試析焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響作用

試析焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響作用隨著社會經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)以其材料強(qiáng)度高、自重輕、延性及抗震性好、工業(yè)化程度高、施工速度快等多個優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代化建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)是利用鋼材設(shè)計制作成構(gòu)件后通過一定的連接方式將構(gòu)件連接形成的，焊接是常用的鋼構(gòu)件連接方法，焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響，是實際工程中需關(guān)注的主要問題之一。1焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是焊接過程中的局部不均勻熱輸入。按應(yīng)力分布形式分以下三種：1.1縱向殘余應(yīng)力沿焊縫長度方向的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力（如下圖1），鋼材焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程，在焊接時，溫度很高的焊縫及其附近區(qū)域和溫度較低的臨近區(qū)域會產(chǎn)生不均勻的溫度場，進(jìn)而產(chǎn)生不均勻的膨脹，低溫度區(qū)的鋼材膨脹小，限制高溫度區(qū)鋼材膨脹，產(chǎn)生熱塑性壓縮，冷卻時，焊縫兩側(cè)鋼材又會限制塑性壓縮引起的焊縫縮短，產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，由于焊接殘余應(yīng)力是一種內(nèi)應(yīng)力，無荷載作用，需要在焊件內(nèi)部自相平衡，從而導(dǎo)致焊件上距焊縫稍遠(yuǎn)產(chǎn)生壓應(yīng)力。圖1縱向殘余應(yīng)力分布圖2橫向殘余應(yīng)力分布1.2橫向殘余應(yīng)力橫向殘余應(yīng)力是指垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力（如上圖2），受到塑性壓縮焊縫的縱向收縮可使焊縫兩側(cè)的鋼板形成反向彎曲變形，在兩塊鋼板間會產(chǎn)生橫向的拉應(yīng)力，同時鋼板的兩端形成壓應(yīng)力；焊接時，焊縫焊接的先后順序不同，先焊接的焊縫先凝固，可限制后焊接焊縫的膨脹，引起橫向塑性壓縮變形，冷卻時，先焊接已凝固的焊縫限制后焊接焊縫的收縮形成橫向拉應(yīng)力，同時最后焊接的焊縫末端產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩塊鋼板間的橫向拉應(yīng)力及兩端的壓應(yīng)力與先焊接焊縫的橫向拉應(yīng)力及焊縫末端的拉應(yīng)力合成最終形成焊縫的橫向應(yīng)力。1.3沿厚度方向的殘余應(yīng)力焊件采用厚鋼板時，焊接時需要多層施焊，由于焊接時不同厚度方向的溫度分布不均勻，冷卻時表面冷卻較中間快，可在焊縫中間層形成拉應(yīng)力，在外層形成壓應(yīng)力，從而形成除縱向和橫向殘余應(yīng)力外的沿厚度方向的殘余應(yīng)力。通過以上焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生過程的分析，可以明顯的看出其產(chǎn)生的根本原因也就是在焊接過程中，對結(jié)構(gòu)件實施的不均勻加熱和冷卻造成的。其對鋼結(jié)構(gòu)性能具有重要影響，因此必須要對其進(jìn)行消除和控制。2焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)性能所產(chǎn)生的影響2.1對結(jié)構(gòu)剛度的影響焊接殘余應(yīng)力可減小結(jié)構(gòu)承受外荷載的有效截面面積，降低結(jié)構(gòu)剛度；截面上的參與拉伸應(yīng)力可降低構(gòu)件加載時的剛度和卸載時的回彈量，增大結(jié)構(gòu)變形，降低鋼結(jié)構(gòu)剛度。鋼結(jié)構(gòu)在外荷載的作用下產(chǎn)生應(yīng)力，這一應(yīng)力可與結(jié)構(gòu)中存在的殘余應(yīng)力相互作用，當(dāng)二者疊加形成的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，可引起存在殘余應(yīng)力區(qū)域內(nèi)材料的局部塑性變形，使該區(qū)域結(jié)構(gòu)失去承載外荷載的能力，減小有效截面面積，造成鋼結(jié)構(gòu)剛度下降。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在縱橫方向的裂縫時或經(jīng)火焰校正，尤其是采用大量火焰校正時可在較大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，對鋼結(jié)構(gòu)有著較大的影響。