淺析鋼結構焊接變形與殘余應力控制方法

蔣光軍

(四川攀鋼鋼構有限公司，四川攀枝花 617000)

隨著大跨度建筑的興起，鋼結構越來越多地應用于建筑工程中，特別是大型的工業廠房。近幾年，建筑行業中提倡使用裝配式鋼結構代替傳統的焊接作業，所有構件在工廠內標準化預制，運至施工現場直接通過螺栓連接，避免焊接過程中焊接變形和殘余應力對結構的影響。但對于裝配式鋼結構存在不足之處，其對加工的精度要求極高，螺栓孔錯位將導致構件無法連接，將焊接應用于裝配式鋼結構工程中可有效地減少施工難度，部分螺栓連接部分焊接，可提高施工效率的同時解決構件無法連接的問題。焊接過程中不可避免的會產生焊接變形和殘余應力，如何有效地控制焊接變形和殘余應力將直接影響焊接在工程中的使用。

1 焊接變形和殘余應力

1.1 焊接變形

焊接變形是焊接過程中不可避免的，施焊電弧高溫引起鋼構件在焊接處發生縮短、彎曲及角度等變化，即焊接變形。焊接變形可分為兩種形式，一種是因高溫導致的變形，該變形在溫度冷卻后可恢復，為瞬時變形；第二種是因焊接作業產生的永久性變形。焊接變形對結構安裝的精確度影響較大，產生焊接變形極易導致結構無法安裝。

1.2 殘余應力

殘余應力產生于鋼構件的焊接及熱影響區域，其對鋼構件最直接的影響是降低構件的承載能力和增大開裂的可能性，鋼構件的開裂大多發生在焊接區域。在焊接區域，當構件的殘余應力和荷載共同作用效果超過焊縫的承載力時，焊縫處就開始產生裂紋，并逐漸擴大成裂縫，構件也就易從裂縫處產生斷裂，而此時構件承受的荷載并未達到其極限承載力，卻因焊縫的斷裂導致整個構件的失效。

2 減小焊接變形和殘余應力的方法

2.1 焊接變形的控制

2.1.1 合理的焊接方法

選擇合理的焊接方法對控制焊接變形有著直接的影響，就能量密度來說，選用能量密度較高的焊接方法可有效減少焊接變形。當焊接熱輸入較小時，其引起的焊接變形可得到一定的控制，但焊接熱輸入過小將導致焊接效率的降低。為減小因焊接溫度場引起的變形，可選擇跳焊或者逐步退焊的方式進行。

2.1.2 剛性固定法

在焊接前對結構進行固定，增大其在焊接時的剛度，減小其焊接變形量。該方法對剛度較小的構件效果較為顯著，隨著剛度的增加效果逐漸降低，特別是對于彎曲變形，而對于產生的角變形和波浪變形較為有效。雖然剛性固定法增加了焊接時構件的剛度減小焊接變形，但同時卻也增加了焊接應力。

2.1.3 反變形法

構件在焊接中將產生彎曲變形、角變形或波浪變形等形式，反變形法即在焊接前將構件裝配成與焊接變形相反的預先變形，焊接變形的大小剛好與預先變形一致，通過焊接使得焊接后的構件達到正常狀態。該方法在實際運用中存在較大的困難，難以控制預先變形與焊接變形一致，焊接完成后始終存在一定的變形。

2.1.4 散熱法

散熱法是在焊接部位放置銅墊板或用水冷卻焊接部位背面，把焊接部位的熱量迅速散去，使得焊縫區域受熱面積得以縮減，以達到減小焊接變形的目的。但該方法不適用于具有淬火傾向的材料，在將熱量迅速散去過程中焊縫易產生裂紋，降低焊縫的承載能力。

2.2 殘余應力的控制

2.2.1 熱處理法

熱處理法是將鋼結構緩慢加熱至退火溫度并保持一段時間，再以一定的速度進行降溫，因鋼結構的屈服應力和溫度呈反相關的關系，當構件持續升溫至退火溫度時，其內部的屈服應力是低于殘余應力，且殘余應力在局部塑形變形中逐步的減小。同時，鋼結構在退火溫度中發生蠕變，殘余應力得到進一步的釋放。該方法只能部分消除焊接殘余應力，并不能達到完全消除的狀態，其對殘余應力的消除率一般為40 %～80 %之間。另外，因需要對結構進行加熱且保持一段時間的退火溫度將消耗大量的能源。

2.2.2 振動時效法

振動時效法是通過增加外部振動源使得結構與振動源達到共振效果，并于內部產生振動應力，當振動應力和殘余應力的疊加量超過材料的屈服強度后，材料本身將發生一定的塑性變形，從而降低內部的殘余應力。該方法對消除鋼結構內部殘余應力的作用有限，其消除率一般為30 %～50 %之間，但其操作簡單，僅需將激振電機固定于結構上并達到共振作用即可，是工程中常用的一種消除鋼結構內部殘余應力的方法。

2.2.3 豪克能法

豪克能法是消除焊接殘余應力方法中最有效的一種方法，消除率可達80 %～100 %，該方法是利用大功率的豪克能工具對鋼結構的表面進行沖擊，使得結構的表面產生較大的壓縮塑性變形，極大地釋放了因焊接產生的殘余應力。在降低內部殘余應力的同時，因其對焊縫區域的高速沖擊使得焊接的疲勞性得到了極大提高，處理后的焊接區域的抗疲勞強度可提高50 %～120 %。

3 結束語

從焊接變形和殘余應力的產生原因分析，采取有效的控制方法，對鋼結構整體穩定及安全性有著重要的意義，使鋼結構的抗壓、抗彎、抗扭性能得到充分的發揮，避免因焊縫的斷裂造成結構的整體破壞。