浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法

2020-01-02蒋光军

四川建筑 2020年4期

蒋光军

(四川攀钢钢构有限公司，四川攀枝花 617000)

随着大跨度建筑的兴起，钢结构越来越多地应用于建筑工程中，特别是大型的工业厂房。近几年，建筑行业中提倡使用装配式钢结构代替传统的焊接作业，所有构件在工厂内标准化预制，运至施工现场直接通过螺栓连接，避免焊接过程中焊接变形和残余应力对结构的影响。但对于装配式钢结构存在不足之处，其对加工的精度要求极高，螺栓孔错位将导致构件无法连接，将焊接应用于装配式钢结构工程中可有效地减少施工难度，部分螺栓连接部分焊接，可提高施工效率的同时解决构件无法连接的问题。焊接过程中不可避免的会产生焊接变形和残余应力，如何有效地控制焊接变形和残余应力将直接影响焊接在工程中的使用。

1 焊接变形和残余应力

1.1 焊接变形

焊接变形是焊接过程中不可避免的，施焊电弧高温引起钢构件在焊接处发生缩短、弯曲及角度等变化，即焊接变形。焊接变形可分为两种形式，一种是因高温导致的变形，该变形在温度冷却后可恢复，为瞬时变形；第二种是因焊接作业产生的永久性变形。焊接变形对结构安装的精确度影响较大，产生焊接变形极易导致结构无法安装。

1.2 残余应力

残余应力产生于钢构件的焊接及热影响区域，其对钢构件最直接的影响是降低构件的承载能力和增大开裂的可能性，钢构件的开裂大多发生在焊接区域。在焊接区域，当构件的残余应力和荷载共同作用效果超过焊缝的承载力时，焊缝处就开始产生裂纹，并逐渐扩大成裂缝，构件也就易从裂缝处产生断裂，而此时构件承受的荷载并未达到其极限承载力，却因焊缝的断裂导致整个构件的失效。

2 减小焊接变形和残余应力的方法

2.1 焊接变形的控制

2.1.1 合理的焊接方法

选择合理的焊接方法对控制焊接变形有着直接的影响，就能量密度来说，选用能量密度较高的焊接方法可有效减少焊接变形。当焊接热输入较小时，其引起的焊接变形可得到一定的控制，但焊接热输入过小将导致焊接效率的降低。为减小因焊接温度场引起的变形，可选择跳焊或者逐步退焊的方式进行。

2.1.2 刚性固定法

在焊接前对结构进行固定，增大其在焊接时的刚度，减小其焊接变形量。该方法对刚度较小的构件效果较为显著，随着刚度的增加效果逐渐降低，特别是对于弯曲变形，而对于产生的角变形和波浪变形较为有效。虽然刚性固定法增加了焊接时构件的刚度减小焊接变形，但同时却也增加了焊接应力。

2.1.3 反变形法

构件在焊接中将产生弯曲变形、角变形或波浪变形等形式，反变形法即在焊接前将构件装配成与焊接变形相反的预先变形，焊接变形的大小刚好与预先变形一致，通过焊接使得焊接后的构件达到正常状态。该方法在实际运用中存在较大的困难，难以控制预先变形与焊接变形一致，焊接完成后始终存在一定的变形。

2.1.4 散热法

散热法是在焊接部位放置铜垫板或用水冷却焊接部位背面，把焊接部位的热量迅速散去，使得焊缝区域受热面积得以缩减，以达到减小焊接变形的目的。但该方法不适用于具有淬火倾向的材料，在将热量迅速散去过程中焊缝易产生裂纹，降低焊缝的承载能力。

2.2 残余应力的控制

2.2.1 热处理法

热处理法是将钢结构缓慢加热至退火温度并保持一段时间，再以一定的速度进行降温，因钢结构的屈服应力和温度呈反相关的关系，当构件持续升温至退火温度时，其内部的屈服应力是低于残余应力，且残余应力在局部塑形变形中逐步的减小。同时，钢结构在退火温度中发生蠕变，残余应力得到进一步的释放。该方法只能部分消除焊接残余应力，并不能达到完全消除的状态，其对残余应力的消除率一般为40 %～80 %之间。另外，因需要对结构进行加热且保持一段时间的退火温度将消耗大量的能源。

2.2.2 振动时效法

振动时效法是通过增加外部振动源使得结构与振动源达到共振效果，并于内部产生振动应力，当振动应力和残余应力的叠加量超过材料的屈服强度后，材料本身将发生一定的塑性变形，从而降低内部的残余应力。该方法对消除钢结构内部残余应力的作用有限，其消除率一般为30 %～50 %之间，但其操作简单，仅需将激振电机固定于结构上并达到共振作用即可，是工程中常用的一种消除钢结构内部残余应力的方法。

2.2.3 豪克能法

豪克能法是消除焊接残余应力方法中最有效的一种方法，消除率可达80 %～100 %，该方法是利用大功率的豪克能工具对钢结构的表面进行冲击，使得结构的表面产生较大的压缩塑性变形，极大地释放了因焊接产生的残余应力。在降低内部残余应力的同时，因其对焊缝区域的高速冲击使得焊接的疲劳性得到了极大提高，处理后的焊接区域的抗疲劳强度可提高50 %～120 %。