2.2對疲勞強(qiáng)度的影響鋼材在無限多次交變荷載作用下而不產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力稱為鋼材的疲勞強(qiáng)度，焊縫接頭處存在的殘余拉應(yīng)力可提高外加應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力，增大外荷載循環(huán)的疲勞損傷程度，降低焊縫接頭處的疲勞強(qiáng)度；焊縫接頭處的高值殘余拉應(yīng)力還可與動荷載外應(yīng)力疊加，使疲勞裂紋處始處于承受拉應(yīng)力作用的狀態(tài)，在外荷載循環(huán)作用的過程中，裂紋尖端始終處于展開狀態(tài)，并在殘余拉應(yīng)力的作用下不斷擴(kuò)展，接頭處的疲勞強(qiáng)度不斷降低。2.3對低溫工作性能的影響在厚鋼板焊縫處或是有縱橫交叉焊縫的部位可產(chǎn)生縱向殘余應(yīng)力、橫向殘余應(yīng)力和沿厚度方向的殘余應(yīng)力三個方向的應(yīng)力，阻礙該處鋼材塑性變形的發(fā)展，鋼材在低溫狀態(tài)下工作時，外荷載應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加可拉近該區(qū)域三個方向應(yīng)力的數(shù)值，增加低溫環(huán)境下鋼材脆性傾向，降低鋼材低溫工作性能。2.4對應(yīng)力腐蝕開裂的影響應(yīng)力腐蝕開裂是指承受應(yīng)力的金屬在腐蝕性環(huán)境中由于拉伸殘余應(yīng)力與腐蝕作用下產(chǎn)生的裂紋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象只在特定的材料和介質(zhì)下發(fā)生，在同一環(huán)境下，應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間與殘余應(yīng)力成反比，即殘余應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開裂所需時間越短，反之殘余應(yīng)力小，則應(yīng)力腐蝕開裂所需的時間更長。2.5對焊件穩(wěn)定性的影響在外荷載作用下，受壓焊件存在殘余應(yīng)力的區(qū)截面所受到的實際應(yīng)力為荷載應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加，這一疊加的殘余應(yīng)力可使截面提前達(dá)到屈服極限，進(jìn)入塑性狀態(tài)，喪失外荷載承載力，提前退出工作，使截面在承受外荷載時的有效界面減小，慣性距下降，進(jìn)而導(dǎo)致構(gòu)件整體的穩(wěn)定性降低。2.6對靜力強(qiáng)度的影響焊接殘余應(yīng)力可在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡，通過自相平衡可使構(gòu)件受拉區(qū)和受壓區(qū)面積相等，構(gòu)件全截面與無殘余應(yīng)力的軸心受拉構(gòu)件全截面到達(dá)屈服強(qiáng)度時，前者所承受的外力對與后者承受的應(yīng)力相等，因此殘余應(yīng)力對靜力強(qiáng)度無影響。此外，殘余應(yīng)力對構(gòu)件加工后的精度有著一定的影響，構(gòu)件在受到外力作用時，殘余應(yīng)力與外力相互作用，可使構(gòu)件局部呈塑性變形，外力去除后，構(gòu)件可發(fā)生變形。3焊接殘余應(yīng)力的有效控制在焊縫布置較多的結(jié)構(gòu)件時，焊接順序應(yīng)按照先收縮量大的焊縫，后收縮量小的焊縫，先拘束度較大后拘束度較小的焊縫進(jìn)行，以盡可能地保證焊縫自由收縮，減少殘余應(yīng)力；先焊接受力較大的焊縫，后焊接受力較小的焊縫，如在梁接頭焊接中，應(yīng)先焊接受力較大的翼緣對接焊縫，后焊腹板對接焊縫，最后焊接預(yù)留的翼緣角焊縫。同時焊接還應(yīng)遵循由向外，逐步退焊或分散逐個焊接的順序。焊接過程中通過及減少焊接熱輸入來防止結(jié)晶過程中裂縫是焊接常用方法，一般在焊件達(dá)到一定厚度時，根據(jù)板厚及母材碳當(dāng)量確定一定加熱溫度對在正式焊接前對焊縫周邊進(jìn)行焊前預(yù)熱，減少焊接時焊縫周邊與焊接區(qū)域的溫度差，減少焊縫周邊對焊接區(qū)域的剛性約束，從而減小應(yīng)力。4結(jié)語綜上所述，焊接殘余應(yīng)力是造成鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂和變形的主要原因之一，本文在對鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，探討了其對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響，并對實踐中控制及消除焊接殘余應(yīng)力常用的措施與方法作了簡要闡述。以能夠為同行工作，提供一定的參考資