厚鋼板對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力研究與分析

■劉國(guó)良，李 顯，滕文馨，黃業(yè)博 ■河海大學(xué)，江蘇 南京 210098

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼板的結(jié)構(gòu)性能越來(lái)越優(yōu)越，具有硬度強(qiáng)、質(zhì)量輕、抗震性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的運(yùn)用與當(dāng)代的建筑行業(yè)。鋼結(jié)構(gòu)是利用了鋼材設(shè)計(jì)制作成構(gòu)件后，然后將構(gòu)件連接到一起而組成的，而用來(lái)連接的方式最主要的就是焊接，鋼板在冷熱焊接加工的時(shí)候，難免會(huì)出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力可以對(duì)鋼板的使用年限造成影響。

1 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因

1.1 縱向殘余應(yīng)力

所謂的縱向殘余應(yīng)力指的是，沿著焊縫長(zhǎng)度的方向的殘余應(yīng)力。鋼材在焊接的過(guò)程中，被焊接的區(qū)域溫度很高，邊上的溫度較低，從而會(huì)在這一區(qū)域形成一個(gè)不均勻的溫度場(chǎng)，使得膨脹的也出現(xiàn)了不規(guī)則，低溫度的區(qū)域鋼板的膨脹相關(guān)較小，在一定程度上高溫區(qū)域的膨脹會(huì)受到其影響，出現(xiàn)了熱塑性壓縮反應(yīng)。當(dāng)開(kāi)始冷卻的時(shí)候，焊縫兩邊的鋼材又會(huì)制約只塑性壓縮，從而引起焊縫縮短，出現(xiàn)縱向的拉應(yīng)力［1］。因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力是產(chǎn)生在鋼板內(nèi)部的結(jié)構(gòu)中的，沒(méi)有承受重力的作用。因此，就會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)縱向的殘余應(yīng)力。

1.2 橫向殘余應(yīng)力

所謂的橫向殘余應(yīng)力指的就是，垂直在焊縫方向的殘余應(yīng)力。受到塑性壓縮焊縫的影響，它可以讓焊縫兩邊的鋼板出現(xiàn)反向的彎曲變形，在兩塊鋼板之間又會(huì)出現(xiàn)橫向的拉應(yīng)力，與此同時(shí)鋼板的兩邊又會(huì)形成壓應(yīng)力。在焊接的過(guò)程中，對(duì)鋼板進(jìn)行焊接的順序有先后，先焊接的焊縫會(huì)先凝固，從而對(duì)后焊縫的膨脹出現(xiàn)制約，引起橫向的塑性壓縮變形，在冷卻的過(guò)程中，先焊接的已經(jīng)完全凝固的焊縫會(huì)限制后焊接的焊縫收縮形成橫向的拉應(yīng)力，與此同時(shí)，后面焊接的焊縫的最遠(yuǎn)端又會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，兩塊鋼板之間的拉與壓應(yīng)力和先焊接的橫向拉力與焊接最遠(yuǎn)端的拉應(yīng)力結(jié)合到一起，最后就會(huì)出現(xiàn)焊縫的橫向應(yīng)力。

1.3 沿厚度方向的殘余應(yīng)力

厚鋼板在焊接的過(guò)程中，由于鋼板的厚度問(wèn)題需要在厚鋼板上進(jìn)行多次的焊接，可厚度會(huì)使得焊接的溫度的出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象，在對(duì)其進(jìn)行冷卻時(shí)表面又會(huì)比中間部位快，從而就會(huì)在中間層出現(xiàn)拉應(yīng)力，在表層出現(xiàn)壓應(yīng)力，以至于出現(xiàn)橫向與縱向的殘余應(yīng)力。從上面分析可以看出出現(xiàn)殘余應(yīng)力的原因主要就是在焊接過(guò)程中，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的不均勻加熱和冷卻而形成的，這會(huì)嚴(yán)重的影響鋼板的結(jié)構(gòu)性能，因此，必需要想辦法解決這個(gè)問(wèn)題。

