钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术

王春松

摘要：在钢结构行业中，焊接是十分常见的一种工艺，其虽然具备一定的有点，但同时也存在一定的不足，其中最显著的就是焊接残余应力和焊接变形。在对钢结构进行焊接的过程中，焊接残余应力往往是温度不均匀造成的，在该应力的作用下会引起钢结构变形、开裂等问题。本文将对钢结构焊接的残余应力和焊接变形控制技术进行研究。

关键词：钢结构;焊接残余应力;焊接变形控制

前言：

焊接是钢结构连接时最常用的一种方法，具有操作简单迅速、节约材料等优势，但是焊接不当留下的残余应力却会对钢结构的稳定性带来较大的负面影响，导致钢结构的使用性能无法得到正常的发挥。为了解决这一问题，我们必须要对钢结构残余应力产生的原因进行了解掌握，有针对性的采取变形控制技术。

1.钢结构焊接残余应力产生的原因及其影响分析

1.1钢结构焊接参与应力产生的原因

根据现阶段钢结构焊接技术发展情况，焊接残余应力多是由焊接结构在焊接过程中受热不均匀造成，根据应力作用方向可以分为纵向和横向两种焊接残余应力。结合实践来看，钢结构所用钢材的钢度、焊缝所处的位置、焊接工艺的顺序等都有可能导致焊接残余应力的产生，由此可见，钢结构焊接残余应力的产生涉及到了多方面因素，具体可以概括为以下三点：

首先，钢结构材料性能和力学性能导致的焊接残余应力。钢结构部件在焊接过程中若是受热不均匀，焊接后其温度就会呈梯度冷却，产生残余应力。从物理因素层面分析，造成受热不均匀的深层原因则是因为不同材料性质的钢结构零部件对温度感应所产生的反应存在一定的差异性，导致比热容出现变化，相应的焊接部位组织结构也会发生一定的变化。同时，焊接部位密度、导热系数等因素也会引发受热不均匀现象。

其次，不同类型焊接热源产生的残余应力。钢结构焊接可采用的热源有多种，就目前来讲，包括电能、光辐射能、化学能以及机械能等，采用不同能源热源在焊接过程中产生的效果也存在差异，具体表现在温度场的不同，这样一来产生的焊接残余应力也就有所区别，反映在钢结构变形的不同形式和程度。

最后，其他因素引起的焊接残余應力。除了材料性质和焊接热源因素外，其它诸如焊接前钢结构的处理方式也会导致焊接残余应力的产生。因此在进行钢结构焊接的过程中，为了防止焊接残余应力的产生，要综合考虑物理因素、热源因素以及钢结构本身是否受过其他方面的影响。

1.2钢结构焊接残余应力带来的不良影响分析

钢结构焊接后若是出现残余应力，会对其整体性能带来一定的负面影响，具体表现在以下几点：

首先，超出焊接结构疲劳强度导致报废。在对焊接结构寿命进行评估时，疲劳强度是主要指标，焊接残余应力会对钢结构的疲劳强度产生影响，若是超出一定的范围，会对钢结构的正常使用造成影响。

其次，影响钢结构的稳定。钢结构若是存在焊接残余应力，会导致其焊接部位出现一定的变化，稳定性出现下降，引发裂缝、氧化、变形等问题，为结构生产带来不利影响。

再次，损害钢结构的强度。焊接残余应力会焊接部位强度下降，处于薄弱状态，进而发生变形、开裂等问题，最终导致整个钢结构的失败。

再次，影响钢结构的刚度。对于焊接结构而言，其刚度直接感应了其抵抗外力作用的能力，若是刚度不足，很容易在外力影响下出现弯曲变形。在焊接残余应力的影响下，焊接内部结构会处于松散状态，造成刚度的不利变化。

最后，引起裂缝问题。裂缝是焊接结构中最常见的问题之一，往往具有很强的危害性。焊接结构出现的裂缝最初往往表现为裂纹，若是不能有效处理，最终就会发展为裂缝，导致整个钢结构部件开裂损坏。

2.焊接残余应力的方法和焊接变形控制技术

2.1钢结构焊接残余应力控制的有效方法

在对焊接残余应力进行控制时可以采用的方法有以下几种：

首先，热处理消除法，该方法是采用退火粗处理技术，增加其受热温度，使焊接结构处于长时间保温状态，其原理是根据焊接结构在低温时，其内部参与应力会因为焊接残余应力松弛而释放出去。如果保温时间足够长，则可以完全抵消残余应力。

其次，锤击消除法，该方法是在结构焊接完成后对焊接部位进行锤击处理，这样可以借助外界压力使焊接部位得到延展，从而抵消因热胀冷缩产生的残余应力，避免焊接结构变形情况发生。需要注意的是，在进行手锤锤击的过程中，应尽可能的保持受力的均匀性，严禁对根部焊缝、焊缝坡口边缘的母材进行锤击操作。

再次，振动消除发，该方法是现阶段焊接结构残余应力控制中应用最广泛的方法，和其他方法相比，该方法具有效率高、成本低等优势，而且不会造成焊接结构表面的氧化。在具体操作的过程中，通常是采用偏心轮和变速马达组成的激振器，使焊接结构产生共振形成循环应力，以此降低焊接结构内部残余应力。

2.2钢结构焊接变形的控制技术

首先，对焊接量进行合理的控制。基于上文叙述的钢结构焊接残余应力产生的因素，在焊接过程中，若是具备焊接结构技工性能的条件，应尽可能的减少焊缝的数量。为了达到这种效果，在焊接工作开始前，要对焊接结构进行充分分析，在此基础上做出科学的布置，力求不对母材进行焊缝。若是必须进行焊缝，则应将焊缝尺寸控制到最小，如此就可以将焊接部位受到的影响减到最低，避免残余应力的产生，从而防止焊接结构出现变形问题。

其次，对焊接工艺顺序进行优化调整。就目前而言，我国焊接工艺技术仍旧存在很大的发展空间，这意味着依旧存在许多不足有待完善，而工艺技术的不完善也是导致焊接残余应力产生的原因之一。因此在钢结构焊接的过程中，若是能够针对实际情况对焊接工艺次序做出适当的调整优化，可以大幅度的降低焊接残余应力产生的几率。例如，将焊接结构中收缩量较大的部位优先进行焊接，之后进行其他影响稍小的长直缝的焊接，最后对焊接结构进行整体性加热，将母材和其他焊接部位之间的温差控制在较小的范围内，如此就可以最大程度的减小残余应力。

最后，采用先进的焊接技术。过去焊接采用的技术工艺或多或少都会对钢结构产生一定的负面影响，通常表现为零部件氧化、焊缝增加等，进而导致焊接残余应力的产生。从这方面考虑，为了预防焊接残余应力导致的变化，应该积极引进并应用先进的焊接工艺，如二氧化碳保护焊、氩弧焊等，这些焊接技术的有点在于可在焊接过程中形成气体保护层，防止焊接部位氧化的发生，且同时能够起到降低焊缝的效果，大幅度的提升了焊接效果。

结语：

综上所述，当前阶段，焊接技术的应用已经变得十分广泛，与此同时，各行各业对焊接结构性能及焊接质量的要求也在提升，作为影响焊接质量的主要问题，焊接残余应力也受到了越来越多的关注，如何消除焊接残余应力是现如今一个十分热门的研究方向。就当前发展情况来看，想要完全消除焊接残余应力并不现实，最好的方法是尽可能的对其影响进行控制，除了一些应力消除方法外，还应积极引入新技术，对焊接工序进行优化调整，同时加强创新研究，如此才能推动我国焊接技术的持续发展。

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