焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施

李廷凯 李玉振

摘 要：随着焊接技术也已经发展的越来越普及，但是焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响非常大，必须加强对焊接质量研究。本文对焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整进行了探讨分析。

关键词：焊接残余应力；焊接变形；钢结构；消除和调整

1 焊接残余应力产生的原因

1.1 塑性压缩造成的纵向残余应力

在焊接的过程中，由于温度上的差距，焊缝及其周围都会受到因热膨胀和周围温度较低的金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。当焊接完成之后，温度骤减，母性材料就会制约着焊缝和近缝区域之间的收缩，这就在很大程度上导致了残余应力的存在。并且残余应力的范围将会和高温环境下造成的塑性范围相一致，弹性拉伸区域和残余拉应力也是相对应的。从这些都可以看出来，塑性压缩就是造成焊接过程中纵向残余应力的主要 原因。

1.2 塑性压缩的应变导致的横向残余应力

塑性压缩的应变，除了能够说成是造成纵向残余应力的主要原因，同时也能理解为造成横向残余应力的原因之一，但是造成横向残余应力的主要原因是母材的收缩。当对母材进行焊接时，母材会出现膨胀现象，并且当焊接缝的金属材料逐渐形成固体时，膨胀中的母材必定会受到压缩，这种塑性压缩是横向收缩中的重要的一部分，焊缝自身那一小部分收缩仅仅只占到横向收缩的十分之一左右。主要的横向收缩那部分存在于焊接缝沿着焊缝轴线进行切割后的中心区域，那才是拉应力中的横向应力。

2消除残余应力的方法

2.1 热处理的方法

这种方法对于焊件的性能有着至关重要的作用，它不仅可以消除残余应力，还能够改进焊接接头的性能。热处理方法就是在焊件还处在高温条件下的时候，去降低屈服点和蠕变现象，从而实现去除残余应力的一种方法。这种方法分为两个步骤，首先就是总体热处理，其次是局部热处理。在总体热处理的过程中，加热的温度和保温时间和加热以及冷却速度都会影响到去除焊接残余应力的效果。在局部热处理的过程中，一般只能降低残余应力的峰值，而不能直接消除残余应力。但是对于消除残余应力的过程起到了无可替代的作用，所以局部热处理还是需要的一个步骤。在采用热处理的方法时，加热的方法主要有电加热和火加热两种，而且消除残余应力的效果和加热范围的关系很大，所以一般需要大范围的加热才能达到较好的效果。

2.2 加载的方法

加载的方法，目的就是为了使得焊接缝周围形成的压缩塑性变形和焊缝周围的拉伸塑性变形两者形成抵消，从而让应力保持松弛状态。它主要就是采用各种方法，在部件上制造一定的拉伸应力，让这个应力来完成与压缩塑性变形产生的力进行抵消。在如何形成这种拉伸应力的方法上有两种：第一就是机械拉伸的方法，第二则是温差拉伸的方法。机械拉伸法就是对部件进行加载荷处理，让焊缝区域形成塑性拉伸，这个塑性拉伸形成的力将会和已经存在的那个压缩塑变应力达到抵消的作用，从而消除焊接过程中形成的残余应力。温差拉伸法，主要就是利用了受热膨胀的原理，来达到消除残余应力的方法。它的做法过程，顾名思义就是利用温度差形成的力，让焊缝两侧的金属通过受热膨胀后，往焊缝区进行拉伸，逐渐的形成拉伸应力，最后和那压缩塑变应力进行抵消作用。这两种拉伸方法都是采用抵消的原则，从而达到减小甚至消除残余应力的目的。

3焊接变形的影响因素

焊接变形可以分为在焊接热过程中发生的瞬态热变形和在室温条件下的残余变形。影响焊接变形的因素很多，但归纳起来主要有材料、结构和工艺3个方面。

3.1材料因素的影响。材料对于焊接变形的影响不仅和焊接材料有关，而且和母材也有关系，材料的热物理性能参数和力学性能参数都对焊接变形的产生过程有重要的影响。其中热物理性能参数的影响主要体现在热传导系数上，一般热传导系数越小，温度梯度越大，焊接变形越显著。力学性能对焊接变形的影响比较复杂，热膨胀系数的影响最为明显，随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用，一般情況下，随着弹性模量的增大，焊接变形随之减少而较高的屈服极限会引起较高的残余应力，焊接结构存储的变形能量也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂，此外，由于塑性应变较小且塑性区范围不大，因而焊接变形得以减少。

3.2结构因素的影响。焊接结构的设计对焊接变形的影响最关键，也是最复杂的因素。其总体原则是随拘束度的增加，焊接残余应力增加，而焊接变形则相应减少。结构在焊接变形过程中，工件本身的拘束度是不断变化着的，因此自身为变拘束结构，同时还受到外加拘束的影响。

3.3工艺因素的影响。焊接工艺对焊接变形的影响方面很多，例如焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接顺序、焊接胎架及夹具的应用等。在各种工艺因素中，焊接顺序对焊接变形的影响较为显著，一般情况下，改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态，减少焊接变形。多层焊以及焊接工艺参数也对焊接变形有十分重要的影响。焊接工作者在长期研究中，总结出一些经验，利用特殊的工艺规范和措施，达到减少焊接残余应力和变形，改善残余应力分布状态的目的。

4.钢结构焊接变形的控制

4.1设计措施。合理地选择焊接的尺寸和形式焊接尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大，因此，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证相同的强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属，对减小变形有利。尽可能减少不必要的焊缝在设计焊接结构时，合理地选择筋板的形状，适当地安排筋板的位置，力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝，从而减小焊接变形。

4.2工艺措施。工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中所采用的一系列措施，将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。焊前预防措施焊前预防主要包括预防变形、预拉伸法和刚性固定组装法。预变性法或称反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向，在待焊工件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量，焊后焊接残余变形抵消了预变形量，使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。预拉伸法多用于薄板平面构件，焊接时在薄板有预张力或有预先热膨胀量的情况下进行的。焊后，去除预拉伸或加热，薄板恢复初始状态，可有效地降低焊接残余应力，控制焊接变形。

4.3焊接过程控制措施。焊接过程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接规范参数，选择合理的焊接顺序以及采用随焊两侧加热、随焊碾压、随焊跟踪激冷等措施。选择线能量较低的焊接方法以及合理地控制焊接规范参数可以有效地防止焊接变形。

4.4焊后矫正措施。当构件焊接后，只能通过矫正措施来减小或消除已发生的残余变形。焊后矫正措施主要分为加热矫正法和机械矫正法。加热矫正法又分为整体加热和局部加热。整体热矫正是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法，可用以消除较大的形状偏差。

结语

焊接作为钢结构最主要的连接方式，对焊接工艺和焊接质量的要求也在不断地提高。研究焊接残余应力和焊接变形对钢构件的影响，通过合理的设计和制造以及相应的措施减小焊接残余应力和焊接变形对构件的影响，将有效的提高钢结构的性能，满足建设的需求。

参考文献

[1]汪建华，陆皓.预测焊接变形的残余塑性应变有限元方法[J].上海交通大学学报，2015，31（4）：53-56.

[2]万春辉，李朝阳，刘向敏，等.振动时效工艺在消除焊接残余应力中的应用[J].机械产品与科技，2015（4）：23-25.

（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）