焊接殘余變形和殘余應(yīng)力對建筑用低碳鋼性能的影響及防治措施研究

楊茜

摘 要：焊接時的殘余應(yīng)力、殘余變形對建筑低碳鋼性能會產(chǎn)生不利的影響，甚至破壞鋼材的安全使用。我們需要認真總結(jié)其產(chǎn)生原因和影響，采取合理的設(shè)計措施和工藝措施，把焊接殘余應(yīng)力、殘余變形對建筑低碳鋼性能的影響降低到最小程度，以保障鋼材使用的安全可靠。

關(guān)鍵詞：焊接；殘余應(yīng)力；殘余變形；低碳鋼；性能；影響；防治

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，經(jīng)濟實力不斷增強，建筑行業(yè)也在開放中學習、鍛煉，工程技術(shù)不斷取得進步，其中鋼結(jié)構(gòu)就是一種新型的工程建筑結(jié)構(gòu)形式。全國各地新建了大量的鋼結(jié)構(gòu)建筑工程，有車站、飛機場、工業(yè)廠房、加油站、住宅、商場、寫字樓等等，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍十分的廣泛，其質(zhì)量好、牢固穩(wěn)定可靠、施工安裝方便快捷的優(yōu)點也得到了業(yè)內(nèi)人士和廣大人民群眾的好評。但是在焊接鋼結(jié)構(gòu)時，常常會發(fā)生殘余變形和殘余應(yīng)力。如果對焊接時的殘余變形和殘余應(yīng)力處理不當，就可能影響低碳鋼的使用性能，甚至會發(fā)生質(zhì)量事故和安全事故，造成人民群眾生命和財產(chǎn)損失，這不得不引起我們的重視，需要大家認真鉆研，分析焊接殘余變形和殘余應(yīng)力對低碳鋼使用性能的影響，并制定合理有效的防治措施，避免這類的質(zhì)量事故和安全事故的發(fā)生，為我國建設(shè)行業(yè)的發(fā)展提供有力的保障。

1 鋼材及其連接方式的分析

1.1 鋼結(jié)構(gòu)的材料

與磚木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形式，它主要使用的材料為鋼材。作為一種結(jié)構(gòu)材料，鋼材有著很多良好的性能，如強度高、剛度大、能抵抗變形、延性好。它是建筑業(yè)能得到的強度最大、用途最多、最經(jīng)濟的材料。而且由于鋼材是一種工業(yè)化產(chǎn)品，是在嚴格的工業(yè)化質(zhì)量控制體系中生產(chǎn)的，因此，鋼材的質(zhì)量一般都有保障。

1.2 鋼材的性能

鋼材在單向靜荷載均勻拉伸時的性能，常常通過常溫下標準試件進行拉伸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖來表示，此時，鋼材的工作特性可以分成四個階段：

（1）彈性階段。此時鋼材具有彈性，卸載后，應(yīng)變也降到0，沒有殘余變形發(fā)生；（2）彈塑性和屈服階段。在此屈服階段中，任何一點的變形都將包括彈性變形和塑性變形兩部分，其中塑性變形在卸載后就不再恢復(fù)了，故又稱為殘余變形或永久變形。應(yīng)力-應(yīng)變曲線最低點為下屈服極限，它所對應(yīng)的應(yīng)力稱為鋼材的屈服點或屈服強度fy；（3）強化階段。鋼材內(nèi)部組織重新建立了平衡，又恢復(fù)了抵抗外荷載的能力；（4）頸縮（或稱破壞）階段。試件局部截面橫向收縮變形，變形繼續(xù)發(fā)展，直至斷裂破壞。

鋼材的性能一般通過有關(guān)指標來表現(xiàn)出來，其主要指標有以下幾種：

（1）彈性模量。E在彈性區(qū)域，彈性模量就是應(yīng)力-應(yīng)變的彈性階段曲線斜率，即E=f/ε， 其中f是應(yīng)力，ε為應(yīng)變；（2）強度。強度有兩種，服強度fy和抗拉強度fu。fu是衡量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，它可以直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣性，同時fu也是增加結(jié)構(gòu)安全性能的重要指標和保障；（3）冷彎性能。冷彎性能指鋼材在常溫下冷加工過程中，對產(chǎn)生裂縫以及破壞的抵抗能力，冷彎試驗是檢驗鋼材在承受規(guī)定彎曲時的變形能力，顯示其缺陷程度。冷彎性能是判斷鋼材塑性性能和質(zhì)量的綜合指標；（4）沖擊韌性。韌性是衡量鋼材在破壞之前所吸收能量的能力，也是體現(xiàn)鋼材抵抗沖擊荷載能力大小的一個重要指標，其衡量標準用沖擊韌性來表示，一般可以通過夏比試驗或者梅氏試件在梅氏試驗機進行試驗得出沖擊韌性數(shù)值；（5）可焊接性。鋼材的可焊接性表示在一定焊接工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼材經(jīng)過焊接后能夠獲得良好的焊接接頭性能。其中施工上的可焊性是指焊縫金屬產(chǎn)生裂紋的敏感性，以及由于焊接加熱的影響使得近縫區(qū)鋼材硬化和產(chǎn)生裂紋的敏感性。