2 厚鋼板對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的因素

2.1 結(jié)構(gòu)剛度的原因

焊接殘余應(yīng)力可以將鋼結(jié)構(gòu)能夠承受的外荷載的面積減小，從而減低其剛度。鋼結(jié)構(gòu)會(huì)受到外荷載的影響下出現(xiàn)應(yīng)力，該應(yīng)力可以和結(jié)構(gòu)中殘留的殘余應(yīng)力相互結(jié)合，當(dāng)兩種力工作作用下使得鋼板的承受能力超出極限時(shí)，就讓鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂或是無(wú)法繼續(xù)承重，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生影響。

2.2 疲勞強(qiáng)度的原因

鋼材在隨著使用的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，那么鋼結(jié)構(gòu)自然會(huì)產(chǎn)生疲勞。焊接兩側(cè)的殘余應(yīng)力可提高應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力，從而給外荷載造成一定的疲勞損傷，卻減少了焊縫接頭的疲勞程度。焊縫接頭地方的殘余拉應(yīng)力與荷載的外應(yīng)力相加，還可以使得疲勞裂紋始終都處于承受拉應(yīng)力的作用下，在外荷載循環(huán)的時(shí)候，裂紋尖端自始至終都處于開(kāi)始狀態(tài)，且會(huì)在參與拉應(yīng)力的作用下展開(kāi)，使得接頭的地方的疲勞程度減少。

2.3 低溫工作性能的原因

鋼材在低溫的情況下持續(xù)工作，外荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力相加，就會(huì)將這個(gè)區(qū)域的縱向、橫向和厚度方向的殘余應(yīng)力的數(shù)值結(jié)合到一起，從而加大了低溫區(qū)鋼板的脆性，使得鋼板在低溫環(huán)境下的性能降低。

2.4 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因

鋼板在長(zhǎng)時(shí)間的使用，經(jīng)過(guò)外部惡劣的環(huán)境的影響下會(huì)出現(xiàn)一定的腐蝕開(kāi)裂。在同樣的條件作用下，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生時(shí)間和殘余應(yīng)力有著很大的關(guān)系，當(dāng)殘余應(yīng)力過(guò)大時(shí)，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂發(fā)生的時(shí)間反而越少。假如殘余應(yīng)力過(guò)小時(shí)，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂產(chǎn)生的時(shí)間反而更長(zhǎng)。

3 焊接殘余應(yīng)力的有效控制

如鋼板結(jié)構(gòu)需要焊縫比較多的情況下，就要注意焊接的順序，可以先焊接收縮量較大的焊縫，然后再焊接收縮量較小的，先焊接拘束度較小的，再焊接拘束度較大的，從而可以最大限度的保證焊縫的收縮，大大的減少殘余應(yīng)力。先焊接受力比較大的焊縫，再焊接受力較小的，比如在對(duì)鋼梁接頭進(jìn)行焊接的過(guò)程中，就可以先在受力比較大的翼的邊緣進(jìn)行焊接，然后再對(duì)腹板進(jìn)行焊接，最后對(duì)剩下的翼邊緣進(jìn)行焊接。與此同時(shí)，焊接的順序還應(yīng)該要按照由外向內(nèi)的順序，逐漸的往后退，或者將焊接的順序進(jìn)行分散。在進(jìn)行焊接的過(guò)程中，可以將焊接的熱進(jìn)行疏導(dǎo)，從而來(lái)阻止冷卻過(guò)程中出現(xiàn)裂縫。通常情況下，焊接的鋼板厚度太厚的時(shí)候，可以根據(jù)板材的厚度和母材炭的量來(lái)判斷焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生的溫度，然后根據(jù)這個(gè)溫度事先在焊縫的周邊進(jìn)行相同溫度的預(yù)熱，從而可以有效的減少焊縫邊緣的溫度差，將焊縫邊緣區(qū)域的剛性約束，達(dá)到減少應(yīng)力的作用［2］。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，焊接的殘余應(yīng)力對(duì)厚鋼板的剛度會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，是鋼板出現(xiàn)變形甚至開(kāi)裂的最大因素，與此同時(shí)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度及其它性能等，都會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。因此，在實(shí)際的工程中，應(yīng)該采取科學(xué)合理的措施進(jìn)行解決，最大限度的將殘余應(yīng)力減小，從而達(dá)到提高鋼結(jié)構(gòu)的剛度，保證其使用的安全性。

［1］楊娜，林升，蘇超.厚板焊接接頭殘余應(yīng)力和損傷分布的研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，(11):26 -29.

［2］張紅.焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響作用研究［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2014，(06):75 -76.