淺談焊接應力的產生及對鋼結構的影響

摘要：鋼結構在現代建筑中應用的越來越多，焊接應力對焊接產生的影響越來越大，通過對焊接應力的產生原因進行分析，找準正確的解除方法，才能夠減少焊接應力和變形，提高焊接質量。

關鍵詞：鋼結構 應力 脆性斷裂 去除

1.鋼結構的應用

鋼結構在現代建筑中應用的越來越多，焊接工作做為鋼結構中的重要工藝它直接關系到工程質量的好壞和結構的安全，T形結構焊接是H型鋼生產工藝的重要部分，T型結構的焊接質量嚴重影響H型鋼的質量，也在鋼結構制造中起著非常重要的作用，廣泛的應用于焊接結構各領域（廣泛用于建筑鋼結構梁、柱、承重支架、高速公路擋板支架等），目前影響焊接質量的關鍵因素是焊接應力，焊接應力形成后導致的焊接變形是形成各種焊接裂紋的重要因素，又是造成熱應變脆化的根源， 焊接應力在一定條件下還會嚴重影響焊件的強度、剛度、受壓時的穩定性、加工精度和尺寸穩定性等。

2.焊接應力分析

焊接應力的產生是由于焊縫區受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態或加熱溫度不高，因而對焊縫區的膨脹起約束作用。焊接線能量輸入越大，試樣所得到的熱量越多，其溫度越高，隨著焊接線能量的增大，遠離焊縫的位置所得到的熱量也越多，溫度也越高，受到應力也越大；一般情況下焊接殘余應力是由多種因素交互作用的結果，通常焊縫附近是急速被加熱到高溫狀態，達到這一溫度的焊縫區急劇膨脹，熱膨脹受到周圍金屬的約束，將產生很大的壓縮；在冷卻過程中，已發生塑性變形的這部分材料又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上被拉伸形成拉應力；與此同時，熔池凝固，形成的焊縫金屬冷卻收縮受阻時也將產生相應的拉應力，焊接應力分以為縱向焊接應力，橫向焊接應力，厚度方向的焊接應力。

2.1縱向焊接應力

縱向焊接應力就是平行于焊縫長度方向的應力。在施焊時 ，鋼板中會產生不均勻的溫度場 ，從而產生不均勻的膨脹。如果鋼板的縱向纖維都能自由伸縮 ，則纖維的縱向伸長也將按溫度分布曲線的規律變化 ，由于鋼板是整體的 ，原平面截面變形后仍保持平面。故施焊時 ，整個平截面只能產生均勻的伸長 ，在靠近焊縫一側高溫區受到熱壓力作用 ，而在遠離焊縫一側受到熱拉應力的作用 ，施焊完畢 ，焊件自然冷卻 ，鋼板截面開始收縮 ，在近焊縫區段產生拉應力 ，在稍遠區段產生壓應力。

2.2橫向焊接應力

橫向焊接應力的方向與焊縫長度垂直 ，產生橫向焊接應力的原因可分為焊縫的縱向收縮和橫向收縮兩個方面。施焊時 ，由于焊縫的縱向收縮兩塊對焊鋼板有相向彎曲的趨勢 ，但焊縫已將其連成整體 ，這樣使得兩塊板沿焊縫長度方向中部產生橫向拉應力 ，兩端產生壓應力。冷卻時 ，由于焊縫先后冷卻時間不同 ，先焊的先冷卻凝固 ，存在一定強度 ，阻止了后焊的焊縫在橫向的自由膨脹 ，使其產生橫向壓縮變形。后焊的焊縫冷卻時 ，橫向收縮受到阻止 ，而產生橫向拉應力 ，而先焊部分則產生橫向壓應力。

3.焊接應力的危害主要包括以下方面：

3.1 對結構剛度的影響

當外荷載產生的應力與結構中焊接應力疊加之和達到屈服點對這一區域的材料就會產生局部塑性變形，表示了進一步承受荷載的能力造成結構的有效截面積減少，結構的鋼度也隨之降低。

焊接結構中焊縫及其附近區域的縱向拉伸殘余應力一般都可達到或接近屈服極限，如果外載產生的拉應力與殘余應力相疊加超過屈服極限，則其變形就要比沒有內應力或者內應力較低時大，并會發生局部屈服；當卸載時，其回彈量少于加載時的變形量，構件不能恢復到原始尺寸。經過第一次加載后內應力會下降，隨后的加載載荷只要不超過第一次，應力之和也就不大于s，整個加載過程只在彈性范圍內進行，卸載后不會產生新的殘余變形。這種現象會降低構件的剛度，例如梁形焊接構件。

