鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力分析

■嚴(yán)靜川 ■中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心四川總隊(duì)機(jī)械廠，四川 成都 610061

鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)無疑給建筑領(lǐng)域帶來了契機(jī)，因其在強(qiáng)度、自重、抗震性能、施工速度等很多方面都有很大優(yōu)勢，現(xiàn)已得到廣泛采用。但是鋼結(jié)構(gòu)也不是萬能的，也具有其自身的缺陷和潛在隱患，比方說隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其脆斷和疲勞破損問題越來越嚴(yán)重，其穩(wěn)定性也是鋼結(jié)構(gòu)自使用以來一直都存在的一個(gè)缺陷。因此，筆者有意在本文中對鋼結(jié)構(gòu)焊接的殘余應(yīng)力的分類、產(chǎn)生原因等方面進(jìn)行分析，提出了解決殘余應(yīng)力的若干辦法，希望在以后類似工程中可以參考和借鑒。

1 殘余應(yīng)力的分類

焊接冷卻后焊件中仍有未消除的應(yīng)力，這些殘余在焊件中的應(yīng)力通常就是大家所說的焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的方向也是有區(qū)別的，因此才把殘余應(yīng)力分為縱向、橫向和沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力三種。

1.1 縱向焊接殘余應(yīng)力

由于在焊接時(shí)出現(xiàn)不均勻受熱和冷卻的影響，在進(jìn)行焊接的過程中會(huì)形成溫度不同的溫度場。溫度場不同其膨脹程度也有所不同，焊縫及其附近的溫度高膨脹的也最大，臨邊溫度較低膨脹小，相對來說會(huì)塑性壓縮。等到焊縫冷卻后被塑性壓縮的區(qū)域要比其他區(qū)域的長一些，這就形成了焊縫區(qū)的縱向殘余應(yīng)力。

1.2 橫向殘余應(yīng)力

形成橫向殘余應(yīng)力的原因概括起來一方面是在焊接時(shí)焊縫縱向收縮，鋼板向外彎曲形成弓形。焊縫將兩塊鋼板連成一體不分開，所以在焊縫的中間有了橫向拉應(yīng)力，在兩端有了橫向壓應(yīng)力。另一方面，在對焊縫進(jìn)行焊接時(shí)，焊接位置不同，冷卻的時(shí)間也會(huì)有所區(qū)別。先焊到的焊縫先冷卻下來，具有一定的強(qiáng)度，后面的焊縫由于尚未冷卻，冷卻下來的焊縫就會(huì)組織后來焊縫的橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性壓縮變形。焊縫的橫向殘余應(yīng)力和橫向應(yīng)力、施焊方向、先后次序密切相關(guān)，所產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力就是在橫向拉應(yīng)力和橫向壓應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

1.3 沿焊縫厚度方向的殘余應(yīng)力

如果鋼結(jié)構(gòu)比較厚，要采用多層施焊的焊接方式。所以焊接時(shí)除了存在橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力外，沿焊縫厚度方向還存在著一種殘余應(yīng)力。這樣會(huì)降低鋼結(jié)構(gòu)連接的塑形，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，影響結(jié)構(gòu)性能和工程質(zhì)量。

除此之外，殘余應(yīng)力不單單指這三種力，如果焊件處在約束狀態(tài)，如焊件被固定或是漢奸本身剛度就比較大的情況下進(jìn)行施焊，焊邊殘余應(yīng)力由于不能自由伸縮變形，殘余應(yīng)力就會(huì)增加，且依照約束程度的強(qiáng)弱殘余應(yīng)力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

2 產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因分析

2.1 直接應(yīng)力

焊接時(shí)不均勻的加熱和冷卻作用形成了溫度梯度，是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的最主要的因素，因此有必要對溫度梯度對殘余應(yīng)力的影響做進(jìn)一步的分析。在進(jìn)行施焊時(shí)如果各部分受熱不均勻，其熱膨脹的位置也就不同，各部位之間相互制約就會(huì)形成熱應(yīng)力。在冷卻的過程當(dāng)中各部分的冷卻時(shí)間不一致，熱應(yīng)力同樣會(huì)發(fā)生變化。

2.2 間接應(yīng)力

間接應(yīng)力主要指焊前加工狀態(tài)時(shí)受到的壓力，此外如果焊接受到外界條件的制約而產(chǎn)生的附加力也屬于間接應(yīng)力。加工時(shí)的應(yīng)力主要是焊件在焊接前需要經(jīng)過軋制或拉拔，所以會(huì)產(chǎn)生間接應(yīng)力。間接殘余應(yīng)力有時(shí)不是孤立存在的，在某些特定場合下會(huì)疊加到焊接殘余應(yīng)力上形成合力，對日后焊接變形也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，不過這種影響不是很明顯。

2.3 組織應(yīng)力

通常情況下組織應(yīng)力因含碳量和材料其它成分不同而有所區(qū)別，因此需要考慮發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度對組織應(yīng)力的影響。

3 Dat 降低殘余應(yīng)力的措施

我們都知道，要想完全消除殘余應(yīng)力是不可能的，但我們可以通過一些舉措來降低殘余應(yīng)力。為了提高鋼結(jié)構(gòu)的整個(gè)承載力和增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的安全性能，我們可以消除殘余應(yīng)力的集中和疊加問題，把應(yīng)力均勻分布開來。

