探析钢结构焊接残余应力

探析钢结构焊接残余应力

褚胜明

身份证号码：32108619650515xxxx江苏泰州225300

【摘要】在钢结构的应用过程中，焊接工艺是一项非常重要的应用工艺技术。对于钢结构性能的稳定性和质量安全都起到非常重要的影响作用。在焊接过程中，由于大量热量的高度集中的存在会导致残余应力的出现，对于钢结构的工程质量，会造成严重的安全隐患。本文结合自己的工作经验对于在钢结构中残余应力的产生进行了分析，并就如何消除其影响提出了具体的建议和措施。

【关键词】钢结构；焊接工艺；残余应力；分析与消除

在建筑行业中，钢结构的应用对该行业的发展起到了极大的推动作用。由于钢结构的强度以及抗震性与其他材料相比都更具优势，而且自重轻，建设施工速度快，所以现在已经在建筑行业中得到了普遍的使用。不过钢结构也存在着较多的缺点，比如在使用过程中，钢结构具有脆断性，这是一个严重影响建筑质量安全的潜在隐患。此外，疲劳破损问题也是一个非常严重的隐患，这导致钢结构的稳定性存在缺陷。笔者结合近年来钢结构焊接过程中残余应力产生的不同原因进行分类，并根据不同的产生原因对其进行了分析，提出了具体的解决措施和建议。

1、不同残余应力的分类

在钢结构的焊接过程中，由于大量热量高度集中，在焊接结束后焊件内仍存在一定的应力，这些未消除的参与在焊件中的应力就是我们经常提到的焊接残余应力。根据这种焊接残余应力方向的不同，可以分为纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和沿焊缝厚度方向的焊接残余应力三种。具体介绍如下。

1.1纵向残余应力

纵向焊接残余应力的形成主要是由于在焊接过程中焊接受热不均匀便进行冷却，这样就在焊件中形成了不同温度的温度场。而不同的温度场又会导致焊件发生不同程度的膨胀，温度场越高的地方其膨胀程度越大，所以在焊接过程中由于焊缝附近的温度最高，所以膨胀最大，而临边的温度最低所以膨胀也最低，这样就会产生塑性压缩，而由于焊缝附近的温度较高，膨胀系数较大，所以被塑性压缩后焊缝区域与临界区域相比要长一些，导致形成纵向的焊接残余应力。

1.2横向残余应力

在钢结构的焊接过程中形成横向残余应力的主要原因有两个，一个是在焊接过程中由于焊缝纵向收缩，而钢板向外弯曲，形成了一个弓形。而焊缝又将两块钢板连接在一起，形成了一个整体，这样在焊缝的中间就产生了横向的拉应力，同时在两端也产生了横向的拉应力。第二个原因是在焊接过程中，由于焊缝的焊接位置不相同，所以在焊接结束进行冷却的过程中也会出现差别。在焊接时先焊接的焊缝由于焊接时间早，冷却时间也早，所以其强度较强，而后面的焊缝由于焊接的较晚，冷却的也较晚，所以焊缝位置就会发生横向的膨胀，导致横向塑性压缩发生变形。在这两个原因的共同作用下，焊缝的横向拉应力和方向都会发生改变，最终导致产生横向残余应力。

1.3沿焊缝厚度方向的残余应力

钢结构焊接过程中产生的沿焊缝厚度方向的残余应力主要是由于钢结构的厚度较大，在焊接时需要采用多重焊接的方式进行施焊。所以在焊接过程中除了会产生纵向的焊接残余应力和横向的焊接残余应力之外，还会产生沿焊缝厚度方向的残余应力。这种残余应力的存在，对于钢结构的塑性会产生重要的影响，进而影响钢结构的脆弱性和结构性，对建筑工程的质量造成重要影响。

在钢结构的焊接过程中，焊接残余应力不仅是这三种应力，还有其他的，比如在焊接过程中如果焊件在一种约束状态下被施焊，那么会造成残余应力伸缩变形，进而导致残余应力的增加，不过在钢结构的焊接残余应力中，这三种残余应力是主要的。

2、对残余应力产生原因的分析

2.1直接应力

在焊接过程中，由于焊件受热不均匀以及在冷却时的差别形成了不同的温度场，这是造成残余应力产生的最主要原因。所以对于焊接残余应力的分析首先就需要对这种温度场进行分析。温度场的不同导致在焊接过程中焊件的受热不均匀，这样焊件的不同位置就会发生不同程度的膨胀，这又导致产生了不同位置之间的热应力，而冷却时由于膨胀程度不同，所以冷却后位置也不相同。

2.2间接应力

间接应力主要是指在焊接过程进行前，工件受到的外在的压力，或者由于外界环境的限制而产生的间接力。在这种力的作用下，焊接过程中需要首先进行轧制和拉拨，这样会增加间接应力，不过间接参与应力的存在不是孤立的，往往都是以合力的形式出现。

3、降低焊接残余应力的方法

3.1振动时效法

通过以往的工作经验表明，振动时效法在降低钢结构焊接过程中的焊接残余应力上的应用效果非常明显。这种方法的一大优势是比较灵活，不受到钢结构的尺寸、形状以及自重等因素的影响，能够高效的完成残余应力的消除工作，而且周期短、无污染。所以在钢结构的焊接过程中可以通过选择合适的振型的方式，对于关键部位施加适度的应力，从而通过振动降低或者消除钢结构焊接过程中产生的残余应力，提高钢结构的稳定性。

3.2间接焊接法

在钢结构的焊接过程中，也可以通过采用间接焊接法的方式消除焊接中产生的残余应力。间接焊接发的作用原理是通过将焊接区内的附件金属长期保持在冷却状态，从而降低了焊接过程中钢结构的热度，进而降低了焊接残余应力。在焊接过程中，也可以根据钢结构的具体焊接情况采用间歇性的焊接方式进行焊接，这样可以降低焊接时钢结构的温度，从而降低残余应力的产生。比如常用的对铸铁进行的电弧冷焊方式。

3.3减小焊缝尺寸法

在钢结构的焊接过程中也可以通过减小焊缝尺寸的方法降低焊接参与应力的产生，尤其是对于沿焊缝厚度方向的焊接残余应力的作用非常明显。不过在应用时需要充分的考虑热循环所引起的焊件产生焊接内应力的问题，不是焊缝消除的越大就越利于焊接内应力的消除。所以在焊接过程中，要根据钢结构的具体要求控制焊缝尺寸大小，降低焊接残余应力。

3.4分解施工法

在对大型的钢结构进行焊接工作时，由于无法直接进行作业，可以采用分解施工的方式对焊件进行焊接作业。这样既利于焊接作业，同时通过分解也可以降低在焊接过程中产生的焊接残余应力。

结语

在钢结构的焊接过程中，焊接残余应力的存在对于钢结构的稳定性和脆弱性都产生了重要的影响，也为钢结构的安全性留下了严重的质量安全隐患。本文对于在钢结构焊接过程中常见的3种主要焊接残余应力的产生原因进行了分析，并对于如何采取措施消除或者降低焊接残余应力提出了具体的措施。希望能够对钢结构焊接过程中焊接残余应力问题的解决有所帮助。

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