結構受彎曲時內應力對剛度的影響與焊縫的位置有關，焊縫所在的部位的彎曲應力越大，其影響就越大。

3.2對靜承載能力的影響

當靜載拉伸載荷作用于存在殘余應力的焊件上，則在外載與內應力的方向一致的區域中進行應力疊加，使應力值不斷升高。當疊加應力值達到屈服值時，根據材料拉伸特性曲線，其應力出現平臺不再升高，但是其變形量將繼續增加，直至整個焊接界面應力均勻化后才出現應力值升高直至斷裂。因此，存在殘余應力的焊件并不會由于外載增加而使局部區域提前斷裂。

3.3對結構脆性斷裂的影響

在實際構件中，若高強度鋼的韌性較低，焊接接頭處的缺陷會導致結構的低應力脆性斷裂，，斷裂評定必須考慮拉伸殘余應力與工作應力的共同作用的影響，應引入應力強度修正系數。若裂尖處于焊接殘余拉應力范圍內，則缺陷尖端的應力強度增大，；裂紋趨于擴展，直至裂紋尖端超出殘余拉應力范圍。隨后，裂紋有可能停止擴展或繼續擴展，這將取決于裂紋長度、應力強度和結構運行環境溫度。焊接應力只分布于局部區域，對裂紋的影響也局限于這一范圍。

3.4對應力腐蝕的影響

在應力和腐蝕的共同作用下會形成應力腐蝕，促使裂紋的形成、發展直至快速擴展造成斷裂。一些焊接構件工作在有腐蝕介質的環境中，除外載的工作應力外，焊接殘余應力本身也引起應力腐蝕開裂。這是在拉應力與化學共同作用下發生的，殘余應力與工作應力疊加后的拉應力值越高，應力腐蝕開裂所需的時間就越短。選擇對待定的環境和工作介質有良好抗腐蝕性的材料，以及對焊接構件進行消應力處理，都可以提高構件的抗應力腐蝕能力。

3.5對構件精度和尺寸穩定性的影響

為保證構件的設計技術條件和裝配精度，某些焊接構件在焊后要進行機械加工。一部分材料從焊件上被切除時，此處的內應力也隨之釋放，使構件中原有的殘余應力場失去平衡而重新分布，引起構件變形。這類變形往往是在機械加工后松開夾具后才充分顯示出來，影響構件精度。

此外，焊接構件中的殘余應力隨時間的延長會緩慢變化而重新分布，發生應力松弛，同時焊件尺寸也產生相應的變化，影響到構件的精度和尺寸穩定性。不同的材料會引起不一樣的殘余應力松弛，對結構的精度和尺寸穩定性影響也不一樣。

控制焊接應力的主要措施包括加熱減應區、預熱方法焊接、錘擊焊縫、降低焊縫的拘束度等方法。

4.焊接應力去除方法

對于焊接應力的測量現在主要包括機械釋放測量法和非破壞性測量法兩種。機械釋放測量法包括鉆孔法、切條法、逐層銑削法等，非破壞性測量方法包括、X射線衍射法、中子衍射法、磁性法：、超聲波法、電子散斑干涉法、金屬磁記憶法。除了以上測量方法外， 近年來有一批新的測試技術應用而生， 如用屈服條件確定殘余應力，無損電測法， 脆性涂層法， 云紋法， 反向疊加應力法， 熱評估法， 硬度法， 數字散斑法以及壓良疊加應力測量法等， 有時也可根據具體情況將各種測試方法綜合起來應用。

5.結語

通過分析焊接線能量對鋼結構的焊接應力的影響，分析其焊接應力的變化規律，從而找出焊接應力與焊接變形的關系，掌握了焊接應力與變形的規律、作用與影響，采取措施控制或消除焊接應力與變形，對于焊接結構的的完整性設計和制造工藝方法的選擇以及運行中的安全評定等是十分重要的。

參考文獻

1. 陳道金：港機構的焊接變形與控制糾正，《全國礦山建設學術會議論文選集》，2007年

2. 田擁軍：如何控制焊接應力和變形，《山西建筑》，2004年3月

3. 陳海霞：焊接工藝中的殘余應力，《山西建筑》，2007年10月