大型鋼結構屋架焊接應力釋放研究

[摘 要] 在大型鋼結構屋架平臺施工中，焊接是重要工序.如何消除焊接應力，控制焊接變形，是保證工程質量的關鍵.針對大型鋼結構屋架平臺焊接變形問題，施工前應分析出影響變形的主要因素并預見變形的方向，制定預防、矯正變形、釋放焊接應力的措施.本文通過對大型鋼結構屋架平臺施工經驗的總結，提出可操作性防變形措施，在文中主要針對的是大型鋼結構屋架的焊接應力進行探討，提出了相應的解決方案。

[關鍵詞]大型 鋼結構 組裝 焊接 變形 應力 控制 措施

一、焊接應力與釋放概述

1.焊接應力概述

焊接應力:是焊接過程中焊件內產生的應力。它是導致結構變形，形成裂紋的主要原因。焊接應力可分為瞬態熱應力和焊接殘余應力。焊接應力的危害可從兩方面考慮:

(1)對結構完整性的影響

焊接熱應力可促使焊縫產生熱裂紋，殘余應力導致焊后延遲裂紋的形成。

(2)對結構服役性能的影響

焊接殘余應力可以加速疲勞破壞，導致應力腐蝕開裂(包括硫化物引起的開裂和堿脆破壞)，產生低溫脆斷破壞，促進材料的腐蝕磨損等，壓縮殘余應力還會造成薄板結構或細長桿件的壓曲失穩，產生面外變形。

2.應力釋放

應力釋放(stress relief)是指物體內某一點的應力由于釋放能量而降低的現象;確切地說是能量釋放。應力釋放一般有兩種情況:其一，在應力集中的部位，如斷裂端點和交叉部位等處發生形變或破壞，導致應力釋放。其二，并非應力集中的地區巖質相變、巖石力學性質變化或其他原因，致使強度降低，也會發生形變或破壞，造成應力釋放。

二、焊接應力減小與釋放的研究

在焊接過程當中，由于焊接點的好壞，往往會出現焊接殘余應力，焊接殘余應力和殘存變形將影響構件的受力和使用，并且是形成各種焊接裂紋的因素之一，應在焊接、制造和設計時加以控制和重視。因此在焊接大型鋼結構屋架的時候，由于我們需要對焊接應力進行詳細的分析與研究，將焊接應力所產生的影響降低到最小的限度。一般來說，焊接的方式主要分為幾種，熱時效、加載法、超聲沖擊與錘擊。以下就這幾種方式進行探討。

1.大型鋼屋架不應采用熱時效方法

對重要焊接構件先進行整體熱時效，然后在現場與其它構件進行組合拼焊的工藝是建筑鋼結構制造常采用的方法。在焊接很多大型鋼結構建筑物的時候，我們一般都是采用整體熱時效，然后運現場拼焊。采用盲孔法殘余應力測量技術對轉換柱熱時效工藝效果，通過熱時效的焊接方式，可以具有焊縫去氫、恢復塑性和消應力三重功能。在焊接過程當中，一般認為熱時效的消應力效果為40-80%，能有效的保證焊接的效果完整。

但是對于本論文案例——大型鋼結構屋架來說，在現場采用的拼焊的方式，很容易導致殘余的應力依然保存在鋼的結構當中，無法再焊接的過程中消除，加上現場無法采用進一步的熱時效的方式對屋架進行處理，僅采用局部的熱時效無法達到消除整個殘余應力的要求，加上局部的熱效應在加熱的邊緣還會出現新的殘余應力無法得到清除。因此現場采用局部熱時效的方式建議在焊接過程當中作為焊接小型的鋼材為主。焊接大型鋼結構的屋架建議考慮其它補充、替代工藝。

2.建議采用加載法

加載法就是通過不同方式在構件上施加一定的拉伸應力，使焊縫及其附近產生拉伸塑性變形，與焊接時在焊縫及其附近所產生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，達到松馳應力的目的。這種方式可以在一定程度上進行進行大型鋼結構屋架的焊接。由于在焊接前先將所焊接的鋼彩進行拉伸。在焊接完畢之后，鋼材能夠在恢復時抵消焊接應力的影響，并且能夠有一定的伸縮度，提高屋頂的承重能力。因此焊接大型鋼結構屋架應該主要采用這種方式。

3.焊接過程中補充使用超聲沖擊與錘擊的方法

超聲沖擊消應力技術由烏克蘭巴頓焊接研究所提出，近年引入我國，已在北京電視臺鋼結構立柱上進行過試驗。超聲沖擊消應力工藝的特點是:在超聲頻率(≥16KHz)下應用束狀沖頭，在對焊趾和焊縫表面進行沖擊;從實驗的數據來看:

⑴超聲沖擊對一定深度的表層有消應力的效果，在采用對焊道全覆蓋沖擊時，被沖擊的表面會形成壓應力，對2～4mm深度層消應力效果可達34～55%。

⑵采用焊趾沖擊法，可以快速修復焊趾的缺陷，降低應力集中。并伴隨其壓應力區的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應力，下降率達19%，對提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。

⑶由于沖擊工藝處理的特點，僅可以用于沖擊工具可達的外表面，其工作效率約為1200mm2/min。

沖擊工藝一般采用的應壓力的方式將焊接應力隨著振動的方式進行消除，這種工藝一般適用于短焊接的局部處理。例如修補焊接口，小配件焊接方式等。焊接后容易產生延遲冷裂紋的情況。因此在屋架焊接上可以采用于一些零件搭配焊接的方面。

三、結束語

從上述分析我們可以知道，在焊接的過程當中會出現焊接應力來影響整個焊接的結果，因此在焊接之前，認真了解所焊接的工藝屬于什么類型的產品和焊接的方法等，就能夠在焊接過程當中最大限度的消除焊接應力。

⑴ 建筑屋架鋼結構焊后存在高的殘余應力，時效工藝可以明顯降低應力水平，對安全性及使用壽命帶來好處。

⑵ 上述消應力工藝皆可應用于大型鋼結構屋架:其中熱時效可作為重要零部件的整體消應力工藝;加載法、超聲沖擊、錘擊可作為現場拼焊后的消應力和控制應力集中的工藝;加載法可更廣泛地滿足現場拼焊控制殘余應力的要求。

參考文獻:

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