「土木建筑」钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术研究

万士

　　随着科学技术的发展，焊接技术也得到了长足的进步。现代焊接技术具有连接快速以及节省钢材的特点，在焊接行业中有着越来越广泛的应用，能够有效提高钢结构的精细化水平。但是在实际的焊接作业中，由于钢结构在冷热不均匀的情况下，容易产生焊接残余应力，使焊接部位出现焊接变形，对钢结构的质量和安全使用有很大的影响。由此，钢结构的焊接作业人员在焊接作业中，需要分析焊接残余应力及变形产生的原因，采取针对性解决策略，全面控制焊接残余应力及焊接变形问题。



　　1.焊接残余应力及焊接变形简述

　　（1）焊接残余应力：焊接残余应力是在焊接作业中，被焊工件冷却到初始温度后所残留产生的应力，焊接残余应力分布在厚度不大的焊件中，它基本上是平面应力，厚度方向的应力很小。

　　（2）焊接变形：焊接变形是指在焊接时产生的冷热不均匀环境下，被焊接结构在外在形状等方面发生的改变。

　　2.焊接残余应力产生的原因

　　2.1钢结构的材料性能及力学性能不达标

　　在钢结构焊接作业中，钢结构受热温度不均匀，从而导致钢结构产生呈梯度的残余应力。钢结构受热温度不均匀通常是因为钢结构材料性能以及力学性能不达标。首先，不同类型的钢结构材料在受热过程中对外在温度的感应不同，使得钢结构的比热容产生变化，进而焊接作业部位出现变化；然后，钢结构焊接作业部位的密度、受热膨胀系数等指标也会对热传递造成影响，使得钢结构出现残余应力。

　　2.2焊接的热来源不同

　　在钢结构焊接作业时，由于所采用的焊接热来源不同，产生的焊接残余应力也是不同的。当采用不同的热来源进行焊接作业时，会导致钢结构的受热情况不相同，进而导致焊接残余应力的产生。在目前钢结构的焊接作业中，通常采用的热来源为电能和化学能两种形式，在焊接作业时，当应用的热来源存在较大差异时，所形成的温度场也会有较大的差异，产生不相同的焊接残余应力，导致钢结构出现不同程度的变形。

　　2.3其他间接因素

　　焊接残余应力除了受以上因素影响，还会受到其他间接因素的影响，比如在焊接作业时进行的轧刹处理，也会间接导致焊接残余应力的产生。

　　3.焊接残余应力的影响

　　3.1稳定性

　　钢结构的稳定性是钢材料可正常使用的最基本要求。钢材料在使用过程中一旦稳定性缺失，会使得钢结构内部的承受压力情况发生改变，进而使钢结构发生破坏。当钢结构内部产生一定量的焊接残余应力，在焊接作业部位这些残余应力就会发生聚集，使得焊接作业部位稳定性下降，导致焊接作业部位无法与钢结构的其他部位进行有效配合，进而导致焊接作业部位出现裂缝、变形等问题，影响钢结构的稳定性。

　　3.2疲劳强度

　　在钢结构焊接作业中，疲劳强度的指向为钢结构的使用寿命，通过测试钢结构疲劳强度，可有效体现钢结构的整体质量。钢结构的疲劳强度主要体现为钢结构性能维持稳定不发生变化的时间长短，当焊接残余应力变大，会使得钢结构疲劳强度下降，影响钢结构的使用寿命。

　　4焊接残余应力的控制技术

　　4.1间断焊接法

　　间断焊接法是指焊接时保证焊接部位周围处于冷却低温状态，避免钢结构焊接作业部位受热不均匀情况的发生，减少焊接残余应力发生的机率。操作人员需要以钢结构的具体实际情况为基础考虑，采用非连续焊接方式。

　　4.2热处理消除法

　　热处理作为一种常见的焊接残余应力处理方法，是通过在焊接作业部位进行退火处理来实现的，改变焊接作业部位的温度场，提高焊接作业部位的受热时间。在焊接作业部位热处理时，需要对其加热温度进行控制，保证温度场的稳定性。通过合理有效的退火处理措施，钢结构焊接作业部位的残余应力会由于焊接残余应力膨胀而对外释放，从而有效消除钢结构焊接作业部位的残余应力。

　　4.3锤击消除法

　　锤击消除法为对焊接作业部位进行锤击处理，所产生的锤击力会使得焊接作业部位延伸展开，从而由于力的相互作用，可以抵消掉焊接作业后产生的热涨冷缩残余应力，减少钢结构焊接作业部位内部的残余应力，提高钢结构的质量与性能指标。在对钢结构焊接作业部位进行锤击处理时，要确保钢结构焊接作业位置处所受锤击力均匀，保证焊接位置不会过度受力。

　　4.4规范焊接流程

　　钢结构的焊接工序与焊接残余应力的产生也具有联系，通过对钢结构的焊接作业位置进行合理有的效安排，能够对焊接工艺流程顺序进行有针对性的调整，规范焊接操作流程顺序，可以有效地避免焊接残余应力的产生。

　　5焊接变形的控制技术

　　5.1控制钢结构焊接使用量

　　为了减少钢结构焊接作业时产生的焊接残余应力，需要对钢结构焊接使用量进行有计划的控制，确保钢结构性能及各项指标符合安全使用的情况下，有效减少焊接使用量。在每次焊接作业前，对需要焊接作业的部位进行科学分析及规划，减少焊接量。对需要进行焊接作业的钢结构，在保证连接稳固的情况下进行焊接作业，减少焊接残余应力的产生，从而避免钢结构焊接变形。

　　5.2调整焊接工艺流程

　　钢结构的焊接工艺流程与焊接残余应力的产生也存在一定的联系，通过对钢结构焊接作业部位进行作业规划安排，可以对焊接工艺流程进行适当的调整，以避免焊接残余应力的产生。比如，在钢结构焊接作业中，优先焊接需求量大的焊接位置，再焊接需求量小的位置，保持由大后小的焊接工序，可以在一定程度减少焊接残余应力的产生。而且可以在焊接作业前对需要焊接作业的部位进行热处理，保证稳定均匀的温度场，从而减少温度差，也可以减少焊接残余应力的产生，从而避免焊接变形情况的发生。

　　5.3使用先进的焊接技术

　　以往使用的焊接作业技术很难控制焊接残余应力的产生，从而使得焊接残余应力不断产生，甚至使得钢结构发生比较严重的变形。由此，可以将当前最先进的焊接作业技术使用在钢结构的焊接作业过程中，从而有效控制钢结构焊接残余应力及焊接变形的发生，有效减少变形量。通过在焊接作业过程中使用氩弧焊及二氧化碳，从而在焊接作业部位表面形成保护层，可以避免焊接部位氧化的发生及焊缝的产生，由此通过先进的焊接技术，可以保证钢结构的稳固性及安全性，避免焊接残余应力及焊接变形的产生。

　　6.结语

　　随着工业技术的不断发展，钢结构行业对焊接技术的要求越来越高，焊接作业作为钢结构作业时最常用的结构连接方式有着更为广泛的应用。为了保证钢结构的稳固及各项安全性指标，需要有效控制钢结构焊接残余应力及焊接变形情况的发生。在实际的焊接作业中，通过对钢结构焊接作业流程工序进行有效的综合分析论证，结合焊接作业的操作情况，采取有效的钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术，进而保证钢结构的质量符合相关性能指标要求，使得焊接作业技术向着精细化方向发展。

　　作者：卢现阳

　　本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第22期

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