钢结构焊接残余应力及焊接变形控制

钢结构焊接残余应力及焊接变形控制

陈飞鹏

（青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司，山东 青岛 266111）

摘 要：焊接是钢结构行业中运用非常广泛的技术，它有其独特的优点，也有着不可避免的缺陷，那就是焊接残余应力及焊接变形。钢材零部件在焊接过程中，会造成焊接钢材结构温度不均匀的现象，使钢结构内部存有焊接残余应力，进而导致焊接结构变形、开裂现象。文章对钢结构焊接中焊接残余应力的产生原因及其所带来的影响进行了具体阐述，并提出了相应的解决措施，以期供本行业工作人员参考。

关键词：钢结构；焊接；应力；变形；控制措施

近年来，现代焊接发展愈发精细化，广泛运用的焊接残余应力及其带来的钢结构变形控制制约了这一方向的发展。焊接是钢结构主要的连接方法，且具备操作迅速、加工便捷，节约钢材等优点，但焊接残余应力的存在同时也对钢结构产生了一定影响。焊接残余应力是指钢结构焊接过程中，由于焊件受热、冷却的不均匀，使焊件体积热胀冷缩分布的不均匀，进而对钢结构母材造成的变形的风险。如此一来，钢结构在后期使用中，其性能必然会受到影响。因此，对焊接残余应力进行控制，亟待解决。

1 焊接结构残余应力产生的因素

结合钢结构焊接的技术手段，对焊接残余应力进行分析，可知在焊接钢结构中焊接残余应力主要是由于受热不均匀产生的，分为纵向焊接残余应力和横向焊接残余应力两种。焊接残余应力的产生涉及多方面的复杂因素，如不同位置的焊缝可造成不同程度的结构变形，钢材钢度也可对焊接变形产生影响，焊接顺序也可使钢材结构发生变形等。但总体而言，可将其产生的原因归纳为以下几个可以原因。

1.1 钢结构材料性能和力学性能产生的焊接残余应力

对钢结构进行焊接过程中，其产生的残余应力主要因素是在加热时受热不均匀，导致焊接后温度呈梯度进行冷却造成的。其受热不均匀从物理因素层面可概括为以下内容。对不同材料性质的钢结构零部件进行加工时，由于其金属材料的不同，对温度的感应也必然有不同的反应，进而造成比热容发生变化，使焊接部位组织结构发生相应的变化。此外，由于焊接部位的密度，热膨胀系数、导热系数、密度等物理因素，同样会造成焊接部位受热不均匀，产生残余焊接应力。

1.2 不同类型焊接热源所产生的残余应力

在焊接的过程中，不同焊接热源的接入也会对焊接残余应力造成不同的影响。目前，实现金属焊接所需的能量热源包括由电能、机械能、光辐射能及化学能。其对应产生的焊接热源就是电弧焊热源、气体火焰焊接热源、电阻焊热源及电子束热源等。焊接的过程中采用不同的焊接热源，产生的温度场不同，因此产生的焊接残余应力也不同，进而对钢结构产生的变形影响不同。对钢结构进行加工时，应对不同钢材选取不同的焊接热源，进而减少钢材的变形与炸裂。

1.3 其他原因产生焊接残余应力

除以上两种因素以外，焊接残余应力还可由其他间接因素产生。如对钢结构进行焊接前，对钢结构器或局部零部件材进行处理，使其进行过轧刹等，都会对焊接过程造成影响，增加焊接残余应力的产生。

在焊接过程中，不仅要考虑焊接钢结构的物理因素，不同焊接热源所产生的影响还应当综合考虑钢结构本身所受过其他方面的影响。如处理不当，则会对钢结构以下几个方面造成不良的影响。

2 焊接结构残余应力产生的影响

结合产生焊接残余应力的产生因素，对焊接残余应力进行分析。可得知在目前行业中，焊接残余应力对焊接结构性能产生的影响主要有以下几个方面：

2.1 疲劳强度

疲劳强度又指焊接结构的使用寿命的长短。这是检验焊接钢结构质量的一个重要指标，是指在焊接钢结构中，其性能不发生改变的时间长短。通常，焊接残余应力的大小会对其造成直接的影响。当焊接残余应力达到一个高的数值时，并超出了焊接结构疲劳强度所产生的影响，将会导致焊接结构的报废，使其不能正常使用。

2.2 稳定性

稳定性是任何一个焊接结构的基本需求，也是结构生产的保证。如果使用稳定性得不到满足的钢结构，可能会对焊接结构造成巨大的破坏。焊接残余应力的产生会对使焊接部位产生相应的变化，让焊接部位的稳定性相较于其他部分稍显薄弱，更为严重的可能导致焊接件发生裂缝、氧化、变形等，影响其稳定性。

