鋼結構焊接殘余應力及焊接變形控制技術

王春松

摘要：在鋼結構行業中，焊接是十分常見的一種工藝，其雖然具備一定的有點，但同時也存在一定的不足，其中最顯著的就是焊接殘余應力和焊接變形。在對鋼結構進行焊接的過程中，焊接殘余應力往往是溫度不均勻造成的，在該應力的作用下會引起鋼結構變形、開裂等問題。本文將對鋼結構焊接的殘余應力和焊接變形控制技術進行研究。

關鍵詞：鋼結構;焊接殘余應力;焊接變形控制

前言：

焊接是鋼結構連接時最常用的一種方法，具有操作簡單迅速、節約材料等優勢，但是焊接不當留下的殘余應力卻會對鋼結構的穩定性帶來較大的負面影響，導致鋼結構的使用性能無法得到正常的發揮。為了解決這一問題，我們必須要對鋼結構殘余應力產生的原因進行了解掌握，有針對性的采取變形控制技術。

1.鋼結構焊接殘余應力產生的原因及其影響分析

1.1鋼結構焊接參與應力產生的原因

根據現階段鋼結構焊接技術發展情況，焊接殘余應力多是由焊接結構在焊接過程中受熱不均勻造成，根據應力作用方向可以分為縱向和橫向兩種焊接殘余應力。結合實踐來看，鋼結構所用鋼材的鋼度、焊縫所處的位置、焊接工藝的順序等都有可能導致焊接殘余應力的產生，由此可見，鋼結構焊接殘余應力的產生涉及到了多方面因素，具體可以概括為以下三點：

首先，鋼結構材料性能和力學性能導致的焊接殘余應力。鋼結構部件在焊接過程中若是受熱不均勻，焊接后其溫度就會呈梯度冷卻，產生殘余應力。從物理因素層面分析，造成受熱不均勻的深層原因則是因為不同材料性質的鋼結構零部件對溫度感應所產生的反應存在一定的差異性，導致比熱容出現變化，相應的焊接部位組織結構也會發生一定的變化。同時，焊接部位密度、導熱系數等因素也會引發受熱不均勻現象。

其次，不同類型焊接熱源產生的殘余應力。鋼結構焊接可采用的熱源有多種，就目前來講，包括電能、光輻射能、化學能以及機械能等，采用不同能源熱源在焊接過程中產生的效果也存在差異，具體表現在溫度場的不同，這樣一來產生的焊接殘余應力也就有所區別，反映在鋼結構變形的不同形式和程度。

最后，其他因素引起的焊接殘余應力。除了材料性質和焊接熱源因素外，其它諸如焊接前鋼結構的處理方式也會導致焊接殘余應力的產生。因此在進行鋼結構焊接的過程中，為了防止焊接殘余應力的產生，要綜合考慮物理因素、熱源因素以及鋼結構本身是否受過其他方面的影響。

1.2鋼結構焊接殘余應力帶來的不良影響分析

鋼結構焊接后若是出現殘余應力，會對其整體性能帶來一定的負面影響，具體表現在以下幾點：

首先，超出焊接結構疲勞強度導致報廢。在對焊接結構壽命進行評估時，疲勞強度是主要指標，焊接殘余應力會對鋼結構的疲勞強度產生影響，若是超出一定的范圍，會對鋼結構的正常使用造成影響。

其次，影響鋼結構的穩定。鋼結構若是存在焊接殘余應力，會導致其焊接部位出現一定的變化，穩定性出現下降，引發裂縫、氧化、變形等問題，為結構生產帶來不利影響。

再次，損害鋼結構的強度。焊接殘余應力會焊接部位強度下降，處于薄弱狀態，進而發生變形、開裂等問題，最終導致整個鋼結構的失敗。

再次，影響鋼結構的剛度。對于焊接結構而言，其剛度直接感應了其抵抗外力作用的能力，若是剛度不足，很容易在外力影響下出現彎曲變形。在焊接殘余應力的影響下，焊接內部結構會處于松散狀態，造成剛度的不利變化。

