摘 要：在钢结构行业中，焊接作为至关重要的应用技术，其应用的范围非常广泛，具有许多显著的优势，但是也具有一定的缺陷，钢结构焊接的残余应力和焊接中出现的变形问题。在钢结构焊接作业中，如果出现钢材结构的温度不均匀，就会导致钢材结构出现许多焊接残余应力，从而造成焊接的钢结构产生变形以及开裂问题，影响了钢结构焊接施工质量。本文主要针对钢结构焊接作业中残余应力产生的原因进行了深入分析，并对残余应力的影响展开了探讨，并提出了控制钢结构残余应力和变形的方法。
关键词：钢结构；焊接；残余应力；变形
引言
随着现代化科学技术的快速发展，我国的焊接加工技术也在不断发展进步，现代化焊接加工技术具有比较明显的技术优势，能够提高钢结构焊接的精细化水平。
1、焊接应力与焊接变形的定义
1）焊接应力：钢材在焊接过程中，焊件部位会因为焊接时的局部高温产生不均匀的温度场。高温时，有一部分钢材会产生很大的膨胀和伸长，但由于受到邻近钢材的约束影响，会在焊件内部产生较大的收缩应力。在焊接的过程中，这种收缩应力伴随着焊接时间的变化和温度的升降变化不断的改变，而这种收缩应力就被定义为焊接应力。2）焊接变形：焊接构件在焊接及逐渐冷却的过程中，由于焊接构件局部受热且受热不均匀，同时焊接构件冷却也不均匀，因此焊接构件不仅会产生焊接应力，还会产生各种变形。这种焊件产生的变形，被称为焊接变形。
2、钢结构焊接应力与焊接变形产生的原因
在钢结构焊接的过程中，由于对焊接钢构件局部加热，使得焊缝附近区域的温度很高，而远离焊缝的金属基本上不受热，其温度与室内温度差不多。在焊接钢构件局部加热的过程中，焊缝附近金属由于受热作用会产生膨胀。而远离焊缝的金属未受热不发生膨胀，但却会严重制约焊缝附近金属的膨胀过程，这样使得焊缝附近金属会产生部分塑性变形。同样，在焊接金属冷却时也会受到周边未加热金属的影响，制约了焊接金属自由塑性收缩，使整个焊接钢构件均产生了收缩现象，同时也会产生焊接应力及焊接变形，这样就使得焊接钢结构产生了各种变形。
3、钢结构焊接应力与焊接变形的种类
3.1焊接应力种类
鋼材从开始焊接到钢材冷却后，钢材内部由于温度变化引起的热胀冷缩到达到室温时还有残存的应力存在，这种应力称为焊接残余应力。焊接残余应力按受力方向可分为以下三种：1）纵向焊接残余应力钢材焊接时，焊件上会产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度可达到1600℃，而其邻近部位温度相对较低。钢材在高温处变形大，而低温处变形小，高温处变形受到低温处钢材的限制，就会产生热状态下的塑性压缩变形。焊缝冷却至常温时，与初始长度相比，被塑性压缩的焊缝区长度变短了，同时两侧钢材限制了这种缩短变形，以至于焊缝区出现了纵向的拉应力，这就是所谓的纵向焊接残余应力。2）横向焊接残余应力横向焊接残余应力有两部分组成。一部分是焊缝发生纵向收缩，使得两块钢板发生反向的弯曲变形。两块钢板通过焊缝连接可以连成一个整体。但焊缝的作用会使得两块钢板中间有横向拉应力产生，而两端会有压应力产生。另一部分是由于焊接顺序的不同导致焊缝的冷却时间不一致，最开始焊缝先凝固同时具有一定的强度，这样就阻止了后来焊的焊缝的横向自由膨胀，使得后焊的焊缝发生了横向塑性压缩变形。由于先焊焊缝凝固，中间焊缝再逐渐凝固，后焊焊缝最后才凝固，这三部分会产生杠杆作用，后焊部分因为收缩而受垃，先焊部分因杠杆作用也受垃，而只有中间部分受压。这两种横向应力通过叠加成为最后的横向残余应力。3）沿厚度方向的焊接残余应力厚度比较大的钢板进行焊接时，由于焊缝与钢板接触面和空气接触，使得其散热较快而先冷却，但内部的焊缝不与空气接触而后冷却，后冷却的焊缝的收缩变形会受到外面已凝固的焊缝阻碍，从而形成了中间受垃、四周受压的应力状态。
3.2焊接变形种类
