焊接残余应力的形成机制和消除方法.docx

焊接残余应力的形成机制和消除方法摘要:钢结构的焊接工艺十分复杂在实际操作中存在很多焊接残余应力和残余变形如果这种现象不能得到控制将会产生不可估量的损失。文章主要阐述了钢结构在焊接过程中产生的残余应力及残余应力的消除方法。关键词：焊接；残余应力；控制；消除方法中图分类号：P755.1文献标识码：A文章编号：钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。焊接连接是目前钢结构最主要的连接方式。但在焊接过程中在焊缝附近的热影响区内钢材的金相组织发生改变导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感局部的裂缝一旦发生就容易扩展到整体。一、焊接残余应力钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。在施焊时焊缝及其附近区域的温度很高而临近区域温度则急剧的下降导致不均匀的温度场。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。当焊接温度场消失后构件内部产生应力这种应力称为焊接残余应力。（1）焊接残余应力对钢结构的影响：1.对钢结构刚度的影响焊接残余应力使构件的有效截面减小丧失进一步承受外载的能力。焊接残余应力的存在还会增大结构的变形降低结构的刚度。2.对静力强度的影响由于焊接残余应力的自相平衡使受压区和受拉区的面积相等。构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接残余应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等因此不影响静力强度。3.对疲劳强度的影响焊接残余应力的存在使应力循环发生偏移。这种偏移只改变其平均值不改变其幅值。当应力循环的平均值增加时其极限幅值就降低反之则提高。4.对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀作用下产生裂纹的现象在特定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关拉伸残余应力越大应力腐蚀开裂的时间越短。5.对低温工作性能的影响在厚板焊接处或具有交叉焊缝的部位将产生三向焊接残余拉应力阻碍该区域钢材塑性变形的发展。当钢材在低温环境下工作时有时残余应力与载荷引起的应力叠加使三向拉应力的数值更加接近从而增加钢材在低温下的脆性倾向即钢材会变脆。通常称为“低温冷脆现象”。（2）焊接残余应力的分布在厚度不大（δ二、焊接残余应力的控制方法焊接残余应力的控制目标是降低应力的峰值并使其均匀分布其措施如下:1.采用合理的焊接顺序和方向尽量使焊缝能自由收缩先焊收缩量比较大的焊缝。如带盖板的双工字钢构件应先焊盖板的对接焊缝后焊盖板和工字钢之间的角焊缝使对接焊缝能自由收缩从而减少残余应力。先焊工作时受力较大的焊缝如在工地焊接梁的接头时应先留出一段翼缘角焊缝最后焊接先焊受力最大的翼缘对接焊缝然后焊接腹板对接焊缝最后再焊接翼缘角焊缝。这样的焊接次序可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力而腹板则为拉应力。翼缘角焊缝留在最后焊接则可使腹板有一定的收缩余地同时也可以在焊接翼缘板对接焊缝时采取反变形措施防止产生角变形。在拼板时应先焊错开的短焊缝然后再焊直通长焊缝。如采用相反的次序即先焊长焊缝再焊短焊缝则由于短缝的横向收缩受到限制将产生很大的拉应力。在焊接交叉（不论是丁字交叉或十字交叉）焊缝时应该特别注意交叉处的焊缝质量。如果在接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷（如未焊透等）则缺陷正好位于纵焊缝的拉伸力场中造成复杂的三轴应力状态。2.在焊接封闭焊缝或其它刚性较大、自由度较小的焊缝时可以采用反变形法来增加焊缝隙的自由度。3.锤击或辗压焊缝每焊一道焊缝用带小圆弧面的风枪或小手锤锤击焊缝区使焊缝得到延伸从而降低残余应力。锤击应保持均匀、适度避免锤击过份产生裂纹。采用辗压法也可有效地降低残余应力。4.在结构适当部位加热使之伸长加热区的伸长带动焊接部位使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形。在冷却时加热区的收缩和焊缝的收缩方向相同使焊缝能自由地收缩从而降低残余应力。利用这个原理可以焊接一些刚性比较大的焊缝获得降低残余应力的效果。如大皮带轮或齿轮的某一轮幅需要焊修为了减少残余应力则在需焊修的轮幅两侧轮缘上进行加热使轮幅向外产生变形。焊缝在轮缘上则应在焊缝两侧的轮幅上进行加热使轮缘焊缝产生反变形然后进行焊接都可以取得良好的降低焊接残余应力的效果。三、焊后消除焊接残余应力的方法由于焊接残余应力的不利影响只有在一定的条件下才表现出来。例如对常用的低碳钢及低合金结构钢来说只有在工作温度低于某一临界值以及存在严重缺陷的情况下才有可能降低其静载强度。要保证焊接结构不产生低应力脆性断裂是可以