程度可以避免發(fā)生脆性斷裂的問題，從而在很有效的延遲裂紋保障鋼結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸在正常的狀態(tài)，增強鋼結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性的能力。其次是促進(jìn)熱影響區(qū)域的改善，增強焊接材料的延展能力，也能將多種有害氣體及時排出。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形控制措施分析

控制變形首先就是在設(shè)計環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，相關(guān)的設(shè)計人員需要充分了解焊接變形的主要原因，以及各種焊接變形的特點，結(jié)合焊接形式和原因?qū)附有问胶统叽邕M(jìn)行科學(xué)合理的選擇。進(jìn)一步有效的控制焊接變形產(chǎn)生的幾率;其次是合理的選擇焊接縫隙的具體位置，焊縫的位置需要和鋼結(jié)構(gòu)的橫截面呈現(xiàn)正常的對稱狀態(tài)，幫助減少焊接縫隙面積。而且焊接人員應(yīng)該注意不能選擇在高應(yīng)力的區(qū)域進(jìn)行焊縫的選擇，避免出現(xiàn)應(yīng)力較大造成的焊接變形;第三是施工環(huán)節(jié)的焊接變形控制，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)前需要對焊縫宗磊和節(jié)點進(jìn)行分析，選擇適合的焊接方法。

結(jié)語

綜上所述，對鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力以及變形問題進(jìn)行控制，一方面是可以提高整體的焊接質(zhì)量，增強鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性;另一方面就是可以十分有效的創(chuàng)造更大的價值。所以相關(guān)的施工人員需要充分了解在鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及變形的內(nèi)涵和可能出現(xiàn)的問題，深入挖掘產(chǎn)生一系列問題的原因，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行焊接變形問題的控制。

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（作者單位：安徽馬鋼鋼結(jié)構(gòu)工程分公司）