钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术

冯强 毛瑞道 宋旭峰

【摘  要】钢结构建筑节点处连接方式的优劣对整体性能的影响非常大，钢结构破坏最薄弱的环节一般都是在节点连接处，而焊缝连接相较于其他连接方式效果更好，应用也更为广泛。焊缝连接是将两种或两种以上材料通过物理方式连接成一体的技术，其优点有：不削弱构件截面，节省材料，操作简单，生产效率高，可实现自动化生产，而且焊接相比于其它连接方式刚度更大，密封性能更好.本文基于钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术展开论述。

【关键词】钢结构焊接;残余应力;焊接变形;控制技术

中圖分类号：TU758     文献标识码：A

引言

钢结构因其自重轻、适应性强、建设周期短、外形丰富、维护方便等优点被广泛应用于建筑工程的施工中。而在钢结构工程施工中，焊接技术是非常重要的环节，尤其是低温焊接技术，其焊接质量的高低直接影响到钢结构的整体质量。

1钢结构工程焊接质量的影响因素

对于钢结构工程来说，焊接结构质量的形成与工程形成过程相渗透，例如设计、检验、验收等。在制造过程中，都必然要有下料、成型、焊接、打砂渣等过程。在这之中，焊接结构质量得以保证的重点是设计质量。而焊接质量的把关就是检验，唯有在事前、事中、事后对焊接质量有效的控制，才能使不合格品的出现得以避免。对于钢结构工程焊接质量来说，其影响因素主要有四个方面：（1）人的因素。对于人的因素来说，主要有三个方面：①质量决策人员;②管理人员;③操作人员，他们直接决定钢结构工程的焊接质量。在钢结构工程焊接过程中，通过决策、管理、施工等相关来将活动完成，所以，人的因素在焊接工程质量中的作用是非常关键的。例如作业人员质量意识缺失，技术水平不足，没有按照工艺规程执行，都会对工程焊接质量产生严重影响。对于决策、管理不到位，还会使工程质量缺陷形成。（2）技术因素。对于技术因素，其覆盖的范围要广一些，例如设计、施工、检验等等。对于钢结构工程焊接质量来说，就是对技术方案进行优化，将施工工艺进行优后，来使工程施工技术能力提升，从而通过检验技术水平的提升等来使工程焊接质量得以保证。（3）管理因素。对于钢结构工程来说，焊接质量的管理因素有两个：①决策因素;②组织因素。其中组织因素有两个方面：①管理组织工程项目的实施;②工程项目实施的任务组织。自质量控制视角出发，工程项目管理体系的健全，组织方式的合理，必然会对钢结构工程焊接质量有着直接的作用。（4）环境因素。本文所说的环境因素，主要有三个方面：①工程地点的自然环境;②通风、照明等施工条件;③不同专业、不同工程间的交叉作业形成的管理环境。

2焊接残余应力的控制方法

2.1热处理消除法

热处理是一种非常常用的残余应力控制方法，通过对钢结构的焊接处采取退火处理措施，提高焊接处的受热温度，其加热温度越高所需要的保温时间也越长。在热处理的过程中，要对其加热温度进行科学合理的有效控制，避免加热温度过高，导致钢结构焊接表面发生过度的氧化现象，进而造成钢结构的内部组织结构发生变化，导致其整体性能发生不同程度的降低。通过采取有效的退火处理措施，钢结构内部的残余应力会因为焊接残余应力松弛而释放出去，进而有效消除钢结构内的残余应力。局部低温势处理法是在靠近焊缝区域两侧的范围进行加热，同时对中部区域进行冷却处理，从而形成温差。这两区域的材料受到不同温度影响，产生的不同变形相抵消，相当于抵消了残余应力。另一种热时效法的工作原理是先加热待焊接构件达到塑性状态的温度范围并保温。这样操作会使应力逐渐消除，然后将构件冷却。虽然此方法消除残余应力比较成熟且可靠效率高，但热时效法不符合绿色节能和可持续发展的理念。低温条件下钢结构焊接施工过程中，通过选择合理的焊材和焊接工艺，配备焊接素质高的焊工，以及做好焊前预热、焊后热处理及焊后保温，搭设保温棚改变环境温度等具体防护措施，可以有效避免低温环境下焊接冷裂纹及延迟裂纹的产生。

2.2锤击消除法

锤击消除法是指通过对钢结构的焊接部位进行锤击处理，进而在锤击的外力作用下延展钢结构的焊接部位，这就能够在一定的程度上抵消焊接后所产生的热胀冷缩残余应力，进而有效改善钢结构内部的残余应力状况，提高钢结构的整体性能。在对钢结构进行锤击时，要确保钢结构的焊接位置处受力均匀，避免对同一焊接位置处进行过度的锤击，进而影响锤击效果。此外，严禁对钢结构的焊接根部、盖面焊缝以及焊缝的坡口边缘进行锤击处理，避免造成不良后果。

3钢结构焊接变形的控制措施

预防焊接变形，对于人为因素，可通过检查等环节避免。焊接过程中，焊接人员应严格遵循国家相应的焊接规定和标准，组织专门人员定期检查已加工的工件，核实相关的工件参数，检查工件的摆放、焊接平台的搭建等是否合理。对于非人为因素，存在着一些不可控的成分。焊接人员要秉持特殊情况特殊对待的态度，根据焊接构件的特点选择适宜的焊接工艺，尽可能避免非人为因素导致的变形。最后，要在焊接过程中注意检测工件的各项参数是否满足设计标准和设计目的。

3.1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。

结束语

总而言之，焊接是钢结构施工中常用的连接方式，焊接连接具有非常优良的性能，能够适应不同工作条件的要求。但是在钢结构的焊接过程中，如果没有对整个焊接过程进行系统全面的有效控制，就可能导致残余应力的产生和焊接部位发生变形，进而影响到钢结构的焊接质量。通过对钢结构的整个焊接过程进行系统全面的分析研究，并结合焊接的实际情况，采取有针对性的残余应力的控制方法和焊接变形的控制技术，从而确保钢结构的焊接质量符合要求。

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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）