钢结构焊接残余应力及变形控制方法综述

引言

焊接是钢结构制造的核心工艺，但焊接热循环引发的非均匀温度场导致残余应力和变形，严重影响结构的力学性能和安全性。残余应力可引发裂纹、疲劳及结构失效，变形则增加安装难度和调整成本。随着大型复杂钢结构的广泛应用，焊接残余应力控制成为技术研究和工程实践的热点。本文围绕焊接残余应力的成因、测量技术和控制方法，结合最新研究进展，全面梳理相关理论与技术，为钢结构焊接质量保障提供参考。

一、焊接残余应力的形成机理与测量技术

（一）焊接热循环与残余应力产生机理

焊接过程中，焊缝区经历高温加热和冷却，导致材料局部膨胀与收缩不均匀。高温区受热膨胀，而邻近未加热区域受约束，产生热应力。冷却时，由于材料的塑性变形和温度梯度，产生不可恢复的内应力，即残余应力。该应力分布复杂，影响焊接接头的结构完整性和力学性能，是钢结构焊接变形和裂纹的主要诱因。

（二）常用残余应力测量方法综述

残余应力测量方法主要分为破坏性和非破坏性两类。破坏性方法如切割法、孔钻法，通过局部释放应力测定应变。非破坏性方法包括X 射线衍射、中子衍射和超声波检测等，利用材料晶格或波传播特性评估应力分布。现代技术结合多种测量方法，实现对复杂结构残余应力的准确评估和监测。

（三）残余应力对钢结构性能的影响分析

残余应力会引起钢结构的变形、降低疲劳寿命并增加裂纹产生风险。压应力区可导致塑性变形，拉应力区易产生裂纹和断裂。应力集中还可能引发局部损伤和材料劣化，影响整体结构稳定性。合理控制和释放残余应力，是提高焊接接头强度、耐久性和安全性的关键环节。

二、焊接工艺参数优化及热输入控制

（一）热输入对残余应力和变形的影响

热输入是影响焊接残余应力和变形的关键因素。较高的热输入会导致焊缝及热影响区温度过高，材料冷却速度减缓，产生较大的热膨胀和收缩差异，从而引发较高的残余应力和明显变形。反之，控制热输入可减小温度梯度，限制热应力积累，降低焊接变形风险。合理调整热输入不仅有助于保证焊缝质量，还能有效延长结构使用寿命，减少后期校正和维修成本。

（二）焊接速度、层数与路径的优化策略

焊接速度直接影响热输入大小，速度过慢导致过高热输入，过快则可能焊接不充分。合理选择焊接层数和层间时间，有助于控制热循环和温度分布，减少残余应力积累。焊接路径设计需避免应力集中，采用对称或交错焊接法分散热量。通过科学规划速度、层数和路径，能够有效平衡焊接质量和应力控制，提升结构的整体稳定性和耐久性。

（三）先进焊接技术在应力控制中的应用

激光焊、电子束焊和摩擦搅拌焊等先进焊接技术以高能量密度和精准控制著称，显著减少热输入和热影响区宽度。这些技术降低了焊接变形和残余应力的产生，提升焊缝质量和结构性能。自动化和智能化焊接设备实现参数的精确调控和实时监测，促进应力控制的科学化。先进焊接技术为复杂钢结构焊接提供了强有力的技术支撑，推动行业向高质量制造迈进。

三、机械约束与辅助控制技术

（一）夹具和约束装置的设计与应用

夹具和约束装置在焊接过程中用于限制构件的自由变形，减小焊接引起的残余应力和变形。合理设计夹具位置和夹持力，能够有效分散和均衡热应力，避免局部应力集中。夹具还可保证焊接部位的几何精度，方便后续安装。现代夹具多结合数控和智能化技术，提高夹持的灵活性和精度，适应复杂钢结构的多样化需求，显著提升焊接质量

和效率。

（二）振动辅助焊接技术

振动辅助焊接通过对焊接区域施加机械振动，促进焊缝金属的塑性流动和应力松弛。振动能加速焊缝冷却过程，细化晶粒组织，改善焊缝力学性能。此技术有效降低残余应力的产生，减少焊接变形，同时提高焊接接头的致密性和耐疲劳性能。振动参数的选择和控制对效果影响显著，结合传统焊接工艺，振动辅助技术展现出良好的应用前景。

（三）预热和缓冷工艺的控制效果

预热工艺通过提高焊接区初始温度，减少温度梯度，从而降低焊接过程中的热应力和热裂纹风险。缓冷工艺则控制焊后冷却速率，避免急冷带来的冷裂和高残余应力。合理制定预热温度和保温时间，有效促进焊缝金属的组织均匀化，增强焊接接头的力学性能。预热与缓冷结合应用，为钢结构焊接变形控制和质量提升提供了重要保障。

四、焊后热处理与残余应力释放方法

（一）焊后热处理工艺及参数选择

焊后热处理是通过加热和控制冷却过程来缓解焊接引起的残余应力，防止裂纹和变形。不同钢材和结构对热处理温度和时间的要求存在差异，必须结合具体材料性能和焊接工艺参数进行优化设计。适宜的热处理温度一般介于 450^∘C 至 650^∘C ，保温时间根据构件厚度调整。均匀加热有助于消除温度梯度，避免新的应力产生。热处理不仅释放内应力，还能改善焊缝及热影响区组织，提高抗腐蚀性和力学性能，从而延长钢结构的使用寿命。合理选择和控制焊后热处理参数，是保障焊接结构质量的关键环节。

（二）振动时效与机械时效技术

振动时效技术利用机械振动激发材料内部应力的松弛，通过改变应力状态达到降低残余应力的效果。振动频率和幅度对效果影响显著，通常选取能引发材料微观结构运动的频段。该技术设备简单，适合现场应用，能有效减少焊接后变形，提升构件尺寸稳定性。机械时效还包括压缩时效和冲击时效等，通过不同机械作用方式加速应力释放。振动时效与传统热处理相比节能环保，无需高温加热，适合对高温敏感的结构，成为残余应力控制领域的重要补充技术。

（三）多种方法综合应用效果分析

单一控制方法难以全面解决焊接残余应力和变形问题，综合采用工艺优化、机械约束、热处理和机械时效等多种技术，能更有效地协调应力分布和变形控制。工艺优化减少应力源头，机械约束限制变形自由度，热处理释放剩余应力，振动时效促进微观应力松弛。各技术相辅相成，在大型复杂结构焊接中表现尤为突出。实际工程表明，综合方法可降低焊接缺陷率，提高结构服役安全性和可靠性，是未来钢结构焊接质量控制的重要发展方向。

结论

焊接残余应力及变形控制是保障钢结构质量的关键环节。多种技术手段各有优势，热输入调控和工艺优化有效减少焊接热影响区的应力积累，机械约束和辅助技术能够限制变形并促进应力均匀分布，焊后热处理则是释放残余应力的有效手段。综合应用多种方法，可显著提高钢结构焊接质量和结构性能。未来研究应重点关注智能控制技术和新型焊接工艺的集成应用，以满足复杂结构高质量制造的需求。

参考文献

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