焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施

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摘要：焊接残余应力和焊接变形是钢结构产生变形和开裂的主要原因。本文以焊接残余应力和焊接变形为对象，分别讨论了残余应力对钢结构刚度、静力强度、疲劳强度、应力腐蚀等的影响，促使结构发生脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀开裂、低温变脆等以及造成的焊接变形的种类。应采取措施对焊接残余应力和焊接变形加以消除和调整。

关键词：钢结构焊接残余应力焊接变形

钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件，构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。

焊接连接是目前钢结构最主要的连接方式。但在焊接过程中，在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部的裂缝一旦发生，就容易扩展到整体。

一、焊接残余应力

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。

（一）焊接残余应力对钢结构的影响

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）焊接残余应力的消除和调整

1.焊缝尺寸要适当。焊缝尺寸过大，施焊时产生的不均匀温度场温差增大，容易引起过大的焊接残余应力，且在施焊时易有焊穿过热等缺陷。

2.采取合理的施焊顺序。例如分段退焊、沿厚度分层焊、对角跳焊、钢板分块拼接。

3.焊接时适当降低焊件的刚度，并在焊件的适当部位局部加热，减小温度场的温差，使焊缝能比较自由地收缩，以减小残余应力。

4.机械拉伸法。焊后对构件进行加载拉伸，使变形方向与压缩残余变形相反，焊接残余应力就随之同步减小。

5.利用焊接顺序和方向控制焊接残余应力。先变形收缩大的焊缝，后变形收缩小的焊缝；先错开的短焊缝，后直通长焊缝；先在工作时受力较大焊缝，后工作时受力较小的焊缝；对称施焊。

6.利用锤击焊缝区控制焊接残余应力。焊接残余应力产生的根本原因是由于焊缝在冷却过程中的收缩，焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效的减少焊接残余应力。

二、焊接变形

在焊接过程中，由于不均匀的加热，在焊接区局部产生热塑性压缩变形，当冷却时焊接区要在纵向和横向收缩，导致钢构件产生焊接残余变形，且通常组合变形。直接影响焊件的性能和使用，因此需要采用不同的焊接工艺来控制和预防焊件的变形，并对之矫正。

（一）焊接变形的种类

1.纵向收缩变形：沿长度方向的收缩。

2.横向收缩变形：垂直焊缝方向的收缩。

3.角变形：绕焊缝轴线的角位移。

4.挠曲变形：构件中性轴上下不对称的收缩引起的弯曲变形。

5.失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生波浪形。

6.错边变形：焊接边缘因膨胀不一致而产生的厚度方向的错边。

7.扭曲变形：由装配不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。

（二）焊接变形的预防和控制

从设计上合理地确定焊缝的数量、坡口的形状和尺寸，并恰当地安排焊缝的位置。在工艺上采用高能量密度的焊接方法和小线能量的工艺参量。

（三）焊接变形的矫正

1．机械矫正法

采用压力机、矫正机或手工捶击等机械方法产生新的塑性变形, 使原来缩短的部分得以延伸,达到矫正目的。其中多辊平板机适用于薄板拼焊件的矫正。利用窄轮碾压焊缝及其两侧使之延伸来消除变形,用于焊缝比较规范的薄壳结构。对于由长而规则的对接焊缝引起的薄板壳结构的变形，用钢轮辗压焊缝及其两侧，可获得良好的矫正效果。机械矫正法对塑性差的高强钢应慎用。

2．火焰矫正法

利用加热时产生的局部压缩塑性变形,使较长的金属在冷却后缩短来消除变形。简单灵活,适用面广。在使用时应控制温度和加热位置。对合金钢等慎用。

随着钢结构在大型工业厂房中作为梁柱的使用，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。

参考文献：

[1]《钢结构》 戴国欣2007

[2]《建筑钢结构施工手册》 中国计划出版社2005

[3]《钢筋焊接及验收规程》 中国建筑工业出版社2003

[4]《钢结构事故分析及处理》 雷洪刚 中国建材工业出版社2003

[5]《土木工程施工》 郭正兴 东南大学出版社2010