焊接残余应力对钢结构性能的影响作用研究

摘要：钢结构件在冷热焊接加工的过程中不可避免地会存在焊接残余应力，焊接残余应力可影响到钢结构构件的使用寿命，对钢结构结构刚度、疲劳强度、应力腐蚀开裂、焊件稳定性、低温工作性能、结构变形等性能均有着较大的负面影响，因此在实际工程中，应采取恰当的残余应力控制及消除技术，最大限度地减少残余应力，以提高钢结构的安全性。

关键词：焊接残余应力；钢结构性能；影响作用

中图分类号：TG457 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0075-02

随着社会经济及科学技术的发展，钢结构以其材料强度高、自重轻、延性及抗震性好、工业化程度高、施工速度快等多个优点在现代化建设中得到了广泛的应用。钢结构是利用钢材设计制作成构件后通过一定的连接方式将构件连接形成的，焊接是常用的钢构件连接方法，焊接过程中产生的焊接残余应力对钢结构有着较大的影响，是实际工程中需关注的主要问题之一。

1 焊接残余应力的产生原因

焊接残余应力产生的主要原因是焊接过程中的局部不均匀热输入。按应力分布形式分以下三种：

1.1 纵向残余应力

沿焊缝长度方向的残余应力称为纵向残余应力（如下图1），钢材焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，在焊接时，温度很高的焊缝及其附近区域和温度较低的临近区域会产生不均匀的温度场，进而产生不均匀的膨胀，低温度区的钢材膨胀小，限制高温度区钢材膨胀，产生热塑性压缩，冷却时，焊缝两侧钢材又会限制塑性压缩引起的焊缝缩短，产生纵向拉应力，由于焊接残余应力是一种内应力，无荷载作用，需要在焊件内部自相平衡，从而导致焊件上距焊缝稍远产生压应力。

图1 纵向残余应力分布

图2 横向残余应力分布

1.2 横向残余应力

横向残余应力是指垂直于焊缝方向的残余应力（如上图2），受到塑性压缩焊缝的纵向收缩可使焊缝两侧的钢板形成反向弯曲变形，在两块钢板间会产生横向的拉应力，同时钢板的两端形成压应力；焊接时，焊缝焊接的先后顺序不同，先焊接的焊缝先凝固，可限制后焊接焊缝的膨胀，引起横向塑性压缩变形，冷却时，先焊接已凝固的焊缝限制后焊接焊缝的收缩形成横向拉应力，同时最后焊接的焊缝末端产生拉应力，两块钢板间的横向拉应力及两端的压应力与先焊接焊缝的横向拉应力及焊缝末端的拉应力合成最终形成焊缝的横向应力。

1.3 沿厚度方向的残余应力

焊件采用厚钢板时，焊接时需要多层施焊，由于焊接时不同厚度方向的温度分布不均匀，冷却时表面冷却较中间快，可在焊缝中间层形成拉应力，在外层形成压应力，从而形成除纵向和横向残余应力外的沿厚度方向的残余应力。

通过以上焊接残余应力产生过程的分析，可以明显的看出其产生的根本原因也就是在焊接过程中，对结构件实施的不均匀加热和冷却造成的。其对钢结构性能具有重要影响，因此必须要对其进行消除和控制。

2 焊接残余应力对钢结构性能所产生的影响

2.1 对结构刚度的影响

焊接残余应力可减小结构承受外荷载的有效截面面积，降低结构刚度；截面上的参与拉伸应力可降低构件加载时的刚度和卸载时的回弹量，增大结构变形，降低钢结构刚度。

钢结构在外荷载的作用下产生应力，这一应力可与结构中存在的残余应力相互作用，当二者叠加形成的应力达到屈服极限时，可引起存在残余应力区域内材料的局部塑性变形，使该区域结构失去承载外荷载的能力，减小有效截面面积，造成钢结构刚度下降。钢结构构件存在纵横方向的裂缝时或经火焰校正，尤其是采用大量火焰校正时可在较大的截面上产生残余拉伸应力，对钢结构有着较大的影响。

