焊接殘余應力的測定及消除方法

王秀峰

摘 要：在鋼結構行業中，焊接作為至關重要的應用技術，其應用的范圍非常廣泛，具有許多顯著的優勢，但是也具有一定的缺陷，鋼結構焊接的殘余應力和焊接中出現的變形問題。在鋼結構焊接作業中，如果出現鋼材結構的溫度不均勻，就會導致鋼材結構出現許多焊接殘余應力，從而造成焊接的鋼結構產生變形以及開裂問題，影響了鋼結構焊接施工質量。本文主要針對鋼結構焊接作業中殘余應力產生的原因進行了深入分析，并對殘余應力的影響展開了探討，并提出了控制鋼結構殘余應力和變形的方法。

關鍵詞：鋼結構；焊接；殘余應力；變形

引言

隨著現代化科學技術的快速發展，我國的焊接加工技術也在不斷發展進步，現代化焊接加工技術具有比較明顯的技術優勢，能夠提高鋼結構焊接的精細化水平。

1、焊接應力與焊接變形的定義

1）焊接應力：鋼材在焊接過程中，焊件部位會因為焊接時的局部高溫產生不均勻的溫度場。高溫時，有一部分鋼材會產生很大的膨脹和伸長，但由于受到鄰近鋼材的約束影響，會在焊件內部產生較大的收縮應力。在焊接的過程中，這種收縮應力伴隨著焊接時間的變化和溫度的升降變化不斷的改變，而這種收縮應力就被定義為焊接應力。2）焊接變形：焊接構件在焊接及逐漸冷卻的過程中，由于焊接構件局部受熱且受熱不均勻，同時焊接構件冷卻也不均勻，因此焊接構件不僅會產生焊接應力，還會產生各種變形。這種焊件產生的變形，被稱為焊接變形。

2、鋼結構焊接應力與焊接變形產生的原因

在鋼結構焊接的過程中，由于對焊接鋼構件局部加熱，使得焊縫附近區域的溫度很高，而遠離焊縫的金屬基本上不受熱，其溫度與室內溫度差不多。在焊接鋼構件局部加熱的過程中，焊縫附近金屬由于受熱作用會產生膨脹。而遠離焊縫的金屬未受熱不發生膨脹，但卻會嚴重制約焊縫附近金屬的膨脹過程，這樣使得焊縫附近金屬會產生部分塑性變形。同樣，在焊接金屬冷卻時也會受到周邊未加熱金屬的影響，制約了焊接金屬自由塑性收縮，使整個焊接鋼構件均產生了收縮現象，同時也會產生焊接應力及焊接變形，這樣就使得焊接鋼結構產生了各種變形。

3、鋼結構焊接應力與焊接變形的種類

3.1焊接應力種類

鋼材從開始焊接到鋼材冷卻后，鋼材內部由于溫度變化引起的熱脹冷縮到達到室溫時還有殘存的應力存在，這種應力稱為焊接殘余應力。焊接殘余應力按受力方向可分為以下三種：1）縱向焊接殘余應力鋼材焊接時，焊件上會產生不均勻的溫度場，焊縫及其附近溫度可達到1600℃，而其鄰近部位溫度相對較低。鋼材在高溫處變形大，而低溫處變形小，高溫處變形受到低溫處鋼材的限制，就會產生熱狀態下的塑性壓縮變形。焊縫冷卻至常溫時，與初始長度相比，被塑性壓縮的焊縫區長度變短了，同時兩側鋼材限制了這種縮短變形，以至于焊縫區出現了縱向的拉應力，這就是所謂的縱向焊接殘余應力。2）橫向焊接殘余應力橫向焊接殘余應力有兩部分組成。一部分是焊縫發生縱向收縮，使得兩塊鋼板發生反向的彎曲變形。兩塊鋼板通過焊縫連接可以連成一個整體。但焊縫的作用會使得兩塊鋼板中間有橫向拉應力產生，而兩端會有壓應力產生。另一部分是由于焊接順序的不同導致焊縫的冷卻時間不一致，最開始焊縫先凝固同時具有一定的強度，這樣就阻止了后來焊的焊縫的橫向自由膨脹，使得后焊的焊縫發生了橫向塑性壓縮變形。由于先焊焊縫凝固，中間焊縫再逐漸凝固，后焊焊縫最后才凝固，這三部分會產生杠桿作用，后焊部分因為收縮而受垃，先焊部分因杠桿作用也受垃，而只有中間部分受壓。這兩種橫向應力通過疊加成為最后的橫向殘余應力。3）沿厚度方向的焊接殘余應力厚度比較大的鋼板進行焊接時，由于焊縫與鋼板接觸面和空氣接觸，使得其散熱較快而先冷卻，但內部的焊縫不與空氣接觸而后冷卻，后冷卻的焊縫的收縮變形會受到外面已凝固的焊縫阻礙，從而形成了中間受垃、四周受壓的應力狀態。

