钢结构残余应力控制技术探析

摘要：在对钢结构进行焊接时，残余应力是影响钢结构稳定性与承载能力的主要因素，也提高了焊接操作的难度。根据钢结构的结构特点，合理的制定焊接工艺，减少残余应力产生的可能性，具有十分重要的现实意义。本文对焊接应力产生的原因进行了分析，然后针对性的提出了控制钢结构残余应力的措施，以供同行参考。

关键字：钢结构；残余应力；工艺措施

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

一、焊接应力产生的原因

如果在焊接过程中操作不当，则极易产生焊接应力的现象。焊接应力产生最本质的原因就是受热不均，同时还受金属收缩率、钢结构的刚性等因素影响。此外，焊缝在构件中所处的位置、焊接工序的顺序、焊接电流等因素，如果选取不合理，也会产生焊接应力。

1、焊件的不均匀受热

在焊接时，如果构件受热不均匀，当过热位置的温度使钢材发生屈服现象时，构件就会产生一定量的形变，在焊接结束后，就会产生残余应力[1]。在焊接过程中，钢材受热会出现拉长变形，在冷却后，会进行收缩，如果收缩的彻底，则焊件的残余应力小，变形大；如果收缩不完全，则残余应力大，变形小。

2、焊缝金属的收缩

在焊缝内熔融的焊丝固化冷却后，会产生一定的收缩，但由于熔融的焊丝与构件在加热的状态下，已融为一体，因此，熔融的焊丝在收缩时会受到构件的约束和影响。这样，在收缩的过程中就会产生变形，同时也会出现残余应力。此外，在焊接过程中，一条焊缝无法在同一时间内完成，先完成焊接的部分在固化冷却后，会约束后面焊接部分的冷却收缩，这一过程中，也会产生残余应力。

3、焊件的刚性与拘束

焊接应力受焊件刚性与拘束的影响也很大。焊件的刚性是指焊件坚硬不易变形的程度；焊件的拘束是指周边的构件对焊件变形的限制和影响。刚性是钢材自身的特性，与构件的材质、尺寸和横截面有关，属于内因；拘束是外界对构件的作用，属于外因[2]。构件的刚性愈强、周边的拘束愈大，焊接应力就愈大，焊接产生的变形就愈不明显；相反，如果构件的刚性较弱、周边的拘束也较小，则焊接应力就较小，焊接产生的变形就愈严重。

除了上述原因外，焊接过程中的高温也会使钢材的内部组织结构发生变化，这种金相结构的变化，会使焊接部位的体积产生变化，也会导致残余应力和变形现象的产生。

二、焊接残余应力的控制措施

残余应力控制的主要目的是：通过采取相应的控制措施，避免残余应力集中和叠加的现象产生，使应力在构件中平均公布，并减小其峰值，以提高钢结构的稳定性、安全性和承载能力。控制焊接残余应力具体可以从以下几方面着手：

1、采取合理的焊接顺序

（1）当钢结构尺寸较大时，焊接的起始位置应设在中间，从中间向四周延伸进行焊接，使收缩按焊接的顺序由内向外进行。

（2）焊缝交叉的情况如果无法避免，则在焊接时，应对焊接交叉处的质量进行严格控制。如果在交叉位置附近纵向焊缝出现未焊透等缺陷，那么这些缺陷会与横向焊缝的应力相互作用，形成三向应力的情况[3]。因此，交叉位置处的焊缝应小心焊接，避免产生焊接缺陷，保证焊缝的质量，使焊缝能够自由收缩。在进行交叉焊接时，应注意先焊短缝、后焊长缝的顺序原则。

（3）焊接时收缩量较大的焊缝应优先焊接。在对钢结构进行焊接时，应遵循先焊对接缝，后焊角缝的原则。

2、间断焊接法

由于受热是变形和应力产生的主要原因，在实际焊接时，可根据结构的实际情况，采用隔一段焊一段的间断焊接法。如在对铸铁钢材进行电弧焊时，可焊接较短的一段，待焊缝冷却后，再间隔一大段进行焊接，让焊点在焊缝上均匀分布。这样可以使焊接温度一直处于较低的水平，能够有效降低残余应力。

3、减小焊缝尺寸

焊接应力产生的主要原因为受热不均而导致的局部过热循环，因此，在对设计要求没有影响的情况下，应对焊缝的设计进行适当优化，尽量减小焊缝的长度，以及焊接的高度，焊接破口应尽量设置为双面坡口焊，从焊缝大则安全的观念误区中走出来。

4、减小焊接拘束度。

在焊接冷却之后，如果周边构件对焊缝的约束越大，则产生的残余应力就大，因此，应尽可能减小焊缝的拘束度。如果构件的结构尺寸较长需要焊接时，应在构件为零配件状态时进行焊接，不要在焊接组装完成之后再进行焊接，按照由小至大、由简至繁的原则进行焊接。如果在全部组装结束后再进行焊接，则焊缝的约束变会增大，从而产生较大的残余应力。

5、采用补偿加热法

在焊接时，如果焊接的热量迅速褪去，在冷却收缩的过程中，焊缝会产生裂缝的现象。故在对厚板进行焊接时，在焊接之前应对焊缝周边的构件进行预热，预热温度应考虑钢材的含碳量来最终确定。在对构件实施焊接操作时，焊接位置的温度大于200℃，在焊接完成后，焊接的区域会进行一定量的收缩，但这一区域从整个钢结构来说，仅是其中的一小部分，焊接以外的部分由于未经过焊接以及预加热，则会对焊接处施加十分巨大的约束力，产生较大的残余应力，严重的情况还会出现裂缝。对于这类问题，在焊接完成后，应在钢结构上与焊接对称的位置进行加热，加热温度设置为预热温度与焊接温度之间，比较适中的温度，并且保持这一温度直至焊接结束。通过这一方法，焊接应力可以得到有效改善。

6、如果钢结构较为大型，应对其分割成几个小部分，在每个部分制作、焊接结束后，再将各个部分组装到一起进行焊接。

三、结论

综上所述，在焊接过程中，残余应力是影响构件稳定性和承载能力的主要因素，是使构件产生脆断现象的罪魁祸首。在实际生产作业时，对焊接残余应力和变形的控制方法有许多，应对钢结构的材质、形状、尺寸等因素进行综合考虑，选取最为行之有效的焊接应力控制方法，以取得最优的焊接效果。

参考文献：

[1]黄向红.焊接残余应力对结构性能的影响[J].现代机械，2011，(01):111-114.

[2]杨坪，苏威.焊接工艺参数对焊接残余应力的影响[J].热加工工艺，2010，(07)：102-104.

[3]黄向红.焊接残余应力对疲劳强度的影响及改善[J].热加工工艺，2010，(15)：130-135.