3.1 振動(dòng)時(shí)效法

長期的焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，振動(dòng)時(shí)效法對于降低焊接殘余應(yīng)力的作用非常明顯，具體表現(xiàn)在它不受鋼結(jié)構(gòu)尺寸、形狀、重量等因素的制約，具有周期短、效率高和無污染的很多優(yōu)勢。因此可以選擇有效的振型，對鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位施加適度應(yīng)力，振動(dòng)時(shí)可以降低和均化殘余應(yīng)力，能夠有效保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而且在環(huán)狀鋼結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)時(shí)效法還可以穩(wěn)定構(gòu)件行為尺寸，并且效果極好。

3.2 采取合理的焊接順序

焊接順序應(yīng)遵循先焊中間后焊四周的方法進(jìn)行施焊，這樣可以使焊縫從中間向四周一次進(jìn)行收縮。如果平面上出現(xiàn)交叉焊縫，應(yīng)該重點(diǎn)留意交叉處的焊接質(zhì)量。若是靠近縱向焊縫的橫向焊縫處出現(xiàn)未焊透的情況，且未焊透的位置正好在縱焊縫的拉伸應(yīng)力場中，就會(huì)形成三向應(yīng)力。

3.3 間斷焊接法

間斷焊接法可以使焊接區(qū)附件的金屬長期處于冷卻狀態(tài)，減低了鋼結(jié)構(gòu)的熱度，減小了焊接應(yīng)力。方法是根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的具體情況間歇性的進(jìn)行焊接工作。比如在對鑄鐵進(jìn)行電弧冷焊時(shí)，每次把一段很短的焊縫焊接完畢后，稍微停留一段時(shí)間再焊接下一段。

3.4 減小焊縫尺寸

設(shè)計(jì)要求，在深化設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，應(yīng)充分考慮局部加熱循環(huán)二引起的焊接內(nèi)應(yīng)力，消除焊縫越大越安全的錯(cuò)誤觀念。施焊過程中要控制好焊縫尺寸和余高，優(yōu)化焊縫尺寸，控制好焊縫坡口，并且盡量采用雙面坡口。

3.5 減小焊接拘束度

焊接時(shí)構(gòu)件受到的約束力越大其焊接應(yīng)力就越大，鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量會(huì)受到影響。所以在焊接時(shí)應(yīng)盡量保證焊縫處受到盡量小的約束力。例如遇到長構(gòu)件的焊接時(shí)，可以拼接板條，十七在自由狀態(tài)下施焊，千萬不可等到組裝時(shí)再施焊。按照施工工藝應(yīng)現(xiàn)將其進(jìn)行拼接，再進(jìn)行組裝焊接。如果組裝完畢后再進(jìn)行施焊，其各個(gè)部位都無法自有收縮，約束力會(huì)大大增加，殘余應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加。

3.6 對構(gòu)件進(jìn)行分解施工

常體積較大，焊接起來相對復(fù)雜，可以把大型鋼結(jié)構(gòu)分成若干部分分別進(jìn)行焊接。等到焊接結(jié)束校正合格后再進(jìn)行總裝焊接工作。

3.7 補(bǔ)償加熱法

采用焊前預(yù)熱的方法，可以減少焊接熱輸入的流失，避免焊縫在焊接時(shí)產(chǎn)生裂縫。即當(dāng)板厚比較厚時(shí)，就需要采取一定的措施來完成焊接任務(wù)。通常情況下可以對焊縫周圍的一些區(qū)域進(jìn)行加熱，加熱的溫度根據(jù)板的厚度和木材碳當(dāng)量的情況來確定。某條焊縫經(jīng)過預(yù)熱進(jìn)行施焊時(shí)，焊縫區(qū)域的溫度相對比較高，隨著焊縫焊接工作的開展，該部分區(qū)域必然會(huì)發(fā)生熱脹冷縮的自然現(xiàn)象，但是該區(qū)域僅占整個(gè)工作面的一小部分，另外，一部分母材處于常溫狀態(tài)或是冷卻狀態(tài)，會(huì)對焊接的那部分區(qū)域產(chǎn)生很大的約束力，從而形成很大的應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生裂紋。如果這時(shí)能夠在焊縫區(qū)域的對稱位置進(jìn)行加熱，把溫度控制在略微高于預(yù)熱溫度的范圍內(nèi)，并且在焊接的整個(gè)過程當(dāng)中都持續(xù)進(jìn)行加熱工作，就會(huì)大大改善應(yīng)力較大的狀況，鋼結(jié)構(gòu)的變形問題也會(huì)大大改善，保證了鋼結(jié)構(gòu)的美觀外形和質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)的使用性能和工程質(zhì)量是一個(gè)很大的制約因素，采取有效的措施把殘余應(yīng)力降至最小是筆者的初衷。在本文中對于鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的分析如有不妥之處，還望讀者能夠給予更好的建議。

［1］商廣泰，蔣鳳昌.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的ANSYS 分析.廣東建材，2005(2):54～55.

［2］李曉玲.大型焊接結(jié)構(gòu)殘余變形分析.洛陽大學(xué)學(xué)報(bào)，1995(04).