鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力及控制

張街

從材質(zhì)自身的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行分析，鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)相較于其他材料具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，比如其自重較輕，不易產(chǎn)生過(guò)重的壓力；具有較為良好的強(qiáng)度，能夠承受較大的壓力且不易變形；具有極強(qiáng)的抗震性，可以承受較強(qiáng)的振動(dòng)，使得鋼結(jié)構(gòu)可以在各行各業(yè)中均廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)在施工難度和工期上也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，給建筑業(yè)和鋼鐵產(chǎn)能帶來(lái)了機(jī)遇，因此逐漸被人們所認(rèn)可，并獲得了良好的應(yīng)用效果。但是在現(xiàn)階段，鋼結(jié)構(gòu)的缺陷和隱患仍然存在，且隨著鋼結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的延長(zhǎng)，疲勞斷裂機(jī)制的脆性越來(lái)越嚴(yán)重，抗腐蝕性越來(lái)越差，需要引起相關(guān)人員重視并加以解決[1]。

1.焊接應(yīng)力和焊接變形的定義

1.1 焊接應(yīng)力

焊接應(yīng)力就是焊接構(gòu)件由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力。具體而言，就是在鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)的高溫焊接過(guò)程中，由于局部溫度較高，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)所承受的溫度分布并不均勻，不同部分之間溫度差異過(guò)大，使得有些鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯的膨脹和拉長(zhǎng)，但由于相鄰鋼的應(yīng)力作用，在焊接過(guò)程中收縮應(yīng)力會(huì)隨著焊接時(shí)間和溫度的變化而變化，即焊接應(yīng)力[2]。

1.2 焊接變形

焊接變形產(chǎn)生主要是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)材質(zhì)在焊接完成之后的冷卻降溫過(guò)程中，由于本身鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)所承受的溫度分布并不均勻，由此也就導(dǎo)致了在焊接完成后的冷卻過(guò)程中溫度場(chǎng)或者鋼結(jié)構(gòu)不同部分的溫度分布同樣存在差異性，也就是由于冷卻的部分溫度差異過(guò)大從而導(dǎo)致的鋼結(jié)構(gòu)不同部位之間的變形。

2.焊接應(yīng)力及變形原因

通過(guò)以上的分析可以充分的了解到，在鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用焊接處理的過(guò)程中存在著鋼結(jié)構(gòu)不同部分之間受熱不均勻的問(wèn)題，也就是焊接接觸的部位溫度較高，而遠(yuǎn)離焊接接觸點(diǎn)的部位則溫度較低，由此使得同一塊鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)受熱面存在較大差異。這就使鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)焊接過(guò)程中，由于焊接接觸點(diǎn)的中心溫度較高，極易在鋼結(jié)構(gòu)受熱部位產(chǎn)生熱脹效應(yīng)；而遠(yuǎn)離受熱接觸點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)則由于產(chǎn)生了溫度差，極易產(chǎn)生冷縮效應(yīng)[3]。由此可見(jiàn)，鋼結(jié)構(gòu)由于受熱不均勻的問(wèn)題造成鋼結(jié)構(gòu)部分與部分之間發(fā)生截然相反的熱脹與冷縮效應(yīng)，因此也就極為容易導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)產(chǎn)生部分變形的問(wèn)題，從而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)焊接鋼結(jié)構(gòu)的收縮、焊接應(yīng)力和焊接變形。

3.焊接應(yīng)力及變形類(lèi)型

鋼結(jié)構(gòu)焊接后，當(dāng)溫度變化引起的熱膨脹和冷收縮達(dá)到室溫時(shí)，鋼中會(huì)存在殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力按應(yīng)力方向可分為三種類(lèi)型：

（1）鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)的焊接應(yīng)力類(lèi)型為縱向面上的焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。也就是在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接處理時(shí)沒(méi)有與鋼結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生不同的溫度區(qū)域，使得接觸焊接點(diǎn)的中心受溫區(qū)受熱膨脹，而遠(yuǎn)離受溫區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)則不會(huì)產(chǎn)生膨脹反應(yīng)或者冷縮反應(yīng)，由此導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生受熱不均勻?qū)е碌淖冃巍?/p>

（2）鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)的焊接應(yīng)力類(lèi)型為橫向面上的鋼結(jié)構(gòu)焊接后所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力。也就是在焊接過(guò)程中，由于鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)受熱不均勻，使得橫向面的鋼板之間存在一種收縮力，并且兩塊鋼板之間是通過(guò)焊接受熱的過(guò)程進(jìn)行焊接，但是由于鋼板或者鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)之間存在部分與部分之間的受熱不均勻現(xiàn)象，所以焊接會(huì)導(dǎo)致鋼板以及鋼結(jié)構(gòu)之間發(fā)生橫向的收縮力或者橫向的反向壓力[4]。除此之外，焊接過(guò)程中所采用的焊接順序之間的差異也在一定意義上影響著鋼板以及鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)的冷卻時(shí)間，從而導(dǎo)致鋼板以及鋼結(jié)構(gòu)難以復(fù)原，并產(chǎn)生一定程度的變形。

（3）鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)的焊接應(yīng)力類(lèi)型是存在于鋼板以及鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)厚度層面的焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。具體而言，就是由于鋼板自身具有一定的厚度，在對(duì)鋼板進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，鋼板的外表面在與室溫接觸的過(guò)程中相較于鋼板內(nèi)部冷卻較快，導(dǎo)致鋼板內(nèi)部與外部的熱量值發(fā)生差異性變化，從而使得內(nèi)外受熱不均勻，外部在冷卻過(guò)程中，內(nèi)部的溫度還在上升，最終導(dǎo)致鋼板發(fā)生變形反應(yīng)[5]。

