鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及焊接變形控制技術(shù)

王春松

摘要：在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)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(yīng)力和焊接變形。在對鋼結(jié)構(gòu)進行焊接的過程中，焊接殘余應(yīng)力往往是溫度不均勻造成的，在該應(yīng)力的作用下會引起鋼結(jié)構(gòu)變形、開裂等問題。本文將對鋼結(jié)構(gòu)焊接的殘余應(yīng)力和焊接變形控制技術(shù)進行研究。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接殘余應(yīng)力;焊接變形控制

前言：

焊接是鋼結(jié)構(gòu)連接時最常用的一種方法，具有操作簡單迅速、節(jié)約材料等優(yōu)勢，但是焊接不當留下的殘余應(yīng)力卻會對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來較大的負面影響，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的使用性能無法得到正常的發(fā)揮。為了解決這一問題，我們必須要對鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因進行了解掌握，有針對性的采取變形控制技術(shù)。

1.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其影響分析

1.1鋼結(jié)構(gòu)焊接參與應(yīng)力產(chǎn)生的原因

根據(jù)現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)發(fā)展情況，焊接殘余應(yīng)力多是由焊接結(jié)構(gòu)在焊接過程中受熱不均勻造成，根據(jù)應(yīng)力作用方向可以分為縱向和橫向兩種焊接殘余應(yīng)力。結(jié)合實踐來看，鋼結(jié)構(gòu)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(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，由此可見，鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)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(jié)構(gòu)材料性能和力學(xué)性能導(dǎo)致的焊接殘余應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)生殘余應(yīng)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(zhì)的鋼結(jié)構(gòu)零部件對溫度感應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)存在一定的差異性，導(dǎo)致比熱容出現(xiàn)變化，相應(yīng)的焊接部位組織結(jié)構(gòu)也會發(fā)生一定的變化。同時，焊接部位密度、導(dǎo)熱系數(shù)等因素也會引發(fā)受熱不均勻現(xiàn)象。

其次，不同類型焊接熱源產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)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(xué)能以及機械能等，采用不同能源熱源在焊接過程中產(chǎn)生的效果也存在差異，具體表現(xiàn)在溫度場的不同，這樣一來產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力也就有所區(qū)別，反映在鋼結(jié)構(gòu)變形的不同形式和程度。

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

1.2鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力帶來的不良影響分析

鋼結(jié)構(gòu)焊接后若是出現(xiàn)殘余應(yīng)力，會對其整體性能帶來一定的負面影響，具體表現(xiàn)在以下幾點：

首先，超出焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度導(dǎo)致報廢。在對焊接結(jié)構(gòu)壽命進行評估時，疲勞強度是主要指標，焊接殘余應(yīng)力會對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強度產(chǎn)生影響，若是超出一定的范圍，會對鋼結(jié)構(gòu)的正常使用造成影響。

其次，影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。鋼結(jié)構(gòu)若是存在焊接殘余應(yīng)力，會導(dǎo)致其焊接部位出現(xiàn)一定的變化，穩(wěn)定性出現(xiàn)下降，引發(fā)裂縫、氧化、變形等問題，為結(jié)構(gòu)生產(chǎn)帶來不利影響。

再次，損害鋼結(jié)構(gòu)的強度。焊接殘余應(yīng)力會焊接部位強度下降，處于薄弱狀態(tài)，進而發(fā)生變形、開裂等問題，最終導(dǎo)致整個鋼結(jié)構(gòu)的失敗。

再次，影響鋼結(jié)構(gòu)的剛度。對于焊接結(jié)構(gòu)而言，其剛度直接感應(yīng)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(xiàn)彎曲變形。在焊接殘余應(yīng)力的影響下，焊接內(nèi)部結(jié)構(gòu)會處于松散狀態(tài)，造成剛度的不利變化。

最后，引起裂縫問題。裂縫是焊接結(jié)構(gòu)中最常見的問題之一，往往具有很強的危害性。焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫最初往往表現(xiàn)為裂紋，若是不能有效處理，最終就會發(fā)展為裂縫，導(dǎo)致整個鋼結(jié)構(gòu)部件開裂損壞。

2.焊接殘余應(yīng)力的方法和焊接變形控制技術(shù)

2.1鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力控制的有效方法

在對焊接殘余應(yīng)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(shù)，增加其受熱溫度，使焊接結(jié)構(gòu)處于長時間保溫狀態(tài)，其原理是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)在低溫時，其內(nèi)部參與應(yīng)力會因為焊接殘余應(yīng)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(yīng)力。

其次，錘擊消除法，該方法是在結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的殘余應(yīng)力，避免焊接結(jié)構(gòu)變形情況發(fā)生。需要注意的是，在進行手錘錘擊的過程中，應(yīng)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(fā)，該方法是現(xiàn)階段焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力控制中應(yīng)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(yōu)勢，而且不會造成焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振形成循環(huán)應(yīng)力，以此降低焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力。

2.2鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制技術(shù)

首先，對焊接量進行合理的控制。基于上文敘述的鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的因素，在焊接過程中，若是具備焊接結(jié)構(gòu)技工性能的條件，應(yīng)盡可能的減少焊縫的數(shù)量。為了達到這種效果，在焊接工作開始前，要對焊接結(jié)構(gòu)進行充分分析，在此基礎(chǔ)上做出科學(xué)的布置，力求不對母材進行焊縫。若是必須進行焊縫，則應(yīng)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(yīng)力的產(chǎn)生，從而防止焊接結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形問題。

其次，對焊接工藝順序進行優(yōu)化調(diào)整。就目前而言，我國焊接工藝技術(shù)仍舊存在很大的發(fā)展空間，這意味著依舊存在許多不足有待完善，而工藝技術(shù)的不完善也是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因之一。因此在鋼結(jié)構(gòu)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?shù)恼{(diào)整優(yōu)化，可以大幅度的降低焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的幾率。例如，將焊接結(jié)構(gòu)中收縮量較大的部位優(yōu)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(jié)構(gòu)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(nèi)，如此就可以最大程度的減小殘余應(yīng)力。

最后，采用先進的焊接技術(shù)。過去焊接采用的技術(shù)工藝或多或少都會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的負面影響，通常表現(xiàn)為零部件氧化、焊縫增加等，進而導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。從這方面考慮，為了預(yù)防焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變化，應(yīng)該積極引進并應(yīng)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(shù)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(fā)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(jié)語：

綜上所述，當前階段，焊接技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)變得十分廣泛，與此同時，各行各業(yè)對焊接結(jié)構(gòu)性能及焊接質(zhì)量的要求也在提升，作為影響焊接質(zhì)量的主要問題，焊接殘余應(yīng)力也受到了越來越多的關(guān)注，如何消除焊接殘余應(yīng)力是現(xiàn)如今一個十分熱門的研究方向。就當前發(fā)展情況來看，想要完全消除焊接殘余應(yīng)力并不現(xiàn)實，最好的方法是盡可能的對其影響進行控制，除了一些應(yīng)力消除方法外，還應(yīng)積極引入新技術(shù)，對焊接工序進行優(yōu)化調(diào)整，同時加強創(chuàng)新研究，如此才能推動我國焊接技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

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