钢结构的焊接残余应力与消除方法

摘 要：钢结构在焊接的过程中，经常会有焊接参与应力的存在，这会对其总体的施工质量及使用质量产生一定的影响，为了消除这种焊接残余应力，要对其形成原因及影响因素进行分析，在此基础上提出相关的消除措施，本文就针对此予以简单分析。

关键词：钢结构；焊接残余应力；消除

在钢结构的施工过程中，其中一种非常重要的施工工艺就是焊接，这是一个非常复杂的过程，其中涉及到力学、冶金、传热、电弧物理等各个学科的知识，在进行钢结构的焊接时，为了保证其焊接质量及各种使用性能参数，对其焊接残余应力的产生原因进行分析，并提出相关的消除方法是非常必要的。

一、焊接残余应力的概念

在进行钢结构中的相关构件的焊接时，会产生一定的内应力即焊接应力，而这种焊接应力的作用时间的长短是有一定的区别的，按照其作用时间的长短有焊接残余应力与焊接瞬时应力的区别，焊接瞬时应力的作用会在焊接之后的短时间内消失，而另一部应力会在焊接结束之后残留于构件之中，继续作用，这种焊接应力就是焊接残余应力。

二、钢结构焊接残余应力的产生原因

通过试验分析发现，产生焊接残余应力的原因是多种多样的，对其主要的产生原因进行分析，可以得出以下几点：（1）焊接方法及焊接顺序的不合理会导致焊接残余应力的出现，尤其是对于一些焊接部位较多，焊接程序复杂的构建来说，采用不同的焊接顺序进行焊接，最终产生的焊接应力也是不尽相同的。（2）焊接工艺参数设置不合理，在构件的焊接过程中，需要综合考虑构建的结构、材质、厚度等各种因素才能进行焊接方法的选择及焊接参数的设置，否则很容易在焊接的过程中形成凹坑、气孔、裂纹等缺陷。（3）焊缝的位置及数量分布的不合理，如果在构件的焊接过程中具有较多的封闭焊缝，并且不同焊缝的疏密程度具有较大差别，甚至出现焊缝的相互交叉，这种现象的存在，很容易导致较大焊接残余应力的产生。（4）焊缝的接头形式、尺寸等设计不合理，焊缝尺寸的大小与焊接应力的大小有着直接的关系，并且焊接间隙、焊接坡口形式、焊接零件之间的搭接方式等都会对焊接残余应力的大小产生直接的影响。

三、钢结构残余应力产生的相关影响因素

钢结构中的焊接残余应力，按照其来源的不同，可以分为以下的几种类型：（1）组织应力，这种焊接残余应力的形成主要是因为钢结构中的组织变化所引起的；（2）间接应力，这种焊接残余应力主要是由于焊接之前构件的加工状况引起的残余应力，如果在进行焊接之前，对相关的构件开展过拉拔或者轧制，很容易导致这类残余应力的发生，在构件经过焊接工艺加工之后，这种应力会与焊残余应力相叠加，导致钢结构的焊接残余应力的值增大；（3）直接应力，这种焊接残余应力的产生主要是由于焊接的过程中出现了冷却或者是不均匀加热，其焊接残余应力值的大小主要与冷却及加热时的温度梯度有关。

对焊接残余应力的产生原因进行分析，其实质上是一个随着加热及冷却导致相关的钢结构材料的热弹塑性的应力出现动态变化的过程，对其主要的影响因素进行分析，发现其主要受到这几方面的因素的影响：（1）焊接热源的类型不同的影响，对焊接应力的产生及变化起到决定性影响的因素是焊接过程中的热输入，焊接热源的移动速度、密度分布、种类，以及焊接构件的厚度与形状都与焊接过程中的温度场的分布有着直接的关系，这也会对焊接残余应力的大小及分布产生直接的影响；（2）钢结构的力学性能及物理特性对焊接残余应力产生直接的影响。

四、钢结构焊接残余应力的消除方法

由于钢结构中存在严重的焊接残余应力会对相关构件的施工质量及使用性能造成不良影响，应该采取有效的措施对其予以消除，本次研究中，就根据上文中的分析，提出了几点消除钢结构中的焊接残余应力的措施，对于提升钢结构的使用性能具有积极的作用。

1.爆炸法

对焊接残余应力进行爆炸处理是一种新兴的消除焊接残余应力的方法，随着该项技术的研究深入，在实际的应用中，这种方法的应用范围越来越广泛，其主要的实施方法是：采用适当的方式，在相关的焊接构件上的焊接残余应力的区域内，引爆一定数量的炸药，爆炸过程中产生的冲击能量，能够使相关的焊接构件在一定程度上出现塑性变形，能够有效的消除构件上的焊接残余应力，由于这种方法在实际的应用中能够取得较好的应用效果，使得该方法在消除焊接残余应力的工作中取得了较广泛的应用。

2.振动法

这种方法具有初期投资小、处理成本低的优点，其主要的实施方法是：将体积较小的钢结构构件安装于合适的台上，对其进行振动，而对于一些体积较大的钢结构构件，可以用一定的支撑设备对其进行支撑，并应用振动设备夹对其进行固定，对其进行振动，振动过程中，振动幅度大小的选择要根据相关构件的几何形状、质量等因素来进行适当的选取，为了达到较好的振动效果，较大限度的消除焊接残余应力，振动过程中使用的振动应力应该选择在20兆帕到35兆帕之间，这种方法与热处理方法相比，投资成本非常的小，具有非常好的经济效益。

3.拉伸法

这是一种非常简单的消除钢结构的焊接残余应力的方法，其主要的方法是：直接在相关的钢结构的构件断面上施加均匀的拉应力，所施加的拉应力的方向应与焊接过程中构件产生的压缩塑性变形的方向相反，使构件产生相反方向的塑性变形，采用这种方法能够使钢结构相关构件的焊接残余应力的值在一定程度上减小。

4.热处理法

根据钢结构中的应力松弛现象及蠕变现象，应用热处理的方法对钢结构中的焊接残余应力予以消除，其主要的方法为：将相关的钢结构的部分或者整体，采用一定的方法，将其加热到相变点之下的某个温度值，并要对加热速度进行严格的控制，并使其保持在该温度下一段时间，之后在使其进行缓慢的冷却，采用这种方法，能够在消除钢结构的焊接残余应力的基础上，对其焊接区域的材质进行一定程度的改善。

五、结束语

钢结构焊接的过程中产生焊接残余应力是不可避免的，这会对其使用性能造成一些不良的影响，在实际的应用中，采取有效的措施对其予以消除是非常必要的，本文就对钢结构焊接残余应力的产生原因及主要影响因素进行了简单分析，并提出了相关的解决措施。