焊接应力的产生及对钢结构的影响

浅谈焊接应力的产生及对钢结构的影响
摘要：钢结构在现代建筑中应用的越来越多，焊接应力对焊接产生的影响越来越大，通过对焊接应力的产生原因进行分析，找准正确的解除方法，才能够减少焊接应力和变形，提高焊接质量。

关键词：钢结构应力脆性断裂去除
1.钢结构的应用
钢结构在现代建筑中应用的越来越多，焊接工作做为钢结构中的重要工艺它直接关系到工程质量的好坏和结构的安全，t形结构焊接是h型钢生产工艺的重要部分，t型结构的焊接质量严重影响h 型钢的质量，也在钢结构制造中起着非常重要的作用，广泛的应用于焊接结构各领域（广泛用于建筑钢结构梁、柱、承重支架、高速公路挡板支架等），目前影响焊接质量的关键因素是焊接应力，焊接应力形成后导致的焊接变形是形成各种焊接裂纹的重要因素，又是造成热应变脆化的根源，焊接应力在一定条件下还会严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等。

2.焊接应力分析
焊接应力的产生是由于焊缝区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高，因而对焊缝区的膨胀起约束作用。

焊接线能量输入越大，试样所得到的热量越多，其温度越高，随着焊接线能量的增大，远离焊缝的位置所得到的热量也越多，温度也越高，受到应力也越大；一般情况下焊接残余应力是由多种因素交互作用的结果，通常焊缝附近是急速被加热到高温状态，达到这一温度的焊缝
区急剧膨胀，热膨胀受到周围金属的约束，将产生很大的压缩；在冷却过程中，已发生塑性变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上被拉伸形成拉应力；与此同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将产生相应的拉应力，焊接应力分以为纵向焊接应力，横向焊接应力，厚度方向的焊接应力。

2.1纵向焊接应力
纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力。

在施焊时，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。

如果钢板的纵向纤维都能自由伸缩，则纤维的纵向伸长也将按温度分布曲线的规律变化，由于钢板是整体的，原平面截面变形后仍保持平面。

故施焊时，整个平截面只能产生均匀的伸长，在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用，施焊完毕，焊件自然冷却，钢板截面开始收缩，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力。

2.2横向焊接应力
横向焊接应力的方向与焊缝长度垂直，产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩两个方面。

施焊时，由于焊缝的纵向收缩两块对焊钢板有相向弯曲的趋势，但焊缝已将其连成整体，这样使得两块板沿焊缝长度方向中部产生横向拉应力，两端产生压应力。

冷却时，由于焊缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在一定强度，阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨
胀，使其产生横向压缩变形。

后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。

3.焊接应力的危害主要包括以下方面：
3.1 对结构刚度的影响
当外荷载产生的应力与结构中焊接应力叠加之和达到屈服点对这一区域的材料就会产生局部塑性变形，表示了进一步承受荷载的能力造成结构的有效截面积减少，结构的钢度也随之降低。

焊接结构中焊缝及其附近区域的纵向拉伸残余应力一般都可达到或接近屈服极限，如果外载产生的拉应力与残余应力相叠加超过屈服极限，则其变形就要比没有内应力或者内应力较低时大，并会发生局部屈服；当卸载时，其回弹量少于加载时的变形量，构件不能恢复到原始尺寸。

经过第一次加载后内应力会下降，随后的加载载荷只要不超过第一次，应力之和也就不大于s，整个加载过程只在弹性范围内进行，卸载后不会产生新的残余变形。

这种现象会降低构件的刚度，例如梁形焊接构件。

结构受弯曲时内应力对刚度的影响与焊缝的位置有关，焊缝所在的部位的弯曲应力越大，其影响就越大。

3.2对静承载能力的影响
当静载拉伸载荷作用于存在残余应力的焊件上，则在外载与内应力的方向一致的区域中进行应力叠加，使应力值不断升高。

当叠加应力值达到屈服值时，根据材料拉伸特性曲线，其应力出现平台不再升高，但是其变形量将继续增加，直至整个焊接界面应力均匀化
后才出现应力值升高直至断裂。

因此，存在残余应力的焊件并不会由于外载增加而使局部区域提前断裂。

3.3对结构脆性断裂的影响
在实际构件中，若高强度钢的韧性较低，焊接接头处的缺陷会导致结构的低应力脆性断裂，，断裂评定必须考虑拉伸残余应力与工作应力的共同作用的影响，应引入应力强度修正系数。

若裂尖处于焊接残余拉应力范围内，则缺陷尖端的应力强度增大，；裂纹趋于扩展，直至裂纹尖端超出残余拉应力范围。

随后，裂纹有可能停止扩展或继续扩展，这将取决于裂纹长度、应力强度和结构运行环境温度。

焊接应力只分布于局部区域，对裂纹的影响也局限于这一范围。

3.4对应力腐蚀的影响
在应力和腐蚀的共同作用下会形成应力腐蚀，促使裂纹的形成、发展直至快速扩展造成断裂。

一些焊接构件工作在有腐蚀介质的环境中，除外载的工作应力外，焊接残余应力本身也引起应力腐蚀开裂。

这是在拉应力与化学共同作用下发生的，残余应力与工作应力叠加后的拉应力值越高，应力腐蚀开裂所需的时间就越短。

选择对待定的环境和工作介质有良好抗腐蚀性的材料，以及对焊接构件进行消应力处理，都可以提高构件的抗应力腐蚀能力。

3.5对构件精度和尺寸稳定性的影响
为保证构件的设计技术条件和装配精度，某些焊接构件在焊后要进行机械加工。

一部分材料从焊件上被切除时，此处的内应力也随
之释放，使构件中原有的残余应力场失去平衡而重新分布，引起构件变形。

这类变形往往是在机械加工后松开夹具后才充分显示出来，影响构件精度。

此外，焊接构件中的残余应力随时间的延长会缓慢变化而重新分布，发生应力松弛，同时焊件尺寸也产生相应的变化，影响到构件的精度和尺寸稳定性。

不同的材料会引起不一样的残余应力松弛，对结构的精度和尺寸稳定性影响也不一样。

控制焊接应力的主要措施包括加热减应区、预热方法焊接、锤击焊缝、降低焊缝的拘束度等方法。

4.焊接应力去除方法
对于焊接应力的测量现在主要包括机械释放测量法和非破坏性
测量法两种。

机械释放测量法包括钻孔法、切条法、逐层铣削法等，非破坏性测量方法包括、x射线衍射法、中子衍射法、磁性法：、超声波法、电子散斑干涉法、金属磁记忆法。

除了以上测量方法外，近年来有一批新的测试技术应用而生，如用屈服条件确定残余应力，无损电测法，脆性涂层法，云纹法，反向叠加应力法，热评估法，硬度法，数字散斑法以及压良叠加应力测量法等，有时也可根据具体情况将各种测试方法综合起来应用。

5.结语
通过分析焊接线能量对钢结构的焊接应力的影响，分析其焊接应力的变化规律，从而找出焊接应力与焊接变形的关系，掌握了焊接应力与变形的规律、作用与影响，采取措施控制或消除焊接应力与
变形，对于焊接结构的的完整性设计和制造工艺方法的选择以及运行中的安全评定等是十分重要的。

参考文献
1. 陈道金：港机构的焊接变形与控制纠正，《全国矿山建设学术会议论文选集》，2007年
2. 田拥军：如何控制焊接应力和变形，《山西建筑》，2004年3月
3. 陈海霞：焊接工艺中的残余应力，《山西建筑》，2007年10月。