钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术研究

摘要：钢结构焊接作业中难免会产生残余应力和变形，这不仅影响结构的整体性能和使用寿命，也会降低结构的安全可靠性。有效控制焊接残余应力和变形，对于确保钢结构工程质量和结构使用安全至关重要。本文以残余应力和变形对钢结构危害为切入点，分析了其产生原因及影响。提出了热处理消除法、锤击消除法、间断焊接法等控制残余应力的技术措施，以及控制焊接量、优化工艺流程、采用先进技术等控制变形的对策。旨在为钢结构焊接质量控制提供理论指导和技术支持。

关键词：钢结构；焊接残余应力；焊接变形；焊接控制

钢结构焊接是钢结构制造和安装过程中不可或缺的重要环节。焊接可以实现钢构件的可靠连接，确保结构整体性和力学性能。然而，在焊接过程中，由于温度场分布不均、热胀冷缩循环等因素，极易产生残余应力和变形。残余应力会降低结构的承载能力和使用安全性，而变形直接影响结构的尺寸精度和外观质量。如果残余应力和变形得不到有效控制，不仅会缩短结构使用寿命，严重时还可能引发结构失稳、开裂等安全事故。因此，研究钢结构焊接残余应力及变形成因，并建立系统的控制技术，对于提高钢结构工程质量、延长使用寿命，保障结构安全运行具有十分重要的现实意义。

1钢结构焊接残余应力及变形危害

钢结构焊接残余应力和变形会对结构的整体性能产生一系列不利影响。残余应力会降低结构的稳定性。由于焊缝处应力集中，一旦超过临界值，极易引发局部塑性失稳，进而导致整体结构失稳。残余应力和变形会加速材料疲劳损伤[1]。焊接热影响区的微观组织和性能遭到破坏，同时残余应力的周期性变化，都将促进微裂纹的萌生和扩展，从而加快疲劳裂纹扩展速率，降低疲劳寿命。此外，残余应力长期存在还会诱发焊缝开裂、熔合不全等缺陷，严重时甚至导致脆性断裂。

2控制钢结构焊接残余应力的技术措施

2.1 热处理消除法

热处理消除法其原理是通过对焊接部位进行适当加热和保温，使钢材在高温下发生相当程度的应力释放和应力重分布，从而降低或消除残余应力。具体操作时，首先需根据钢材的化学成分、热膨胀系数等因素，科学设定加热温度和保温时间参数。一般加热温度控制在钢材的回火重铸温度以下，以避免发生相变和结构扩展[2]。保温时间则需充分长，以确保整个横截面温度充分均匀化。在加热保温过程中还需注意控制升温和冷却速率，防止过快温度变化导致新的残余应力产生。经过合理的热处理消除后，焊缝处及热影响区的残余拉应力将被显著降低或完全消除，从而减小应力集中，提高结构整体的强度和可靠性。

2.2 锤击消除法

锤击消除法是一种通过外力作用的方式来减小或消除钢结构焊接残余应力的技术措施。其基本原理是对焊缝及热影响区进行适度的锤击冲击，从而使该区域发生局部塑性变形，释放内部的残余拉应力。操作时，需要选用合适的锤型和锤击力度。一般以圆头锤为佳，锤头直径约为10—25mm。锤击力度应适中，过大会导致局部失稳和新的残余应力产生，过小则效果不佳。锤击顺序通常采用由远及近、由两侧向中间的顺序，并注意保持锤击间距的均匀性[3]。锤击消除法操作简便，现场适用性强，无需复杂设备，成本低廉。但也存在一定局限性，例如仅适用于部分构件，无法完全消除残余应力，后续仍需搭配其他措施；另外过度锤击还可能引入新的缺陷等。对于厚壁大型构件，锤击效果也会受到一定限制。

2.3 间断焊接法

间断焊接法是通过合理控制焊缝长度和间距，减小焊缝变形区域的应力集中程度，从而降低残余应力水平。其原理是将连续的长焊缝分割成多段较短的间断焊缝，使各段焊缝的塑性变形区互不重叠，避免应力集中现象。操作时需要科学设计焊缝分段长度和间距参数。一般来说，焊缝分段长度控制在50—100mm为宜，间距则控制在300—500mm范围。实际应用中，还需综合考虑焊缝走向、板件尺寸、焊缝长度等因素，对参数进行适当调整。间距过大会降低结构刚度，间距过小则效果不佳。间断焊缝虽然增加了焊缝总长度，但能够有效降低残余应力峰值，减小变形量，延长结构疲劳寿命。

3控制钢结构焊接变形的技术措施

3.1 控制焊接量

控制焊接量是减小钢结构焊接变形的一种有效方法。焊接量过大会导致热影响区域过宽、冷却时间延长，从而加剧焊缝区域的热膨胀和收缩变形。因此，在满足焊缝强度要求的前提下，应尽量控制焊缝尺寸和焊缝体积在较小的合理范围。具体做法包括优化焊缝型式、调小焊缝截面尺寸、减少焊道道数以及采用间歇小段焊缝等措施。对于角焊缝，可选择较小尺寸的三角形或扁平矩形焊缝形式；对于坡口焊缝，应控制其深度和宽度尺寸。控制好焊接量不仅可减小焊缝区热变形，还能降低焊缝应力集中程度，从而减小焊后残余应力，延缓焊缝开裂等缺陷的产生。

3.2 优化焊接工艺流程

合理安排焊缝施焊顺序和方向，可以有效减小构件的变形量。应优先施焊具有较大变形潜力的焊缝，如长度较长、截面较大的焊缝。这些焊缝产生的变形较大，优先焊接可避免后续焊缝改变已有变形状态，造成新的应力积累。焊缝的施焊顺序应从中间向两端进行，以免端部变形引起构件整体位移。对于闭合环形焊缝，应采取对称逐段焊接或设置预拉应变等技术。此外，还要合理控制焊缝摆动顺序。一般应采取由细到粗、由两侧向中间的施焊顺序，使焊缝区域的收缩趋势保持一致。对于倾斜焊缝，施焊方向也应尽量与倾斜角一致，以减小横向变形量。通过优化焊接工艺参数，可以有效降低焊缝区热应力集中和弯曲变形，从而提高构件的整体尺寸稳定性。

结束语

综上所述，控制焊接残余应力和焊接变形是确保钢结构件质量和使用性能的关键技术措施。应该从工艺、设备、材料等多方面入手，系统采取有效的控制措施，如选用先进焊接技术、优化工艺参数、合理控制焊缝尺寸等，最大限度降低残余应力和变形量。通过这些举措，不仅可以提高焊缝的力学性能，延长构件使用寿命，还能减小尺寸偏差，提升装配精度，从而全面提高钢结构的综合质量和可靠性，实现高质量、高效率的焊接加工。

参考文献

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