钢结构焊接施工中残余应力对质量的影响与防控措施

一、引言

钢结构因其高强度、轻自重，装配方便，被大量应用到大型工业厂房，高层建筑以及桥梁工程当中，焊接是钢构件连接的主要工艺，它既增强了结构的整体性，又在高温环境下产生了残余应力，残余应力具有隐蔽，复杂，难以释放的特性，给构件的稳定性和刚度，疲劳寿命带来了持续的危害，工程规模和结构复杂程度上升以后，焊接残余应力对质量控制的要求也变得更高，围绕其产生机理，作用机理以及防控技术展开深入探究，成了提升焊接可靠性和延长结构服役周期的重要任务。

二、残余应力的成因与结构影响

（一）非均匀热输入引起的应力场扰动

钢结构焊接过程中，残余应力主要由金属受热不均引发的热胀冷缩失衡造成。焊接热源集中在焊缝区域，使其温度急剧升高到上千摄氏度，而临近母材依旧处在低温状况，由此产生明显的温度梯度[1]。冷却的时候，热区的塑性变形不能彻底复原，内部留存拉应力和压应力。不同钢材的热导率、热膨胀系数存在差异，所以应力释放的方式也有所不同。焊缝中心区常常会形成拉应力集中区，这是疲劳裂纹容易出现的地方。

（二）焊接工艺、顺序与结构设计的不合理共同影响

焊接工艺没顾及构件刚度与受力路径，残余应力就容易叠加。薄板焊接时，如果不对称或者分段焊接，应力就会集中，从而引发翘曲或者扭曲。坡口角度和焊缝体积过大，会使热输入总量增多，加大热应力的波动幅度。焊缝数目、布置位置不合理，同样会致使应力集中到连接区，减小节点的协同作用[2]。构造节点过于刚性，高残余拉应力更容易滞留，结构稳定性也就越差。

（三）残余应力对结构疲劳性能与安全性的破坏作用

残余应力是焊接变形的源头，也是结构安全的隐患。受周期载荷时，残余拉应力会降低焊缝疲劳极限，缩减结构寿命。应力集中处容易扩展微裂纹，如果方向同外载一致，就会加快破坏进程。焊缝根部和热影响区常常是裂缝、脱层之类问题出现的地方。在桥梁、海洋平台等高安全需求的工程里，这种损伤一旦扩展，就可能引起整体失稳，酿成大祸。

三、焊接残余应力的防控措施

（一）焊前设计与工艺规划的前置性控制策略

焊接残余应力防控要从设计源头开始，焊缝位置、构件布置、工艺路径都要做应力场仿真，找出高应力集中区。构造设计时要合理控制焊缝尺寸，防止过长、过深焊道造成过量热输入[3]。选用双面对称焊、分段焊、交错焊等，有益于平衡焊接热应力。构件装配误差也要严格控制，保证预留间隙、边缘尺寸符合工艺要求，防止因为膨胀不同步产生新应力源。

（二）焊接热输入与应力干预的控制研究

控制热输入，优化工艺顺序来缩减残余应力。依照构件厚度与位置挑选焊接方法，薄板选用 CO₂ 保护焊或者氩弧焊，削减热影响区范围。中厚板可以采用反变形技术，预先设定偏移来抵消焊接应力。再用敲击锤击法，在高温可塑时段给以机械搅扰，释放尚未凝固的应力。操作时锤击强度、次数、方向需细致掌握，防止形成新的应力集中处。

（三）焊后处理与多元应力释放技术的集成应用

焊后处理属于残余应力调控的关键部分，常用办法有热处理、火焰矫正以及固态相变应力引导。热处理依靠退火或者中温回火（ 450～600^∘C ）重新塑造应力场，从而实现应力松弛。中小构件可以采用火焰加热矫正，通过局部热缩效应来化解应力，修正变形。固态相变方法在冷却期间制造出压应力区，以此抵消焊接产生的拉应力，改善应力分布状况[4]。高风险节点也可融合应力检测仪、激光测量、X 射线技术等手段开展焊后监测，创建起闭环反馈控制体系，进而改善焊接品质和结构可靠性。

四、变形控制技术与综合对策

（一）焊接准备阶段的刚度强化与误差预控

焊接前准备直接影响焊接变形风险。为降低构件的自由变形能力，应在关键部位设置临时加劲件或夹具，增强局部抗扭抗翘能力，抑制热应力响应。组装时应确保定位精度，控制坡口角度与间隙，防止焊接体积超出设计，引发过量热输入。大型构件可通过刚度分析与热场模拟，预测应力集中区域与位移风险，为后续控制提供依据。采用反向预弯等预设装配偏差法，可提前抵消因热收缩导致的几何误差，简便高效。

（二）焊接过程中的热输入平衡与对称策略

焊接变形多由热输入不均与焊缝布置不对称引起。可采用分段对称焊、双面焊或短段交错焊，使热应力在截面内均衡扩散，减少局部变形。合理控制电流、电压和速度，使热输入与材料热传导能力相匹配，有效缩小热影响区。 CO₂ 保护焊、窄间隙焊等低热输入工艺在中薄板焊接中具优异表现[5]。焊接顺序应优先处理约束性强区域，待整体刚度形成后再焊接柔性区域，以减少累积变形。

（三）焊后矫正与全过程反馈控制策略

焊后如存在残余变形，可采用火焰或机械矫正。火焰矫正通过局部加热形成反向变形，常用于腹板翘曲和角变形修复；机械矫正利用施压产生逆向塑性变形。两者操作时应避免焊缝根部受力过大，以免诱发二次裂纹[6]。为提升控制效率，应在焊接全过程建立变形实时监测机制，通过布设应变计、激光传感器等采集数据，结合温度与应力变化动态调整焊接工艺，实现从“ 被动修正” 向“ 主动控制” 的转变。集“ 设计—监测—控制—校正” 为一体的系统机制，对提升焊接质量具有显著成效。

五、结语

钢结构焊接施工时出现的残余应力，成了影响整体性能以及使用安全性的重要方面因素，此残余应力的产生机制较为复杂，它同输入热能、设计构造及施工方法等诸多方面有关。这残余应力会对焊缝强度和疲劳度造成损害，也容易引发变形及裂缝现象，从而给工程质量埋下风险。借助提前设定焊前设计、调节焊中时所加热量、加强后期应力排除等全方位干预办法去减轻这一应力累积的情况发生。提升对该焊接过程里存在残余应力的认知能力，并做好其分析控制工作，这是在做钢结构工程时，对质量把控的一个重要方面，这也是日后智能化焊接系统控制系统发展中一个重要的支撑之处。

参考文献

[1]岳阳,王树明.高强异形厚板焊接残余应力分布及消除方法研究[J].交通科技,2025,(03):33- 35+50 .

[2]王海波.钢结构建筑安装中的先进焊接技术与工艺优化研究[J].工程建设与设计,2025,(11):214-216.

[3]李靖滨.惠州北站焊接残余应力对网架节点疲劳性能影响研究[J].铁道建筑技术,2025,(05):202-205+210.

[4]姚小彬,葛超,郭建仁,等.钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术探讨[J].中国金属通报,2025,(02):109-111.

[5]谢品鏐.建筑钢结构焊接连接方式的残余应力检测分析[J].中华建设,2025,(01):142-143.

[6]张吉玄. 建筑钢结构耐火钢焊接箱形截面残余应力试验研究 [J]. 四川水泥, 2024, (03): 72-74.