钢结构焊接应力及控制

2021-11-27张街

中国建筑金属结构 2021年11期

张街

从材质自身的优势特点进行分析，钢结构材质相较于其他材料具有十分明显的优势，比如其自重较轻，不易产生过重的压力；具有较为良好的强度，能够承受较大的压力且不易变形；具有极强的抗震性，可以承受较强的振动，使得钢结构可以在各行各业中均广泛的应用。同时，钢结构在施工难度和工期上也具有明显的优势，给建筑业和钢铁产能带来了机遇，因此逐渐被人们所认可，并获得了良好的应用效果。但是在现阶段，钢结构的缺陷和隐患仍然存在，且随着钢结构服役时间的延长，疲劳断裂机制的脆性越来越严重，抗腐蚀性越来越差，需要引起相关人员重视并加以解决[1]。

1.焊接应力和焊接变形的定义

1.1 焊接应力

焊接应力就是焊接构件由于焊接而产生的应力。具体而言，就是在钢结构材质的高温焊接过程中，由于局部温度较高，导致钢结构材质所承受的温度分布并不均匀，不同部分之间温度差异过大，使得有些钢结构材质会发生明显的膨胀和拉长，但由于相邻钢的应力作用，在焊接过程中收缩应力会随着焊接时间和温度的变化而变化，即焊接应力[2]。

1.2 焊接变形

焊接变形产生主要是因为钢结构材质在焊接完成之后的冷却降温过程中，由于本身钢结构材质所承受的温度分布并不均匀，由此也就导致了在焊接完成后的冷却过程中温度场或者钢结构不同部分的温度分布同样存在差异性，也就是由于冷却的部分温度差异过大从而导致的钢结构不同部位之间的变形。

2.焊接应力及变形原因

通过以上的分析可以充分的了解到，在钢结构材质采用焊接处理的过程中存在着钢结构不同部分之间受热不均匀的问题，也就是焊接接触的部位温度较高，而远离焊接接触点的部位则温度较低，由此使得同一块钢结构材质受热面存在较大差异。这就使钢结构材质焊接过程中，由于焊接接触点的中心温度较高，极易在钢结构受热部位产生热胀效应；而远离受热接触点的钢结构材质则由于产生了温度差，极易产生冷缩效应[3]。由此可见，钢结构由于受热不均匀的问题造成钢结构部分与部分之间发生截然相反的热胀与冷缩效应，因此也就极为容易导致钢结构材质产生部分变形的问题，从而进一步导致整个焊接钢结构的收缩、焊接应力和焊接变形。

3.焊接应力及变形类型

钢结构焊接后，当温度变化引起的热膨胀和冷收缩达到室温时，钢中会存在残余应力，焊接残余应力按应力方向可分为三种类型：

（1）钢结构材质的焊接应力类型为纵向面上的焊接所产生的残余应力。也就是在对钢结构进行焊接处理时没有与钢结构自身产生不同的温度区域，使得接触焊接点的中心受温区受热膨胀，而远离受温区的钢结构则不会产生膨胀反应或者冷缩反应，由此导致钢结构发生受热不均匀导致的变形。

（2）钢结构材质的焊接应力类型为横向面上的钢结构焊接后所产生的焊接残余应力。也就是在焊接过程中，由于钢结构材质受热不均匀，使得横向面的钢板之间存在一种收缩力，并且两块钢板之间是通过焊接受热的过程进行焊接，但是由于钢板或者钢结构材质之间存在部分与部分之间的受热不均匀现象，所以焊接会导致钢板以及钢结构之间发生横向的收缩力或者横向的反向压力[4]。除此之外，焊接过程中所采用的焊接顺序之间的差异也在一定意义上影响着钢板以及钢结构材质的冷却时间，从而导致钢板以及钢结构难以复原，并产生一定程度的变形。

（3）钢结构材质的焊接应力类型是存在于钢板以及钢结构材质厚度层面的焊接所产生的残余应力。具体而言，就是由于钢板自身具有一定的厚度，在对钢板进行焊接作业时，钢板的外表面在与室温接触的过程中相较于钢板内部冷却较快，导致钢板内部与外部的热量值发生差异性变化，从而使得内外受热不均匀，外部在冷却过程中，内部的温度还在上升，最终导致钢板发生变形反应[5]。

4.焊接应力控制措施

在对钢结构材质进行焊接时，所产生的残余应力以及由残余应力所导致的变形现象在操作过程中属于正常现象，且在日常作业中不可避免。但是为了保证钢结构的稳定性、安全性以及美观性，进行钢结构材质制作与安装的工厂多会采取一定的办法缓解钢结构的变形问题。现阶段，工厂经常采用的是增加刚度的方法来控制变形，如使用一些固定件或增加支架，尽量减少焊缝的数量和尺寸，采用合适的焊脚尺寸和长度等[6]。下面就应力控制措施进行详细探讨：

（1）由于焊接应力是由高温零件的局部热膨胀引起的。为了避免焊接过程中热集中产生的较大应力，角焊缝宜采用薄焊缝，而不宜采用粗焊缝和短焊缝。

（2）拘束度越大，焊接应力就越大。因此，为了防止焊接应力的增加，钢的变形不能通过刚性固定来控制。

（3）应采用合理的焊接顺序和方向。首先，在焊缝较多的装配条件下，应先焊接收缩较大的焊缝。其次，对于收缩率较低的焊缝，应先焊接应力水平较高的焊缝，且焊缝不能自由收缩[7]。最后，根据构件外观和焊缝布置，采用低应力水平、自由收缩的焊缝。

（4）当焊接刚度较大或焊缝闭合时，通常采用反向变形的方法来降低焊接刚度和残余应力。

（5）为防止熔合线附近及焊缝附近出现硬化或裂纹，不宜在根部敲击焊道，而应在表面层两侧的焊道和靠近母材坡口表面的焊道处进行敲击。

5.焊接变形控制措施

为了减少焊接变形对焊接构件的负面影响，需要从焊接工艺入手，防止焊接过程中出现变形问题。

5.1 设计措施

（1）焊缝应对称布置，接头应光滑，为避免截面突变引起的应力过度集中现象，应采用一定的梯度过渡方法。（2）焊缝过度集中或多向交叉，会使得交集处形成具有相同符号的多向应力场，使钢变脆，应采用小刚性接头来减少焊缝集中，采用焊缝连续通过、次焊缝断裂的施工方法，防止多向焊缝交叉[8]。（3）在保证焊接质量和满足结构承载能力的前提下，应尽可能减少焊缝尺寸。同时，对于自重允许条件下的焊接构件，应适当选用较厚材料，以减少筋板数量，从而减少焊缝数量；对于薄板焊接结构，可采用压出可加强筋代替筋板结构，以减少焊缝数量。（4）为了避免双向和三维交叉，减少焊缝应力和焊缝交叉，焊缝位置也不宜选在高应力区，且在搭接角处应使用长焊缝和薄焊缝，以避免高空焊接[9]。否则，焊缝会因应力过大而变形。由此可见，为了有效地控制焊接变形，必须对接头结构、焊缝尺寸、焊缝数量、焊缝位置等进行深入分析。