焊接残余变形和残余应力对建筑用低碳钢性能的影响及防治措施研究

杨茜

摘 要：焊接时的残余应力、残余变形对建筑低碳钢性能会产生不利的影响，甚至破坏钢材的安全使用。我们需要认真总结其产生原因和影响，采取合理的设计措施和工艺措施，把焊接残余应力、残余变形对建筑低碳钢性能的影响降低到最小程度，以保障钢材使用的安全可靠。

关键词：焊接；残余应力；残余变形；低碳钢；性能；影响；防治

改革开放以来，随着我国经济的快速发展，经济实力不断增强，建筑行业也在开放中学习、锻炼，工程技术不断取得进步，其中钢结构就是一种新型的工程建筑结构形式。全国各地新建了大量的钢结构建筑工程，有车站、飞机场、工业厂房、加油站、住宅、商场、写字楼等等，钢结构的应用范围十分的广泛，其质量好、牢固稳定可靠、施工安装方便快捷的优点也得到了业内人士和广大人民群众的好评。但是在焊接钢结构时，常常会发生残余变形和残余应力。如果对焊接时的残余变形和残余应力处理不当，就可能影响低碳钢的使用性能，甚至会发生质量事故和安全事故，造成人民群众生命和财产损失，这不得不引起我们的重视，需要大家认真钻研，分析焊接残余变形和残余应力对低碳钢使用性能的影响，并制定合理有效的防治措施，避免这类的质量事故和安全事故的发生，为我国建设行业的发展提供有力的保障。

1 钢材及其连接方式的分析

1.1 钢结构的材料

与砖木结构、钢筋混凝土等结构相比，钢结构是一种全新的建筑结构形式，它主要使用的材料为钢材。作为一种结构材料，钢材有着很多良好的性能，如强度高、刚度大、能抵抗变形、延性好。它是建筑业能得到的强度最大、用途最多、最经济的材料。而且由于钢材是一种工业化产品，是在严格的工业化质量控制体系中生产的，因此，钢材的质量一般都有保障。

1.2 钢材的性能

钢材在单向静荷载均匀拉伸时的性能，常常通过常温下标准试件进行拉伸试验的应力-应变曲线图来表示，此时，钢材的工作特性可以分成四个阶段：

（1）弹性阶段。此时钢材具有弹性，卸载后，应变也降到0，没有残余变形发生；（2）弹塑性和屈服阶段。在此屈服阶段中，任何一点的变形都将包括弹性变形和塑性变形两部分，其中塑性变形在卸载后就不再恢复了，故又称为残余变形或永久变形。应力-应变曲线最低点为下屈服极限，它所对应的应力称为钢材的屈服点或屈服强度fy；（3）强化阶段。钢材内部组织重新建立了平衡，又恢复了抵抗外荷载的能力；（4）颈缩（或称破坏）阶段。试件局部截面横向收缩变形，变形继续发展，直至断裂破坏。

钢材的性能一般通过有关指标来表现出来，其主要指标有以下几种：

（1）弹性模量。E在弹性区域，弹性模量就是应力-应变的弹性阶段曲线斜率，即E=f/ε， 其中f是应力，ε为应变；（2）强度。强度有两种，服强度fy和抗拉强度fu。fu是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它可以直接反映钢材内部组织的优劣性，同时fu也是增加结构安全性能的重要指标和保障；（3）冷弯性能。冷弯性能指钢材在常温下冷加工过程中，对产生裂缝以及破坏的抵抗能力，冷弯试验是检验钢材在承受规定弯曲时的变形能力，显示其缺陷程度。冷弯性能是判断钢材塑性性能和质量的综合指标；（4）冲击韧性。韧性是衡量钢材在破坏之前所吸收能量的能力，也是体现钢材抵抗冲击荷载能力大小的一个重要指标，其衡量标准用冲击韧性来表示，一般可以通过夏比试验或者梅氏试件在梅氏试验机进行试验得出冲击韧性数值；（5）可焊接性。钢材的可焊接性表示在一定焊接工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头性能。其中施工上的可焊性是指焊缝金属产生裂纹的敏感性，以及由于焊接加热的影响使得近缝区钢材硬化和产生裂纹的敏感性。

1.3 钢材的连接方式

钢结构是由若干杆件或构件组合而成的，其连接的作用是通过一定的手段将钢板材或型钢组合成构件，或将若干构件组合成满足某一项功能要求的整体结构。因此，钢材连接方式及其质量的好坏，会直接影响钢结构的工作性能，故连接在钢结构中处于重要的枢纽地位。在钢结构连接时，必须遵循安全可靠、传力明确、构造简单、制造方便和节约钢材的原则。

钢材的连接方式通常有三种：焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。其中焊接连接优点是构造简单，任何形式的钢构件都可以直接相连，用料经济、接头紧凑，不削弱截面、连接的密封性好、加工方便，因此，焊接连接已经成为目前钢结构最主要的连接方法了。

2 焊接残余变形和残余应力对低碳钢性能的影响及防治措施研究

2.1 焊接残余变形和残余应力

我国钢材常用的焊接方法是电弧焊，电弧焊包括了手工电弧焊、自动或半自动电弧焊、气体保护焊等几种方式。按照国家颁布的《钢结构设计规范》（GB50017-2003）焊缝应该根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境和应力状态等情况，分别选用不同的质量等级。钢结构中的焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程，不均匀的温度场使焊件的膨胀和收缩不均匀，导致焊件内部产生内应力，通常将这种内应力称为焊接残余应力。焊接残余应力按照同焊缝长度方向的关系，可以分为纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力。