3.2焊接變形種類

按焊接殘余變形的外觀形態分為以下幾種變形。1）縱向變形—焊接后指的是焊件沿著焊接方向發生收縮。2）橫向變形—焊接后指的是焊件垂直于焊接方向發生收縮。3）撓曲變形—穿過焊縫線并與板件垂直的平面內變形。4）角變形—焊接后構件的平面圍繞焊縫產生的角位移。5）波浪變形—焊接后構件呈現波浪形。6）扭轉變形—焊接后結構上出現扭曲。

4、鋼結構焊接殘余應力以及變形控制的方法

4.1控制鋼結構焊接殘余應力的方法

在鋼結構焊接加工中，受到殘余應力的影響，將會導致鋼結構焊接的整體質量降低，為了有效控制殘余應力，提高鋼結構焊接加工質量。可以選擇應用這樣幾種方法：第一，采用焊接熱處理法。其主要利用退火處理技術，使焊接受熱的溫度不斷提高，從而有效延長保溫時間，避免出現冷熱不均勻的問題。但是在應用這一技術時，需要把溫度控制在合理的范圍內，一旦焊接的溫度太高，就可能會造成鋼結構氧化過重的問題。第二，應用錘擊消除法。在鋼結構焊接中應用錘擊消除法，主要在焊接加工完成之后，需要應用水錘敲擊焊接的位置，這樣能夠使焊接的位置保持延展，從而消除熱脹冷縮反應中產生的殘余應力，防止鋼結構材料產生變形的問題。但是在錘擊焊接部位時，必須確保母材受力均勻。第三，振動消除法。隨著科學技術的快速發展，在當前的鋼結構焊接加工中，主要采用振動消除法，來有效消除焊接殘余應力。振動消除法的處理時間非常短，能夠降低加工成本，不會產生氧化過重的問題。其中使用的激振器中包含了偏心輪以及變速馬達，所以能夠讓焊接結構中出現共振循環反應，進而導致內應力逐漸降低。

3.2控制鋼結構焊接變形的方法

在鋼結構焊接加工中，為了有效控制鋼結構焊接變形的問題，首先需要嚴格控制焊接量，避免焊接殘余應力出現。在鋼結構材料焊接加工前必須做好充足的準備工作，深入了解和分析鋼結構的基本特征，焊縫的尺寸需要進行嚴格管理，母材不能進行焊縫。其次，在鋼結構焊接中需要合理調整焊接工藝次序，對于不必要的焊接次序需要進行優化調整，如果鋼結構的收縮量比較大，那么需要提前焊接，然而繼續焊接長直縫，只有遵循先大后小的原則，才能避免殘余應力。最后，在先進的科學技術支撐下，可以不斷改善焊接技術，加強應用全新的焊接技術，例如：二氧化碳保護焊以及氬弧焊，這些焊接工藝技術都能避免鋼結構變形問題產生。

結束語

總而言之，在科學技術快速發展的推動下，為了有效控制鋼結構焊接殘余應力與變形問題，需要加強應用先進的操作技術，注重保護鋼結構的強度、剛度與穩定性，延長使用壽命，減少裂縫問題，才能促進鋼結構焊接加工朝著精細化發展。

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）