最后，引起裂縫問題。裂縫是焊接結構中最常見的問題之一，往往具有很強的危害性。焊接結構出現的裂縫最初往往表現為裂紋，若是不能有效處理，最終就會發展為裂縫，導致整個鋼結構部件開裂損壞。

2.焊接殘余應力的方法和焊接變形控制技術

2.1鋼結構焊接殘余應力控制的有效方法

在對焊接殘余應力進行控制時可以采用的方法有以下幾種：

首先，熱處理消除法，該方法是采用退火粗處理技術，增加其受熱溫度，使焊接結構處于長時間保溫狀態，其原理是根據焊接結構在低溫時，其內部參與應力會因為焊接殘余應力松弛而釋放出去。如果保溫時間足夠長，則可以完全抵消殘余應力。

其次，錘擊消除法，該方法是在結構焊接完成后對焊接部位進行錘擊處理，這樣可以借助外界壓力使焊接部位得到延展，從而抵消因熱脹冷縮產生的殘余應力，避免焊接結構變形情況發生。需要注意的是，在進行手錘錘擊的過程中，應盡可能的保持受力的均勻性，嚴禁對根部焊縫、焊縫坡口邊緣的母材進行錘擊操作。

再次，振動消除發，該方法是現階段焊接結構殘余應力控制中應用最廣泛的方法，和其他方法相比，該方法具有效率高、成本低等優勢，而且不會造成焊接結構表面的氧化。在具體操作的過程中，通常是采用偏心輪和變速馬達組成的激振器，使焊接結構產生共振形成循環應力，以此降低焊接結構內部殘余應力。

2.2鋼結構焊接變形的控制技術

首先，對焊接量進行合理的控制。基于上文敘述的鋼結構焊接殘余應力產生的因素，在焊接過程中，若是具備焊接結構技工性能的條件，應盡可能的減少焊縫的數量。為了達到這種效果，在焊接工作開始前，要對焊接結構進行充分分析，在此基礎上做出科學的布置，力求不對母材進行焊縫。若是必須進行焊縫，則應將焊縫尺寸控制到最小，如此就可以將焊接部位受到的影響減到最低，避免殘余應力的產生，從而防止焊接結構出現變形問題。

其次，對焊接工藝順序進行優化調整。就目前而言，我國焊接工藝技術仍舊存在很大的發展空間，這意味著依舊存在許多不足有待完善，而工藝技術的不完善也是導致焊接殘余應力產生的原因之一。因此在鋼結構焊接的過程中，若是能夠針對實際情況對焊接工藝次序做出適當的調整優化，可以大幅度的降低焊接殘余應力產生的幾率。例如，將焊接結構中收縮量較大的部位優先進行焊接，之后進行其他影響稍小的長直縫的焊接，最后對焊接結構進行整體性加熱，將母材和其他焊接部位之間的溫差控制在較小的范圍內，如此就可以最大程度的減小殘余應力。

最后，采用先進的焊接技術。過去焊接采用的技術工藝或多或少都會對鋼結構產生一定的負面影響，通常表現為零部件氧化、焊縫增加等，進而導致焊接殘余應力的產生。從這方面考慮，為了預防焊接殘余應力導致的變化，應該積極引進并應用先進的焊接工藝，如二氧化碳保護焊、氬弧焊等，這些焊接技術的有點在于可在焊接過程中形成氣體保護層，防止焊接部位氧化的發生，且同時能夠起到降低焊縫的效果，大幅度的提升了焊接效果。

結語：

綜上所述，當前階段，焊接技術的應用已經變得十分廣泛，與此同時，各行各業對焊接結構性能及焊接質量的要求也在提升，作為影響焊接質量的主要問題，焊接殘余應力也受到了越來越多的關注，如何消除焊接殘余應力是現如今一個十分熱門的研究方向。就當前發展情況來看，想要完全消除焊接殘余應力并不現實，最好的方法是盡可能的對其影響進行控制，除了一些應力消除方法外，還應積極引入新技術，對焊接工序進行優化調整，同時加強創新研究，如此才能推動我國焊接技術的持續發展。

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