4.焊接應(yīng)力控制措施

在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)進(jìn)行焊接時(shí)，所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及由殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的變形現(xiàn)象在操作過(guò)程中屬于正?，F(xiàn)象，且在日常作業(yè)中不可避免。但是為了保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性以及美觀性，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)制作與安裝的工廠多會(huì)采取一定的辦法緩解鋼結(jié)構(gòu)的變形問(wèn)題?，F(xiàn)階段，工廠經(jīng)常采用的是增加剛度的方法來(lái)控制變形，如使用一些固定件或增加支架，盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，采用合適的焊腳尺寸和長(zhǎng)度等[6]。下面就應(yīng)力控制措施進(jìn)行詳細(xì)探討：

（1）由于焊接應(yīng)力是由高溫零件的局部熱膨脹引起的。為了避免焊接過(guò)程中熱集中產(chǎn)生的較大應(yīng)力，角焊縫宜采用薄焊縫，而不宜采用粗焊縫和短焊縫。

（2）拘束度越大，焊接應(yīng)力就越大。因此，為了防止焊接應(yīng)力的增加，鋼的變形不能通過(guò)剛性固定來(lái)控制。

（3）應(yīng)采用合理的焊接順序和方向。首先，在焊縫較多的裝配條件下，應(yīng)先焊接收縮較大的焊縫。其次，對(duì)于收縮率較低的焊縫，應(yīng)先焊接應(yīng)力水平較高的焊縫，且焊縫不能自由收縮[7]。最后，根據(jù)構(gòu)件外觀和焊縫布置，采用低應(yīng)力水平、自由收縮的焊縫。

（4）當(dāng)焊接剛度較大或焊縫閉合時(shí)，通常采用反向變形的方法來(lái)降低焊接剛度和殘余應(yīng)力。

（5）為防止熔合線附近及焊縫附近出現(xiàn)硬化或裂紋，不宜在根部敲擊焊道，而應(yīng)在表面層兩側(cè)的焊道和靠近母材坡口表面的焊道處進(jìn)行敲擊。

5.焊接變形控制措施

為了減少焊接變形對(duì)焊接構(gòu)件的負(fù)面影響，需要從焊接工藝入手，防止焊接過(guò)程中出現(xiàn)變形問(wèn)題。

5.1 設(shè)計(jì)措施

（1）焊縫應(yīng)對(duì)稱(chēng)布置，接頭應(yīng)光滑，為避免截面突變引起的應(yīng)力過(guò)度集中現(xiàn)象，應(yīng)采用一定的梯度過(guò)渡方法。（2）焊縫過(guò)度集中或多向交叉，會(huì)使得交集處形成具有相同符號(hào)的多向應(yīng)力場(chǎng)，使鋼變脆，應(yīng)采用小剛性接頭來(lái)減少焊縫集中，采用焊縫連續(xù)通過(guò)、次焊縫斷裂的施工方法，防止多向焊縫交叉[8]。（3）在保證焊接質(zhì)量和滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)承載能力的前提下，應(yīng)盡可能減少焊縫尺寸。同時(shí)，對(duì)于自重允許條件下的焊接構(gòu)件，應(yīng)適當(dāng)選用較厚材料，以減少筋板數(shù)量，從而減少焊縫數(shù)量；對(duì)于薄板焊接結(jié)構(gòu)，可采用壓出可加強(qiáng)筋代替筋板結(jié)構(gòu)，以減少焊縫數(shù)量。（4）為了避免雙向和三維交叉，減少焊縫應(yīng)力和焊縫交叉，焊縫位置也不宜選在高應(yīng)力區(qū)，且在搭接角處應(yīng)使用長(zhǎng)焊縫和薄焊縫，以避免高空焊接[9]。否則，焊縫會(huì)因應(yīng)力過(guò)大而變形。由此可見(jiàn)，為了有效地控制焊接變形，必須對(duì)接頭結(jié)構(gòu)、焊縫尺寸、焊縫數(shù)量、焊縫位置等進(jìn)行深入分析。

5.2 應(yīng)用焊接工藝

5.2.1 振動(dòng)時(shí)效

相關(guān)試驗(yàn)研究表明，振動(dòng)時(shí)效對(duì)降低焊接殘余應(yīng)力具有重要作用。VSR 的優(yōu)點(diǎn)是不受鋼結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和重量的限制[10]。VSR 方法對(duì)穩(wěn)定構(gòu)件的尺寸性能有重要影響。

5.2.2 間斷焊接法

在焊接作業(yè)過(guò)程中，可采用間歇焊接法，以避免長(zhǎng)時(shí)間針對(duì)同一部位進(jìn)行焊接，滿(mǎn)足材料冷卻的需求[11]。

5.2.3 雙面焊縫坡口

為了控制焊縫尺寸，控制焊縫坡口角度，應(yīng)盡量采用雙面焊縫坡口[12]。

6.結(jié)論

綜上所述，在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，不管是在加工過(guò)程還是安裝過(guò)程中，都應(yīng)當(dāng)努力控制焊接工藝所導(dǎo)致的焊接應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形作用。首先，需要明確焊接應(yīng)力及變形的原因，掌握鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力及變形類(lèi)型，然后再根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力、變形問(wèn)題采取合理的焊接方法和控制措施，以保證焊接質(zhì)量，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)用。