钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术分析

侯 彬

（中国人民解放军92267部队，山东 青岛 266102）

在钢结构焊接时，若钢结构中出现温度分布不均状况，就很容易产生较多的焊接残余应力，从而导致钢结构焊接部位出现变形问题，并最终对钢结构的实际性能造成不良影响。因此，钢结构焊接人员应采取合理策略，以有效降低钢结构焊接残余应力，全面控制焊接变形问题。

1 焊接应力与焊接变形概述

（1）焊接应力。焊接应力是指在进行焊接时，受焊接热源、焊接热循环的作用，焊件受热不均而出现的内应力。一般来讲基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之前，焊件中出现的内应力叫做瞬态焊接应力。基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之后，焊件中出现的内应力叫做残余焊接应力。

（2）焊接变形。焊接变形是指在焊接操作产生的不均匀温度场中，被焊接工件在形状与尺寸等方面出现的变化叫做焊接变形。一般来讲基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之前，由于温度变化而出现的变形叫做焊接瞬时变形。基于焊接操作产生的不均匀温度场彻底消失之后，焊接部位冷却到最初温度后出现的变形叫做焊接残余变形。

2 钢结构焊接残余应力产生的原因

（1）焊接热源不同。在金属焊接形式中，通常采用电能与化学能作为主要热源，与此同时也就产生相应的电弧焊热源与电子束热源等焊接热源类型。而采用不同热源进行钢结构焊接，其所产生的温度场也存在一定差异，因此而出现的焊接残余应力也各不相同，并在一定程度上影响到钢结构的变形。

（2）受热不均匀。在焊接钢结构时，其残余应力出现的最为主要的原因就是受热不均匀。在受热不均匀的情况下，钢结构焊接后的温度下降过程具有一定的冷却规律，也就是其温度以梯度形式下降的。从物理因素角度来看钢结构类型不同，其零部件所采用的材料性质也具有一定差异，在对钢结构进行焊接的过程中，不同的金属材料会对温度产生不同程度的感应，这在一定程度上造成比热容发生变化，与此同时焊接部位的组织结构也随之出现一定的改变[1]。

3 钢结构焊接残余应力的控制措施

（1）振动时效法。振动时效法的优点是在应用该方法的过程中，钢结构尺寸、形状以及重量等不会对焊接过程产生影响，并且利用此方法进行焊接操作，施工周期相对较短施工效率较高，不会产生污染问题。所以焊接人员可根据钢结构的具体外形特点与应力状况等，科学选用适当的振型，适当振动钢结构残余应力部位，将钢结构构件中的残余应力有效消除，从而确保钢结构的稳定性。

在振动时效法运用过程中需要通过激振器给钢结构施加动应力，使其与钢结构内的残余应力出现叠加，从而引发塑性变形使得钢结构焊接残余应力逐渐松弛乃至消除，并在此基础上增强钢结构的抗变形能力。从这里可以看出在应用振动时效法的过程中，焊接动应力发挥着关键作用。根据相关标准要求，焊接动应力一般控制在35兆帕到50兆帕至今。工作人员可通过动态电阻应变仪来测量动应力的具体数值，还可采用改变激振力大小的方式来调整动应力数值。

激振力计算公式为：

该公式中，Q表示偏心块重量，g表示重力加速度，e表示偏心距，X表示激振频率。

（2）采取合理的焊接顺序。在焊接钢结构的过程中，施工人员要按照先中间后四周的顺序进行焊接操作，如此能够使焊缝从中间向四周逐次收缩，从而促使其相互作用力有效减小。在此过程中在距离纵向焊缝较近的横向焊缝位置，通常会存在没有焊透的状况，并且该位置未焊透情况出现频率较高，而焊接缝正处于纵焊缝的拉伸应力场中，此时就会产生三向应力，从而引起脆性形变[2]。因此，对于在构件表面存在交叉焊缝的情况下，施工人员要高度重视交叉位置的焊接操作。

