■嚴靜川 ■中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心四川總隊機械廠，四川 成都 610061

鋼結構的出現(xiàn)無疑給建筑領域帶來了契機，因其在強度、自重、抗震性能、施工速度等很多方面都有很大優(yōu)勢，現(xiàn)已得到廣泛采用。但是鋼結構也不是萬能的，也具有其自身的缺陷和潛在隱患，比方說隨著鋼結構的發(fā)展，其脆斷和疲勞破損問題越來越嚴重，其穩(wěn)定性也是鋼結構自使用以來一直都存在的一個缺陷。因此，筆者有意在本文中對鋼結構焊接的殘余應力的分類、產生原因等方面進行分析，提出了解決殘余應力的若干辦法，希望在以后類似工程中可以參考和借鑒。

1 殘余應力的分類

焊接冷卻后焊件中仍有未消除的應力，這些殘余在焊件中的應力通常就是大家所說的焊接殘余應力。殘余應力的方向也是有區(qū)別的，因此才把殘余應力分為縱向、橫向和沿焊縫厚度方向的殘余應力三種。

1.1 縱向焊接殘余應力

由于在焊接時出現(xiàn)不均勻受熱和冷卻的影響，在進行焊接的過程中會形成溫度不同的溫度場。溫度場不同其膨脹程度也有所不同，焊縫及其附近的溫度高膨脹的也最大，臨邊溫度較低膨脹小，相對來說會塑性壓縮。等到焊縫冷卻后被塑性壓縮的區(qū)域要比其他區(qū)域的長一些，這就形成了焊縫區(qū)的縱向殘余應力。

1.2 橫向殘余應力

形成橫向殘余應力的原因概括起來一方面是在焊接時焊縫縱向收縮，鋼板向外彎曲形成弓形。焊縫將兩塊鋼板連成一體不分開，所以在焊縫的中間有了橫向拉應力，在兩端有了橫向壓應力。另一方面，在對焊縫進行焊接時，焊接位置不同，冷卻的時間也會有所區(qū)別。先焊到的焊縫先冷卻下來，具有一定的強度，后面的焊縫由于尚未冷卻，冷卻下來的焊縫就會組織后來焊縫的橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性壓縮變形。焊縫的橫向殘余應力和橫向應力、施焊方向、先后次序密切相關，所產生的橫向殘余應力就是在橫向拉應力和橫向壓應力共同作用的結果。

1.3 沿焊縫厚度方向的殘余應力

如果鋼結構比較厚，要采用多層施焊的焊接方式。所以焊接時除了存在橫向殘余應力和縱向殘余應力外，沿焊縫厚度方向還存在著一種殘余應力。這樣會降低鋼結構連接的塑形，進而導致鋼結構發(fā)生脆性破壞，影響結構性能和工程質量。

除此之外，殘余應力不單單指這三種力，如果焊件處在約束狀態(tài)，如焊件被固定或是漢奸本身剛度就比較大的情況下進行施焊，焊邊殘余應力由于不能自由伸縮變形，殘余應力就會增加，且依照約束程度的強弱殘余應力也會發(fā)生相應變化。

2 產生殘余應力的原因分析

2.1 直接應力

焊接時不均勻的加熱和冷卻作用形成了溫度梯度，是產生殘余應力的最主要的因素，因此有必要對溫度梯度對殘余應力的影響做進一步的分析。在進行施焊時如果各部分受熱不均勻，其熱膨脹的位置也就不同，各部位之間相互制約就會形成熱應力。在冷卻的過程當中各部分的冷卻時間不一致，熱應力同樣會發(fā)生變化。

2.2 間接應力

間接應力主要指焊前加工狀態(tài)時受到的壓力，此外如果焊接受到外界條件的制約而產生的附加力也屬于間接應力。加工時的應力主要是焊件在焊接前需要經過軋制或拉拔，所以會產生間接應力。間接殘余應力有時不是孤立存在的，在某些特定場合下會疊加到焊接殘余應力上形成合力，對日后焊接變形也會產生一定的影響，不過這種影響不是很明顯。

2.3 組織應力

通常情況下組織應力因含碳量和材料其它成分不同而有所區(qū)別，因此需要考慮發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度對組織應力的影響。

3 Dat 降低殘余應力的措施

我們都知道，要想完全消除殘余應力是不可能的，但我們可以通過一些舉措來降低殘余應力。為了提高鋼結構的整個承載力和增強鋼結構的安全性能，我們可以消除殘余應力的集中和疊加問題，把應力均勻分布開來。

