大型(节点复杂)钢构件焊接应力控制和消除

焊接应力对杆件影响的控制和消除

工程建设项目中钢结构的结构杆件大都由焊接件组成，焊接工作是工程建设的重要工艺，直接关系到工程质量和设备的安全运行，而焊接应力则是影响焊接质量的重要因素。

一、焊接应力的形成

焊接件的局部加热，会在焊件上产生不均匀的温度场，使材料产生不均匀的膨胀。处于高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀，于是焊件内出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性应变；在冷却过程中，经受压缩塑性应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。另外由于构件受到焊接热循环的作用，使焊缝金属的内部组织发生不同的变化，引起了因金属组织转变而造成体积上的变化，产生相变应力。除上述两种原因之外，如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住，也会在焊接件中产生焊接应力。

在焊接过程中，随时间而变化的内应力为焊接瞬时应力。焊后当焊件温度冷至常温时，残存于焊件中的内应力则为焊接残余应力。在实际生产中，焊后焊件中总是存在着一定的残余应力和变形，而应力在一定条件下还影响焊接结构的性能，如强度、刚度、受压时的稳定性，尺寸的准确性及加工精度等。

二、残余应力的影响

1.对结构刚度的影响

当外载产生的应力与结构中某区域的焊接内应力叠加之和达到一定的屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减少，结构的刚度也随之降低。

2.对受压杆件的影响

当外载引起的压应力与内应力中压应力叠加之和达到бS，这部分截面积就丧失了进一步承受外载能力。这样就削弱了构件的有效截面积，改变了有效截面积的分布，并使稳定性有所改变。内应力对受压杆件稳定性的影响大小与内应力的分布有关，特别与远离中性轴那部分截面中的内应力符号和大小有关。

3.对静载强度的影响

焊接拉伸内应力对静载材料处于脆性(如低温)状态下危害性很大。当拉伸内应力和外载所引起的叠加应力超过断裂极限就会导致结构早期破坏。

三、减少焊接应力的有效措施

焊接结构在焊后存在过大的应力是不允许的。因此，从焊接结构的设计开始到焊接施工都要设法防止和降低它，焊后还要考虑是否有必要消除应力和校正变形。

1.合理选择焊接顺序

焊接时，应选择尽量使多条焊缝都有自由收缩可能的焊接顺序，具体办法有：

(1)对大型结构，应从中间向四周进行施焊，使焊缝可以由中间向外依次进行收缩。

(2)对于平面上的交叉焊缝，应特别注意交叉处焊接质量。如果接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷(未焊透)，则这些缺陷正好位于纵焊缝的拉伸应力场中，会造成三向应力状态。所以要采取保证交叉点部位不易产生缺陷而又能自由收缩的顺序，先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝。

(3)应先焊收缩量最大的焊缝，这是因为结构的刚性在焊接过程中是逐渐增大的，所以先焊的焊缝在收缩时所受到的阻力会小些，焊后的应力也就小些。如果在结构上既有对接焊缝又有角焊缝，就应先焊对接缝，后焊角焊缝。

(4)应先焊在工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。在接头两端留出一段翼缘角不焊，先焊受力最大的翼缘对接焊缝1，然后再焊腹板对接缝2，最后焊翼缘预留角焊缝3。

这样焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力，而腹板对接缝受拉，角焊缝留在最后焊可以保证腹板对接缝有一定的收缩余地，同时也有利于在焊接对接缝时采取反变形措施以防止产生角变形。

基本建设焊接构件一般都较大，因此十分讲究焊接顺序和施工程序。如我公司钢结构施工编制的大型屋架操作工法中规定：屋架要分部拼装。即钢屋架按上弦、下弦和各部连杆分别组对焊，然后再整体组装。分部件焊接，焊接热量不集中，内应力变化不大，热变形小。此工法还规定：不管部件焊接，还是层架整体焊接，都应严格按以下焊接顺序：背焊角钢，先焊腹翼，后焊肋翼，在较长的部件上焊接，应从中间向两端退位焊接，使部件在热影响下能有自由伸长与缩短的活动余量。整体屋架焊接时，先焊撑杆件，后焊拉杆件。对钢屋架整体焊接还规定要间断轮流焊接，开始施焊第一道焊缝时，应先焊点焊的背面，当第一遍焊缝焊好后，再焊点焊缝一面，轮流焊直到设计高度。点焊高度不得超过焊高的2/3。

2.选择合理的焊接规范

为尽量减少焊件受热范围，根据构件的实际情况，必要时可采用较小直径焊条和较小的焊接电流进行焊接，以达到减少焊后残余应力的目的。

3.预热法

焊前将焊件整体或一部分加热，使其能缓慢、均匀地冷却，这是在中、高碳钢、合金钢铸铁等焊接时经常采用的有效措施。钢的预热温度一般为150-350℃。通常，预热温度越高减少焊接应力的效果也越好。另外通过预热，降低了焊缝金属和母材热影响区的冷却速度，同时也降低了收缩应力。

4.加热“减应区”

这是近年来推行的减少应力的方法。焊前对焊件适当部分进行局部加热，使焊区的金属在焊后可以自由收缩。这样可使整个焊件尽可能地均匀冷却和收缩，焊后的应力就可以大大减小。对于焊件上的被加热的部分称为减应区。这种方法的实质是减少焊接区与焊件上阻碍焊接区自由收缩部分(即减应区)之间的温度差。

5.间断焊接法

为减少对焊件的加热程度，减少加热范围，可根据结构具体情况，以间断的方式进行焊接。例如：在对铸铁进行电弧冷焊时，每次只焊一段很短的焊缝，让其冷却到不烫手时再焊下一段，直至全部焊完工作缝。这样焊接区附近的金属始终处在“冷态”中，可减少焊接应力。

6.设计时采取措施减小和消除焊接应力

(1)尽量减少焊缝的数量和尺寸；

(2)避免焊接过分集中，焊缝间应保持足够的距离；

(3)在残余应力为拉应力的区域内，应避免几何不连续性，以免内应力在该处进一步提高；

(4)采用刚性较小的接头形式。如用翻边连接代替插入式管连接，降低焊缝约束度。

7.焊后热处理(消除应力退火)对焊接结构的整体或局部进行退火是消除应力的有效手段，可以使焊接残余应力松弛，防止焊接部位的脆性破坏。热处理如果引起组织和晶粒尺寸变化，可能给工件带来有害影响。因此，消除应力热处理通常是在临界温度以下进行。

8.锤击焊缝法：用手锤和风锤敲击焊缝金属，减少焊接应力。敲击时必须均匀，锤击最好在热状态下进行，但要注意不能在金属的兰脆温度下锤击。

实际生产中减小和消除内应力的方法很多，上述仅仅是其中主要几种，生产中往往是几种方法联合使用，达到最好的控制效果，从而保证焊接质量。

总趋势：温度升高，钢材强度降低，塑性增大；温度降低，钢材强度提高，塑性减小。1.正温时温度变化对钢材性能的影响。