（3）间断焊接法。间断焊接法是通过使焊接周边构件始终处于冷却状态，来避免钢结构受热源影响，从而有效减小焊接应力。施工人员要从钢结构的具体状况出发，采用间断性焊接方式。不过该方法的应用，会相应增加较多的施工时间。比如在进行电弧冷焊的过程中，施工人员可先焊接较短的焊缝，再进行其他焊接操作。

（4）热处理消除法。热处理退火法的具体应用过程是，通过持续升温将钢结构整体或焊缝部位加热到Acl相交点下的合理温度即退火温度，同时在经过一段时间的保温后根据一定速度进行降温。因为钢结构材料的屈服应力与温度呈反相关，所以在达到退火温度时钢结构材料以及焊缝材料的屈服应力比残余应力低，而残余应力在局部塑性变形的作用下变小。与此同时钢结构与焊缝材料在退火温度环境中发生蠕变，然后其残余应力逐步被释放出去（见图1：退火过程中残余应力的变化）。

在钢结构焊接过程中，热处理法的应用，通常能达到如下效果：第一点，能有效减少焊接残余应力，进而在一定程度上避免脆性断裂现象的出现，延迟裂纹的产生与发展同时还能保证钢结构的形状和尺寸，有效增强其抗疲劳能力与抗应力腐蚀能力。第二点，能促进热影响区域内母材与焊缝材料性能的进一步改善，增强焊接材料的延展性与韧性，并能将有害气体有效排出。

4 钢结构焊接变形的控制措施

（1）设计环节的焊接变形控制。一方面在具体设计过程中，设计人员应充分了解导致各类焊接变形的发生原因，以及各类焊接变形的特点，并据此合理选择具体焊接形式以及焊缝尺寸，有效布置焊缝数量及其焊缝尺寸，使设计出的钢结构满足焊接要求。另一方面由于焊缝数量与尺寸，与钢结构所受热源成正相关，焊接变形产生的几率也与之呈正相关。所以设计钢结构节点的过程中，设计人员要对结构节点受力状况进行认真分析，严格控制焊缝数量与尺寸从而降低焊接变形的产生率[3]。

（2）合理选择焊缝位置。第一，该钢结构焊接过程中，焊缝位置要与钢结构截面呈对称状态，也可使其靠近钢结构截面的中性轴，以有效降低钢结构焊接变形程度。第二，施工人员要合理选择焊缝坡口形状及其尺寸，避免不必要的焊缝，以促使焊缝面积有效减少，从最大程度地降低钢结构焊接变形程度。第三，还可采用小刚性节点形式，避免焊缝太过集中而出现双向与三向相交现象，以减小焊缝应力，防止焊缝交叉情况的出现。第四，设计人员不要将焊缝位置选择在高应力区域，以免由于应力过大而出现焊接变形。第五，施工人员应尽可能不采取仰焊操作方式，以免加大钢结构焊接难度从而确保钢结构焊接质量。

（3）施工环节的焊接变形控制。首先在进行钢结构焊接之前，施工人员要综合分析各节点构造、焊缝种类等方面，同时合理选用刚性固定法、反变形法等焊接方法，并有效设定焊接顺序。其次在具体焊接施工过程中，施工人员可采用对称焊接的方式来焊接焊缝。在钢结构刚度较小的情况下，先焊的焊缝很容易发生焊接变形，因此应均匀布设焊缝位置。在钢结构截面形状较为对称的情况下，通过对称焊接有效防止焊接变形现象的出现。如果焊缝不对称，就对焊缝相对较少的一侧进行焊接，之后再焊接另一侧。另外施工人员可采用发变形法，来处理焊接后出现的角变形。该方法是在实际焊接前，先将构件可能出现的焊接变形方向与大小确定下来，并尽可能使焊接操作满足设计要求。

5 结语

加强对钢结构残余应力及焊接变形的控制，不仅有利于提高焊接质量还对保证钢结构的稳定性等方面，有着十分重要的现实意义。因此施工人员必须充分了解焊接应力及焊接变形的涵义，深刻认知钢结构焊接残余应力及焊接变形产生的原因，合理选择焊接方法实现掉钢结构焊接残余应力及焊接变形的全面控制。