3.1 振動時效法

長期的焊接實踐經驗表明，振動時效法對于降低焊接殘余應力的作用非常明顯，具體表現(xiàn)在它不受鋼結構尺寸、形狀、重量等因素的制約，具有周期短、效率高和無污染的很多優(yōu)勢。因此可以選擇有效的振型，對鋼結構關鍵部位施加適度應力，振動時可以降低和均化殘余應力，能夠有效保證鋼結構的穩(wěn)定性。而且在環(huán)狀鋼結構中，振動時效法還可以穩(wěn)定構件行為尺寸，并且效果極好。

3.2 采取合理的焊接順序

焊接順序應遵循先焊中間后焊四周的方法進行施焊，這樣可以使焊縫從中間向四周一次進行收縮。如果平面上出現(xiàn)交叉焊縫，應該重點留意交叉處的焊接質量。若是靠近縱向焊縫的橫向焊縫處出現(xiàn)未焊透的情況，且未焊透的位置正好在縱焊縫的拉伸應力場中，就會形成三向應力。

3.3 間斷焊接法

間斷焊接法可以使焊接區(qū)附件的金屬長期處于冷卻狀態(tài)，減低了鋼結構的熱度，減小了焊接應力。方法是根據(jù)鋼結構的具體情況間歇性的進行焊接工作。比如在對鑄鐵進行電弧冷焊時，每次把一段很短的焊縫焊接完畢后，稍微停留一段時間再焊接下一段。

3.4 減小焊縫尺寸

設計要求，在深化設計的過程當中，應充分考慮局部加熱循環(huán)二引起的焊接內應力，消除焊縫越大越安全的錯誤觀念。施焊過程中要控制好焊縫尺寸和余高，優(yōu)化焊縫尺寸，控制好焊縫坡口，并且盡量采用雙面坡口。

3.5 減小焊接拘束度

焊接時構件受到的約束力越大其焊接應力就越大，鋼結構的質量會受到影響。所以在焊接時應盡量保證焊縫處受到盡量小的約束力。例如遇到長構件的焊接時，可以拼接板條，十七在自由狀態(tài)下施焊，千萬不可等到組裝時再施焊。按照施工工藝應現(xiàn)將其進行拼接，再進行組裝焊接。如果組裝完畢后再進行施焊，其各個部位都無法自有收縮，約束力會大大增加，殘余應力也會相應增加。

3.6 對構件進行分解施工

常體積較大，焊接起來相對復雜，可以把大型鋼結構分成若干部分分別進行焊接。等到焊接結束校正合格后再進行總裝焊接工作。

3.7 補償加熱法

采用焊前預熱的方法，可以減少焊接熱輸入的流失，避免焊縫在焊接時產生裂縫。即當板厚比較厚時，就需要采取一定的措施來完成焊接任務。通常情況下可以對焊縫周圍的一些區(qū)域進行加熱，加熱的溫度根據(jù)板的厚度和木材碳當量的情況來確定。某條焊縫經過預熱進行施焊時，焊縫區(qū)域的溫度相對比較高，隨著焊縫焊接工作的開展，該部分區(qū)域必然會發(fā)生熱脹冷縮的自然現(xiàn)象，但是該區(qū)域僅占整個工作面的一小部分，另外，一部分母材處于常溫狀態(tài)或是冷卻狀態(tài)，會對焊接的那部分區(qū)域產生很大的約束力，從而形成很大的應力，嚴重時還會產生裂紋。如果這時能夠在焊縫區(qū)域的對稱位置進行加熱，把溫度控制在略微高于預熱溫度的范圍內，并且在焊接的整個過程當中都持續(xù)進行加熱工作，就會大大改善應力較大的狀況，鋼結構的變形問題也會大大改善，保證了鋼結構的美觀外形和質量。

4 結束語

綜上所述，焊接殘余應力對鋼結構的使用性能和工程質量是一個很大的制約因素，采取有效的措施把殘余應力降至最小是筆者的初衷。在本文中對于鋼結構焊接殘余應力的分析如有不妥之處，還望讀者能夠給予更好的建議。

［1］商廣泰，蔣鳳昌.鋼結構焊接殘余應力的ANSYS 分析.廣東建材，2005(2):54～55.

［2］李曉玲.大型焊接結構殘余變形分析.洛陽大學學報，1995(04).