淺析鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與殘余應(yīng)力控制方法

蔣光軍

(四川攀鋼鋼構(gòu)有限公司，四川攀枝花 617000)

隨著大跨度建筑的興起，鋼結(jié)構(gòu)越來(lái)越多地應(yīng)用于建筑工程中，特別是大型的工業(yè)廠房。近幾年，建筑行業(yè)中提倡使用裝配式鋼結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接作業(yè)，所有構(gòu)件在工廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)直接通過(guò)螺栓連接，避免焊接過(guò)程中焊接變形和殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。但對(duì)于裝配式鋼結(jié)構(gòu)存在不足之處，其對(duì)加工的精度要求極高，螺栓孔錯(cuò)位將導(dǎo)致構(gòu)件無(wú)法連接，將焊接應(yīng)用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程中可有效地減少施工難度，部分螺栓連接部分焊接，可提高施工效率的同時(shí)解決構(gòu)件無(wú)法連接的問(wèn)題。焊接過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力，如何有效地控制焊接變形和殘余應(yīng)力將直接影響焊接在工程中的使用。

1 焊接變形和殘余應(yīng)力

1.1 焊接變形

焊接變形是焊接過(guò)程中不可避免的，施焊電弧高溫引起鋼構(gòu)件在焊接處發(fā)生縮短、彎曲及角度等變化，即焊接變形。焊接變形可分為兩種形式，一種是因高溫導(dǎo)致的變形，該變形在溫度冷卻后可恢復(fù)，為瞬時(shí)變形；第二種是因焊接作業(yè)產(chǎn)生的永久性變形。焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)安裝的精確度影響較大，產(chǎn)生焊接變形極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法安裝。

1.2 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力產(chǎn)生于鋼構(gòu)件的焊接及熱影響區(qū)域，其對(duì)鋼構(gòu)件最直接的影響是降低構(gòu)件的承載能力和增大開裂的可能性，鋼構(gòu)件的開裂大多發(fā)生在焊接區(qū)域。在焊接區(qū)域，當(dāng)構(gòu)件的殘余應(yīng)力和荷載共同作用效果超過(guò)焊縫的承載力時(shí)，焊縫處就開始產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴(kuò)大成裂縫，構(gòu)件也就易從裂縫處產(chǎn)生斷裂，而此時(shí)構(gòu)件承受的荷載并未達(dá)到其極限承載力，卻因焊縫的斷裂導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件的失效。

2 減小焊接變形和殘余應(yīng)力的方法

2.1 焊接變形的控制

2.1.1 合理的焊接方法

選擇合理的焊接方法對(duì)控制焊接變形有著直接的影響，就能量密度來(lái)說(shuō)，選用能量密度較高的焊接方法可有效減少焊接變形。當(dāng)焊接熱輸入較小時(shí)，其引起的焊接變形可得到一定的控制，但焊接熱輸入過(guò)小將導(dǎo)致焊接效率的降低。為減小因焊接溫度場(chǎng)引起的變形，可選擇跳焊或者逐步退焊的方式進(jìn)行。

2.1.2 剛性固定法

在焊接前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，增大其在焊接時(shí)的剛度，減小其焊接變形量。該方法對(duì)剛度較小的構(gòu)件效果較為顯著，隨著剛度的增加效果逐漸降低，特別是對(duì)于彎曲變形，而對(duì)于產(chǎn)生的角變形和波浪變形較為有效。雖然剛性固定法增加了焊接時(shí)構(gòu)件的剛度減小焊接變形，但同時(shí)卻也增加了焊接應(yīng)力。

2.1.3 反變形法

構(gòu)件在焊接中將產(chǎn)生彎曲變形、角變形或波浪變形等形式，反變形法即在焊接前將構(gòu)件裝配成與焊接變形相反的預(yù)先變形，焊接變形的大小剛好與預(yù)先變形一致，通過(guò)焊接使得焊接后的構(gòu)件達(dá)到正常狀態(tài)。該方法在實(shí)際運(yùn)用中存在較大的困難，難以控制預(yù)先變形與焊接變形一致，焊接完成后始終存在一定的變形。

2.1.4 散熱法

散熱法是在焊接部位放置銅墊板或用水冷卻焊接部位背面，把焊接部位的熱量迅速散去，使得焊縫區(qū)域受熱面積得以縮減，以達(dá)到減小焊接變形的目的。但該方法不適用于具有淬火傾向的材料，在將熱量迅速散去過(guò)程中焊縫易產(chǎn)生裂紋，降低焊縫的承載能力。

2.2 殘余應(yīng)力的控制

2.2.1 熱處理法

熱處理法是將鋼結(jié)構(gòu)緩慢加熱至退火溫度并保持一段時(shí)間，再以一定的速度進(jìn)行降溫，因鋼結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力和溫度呈反相關(guān)的關(guān)系，當(dāng)構(gòu)件持續(xù)升溫至退火溫度時(shí)，其內(nèi)部的屈服應(yīng)力是低于殘余應(yīng)力，且殘余應(yīng)力在局部塑形變形中逐步的減小。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)在退火溫度中發(fā)生蠕變，殘余應(yīng)力得到進(jìn)一步的釋放。該方法只能部分消除焊接殘余應(yīng)力，并不能達(dá)到完全消除的狀態(tài)，其對(duì)殘余應(yīng)力的消除率一般為40 %～80 %之間。另外，因需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱且保持一段時(shí)間的退火溫度將消耗大量的能源。

2.2.2 振動(dòng)時(shí)效法

振動(dòng)時(shí)效法是通過(guò)增加外部振動(dòng)源使得結(jié)構(gòu)與振動(dòng)源達(dá)到共振效果，并于內(nèi)部產(chǎn)生振動(dòng)應(yīng)力，當(dāng)振動(dòng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加量超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度后，材料本身將發(fā)生一定的塑性變形，從而降低內(nèi)部的殘余應(yīng)力。該方法對(duì)消除鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的作用有限，其消除率一般為30 %～50 %之間，但其操作簡(jiǎn)單，僅需將激振電機(jī)固定于結(jié)構(gòu)上并達(dá)到共振作用即可，是工程中常用的一種消除鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的方法。

2.2.3 豪克能法

豪克能法是消除焊接殘余應(yīng)力方法中最有效的一種方法，消除率可達(dá)80 %～100 %，該方法是利用大功率的豪克能工具對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行沖擊，使得結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，極大地釋放了因焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。在降低內(nèi)部殘余應(yīng)力的同時(shí)，因其對(duì)焊縫區(qū)域的高速?zèng)_擊使得焊接的疲勞性得到了極大提高，處理后的焊接區(qū)域的抗疲勞強(qiáng)度可提高50 %～120 %。

3 結(jié)束語(yǔ)

從焊接變形和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因分析，采取有效的控制方法，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及安全性有著重要的意義，使鋼結(jié)構(gòu)的抗壓、抗彎、抗扭性能得到充分的發(fā)揮，避免因焊縫的斷裂造成結(jié)構(gòu)的整體破壞。