焊接残余应力变形影响及消除调整措施

王红伟

【摘要】本文分析了钢结构制作阶段残余应力产生的原因，并提出了减小焊缝尺寸、减小焊接拘束度、采取合理的焊接顺序、补偿加热法、对构件进行分解施工等控制残余应力的方法，论述了利用对零件整平消除应力、进行局部烘烤释放应力、采用超声波震动消除应力、采用振动时效法消除应力、利用冲砂除锈的工序进行消除应力、延长时效期等消除残余应力的有效方法。

【关键词】钢结构制作；残余应力；控制应力；消除应力

前言

随着钢结构的广泛应用，对钢结构的要求也越来越高。如钢结构需满足跨度大、稳定性好、刚度大、抗弯性能好等要求。焊接作为钢结构最主要的连接方式，对焊接工艺和焊接质量的要求也在不断地提高。研究焊接残余应力和焊接变形对钢构件的影响，通过合理的设计和制造以及相应的措施减小焊接残余应力和焊接变形对构件的影响，将有效的提高钢结构的性能，满足建设的需求。

一、残余应力产生原因及影响分析

钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。在施焊时，焊缝及其附近区域的温度很高，而临近区域温度则急剧的下降，导致不均匀的温度场。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。当焊接温度场消失后，构件内部产生应力，这种应力称为焊接残余应力。构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。一般我们在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时所增加的瞬时应力与焊接残余应力。但是刚性大、板材厚的构件，虽然残余变形相对较小，但同时会产生巨大的拉应力，甚至导致裂纹。在未产生裂纹的情况下，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中往往导致构件失稳、变形甚至破坏。因此焊接应力的控制与消除在钢结构制作过程中显得十分重要，应优先于构件的残余变形给予考虑。

1、对钢结构刚度的影响。焊接残余应力使构件的有效截面减小，丧失进一步承受外载的能力。焊接残余应力的存在还会增大结构的变形，降低结构的刚度。

2、对静力强度的影响。由于焊接应力的自相平衡，使受压区和受拉区的面积相等。构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等，因此不影响静力强度。

3、对疲劳强度的影响。残余应力的存在使应力循环发生偏移。这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。

4、对应力腐蚀开裂的影响。应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

5、对低温工作性能的影响。在厚板焊接处或具有交叉焊缝的部位，将产生三向焊接拉应力，阻碍该区域钢材塑性变形的发展。当钢材在低温环境下工作时，有时残余应力与荷载引起的应力叠加，使三向拉应力的数值更加接近，从而增加钢材在低温下的脆性倾向，即钢材会变脆。通常称为“低温冷脆现象”。

二、焊接应力的控制方法

焊接应力的控制，目标是降低应力的峰值并使其均匀分布，其措施如下：

1、减小焊缝尺寸：焊接内应力由局部加热循环而引起，为此在满足设计要求的条件下，在深化设计过程中，不应加大焊缝尺寸和余高，要对其焊缝尺寸给予优化，焊缝坡口要合理，尽量采用双面坡口，要转变焊缝越大越安全的观念。

2、减小焊接拘束度：拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接。如长构件需要拼接板条时，要尽量在自由状态下施焊，不要待到组装时再焊，应按工艺先将其拼接工作完成，再行组装构件。

3、采取合理的焊接顺序：在焊接较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。

构件卧放于平台上：先焊对接缝，次焊垂直角焊缝。再焊平面角焊缝。沿焊缝长度而言，每条缝应采用由中向外，逐步退焊。就构件平面而言亦应采用由中向外（四周）分散逐个焊接。

4、补偿加热法：在构件焊接过程中为了减少焊接热输入流失过快，避免焊缝在结晶过程中产生裂纹，因此当板厚达到一定厚度时，焊前应对焊缝周边一定范围内进行加热，加热温度视板厚及母材碳当量（CE）而定此即为焊前预热。当构件上某一条焊缝经预热施焊时，构件焊缝区域温度非常高，伴随着焊缝施焊的进展，该区域内必定产生热胀冷缩的现象，而该区域仅占构件截面中很小一部分，此外部分的母材均处于冷却（常温）状态，由此而对焊接区域产生巨大的刚性拘束，造成很大的应力，甚至产生裂纹。若此时在焊缝区域的对称部位进行加热，温度略高于预热温度，且加热温度始终伴随着焊接全程，则上述应力状况将会大为减小，构件变形亦会大大改观。

5、對构件进行分解施工：对于大型结构宜采取分部组装焊接，结构各部分分别施工、焊接，矫正合格后总装焊接。

三、焊接应力的消除方法

尽管采取以上措施来控制焊接应力，但因工程构件的特殊性，焊接完工后依然存在相当大的应力，为此有必要从以下几个方面来采取措施，进一步消除构件残余应力。

1、利用对零件整平消除应力：钢板在切割过程中由于切割边所受热量大、冷却速度快，因此切割边缘存在较大的收缩应力。中、薄板切割后产生扭曲变形，便是这些应力释放的后果。对于厚板由于其抗弯截面大，不足以产生弯曲，但收缩应力存在是客观的。因此在整平过程中加大对零件切割边缘的反复碾压，这对产生的收缩应力的消除极为有利。

2、进行局部烘烤释放应力：构件完工后在其焊缝背部或焊缝二侧进行烘烤。此法过去常用于对“T”形构件焊接角变形的矫正中，不需施加任何外力，构件角变形即可得以校正。由此可见只要控制加热温度与范围，此法对消余应力是极为有效的。

3、采用超声波震动消除应力：超声冲击（UIT）的基本原理就是利用大功率超声波推动工具以每秒二万次以上的频率冲击金属物体表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使金属表面产生较大的压塑变形，同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，并使被冲击部位得以强化。此种方法对消除应力极为有效，经测试，焊接残余应力的消除率达75%以上。

4、采用振动时效法消除应力：振动时效的原理就是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力，使其产生共振，从而使工件获得一定的振动能量，使工件内部产生微观的塑性变形，从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态，晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎，使得残余应力得以被消除和均化。

5、利用冲砂除锈的工序进行消除应力：因为冲砂除锈时，喷出的铁砂束高达2500MP/cm2，用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀的冲击，除了达到除锈效果外，对构件的应力消除亦将会起到良好的效果。

结语

焊接作为钢结构最主要的连接方式，对焊接工艺和焊接质量的要求也在不断地提高。研究焊接残余应力和焊接变形对钢构件的影响，通过合理的设计和制造以及相应的措施减小焊接残余应力和焊接变形对构件的影响，将有效的提高钢结构的性能，满足建设的需求。

参考文献：

[1] 《钢结构设计规范》（GBJ 17-88），冶金工业部建筑研究总院主编，中国计划出版社出版，[2002]

[2]《钢结构施工质量验收规范》（GB50205-2001），冶金工业部建筑研究总院主编，中国计划出版社出版

[3] 《建筑钢结构焊接规程》（JGJ81-2002）， 湖北省建筑工程总公司主编，中国建设工业出版社出版，[2002]