鋼結構焊接應力及控制

張街

從材質自身的優勢特點進行分析，鋼結構材質相較于其他材料具有十分明顯的優勢，比如其自重較輕，不易產生過重的壓力；具有較為良好的強度，能夠承受較大的壓力且不易變形；具有極強的抗震性，可以承受較強的振動，使得鋼結構可以在各行各業中均廣泛的應用。同時，鋼結構在施工難度和工期上也具有明顯的優勢，給建筑業和鋼鐵產能帶來了機遇，因此逐漸被人們所認可，并獲得了良好的應用效果。但是在現階段，鋼結構的缺陷和隱患仍然存在，且隨著鋼結構服役時間的延長，疲勞斷裂機制的脆性越來越嚴重，抗腐蝕性越來越差，需要引起相關人員重視并加以解決[1]。

1.焊接應力和焊接變形的定義

1.1 焊接應力

焊接應力就是焊接構件由于焊接而產生的應力。具體而言，就是在鋼結構材質的高溫焊接過程中，由于局部溫度較高，導致鋼結構材質所承受的溫度分布并不均勻，不同部分之間溫度差異過大，使得有些鋼結構材質會發生明顯的膨脹和拉長，但由于相鄰鋼的應力作用，在焊接過程中收縮應力會隨著焊接時間和溫度的變化而變化，即焊接應力[2]。

1.2 焊接變形

焊接變形產生主要是因為鋼結構材質在焊接完成之后的冷卻降溫過程中，由于本身鋼結構材質所承受的溫度分布并不均勻，由此也就導致了在焊接完成后的冷卻過程中溫度場或者鋼結構不同部分的溫度分布同樣存在差異性，也就是由于冷卻的部分溫度差異過大從而導致的鋼結構不同部位之間的變形。

2.焊接應力及變形原因

通過以上的分析可以充分的了解到，在鋼結構材質采用焊接處理的過程中存在著鋼結構不同部分之間受熱不均勻的問題，也就是焊接接觸的部位溫度較高，而遠離焊接接觸點的部位則溫度較低，由此使得同一塊鋼結構材質受熱面存在較大差異。這就使鋼結構材質焊接過程中，由于焊接接觸點的中心溫度較高，極易在鋼結構受熱部位產生熱脹效應；而遠離受熱接觸點的鋼結構材質則由于產生了溫度差，極易產生冷縮效應[3]。由此可見，鋼結構由于受熱不均勻的問題造成鋼結構部分與部分之間發生截然相反的熱脹與冷縮效應，因此也就極為容易導致鋼結構材質產生部分變形的問題，從而進一步導致整個焊接鋼結構的收縮、焊接應力和焊接變形。

3.焊接應力及變形類型

鋼結構焊接后，當溫度變化引起的熱膨脹和冷收縮達到室溫時，鋼中會存在殘余應力，焊接殘余應力按應力方向可分為三種類型：

（1）鋼結構材質的焊接應力類型為縱向面上的焊接所產生的殘余應力。也就是在對鋼結構進行焊接處理時沒有與鋼結構自身產生不同的溫度區域，使得接觸焊接點的中心受溫區受熱膨脹，而遠離受溫區的鋼結構則不會產生膨脹反應或者冷縮反應，由此導致鋼結構發生受熱不均勻導致的變形。

（2）鋼結構材質的焊接應力類型為橫向面上的鋼結構焊接后所產生的焊接殘余應力。也就是在焊接過程中，由于鋼結構材質受熱不均勻，使得橫向面的鋼板之間存在一種收縮力，并且兩塊鋼板之間是通過焊接受熱的過程進行焊接，但是由于鋼板或者鋼結構材質之間存在部分與部分之間的受熱不均勻現象，所以焊接會導致鋼板以及鋼結構之間發生橫向的收縮力或者橫向的反向壓力[4]。除此之外，焊接過程中所采用的焊接順序之間的差異也在一定意義上影響著鋼板以及鋼結構材質的冷卻時間，從而導致鋼板以及鋼結構難以復原，并產生一定程度的變形。