纵向残余应力。它是指平行于焊缝长度方向的应力，当两块钢板对焊时，一边因施焊受热，即产生了不均匀的温度场（焊缝附近的温度高达1600℃以上，邻近区域急剧降低），最热区域的钢材进入热塑状态（钢材在温度达到600℃时处于热塑状态），伸长量最大，但是受到了临近温度较低、伸长量较小的钢材的阻止，而使最热区域钢材受压。冷却时，由于此部分的纵向收缩受到临近钢材的约束，导致近焊缝区受拉，又因为残余应力系自相平衡的内应力，故远处受压，这样就产生了纵向残余应力。

横向残余应力。两块钢板对接，纵向收缩除了引起纵向残余应力外，还会使两块钢板有相同的弯曲趋势，但焊缝已经将其连接成为整体，因而使两块钢板沿焊缝长度方向在中部产生横向拉应力，两端产生压应力。此时，焊缝还会横向收缩而引起横向应力。这主要是因为施焊时焊接的先后次序不同，先焊的先冷却凝固，具有一定的强度，而阻止了后焊焊缝的横向伸长，使先后焊缝产生横向的热塑性压缩变形。冷却时横向收缩受到约束，产生横向应力，先焊的焊缝产生横向压应力，远端则产生横向拉应力。

厚度方向残余应力。如果焊件厚度较大，则焊缝厚度也大。焊缝成形后，与空气、焊件接触的焊缝先冷却，后冷却的焊缝沿垂直于焊件表面方向的收缩受到外面已冷却焊缝的约束，因而在焊缝内部形成沿厚度方向的拉应力，在焊缝外部形成压应力。

在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，在收缩过程中，势必使构件产生局部鼓曲、歪曲、弯曲和扭转等，这就是残余变形。残余变形包括纵向收缩、横向收缩、角变形和扭曲变形等形式，但通常的残余变形是其中几种变形的组合。

2.2 焊接残余变形和残余应力对低碳钢性能的影响

焊接残余应力对建筑低碳钢性能的影响有以下几方面：

对刚度的影响。焊接残余应力虽不影响建筑低碳钢钢材的静力强度，但会降低其刚度。由于焊接残余拉应力（或压应力）在拉力（或压力）作用下，提前进入塑性状态，从而使弹性区域逐渐减小，故必然导致钢结构变形增大、刚度降低。

对疲劳强度的影响。试验结果表明，残余拉应力加快了疲劳裂纹发展的速度，从而降低了焊缝及附近主体钢材的疲劳强度，因此，残余应力对直接承受动力荷载的焊接结构是不利的。

对低温冷脆的影响。因为焊接结构存在着双向或三向同号拉应力场，材料塑性变形受到了限制，使钢材变脆，如果低温下工作将会变得更脆，所以焊接残余应力的存在是导致结构产生低温脆断的主要因素。

残余变形对建筑低碳钢工作性能的影响具体表现：当钢材或构件发生残余变形时，就会使钢材不符合设计要求，不具有规范尺寸，钢构件的安装会发生困难，甚至有可能恶化钢构件的工作性能，例如轴心压杆因焊接发生了弯曲变形，变成了压弯构件，显然其强度和稳定承载力就将受影响。所以对焊接残余变形要加以限制，应使其满足施工验收规范规定的允许值，否则就要进行必要的校正。

2.3 防治焊接残余变形和残余应力对低碳钢性能危害的措施

为了防治焊接残余应力、残余变形对建筑低碳钢性能的不利影响，减少其危害性，可以采用合理的设计措施和工艺措施来避免其危害性。防治的设计措施如下：尽量避免仰焊；焊缝的焊脚尺寸和焊缝长度应符合构造要求，宜采用细长焊缝，不用粗短的焊缝；在保证安全的前提下，不得随意加大焊缝脚的尺寸；焊缝不应过分集中，以避免产生过大的残余应力甚至裂纹；焊缝尽可能布置在结构的对称位置上，以减小残余变形；应该极力避免三向焊缝相交，为此可将次要焊缝中断，主要焊缝连续通过。

防治焊接残余应力、残余变形对建筑低碳钢性能的不利影响的工艺措施有：焊件预热。在焊接件的阴影区加热使温度曲线较为平缓，从而减小焊接残余应力。退火法。对于不太大的焊件，为了全面有效地消除焊接残余应力，可进行退火处理。选择合理的焊接次序。如钢材对接时采取分段退焊，厚度方向采用分层焊，工字钢截面使用对角跳焊；施焊前给钢构件一个和焊接变形相反的预变形，使钢构件焊接后产生的焊接变形正好与之抵消。

3 结语

钢结构是一种非常好的结构形式，其主要材料钢材的连接方式多用到焊接。焊接时的残余应力、残余变形对建筑低碳钢性能会产生不利的影响，甚至破坏钢材的安全使用。我们需要认真总结其产生原因和影响，采取合理的设计措施和工艺措施，把焊接残余应力、残余变形对建筑低碳钢性能的影响降低到最小程度，以保障钢材使用的安全可靠。

参考文献

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