2.3 强度

虽然焊接残余应力不会对钢结构本身的强度造成影响，但在整个焊接结构的生产中，焊接部位结构的强度会受到焊接残余应力的影响，因而处于薄弱的状态。没有高强度的焊接结构会导致整个钢结构的失败。因此在这种情况下，焊接残余应力不容忽视。当焊接结构处于脆弱状态时，会造成焊接结构变形，影响整个钢结构的性能要求。

2.4 刚度

焊接结构刚度是指构件遭受外力时，其外部形态发生了弯曲。从这一角度来说，焊接结构的表面上是不会受到焊接残余应力的影响。但实际上，在机械生产中，由于焊接应力的产生，焊接内部结构会处于松散的状态，使其硬度和刚度都发生相应的变化，进而对内部结构造性能发生改变，最终会对整个焊接结构造成影响。

2.5 裂缝

裂缝是焊接结构中经常发生的普遍现象。相较于焊接应力其他区几种程度的影响，如刚度、强度、裂缝的影响，其破坏程度更为巨大。因为在焊接所造成的裂纹，没有处理好，会变成裂缝，如没有进行适当的处理，最后会使整个零部件开裂。

3 焊接残余应力的控制方法

结合焊接应力的影响而言，刚度、强度、稳定性等都是保证焊接结构的质量的重要因素。只有保证了这几种因素的指标得以满足，才可使其质量达标。因此，必须减少焊接残余应力的产生，具体有以下几种方法可对焊接残余应力进行有效的控制。

3.1 热处理消除法

焊接热处理方法是残余应力常用的方法，主要运用退火处理技术，使其受热温度增加，温度越高其保温时间也越长。但要注意的是不能使其温度过高，避免造成焊接结构表面发生氧化过重的现象，使其内部组织结构发生转变，破坏其使用性能。这一原理是根据焊接结构在低温时，其内部残余应力会因为焊接残余应力松弛而释放出去。保温时间如果足够长，那么在理论层面来说，其应力可完全抵消。以此来保证材料的性能不变的情况下降低焊接残余应力的效果。

3.2 锤击消除法

锤击消除法是指对焊接结构进行焊接后，运用手锤锤头对焊接部位进行敲击，使焊接部位通过外界压力得到延展，与焊接后所产生的热胀冷缩残余应力进行抵销。以此来降低焊接残余应力，达到降低焊接结构变形的风险。锤击时应使母材保持受力均匀的状态。此外，不得对根部焊缝、盖面焊缝或焊缝坡口边缘的母材进行锤击。

3.3 振动消除法

振动消除法是目前焊接结构中采用非常多的焊接手法。相较于其他几种方法来说，其具备是处理时间短、成本低的优势，更不会对金属表面造成氧化的问题。主要是利用由偏心轮和变速马达组成的激振器，使焊接结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力的。

4 控制焊接残余变形的具体措施

4.1 合理的控制焊接量

为减少焊接残余应力的产生，在具备焊接结构加工性能的条件下，应当尽量减少对其进行焊缝。因此，在焊接前，应当对焊接结构进行充分分析，科学布置。在不必要的前提下，应不对母材进行焊缝。必须进行焊缝的情况下，应尽量减少焊缝的尺寸，使焊接部位所受的影响越来越小，尽量避免产生残余应力。

4.2 调整焊接工艺次序

目前，我国焊接工艺技术并不完善。在焊接过程中，其工艺还有待改善。对焊接次序进行适应的改变也可减少焊接残余应力的产生。如将焊接结构中具备较大收缩量的焊接先进行焊接，在进行其他影响稍小的长直缝焊接，按先大后小的原则也可减少焊接残余应力的产生，最后，对整个焊接结构进行加热，缩小母材其他非焊接部位和焊接部位的温差，达到降低残余应力产生的目的。

4.3 采用新型焊接技术

传统的焊接工艺会对焊接构件产生不良的影响，如零部件氧化、增加焊缝等。这些都会增加焊接结构焊接残余应力的产生。因此，可采用新型的焊接工艺，如使用氩弧焊、二氧化碳保护焊等新技术，这些技术在焊接过程中可产生气体保护层，保证焊接部位不被氧化，同时还可降低焊缝的产生，进而保证了整个焊接结构的质量。

5 结束语

随着我国各行各业大力发展。焊接技术运用也越来越广泛，对焊接结构的性能、焊接质量的要求越来越高。焊接残余应力消除是焊接结构重要保障，只有消除焊接残余应力才可达到焊接结构的稳定性、刚度、强度等质量指标。就目前而言，焊接残余应力的消除还需要一段时间，需要行业人员在每一个环节进行深入的推敲，才可保证焊接结构的使用寿命及其性能，进而推动我国现代化焊接技术朝着精细化方向越走越远。

参考文献：

[1]葛明兰，鲁家晟.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].福建建筑.2010,(7):50-52.

[2]孙乃明.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].装备制造技术.2013,(3):138-139.

中图分类号：P755.1

文献标志码：A

文章编号：2096-2789（2017）01-0030-02