1.3 鋼材的連接方式

鋼結(jié)構(gòu)是由若干桿件或構(gòu)件組合而成的，其連接的作用是通過一定的手段將鋼板材或型鋼組合成構(gòu)件，或?qū)⑷舾蓸?gòu)件組合成滿足某一項功能要求的整體結(jié)構(gòu)。因此，鋼材連接方式及其質(zhì)量的好壞，會直接影響鋼結(jié)構(gòu)的工作性能，故連接在鋼結(jié)構(gòu)中處于重要的樞紐地位。在鋼結(jié)構(gòu)連接時，必須遵循安全可靠、傳力明確、構(gòu)造簡單、制造方便和節(jié)約鋼材的原則。

鋼材的連接方式通常有三種：焊接連接、螺栓連接和鉚釘連接。其中焊接連接優(yōu)點是構(gòu)造簡單，任何形式的鋼構(gòu)件都可以直接相連，用料經(jīng)濟、接頭緊湊，不削弱截面、連接的密封性好、加工方便，因此，焊接連接已經(jīng)成為目前鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接方法了。

2 焊接殘余變形和殘余應(yīng)力對低碳鋼性能的影響及防治措施研究

2.1 焊接殘余變形和殘余應(yīng)力

我國鋼材常用的焊接方法是電弧焊，電弧焊包括了手工電弧焊、自動或半自動電弧焊、氣體保護焊等幾種方式。按照國家頒布的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）焊縫應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特性、焊縫形式、工作環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)等情況，分別選用不同的質(zhì)量等級。鋼結(jié)構(gòu)中的焊接過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程，不均勻的溫度場使焊件的膨脹和收縮不均勻，導致焊件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，通常將這種內(nèi)應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力按照同焊縫長度方向的關(guān)系，可以分為縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力和厚度方向殘余應(yīng)力。

縱向殘余應(yīng)力。它是指平行于焊縫長度方向的應(yīng)力，當兩塊鋼板對焊時，一邊因施焊受熱，即產(chǎn)生了不均勻的溫度場（焊縫附近的溫度高達1600℃以上，鄰近區(qū)域急劇降低），最熱區(qū)域的鋼材進入熱塑狀態(tài)（鋼材在溫度達到600℃時處于熱塑狀態(tài)），伸長量最大，但是受到了臨近溫度較低、伸長量較小的鋼材的阻止，而使最熱區(qū)域鋼材受壓。冷卻時，由于此部分的縱向收縮受到臨近鋼材的約束，導致近焊縫區(qū)受拉，又因為殘余應(yīng)力系自相平衡的內(nèi)應(yīng)力，故遠處受壓，這樣就產(chǎn)生了縱向殘余應(yīng)力。

橫向殘余應(yīng)力。兩塊鋼板對接，縱向收縮除了引起縱向殘余應(yīng)力外，還會使兩塊鋼板有相同的彎曲趨勢，但焊縫已經(jīng)將其連接成為整體，因而使兩塊鋼板沿焊縫長度方向在中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，兩端產(chǎn)生壓應(yīng)力。此時，焊縫還會橫向收縮而引起橫向應(yīng)力。這主要是因為施焊時焊接的先后次序不同，先焊的先冷卻凝固，具有一定的強度，而阻止了后焊焊縫的橫向伸長，使先后焊縫產(chǎn)生橫向的熱塑性壓縮變形。冷卻時橫向收縮受到約束，產(chǎn)生橫向應(yīng)力，先焊的焊縫產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，遠端則產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力。

厚度方向殘余應(yīng)力。如果焊件厚度較大，則焊縫厚度也大。焊縫成形后，與空氣、焊件接觸的焊縫先冷卻，后冷卻的焊縫沿垂直于焊件表面方向的收縮受到外面已冷卻焊縫的約束，因而在焊縫內(nèi)部形成沿厚度方向的拉應(yīng)力，在焊縫外部形成壓應(yīng)力。