按焊接残余变形的外观形态分为以下几种变形。1）纵向变形—焊接后指的是焊件沿着焊接方向发生收缩。2）横向变形—焊接后指的是焊件垂直于焊接方向发生收缩。3）挠曲变形—穿过焊缝线并与板件垂直的平面内变形。4）角变形—焊接后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。5）波浪变形—焊接后构件呈现波浪形。6）扭转变形—焊接后结构上出现扭曲。
4、钢结构焊接残余应力以及变形控制的方法
4.1控制钢结构焊接残余应力的方法
在钢结构焊接加工中，受到残余应力的影响，将会导致钢结构焊接的整体质量降低，为了有效控制残余应力，提高钢结构焊接加工质量。可以选择应用这样几种方法：第一，采用焊接热处理法。其主要利用退火处理技术，使焊接受热的温度不断提高，从而有效延长保温时间，避免出现冷热不均匀的问题。但是在应用这一技术时，需要把温度控制在合理的范围内，一旦焊接的温度太高，就可能会造成钢结构氧化过重的问题。第二，应用锤击消除法。在钢结构焊接中应用锤击消除法，主要在焊接加工完成之后，需要应用水锤敲击焊接的位置，这样能够使焊接的位置保持延展，从而消除热胀冷缩反应中产生的残余应力，防止钢结构材料产生变形的问题。但是在锤击焊接部位时，必须确保母材受力均匀。第三，振动消除法。随着科学技术的快速发展，在当前的钢结构焊接加工中，主要采用振动消除法，来有效消除焊接残余应力。振动消除法的处理时间非常短，能够降低加工成本，不会产生氧化过重的问题。其中使用的激振器中包含了偏心轮以及变速马达，所以能够让焊接结构中出现共振循环反应，进而导致内应力逐渐降低。
3.2控制钢结构焊接变形的方法
在钢结构焊接加工中，为了有效控制钢结构焊接变形的问题，首先需要严格控制焊接量，避免焊接残余应力出现。在钢结构材料焊接加工前必须做好充足的准备工作，深入了解和分析钢结构的基本特征，焊缝的尺寸需要进行严格管理，母材不能进行焊缝。其次，在钢结构焊接中需要合理调整焊接工艺次序，对于不必要的焊接次序需要进行优化调整，如果钢结构的收缩量比较大，那么需要提前焊接，然而继续焊接长直缝，只有遵循先大后小的原则，才能避免残余应力。最后，在先进的科学技术支撑下，可以不断改善焊接技术，加强应用全新的焊接技术，例如：二氧化碳保护焊以及氩弧焊，这些焊接工艺技术都能避免钢结构变形问题产生。
结束语
总而言之，在科学技术快速发展的推动下，为了有效控制钢结构焊接残余应力与变形问题，需要加强应用先进的操作技术，注重保护钢结构的强度、刚度与稳定性，延长使用寿命，减少裂缝问题，才能促进钢结构焊接加工朝着精细化发展。
参考文献
[1]陈万华，牟志超，祝长江，孙德文，王太江，吴祥新.304L奥氏体不锈钢的焊接残余应力热处理去除试验研究[J].新技术新工艺，2017（01）：1-4.
[2]陈飞鹏.钢结构焊接残余应力及焊接变形控制[J].工程技术研究，2017（01）：30-31.
[3]朱爱华，姚鹏，李楠楠，李和林，邢军伟，段玥晨，刘国宁.22MnB5钢焊接温度场及残余应力的数值模拟[J].铸造技术，2017，38（01）：193-197.
[4]王斌.焊接应力对构件的危害及消除[J].现代制造技术与装备，2017（01）：109-110.
[5]高占远，郭彦林.大型或复杂钢结构焊接残余应力与变形研究进展[J].建筑科学与工程学报，2016，33（05）：108-119.
[6]孙加民，朱家勇，夏林印，邓德安.电渣焊接头焊接残余应力与变形的数值模拟[J].焊接学报，2016，37（05）：23-27+130.
（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）
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