厚钢板对接焊缝残余应力研究与分析

■刘国良，李 显，滕文馨，黄业博 ■河海大学，江苏 南京 210098

随着科学技术的不断发展，钢板的结构性能越来越优越，具有硬度强、质量轻、抗震性强等优点，被广泛的运用与当代的建筑行业。钢结构是利用了钢材设计制作成构件后，然后将构件连接到一起而组成的，而用来连接的方式最主要的就是焊接，钢板在冷热焊接加工的时候，难免会出现焊接残余应力，而残余应力可以对钢板的使用年限造成影响。

1 焊接残余应力的产生原因

1.1 纵向残余应力

所谓的纵向残余应力指的是，沿着焊缝长度的方向的残余应力。钢材在焊接的过程中，被焊接的区域温度很高，边上的温度较低，从而会在这一区域形成一个不均匀的温度场，使得膨胀的也出现了不规则，低温度的区域钢板的膨胀相关较小，在一定程度上高温区域的膨胀会受到其影响，出现了热塑性压缩反应。当开始冷却的时候，焊缝两边的钢材又会制约只塑性压缩，从而引起焊缝缩短，出现纵向的拉应力［1］。因为焊接残余应力是产生在钢板内部的结构中的，没有承受重力的作用。因此，就会产生出一个纵向的残余应力。

1.2 横向残余应力

所谓的横向残余应力指的就是，垂直在焊缝方向的残余应力。受到塑性压缩焊缝的影响，它可以让焊缝两边的钢板出现反向的弯曲变形，在两块钢板之间又会出现横向的拉应力，与此同时钢板的两边又会形成压应力。在焊接的过程中，对钢板进行焊接的顺序有先后，先焊接的焊缝会先凝固，从而对后焊缝的膨胀出现制约，引起横向的塑性压缩变形，在冷却的过程中，先焊接的已经完全凝固的焊缝会限制后焊接的焊缝收缩形成横向的拉应力，与此同时，后面焊接的焊缝的最远端又会出现拉应力，两块钢板之间的拉与压应力和先焊接的横向拉力与焊接最远端的拉应力结合到一起，最后就会出现焊缝的横向应力。

1.3 沿厚度方向的残余应力

厚钢板在焊接的过程中，由于钢板的厚度问题需要在厚钢板上进行多次的焊接，可厚度会使得焊接的温度的出现分布不均匀的现象，在对其进行冷却时表面又会比中间部位快，从而就会在中间层出现拉应力，在表层出现压应力，以至于出现横向与纵向的残余应力。从上面分析可以看出出现残余应力的原因主要就是在焊接过程中，对钢结构的不均匀加热和冷却而形成的，这会严重的影响钢板的结构性能，因此，必需要想办法解决这个问题。

2 厚钢板对接焊缝残余应力所产生的因素

2.1 结构刚度的原因

焊接残余应力可以将钢结构能够承受的外荷载的面积减小，从而减低其刚度。钢结构会受到外荷载的影响下出现应力，该应力可以和结构中残留的残余应力相互结合，当两种力工作作用下使得钢板的承受能力超出极限时，就让钢结构内部出现变形，从而导致钢结构出现断裂或是无法继续承重，对结构刚度产生影响。

2.2 疲劳强度的原因

钢材在随着使用的时间越来越长，那么钢结构自然会产生疲劳。焊接两侧的残余应力可提高应力循环的平均应力，从而给外荷载造成一定的疲劳损伤，却减少了焊缝接头的疲劳程度。焊缝接头地方的残余拉应力与荷载的外应力相加，还可以使得疲劳裂纹始终都处于承受拉应力的作用下，在外荷载循环的时候，裂纹尖端自始至终都处于开始状态，且会在参与拉应力的作用下展开，使得接头的地方的疲劳程度减少。

2.3 低温工作性能的原因

钢材在低温的情况下持续工作，外荷载应力与残余应力相加，就会将这个区域的纵向、横向和厚度方向的残余应力的数值结合到一起，从而加大了低温区钢板的脆性，使得钢板在低温环境下的性能降低。

2.4 应力腐蚀开裂的原因

钢板在长时间的使用，经过外部恶劣的环境的影响下会出现一定的腐蚀开裂。在同样的条件作用下，应力腐蚀开裂的发生时间和残余应力有着很大的关系，当残余应力过大时，应力腐蚀开裂发生的时间反而越少。假如残余应力过小时，应力腐蚀开裂产生的时间反而更长。

3 焊接残余应力的有效控制

如钢板结构需要焊缝比较多的情况下，就要注意焊接的顺序，可以先焊接收缩量较大的焊缝，然后再焊接收缩量较小的，先焊接拘束度较小的，再焊接拘束度较大的，从而可以最大限度的保证焊缝的收缩，大大的减少残余应力。先焊接受力比较大的焊缝，再焊接受力较小的，比如在对钢梁接头进行焊接的过程中，就可以先在受力比较大的翼的边缘进行焊接，然后再对腹板进行焊接，最后对剩下的翼边缘进行焊接。与此同时，焊接的顺序还应该要按照由外向内的顺序，逐渐的往后退，或者将焊接的顺序进行分散。在进行焊接的过程中，可以将焊接的热进行疏导，从而来阻止冷却过程中出现裂缝。通常情况下，焊接的钢板厚度太厚的时候，可以根据板材的厚度和母材炭的量来判断焊接时会产生的温度，然后根据这个温度事先在焊缝的周边进行相同温度的预热，从而可以有效的减少焊缝边缘的温度差，将焊缝边缘区域的刚性约束，达到减少应力的作用［2］。

4 结语

综上所述，焊接的残余应力对厚钢板的刚度会产生严重的影响，是钢板出现变形甚至开裂的最大因素，与此同时，对钢结构的结构刚度和疲劳强度及其它性能等，都会产生非常大的影响。因此，在实际的工程中，应该采取科学合理的措施进行解决，最大限度的将残余应力减小，从而达到提高钢结构的刚度，保证其使用的安全性。

［1］杨娜，林升，苏超.厚板焊接接头残余应力和损伤分布的研究［J］.湖南大学学报，2014，(11):26 -29.

［2］张红.焊接残余应力对钢结构性能的影响作用研究［J］.中国高新技术企业，2014，(06):75 -76.