钢结构焊接残余应力分析

2015-08-15严静川中国建筑材料工业地质勘查中心四川总队机械厂四川成都610061

江西建材 2015年14期

■严静川 ■中国建筑材料工业地质勘查中心四川总队机械厂，四川成都 610061

钢结构的出现无疑给建筑领域带来了契机，因其在强度、自重、抗震性能、施工速度等很多方面都有很大优势，现已得到广泛采用。但是钢结构也不是万能的，也具有其自身的缺陷和潜在隐患，比方说随着钢结构的发展，其脆断和疲劳破损问题越来越严重，其稳定性也是钢结构自使用以来一直都存在的一个缺陷。因此，笔者有意在本文中对钢结构焊接的残余应力的分类、产生原因等方面进行分析，提出了解决残余应力的若干办法，希望在以后类似工程中可以参考和借鉴。

1 残余应力的分类

焊接冷却后焊件中仍有未消除的应力，这些残余在焊件中的应力通常就是大家所说的焊接残余应力。残余应力的方向也是有区别的，因此才把残余应力分为纵向、横向和沿焊缝厚度方向的残余应力三种。

1.1 纵向焊接残余应力

由于在焊接时出现不均匀受热和冷却的影响，在进行焊接的过程中会形成温度不同的温度场。温度场不同其膨胀程度也有所不同，焊缝及其附近的温度高膨胀的也最大，临边温度较低膨胀小，相对来说会塑性压缩。等到焊缝冷却后被塑性压缩的区域要比其他区域的长一些，这就形成了焊缝区的纵向残余应力。

1.2 横向残余应力

形成横向残余应力的原因概括起来一方面是在焊接时焊缝纵向收缩，钢板向外弯曲形成弓形。焊缝将两块钢板连成一体不分开，所以在焊缝的中间有了横向拉应力，在两端有了横向压应力。另一方面，在对焊缝进行焊接时，焊接位置不同，冷却的时间也会有所区别。先焊到的焊缝先冷却下来，具有一定的强度，后面的焊缝由于尚未冷却，冷却下来的焊缝就会组织后来焊缝的横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形。焊缝的横向残余应力和横向应力、施焊方向、先后次序密切相关，所产生的横向残余应力就是在横向拉应力和横向压应力共同作用的结果。

1.3 沿焊缝厚度方向的残余应力

如果钢结构比较厚，要采用多层施焊的焊接方式。所以焊接时除了存在横向残余应力和纵向残余应力外，沿焊缝厚度方向还存在着一种残余应力。这样会降低钢结构连接的塑形，进而导致钢结构发生脆性破坏，影响结构性能和工程质量。

除此之外，残余应力不单单指这三种力，如果焊件处在约束状态，如焊件被固定或是汉奸本身刚度就比较大的情况下进行施焊，焊边残余应力由于不能自由伸缩变形，残余应力就会增加，且依照约束程度的强弱残余应力也会发生相应变化。

2 产生残余应力的原因分析

2.1 直接应力

焊接时不均匀的加热和冷却作用形成了温度梯度，是产生残余应力的最主要的因素，因此有必要对温度梯度对残余应力的影响做进一步的分析。在进行施焊时如果各部分受热不均匀，其热膨胀的位置也就不同，各部位之间相互制约就会形成热应力。在冷却的过程当中各部分的冷却时间不一致，热应力同样会发生变化。

2.2 间接应力

间接应力主要指焊前加工状态时受到的压力，此外如果焊接受到外界条件的制约而产生的附加力也属于间接应力。加工时的应力主要是焊件在焊接前需要经过轧制或拉拔，所以会产生间接应力。间接残余应力有时不是孤立存在的，在某些特定场合下会叠加到焊接残余应力上形成合力，对日后焊接变形也会产生一定的影响，不过这种影响不是很明显。

2.3 组织应力

通常情况下组织应力因含碳量和材料其它成分不同而有所区别，因此需要考虑发生相变的温度和平均冷却速度对组织应力的影响。

3 Dat 降低残余应力的措施

我们都知道，要想完全消除残余应力是不可能的，但我们可以通过一些举措来降低残余应力。为了提高钢结构的整个承载力和增强钢结构的安全性能，我们可以消除残余应力的集中和叠加问题，把应力均匀分布开来。

3.1 振动时效法

长期的焊接实践经验表明，振动时效法对于降低焊接残余应力的作用非常明显，具体表现在它不受钢结构尺寸、形状、重量等因素的制约，具有周期短、效率高和无污染的很多优势。因此可以选择有效的振型，对钢结构关键部位施加适度应力，振动时可以降低和均化残余应力，能够有效保证钢结构的稳定性。而且在环状钢结构中，振动时效法还可以稳定构件行为尺寸，并且效果极好。

3.2 采取合理的焊接顺序

焊接顺序应遵循先焊中间后焊四周的方法进行施焊，这样可以使焊缝从中间向四周一次进行收缩。如果平面上出现交叉焊缝，应该重点留意交叉处的焊接质量。若是靠近纵向焊缝的横向焊缝处出现未焊透的情况，且未焊透的位置正好在纵焊缝的拉伸应力场中，就会形成三向应力。

3.3 间断焊接法

间断焊接法可以使焊接区附件的金属长期处于冷却状态，减低了钢结构的热度，减小了焊接应力。方法是根据钢结构的具体情况间歇性的进行焊接工作。比如在对铸铁进行电弧冷焊时，每次把一段很短的焊缝焊接完毕后，稍微停留一段时间再焊接下一段。

3.4 减小焊缝尺寸

设计要求，在深化设计的过程当中，应充分考虑局部加热循环二引起的焊接内应力，消除焊缝越大越安全的错误观念。施焊过程中要控制好焊缝尺寸和余高，优化焊缝尺寸，控制好焊缝坡口，并且尽量采用双面坡口。

3.5 减小焊接拘束度

焊接时构件受到的约束力越大其焊接应力就越大，钢结构的质量会受到影响。所以在焊接时应尽量保证焊缝处受到尽量小的约束力。例如遇到长构件的焊接时，可以拼接板条，十七在自由状态下施焊，千万不可等到组装时再施焊。按照施工工艺应现将其进行拼接，再进行组装焊接。如果组装完毕后再进行施焊，其各个部位都无法自有收缩，约束力会大大增加，残余应力也会相应增加。

3.6 对构件进行分解施工

常体积较大，焊接起来相对复杂，可以把大型钢结构分成若干部分分别进行焊接。等到焊接结束校正合格后再进行总装焊接工作。

3.7 补偿加热法

采用焊前预热的方法，可以减少焊接热输入的流失，避免焊缝在焊接时产生裂缝。即当板厚比较厚时，就需要采取一定的措施来完成焊接任务。通常情况下可以对焊缝周围的一些区域进行加热，加热的温度根据板的厚度和木材碳当量的情况来确定。某条焊缝经过预热进行施焊时，焊缝区域的温度相对比较高，随着焊缝焊接工作的开展，该部分区域必然会发生热胀冷缩的自然现象，但是该区域仅占整个工作面的一小部分，另外，一部分母材处于常温状态或是冷却状态，会对焊接的那部分区域产生很大的约束力，从而形成很大的应力，严重时还会产生裂纹。如果这时能够在焊缝区域的对称位置进行加热，把温度控制在略微高于预热温度的范围内，并且在焊接的整个过程当中都持续进行加热工作，就会大大改善应力较大的状况，钢结构的变形问题也会大大改善，保证了钢结构的美观外形和质量。