2.2 对疲劳强度的影响

钢材在无限多次交变荷载作用下而不产生破坏的最大应力称为钢材的疲劳强度，焊缝接头处存在的残余拉应力可提高外加应力循环的平均应力，增大外荷载循环的疲劳损伤程度，降低焊缝接头处的疲劳强度；焊缝接头处的高值残余拉应力还可与动荷载外应力叠加，使疲劳裂纹处始处于承受拉应力作用的状态，在外荷载循环作用的过程中，裂纹尖端始终处于展开状态，并在残余拉应力的作用下不断扩展，接头处的疲劳强度不断降低。

2.3 对低温工作性能的影响

在厚钢板焊缝处或是有纵横交叉焊缝的部位可产生纵向残余应力、横向残余应力和沿厚度方向的残余应力三个方向的应力，阻碍该处钢材塑性变形的发展，钢材在低温状态下工作时，外荷载应力与残余应力叠加可拉近该区域三个方向应力的数值，增加低温环境下钢材脆性倾向，降低钢材低温工作性能。

2.4 对应力腐蚀开裂的影响

应力腐蚀开裂是指承受应力的金属在腐蚀性环境中由于拉伸残余应力与腐蚀作用下产生的裂纹现象，这种现象只在特定的材料和介质下发生，在同一环境下，应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力成反比，即残余应力越大，应力腐蚀开裂所需时间越短，反之残余应力小，则应力腐蚀开裂所需的时间更长。

2.5 对焊件稳定性的影响

在外荷载作用下，受压焊件存在残余应力的区截面所受到的实际应力为荷载应力和残余应力的叠加，这一叠加的残余应力可使截面提前达到屈服极限，进入塑性状态，丧失外荷载承载力，提前退出工作，使截面在承受外荷载时的有效界面减小，惯性距下降，进而导致构件整体的稳定性降低。

2.6 对静力强度的影响

焊接残余应力可在构件内部自相平衡，通过自相平衡可使构件受拉区和受压区面积相等，构件全截面与无残余应力的轴心受拉构件全截面到达屈服强度时，前者所承受的外力对与后者承受的应力相等，因此残余应力对静力强度无影响。

此外，残余应力对构件加工后的精度有着一定的影响，构件在受到外力作用时，残余应力与外力相互作用，可使构件局部呈塑性变形，外力去除后，构件可发生变形。

3 焊接残余应力的有效控制

在焊缝布置较多的结构件时，焊接顺序应按照先收缩量大的焊缝，后收缩量小的焊缝，先拘束度较大后拘束度较小的焊缝进行，以尽可能地保证焊缝自由收缩，减少残余应力；先焊接受力较大的焊缝，后焊接受力较小的焊缝，如在梁接头焊接中，应先焊接受力较大的翼缘对接焊缝，后焊腹板对接焊缝，最后焊接预留的翼缘角焊缝。同时焊接还应遵循由向外，逐步退焊或分散逐个焊接的顺序。焊接过程中通过及减少焊接热输入来防止结晶过程中裂缝是焊接常用方法，一般在焊件达到一定厚度时，根据板厚及母材碳当量确定一定加热温度对在正式焊接前对焊缝周边进行焊前预热，减少焊接时焊缝周边与焊接区域的温度差，减少焊缝周边对焊接区域的刚性约束，从而减小应力。

4 结语

综上所述，焊接残余应力是造成钢结构发生开裂和变形的主要原因之一，本文在对钢结构焊接残余应力结构分析的基础上，探讨了其对钢结构性能的影响，并对实践中控制及消除焊接残余应力常用的措施与方法作了简要阐述。以能够为同行工作，提供一定的参考资料。

参考文献

[1] 蒋莉莎.焊接残余应力的危害及处理方法[J].滁

州职业技术学院学报，2011，（2）：64-65.

[2] 赵金泽.焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响

以及消除和调整的措施[J].城市建设理论研究

（电子版），2011，（23）：384-385.

[3] 王前华.钢结构焊接残余应力的影响因素与控制

[J].科技与生活，2012，（1）：188-188.

作者简介：张红（1969—），女，辽宁辽阳人，电力工业铁塔质量检验测试中心工程师，研究方向：焊接技术。