（3）鋼結構材質的焊接應力類型是存在于鋼板以及鋼結構材質厚度層面的焊接所產生的殘余應力。具體而言，就是由于鋼板自身具有一定的厚度，在對鋼板進行焊接作業時，鋼板的外表面在與室溫接觸的過程中相較于鋼板內部冷卻較快，導致鋼板內部與外部的熱量值發生差異性變化，從而使得內外受熱不均勻，外部在冷卻過程中，內部的溫度還在上升，最終導致鋼板發生變形反應[5]。

4.焊接應力控制措施

在對鋼結構材質進行焊接時，所產生的殘余應力以及由殘余應力所導致的變形現象在操作過程中屬于正?，F象，且在日常作業中不可避免。但是為了保證鋼結構的穩定性、安全性以及美觀性，進行鋼結構材質制作與安裝的工廠多會采取一定的辦法緩解鋼結構的變形問題?，F階段，工廠經常采用的是增加剛度的方法來控制變形，如使用一些固定件或增加支架，盡量減少焊縫的數量和尺寸，采用合適的焊腳尺寸和長度等[6]。下面就應力控制措施進行詳細探討：

（1）由于焊接應力是由高溫零件的局部熱膨脹引起的。為了避免焊接過程中熱集中產生的較大應力，角焊縫宜采用薄焊縫，而不宜采用粗焊縫和短焊縫。

（2）拘束度越大，焊接應力就越大。因此，為了防止焊接應力的增加，鋼的變形不能通過剛性固定來控制。

（3）應采用合理的焊接順序和方向。首先，在焊縫較多的裝配條件下，應先焊接收縮較大的焊縫。其次，對于收縮率較低的焊縫，應先焊接應力水平較高的焊縫，且焊縫不能自由收縮[7]。最后，根據構件外觀和焊縫布置，采用低應力水平、自由收縮的焊縫。

（4）當焊接剛度較大或焊縫閉合時，通常采用反向變形的方法來降低焊接剛度和殘余應力。

（5）為防止熔合線附近及焊縫附近出現硬化或裂紋，不宜在根部敲擊焊道，而應在表面層兩側的焊道和靠近母材坡口表面的焊道處進行敲擊。

5.焊接變形控制措施

為了減少焊接變形對焊接構件的負面影響，需要從焊接工藝入手，防止焊接過程中出現變形問題。

5.1 設計措施

（1）焊縫應對稱布置，接頭應光滑，為避免截面突變引起的應力過度集中現象，應采用一定的梯度過渡方法。（2）焊縫過度集中或多向交叉，會使得交集處形成具有相同符號的多向應力場，使鋼變脆，應采用小剛性接頭來減少焊縫集中，采用焊縫連續通過、次焊縫斷裂的施工方法，防止多向焊縫交叉[8]。（3）在保證焊接質量和滿足結構承載能力的前提下，應盡可能減少焊縫尺寸。同時，對于自重允許條件下的焊接構件，應適當選用較厚材料，以減少筋板數量，從而減少焊縫數量；對于薄板焊接結構，可采用壓出可加強筋代替筋板結構，以減少焊縫數量。（4）為了避免雙向和三維交叉，減少焊縫應力和焊縫交叉，焊縫位置也不宜選在高應力區，且在搭接角處應使用長焊縫和薄焊縫，以避免高空焊接[9]。否則，焊縫會因應力過大而變形。由此可見，為了有效地控制焊接變形，必須對接頭結構、焊縫尺寸、焊縫數量、焊縫位置等進行深入分析。

5.2 應用焊接工藝

5.2.1 振動時效

相關試驗研究表明，振動時效對降低焊接殘余應力具有重要作用。VSR 的優點是不受鋼結構尺寸、形狀和重量的限制[10]。VSR 方法對穩定構件的尺寸性能有重要影響。

5.2.2 間斷焊接法

在焊接作業過程中，可采用間歇焊接法，以避免長時間針對同一部位進行焊接，滿足材料冷卻的需求[11]。

5.2.3 雙面焊縫坡口

為了控制焊縫尺寸，控制焊縫坡口角度，應盡量采用雙面焊縫坡口[12]。

6.結論

綜上所述，在鋼結構焊接中，不管是在加工過程還是安裝過程中，都應當努力控制焊接工藝所導致的焊接應力對鋼結構產生的變形作用。首先，需要明確焊接應力及變形的原因，掌握鋼結構焊接應力及變形類型，然后再根據相應的應力、變形問題采取合理的焊接方法和控制措施，以保證焊接質量，促進鋼結構的有效應用。