1、焊接残余应力的形成机制和消除方法摘要: 钢结构的焊接工艺十分复杂，在实际操作中，存在很多焊接残余应力和残余变形，如果这种现象不能得到控制，将会产生不可估量的损失。文章主要阐述了钢结构在焊接过程中产生的残余应力及残余应力的消除方法。 关键词：焊接；残余应力；控制；消除方法 中图分类号：P755.1 文献标识码： A 文章编号： 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
2、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。 （1） 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
3、接残余应力的自相平衡，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残余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 焊接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，在特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
4、残余拉应力，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，有时残余应力与载荷引起的应力叠加，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” 。 （2）焊接残余应力的分布在厚度不大（15-20mm）的常规焊接结构中，残余应力基本上是双轴向的，厚度方向上的应力很小。只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大。焊接残余应力分别有焊缝方向的纵向应力、垂直焊缝方向的横向应力和厚度方向的应力。 二、焊接残余应力的控制方法 焊接残余应力的控制,目标是降低应力的峰值并使其均匀分布,其措施如下:1.采用合理的焊接顺序和方向尽量使焊缝能自由收缩，
5、先焊收缩量比较大的焊缝。如带盖板的双工字钢构件，应先焊盖板的对接焊缝，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝，使对接焊缝能自由收缩，从而减少残余应力。先焊工作时受力较大的焊缝，如在工地焊接梁的接头时，应先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝，然后焊接腹板对接焊缝，最后再焊接翼缘角焊缝。这样的焊接次序可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。翼缘角焊缝留在最后焊接，则可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以在焊接翼缘板对接焊缝时采取反变形措施，防止产生角变形。 在拼板时，应先焊错开的短焊缝，然后再焊直通长焊缝。如采用相反的次序，即先焊长焊缝，再焊短焊缝，则由于短缝的横向收缩受
6、到限制将产生很大的拉应力。在焊接交叉（不论是丁字交叉或十字交叉）焊缝时，应该特别注意交叉处的焊缝质量。如果在接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷（如未焊透等） ，则缺陷正好位于纵焊缝的拉伸力场中，造成复杂的三轴应力状态。 2.在焊接封闭焊缝或其它刚性较大、自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝隙的自由度。 3.锤击或辗压焊缝每焊一道焊缝用带小圆弧面的风枪或小手锤锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低残余应力。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过份产生裂纹。采用辗压法，也可有效地降低残余应力。 4.在结构适当部位加热使之伸长加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形。在冷却时，加
7、热区的收缩和焊缝的收缩方向相同，使焊缝能自由地收缩，从而降低残余应力。利用这个原理可以焊接一些刚性比较大的焊缝，获得降低残余应力的效果。如大皮带轮或齿轮的某一轮幅需要焊修，为了减少残余应力，则在需焊修的轮幅两侧轮缘上进行加热，使轮幅向外产生变形。焊缝在轮缘上，则应在焊缝两侧的轮幅上进行加热，使轮缘焊缝产生反变形，然后进行焊接，都可以取得良好的降低焊接残余应力的效果。 三、焊后消除焊接残余应力的方法由于焊接残余应力的不利影响只有在一定的条件下才表现出来。例如，对常用的低碳钢及低合金结构钢来说，只有在工作温度低于某一临界值以及存在严重缺陷的情况下才有可能降低其静载强度。要保证焊接结构不产生低应力脆
8、性断裂，是可以从合理选材、改进焊接工艺、加强质量检查、避免严重缺陷来解决的。消除焊接残余应力仅仅是其中的一种方法。 1.传统的热时效（TSR）热时效（退火处理）就是将构件由室温(或不高于 150)缓慢、均匀加热至 550左右,保温 4-8 小时,再严格控制降温速度至 150，达到消除残余应力的目的。优点：具有焊缝去氢、恢复塑性和消除残余应力三重功能。一般认为热时效的消除残余应力效果为 4080，可以保证加工精度和防止裂纹产生。缺点：一是由于受时效炉体积的限制，只能对构件体积较小，重量不大的构件进行 TSR。二是成本较高，每吨结构件的退火费用将高达人民币 600-800 元，三是消除了拉应力的不
9、利影响的同时，也消除了压应力的有利影响。 2.冲砂除锈法消除残余应力因为冲砂除锈时，喷出的铁砂束高达2500MP/cm，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，对构件的残余应力消除亦将会起到良好的效果。 3.进行局部烘烤释放残余应力构件完工后在其焊缝背部或焊缝两侧进行烘烤。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，此法对消余残余应力是极为有效的。 4.机械拉伸法机械拉伸法是通过加载拉伸，拉应力区在外载的作用下产生拉伸塑性变形。它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反。因为焊接残余应力正是由
10、于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，残余应力也就消除的越彻底。机械拉伸消除残余应力对一些焊接容器特别有意义。它可以通过液压试验来解决。液压试验根据不同的具体结构，采用一定的过载系统。液压试验的介质一般为水，也可以用其它介质。这里应该指出的是液压试验介质的温度最好能高于容器材料的脆性断裂临界温度，以免在加载时发生脆断。对应力腐蚀敏感的材料要慎重选择试验介质。在试验时采用声发射监测是防止试验中脆断的有效措施。 结束语 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。 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 王晓香.我国焊管业的现状及发展现状 .J焊管, 2007, 36(6):12-18 3 宋天民. 焊接残余应力的产生于消除M 北京:中国石化出版社, 2005