在焊接過程中，由于不均勻加熱和冷卻，在收縮過程中，勢必使構(gòu)件產(chǎn)生局部鼓曲、歪曲、彎曲和扭轉(zhuǎn)等，這就是殘余變形。殘余變形包括縱向收縮、橫向收縮、角變形和扭曲變形等形式，但通常的殘余變形是其中幾種變形的組合。

2.2 焊接殘余變形和殘余應(yīng)力對低碳鋼性能的影響

焊接殘余應(yīng)力對建筑低碳鋼性能的影響有以下幾方面：

對剛度的影響。焊接殘余應(yīng)力雖不影響建筑低碳鋼鋼材的靜力強度，但會降低其剛度。由于焊接殘余拉應(yīng)力（或壓應(yīng)力）在拉力（或壓力）作用下，提前進入塑性狀態(tài)，從而使彈性區(qū)域逐漸減小，故必然導致鋼結(jié)構(gòu)變形增大、剛度降低。

對疲勞強度的影響。試驗結(jié)果表明，殘余拉應(yīng)力加快了疲勞裂紋發(fā)展的速度，從而降低了焊縫及附近主體鋼材的疲勞強度，因此，殘余應(yīng)力對直接承受動力荷載的焊接結(jié)構(gòu)是不利的。

對低溫冷脆的影響。因為焊接結(jié)構(gòu)存在著雙向或三向同號拉應(yīng)力場，材料塑性變形受到了限制，使鋼材變脆，如果低溫下工作將會變得更脆，所以焊接殘余應(yīng)力的存在是導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低溫脆斷的主要因素。

殘余變形對建筑低碳鋼工作性能的影響具體表現(xiàn)：當鋼材或構(gòu)件發(fā)生殘余變形時，就會使鋼材不符合設(shè)計要求，不具有規(guī)范尺寸，鋼構(gòu)件的安裝會發(fā)生困難，甚至有可能惡化鋼構(gòu)件的工作性能，例如軸心壓桿因焊接發(fā)生了彎曲變形，變成了壓彎構(gòu)件，顯然其強度和穩(wěn)定承載力就將受影響。所以對焊接殘余變形要加以限制，應(yīng)使其滿足施工驗收規(guī)范規(guī)定的允許值，否則就要進行必要的校正。

2.3 防治焊接殘余變形和殘余應(yīng)力對低碳鋼性能危害的措施

為了防治焊接殘余應(yīng)力、殘余變形對建筑低碳鋼性能的不利影響，減少其危害性，可以采用合理的設(shè)計措施和工藝措施來避免其危害性。防治的設(shè)計措施如下：盡量避免仰焊；焊縫的焊腳尺寸和焊縫長度應(yīng)符合構(gòu)造要求，宜采用細長焊縫，不用粗短的焊縫；在保證安全的前提下，不得隨意加大焊縫腳的尺寸；焊縫不應(yīng)過分集中，以避免產(chǎn)生過大的殘余應(yīng)力甚至裂紋；焊縫盡可能布置在結(jié)構(gòu)的對稱位置上，以減小殘余變形；應(yīng)該極力避免三向焊縫相交，為此可將次要焊縫中斷，主要焊縫連續(xù)通過。

防治焊接殘余應(yīng)力、殘余變形對建筑低碳鋼性能的不利影響的工藝措施有：焊件預(yù)熱。在焊接件的陰影區(qū)加熱使溫度曲線較為平緩，從而減小焊接殘余應(yīng)力。退火法。對于不太大的焊件，為了全面有效地消除焊接殘余應(yīng)力，可進行退火處理。選擇合理的焊接次序。如鋼材對接時采取分段退焊，厚度方向采用分層焊，工字鋼截面使用對角跳焊；施焊前給鋼構(gòu)件一個和焊接變形相反的預(yù)變形，使鋼構(gòu)件焊接后產(chǎn)生的焊接變形正好與之抵消。

3 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)是一種非常好的結(jié)構(gòu)形式，其主要材料鋼材的連接方式多用到焊接。焊接時的殘余應(yīng)力、殘余變形對建筑低碳鋼性能會產(chǎn)生不利的影響，甚至破壞鋼材的安全使用。我們需要認真總結(jié)其產(chǎn)生原因和影響，采取合理的設(shè)計措施和工藝措施，把焊接殘余應(yīng)力、殘余變形對建筑低碳鋼性能的影響降低到最小程度，以保障鋼材使用的安全可靠。

參考文獻

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