摘要：焊接技术是钢结构行业中应用非常广泛的一种技术，有独特优点的同时也存在着缺陷，焊接残余应力和焊接变形就是两种常见的问题。在焊接过程中，随着焊件的变形，应力也会发生变化，并且焊接完成之后留下的变形并不是暂时的，而是残余的。如果要对其进行矫正则需要耗费大量的人力和物力资源，优势还可能出现产品报废的情况。本文从焊接参与应力及焊接变形的形成原因出发，阐述了两者造成的影响，并提出了相关的控制方法，希望能够给有关工作人员提供参考价值。
关键词：钢结构；焊接残余应力；焊接变形；控制方法
随着我国改革开放进程的加快、经济的不断发展以及钢材产量的增加，我国钢结构建筑事业也得到了良好的发展时机。钢结构建筑质量轻，强度高，力学性能和抗震性能比较优越，所以发展势头也非常快，应用范围也在不断扩大。从目前情况来看，钢结构建筑的发展正处于一个最好的时期，但是和国外的一些发达国家相比，我国钢结构建筑的发展在许多方面还有一定差距，尤其是在施工过程中，先焊接残余应力和焊接变形等技术问题常常发生，处理这些问题对施工质量和施工进度有着很大的好处。
一、焊接残余应力和焊接变形的形成及种类
焊件分为两种区域，在焊缝及其附近的区域成为高温区，焊缝两侧和边缘区域成为低温区，假设两种区域温度一致并且是分离的两个部分，在焊接加热过程中，高温区能够自由生长。但是实际上，焊件是一个整体，高温区的伸长受低温区的影响，并受到压缩产生了应力，在压应力达到一定数值之后就会产生变形，同时低温区也会英文高温区的拉伸租用产生拉应力，导致焊件整体变长。焊接冷却之后，如果高温区和低温区是分离的，那么其加热时产生的变形便能只有收缩，但是实际上焊件两边的低温区会对高温区的收缩有阻碍作用，与此同时高温区对低温区还有压缩作用，所以焊件的整体将会缩短。
如果按照焊件变形对焊件整体结构的影响程度进行分类，可以分为局部变形和整体变形两大类。局部変形对焊件结构的使用性能影响比较小，并且很容易矫正；整体变形是引导整个焊件在形状、尺寸等方面发生变化的焊接残余变形。如果按照焊接变形的种类进行分类，那么可以分为收缩变形、扭曲变形、弯曲变形、角变形、波浪变形和错边变形六种。
二、焊接残余应力产生的影响因素
以钢结构焊接的相关技术方法作为标准，对焊接残余应力进行分析之后可以知道，其产生的主要原因是因为焊件的搜了不均匀，主要分为横向和纵向两种残余应力。但是它的产生还设计很多方面的因素，像焊缝的位置、钢材的刚度、焊接的顺序等都会造成焊件结构的变形，总而言之可以将产生原因归纳为以下几点：
（一）钢材性能和力学性能
在焊件的焊接过程中，残余应力是因为其受热不均匀，导致焊接后温度梯度冷却进而形成的。从屋里因素层面来讲，在对不同性质材料的钢结构部件进行加工时，因为金属材料不同，所以对温度的感应也会有不同反应，导致热容比发生变化，让焊接位置的组织结构也发生的变化。另外，焊接位置的密度、导热和热膨胀系数等因素，也会让其受热不均匀，进而产生焊接残余应力。
（二）焊接热源类型不同
就目前情况来看，金属焊接所需要的能量热源主要有电能、机械能、光能以及化学能四种，相应产生的焊接热源 就是电弧焊、气体火焰焊接、电阻焊以及电子束热源。在焊接过程中运用不同的焊接热源，所产生的温度场也不一样，导致焊接残余应力也不一样，进而对钢结构变形影响也不一样。实际焊接时，必须根据不同的钢材选择合适的焊接热源，尽量减少钢材的变形。
（三）其他原因
除了上述两种原因之外，产生焊接残余应力的因素还有很多间接因素。例如，在焊件焊接之前对钢结构的局部或整体部件进行过轧刹等处理，也会影响焊接过程，增加焊接残余应力产生的概率。
三、ANSYS分析流程
钢结构的焊接过程通常情况下并没有外力作用，通过上述分析可以知道主要是因为收了不均匀引起的，所以焊接温度场的计算是分析焊接残余应力的前提条件。在结构的应力分析中加入瞬态温度场中得到的节点温度，将其作为提载荷，便可以了解最终的残余应力。ANSYS分析流程蛀牙包括以下几个方面：
（一）前处理
前处理包括对集合模型的构件、单元属性的定义、材料参数的建立以及网格的划分。在ANSYS中可以直接创建实体模型，还可以在其他软件构建完模型之后导入ANSYS中，之后再只进行网格的划分，需要注意的是焊缝附近要划分密度比较大的网格，如图一所示，以此来确保计算精度[1]。
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图一 网格划分示意图
（二）焊接热输入
划分网格的似乎，焊缝被划分成了独立的网格，在焊接开始的时候，全部网格都处于常态，以一定的焊接速度设置合理适当的时间步，二胺焊接单元渐渐变成活跃状态，在这个时候，每一个单元内部就会产生焊接应力，并将焊接热源逐渐施加到处于活跃状态的焊接单元上[2]。
（三）温度场的计算
焊接过程属于瞬态传热过程，在此过程中随着时间变化系统的温度、热流率以及内能等也会发生变化，与此同时材料也会产生相变，进而发生热量的转换。想要准确的计算焊接温度场，就必须考虑相变的潜热。ANSYS热分析的分析相变功能是其拥有的最强大功能之一，在定义热物理性能参数，却四连跪密度和比热之后，它就能自动的将热焓算出[3]，并将得到的各节点温度保存在热分析的结果文件内，方便应力场的分析。
（四）应力场的计算
在温度场分析之后，重新进入前处理，先用ANSYS中的相关命令将热分析单元转换成对应的结构单元，并建立力学性能参数库，设置好结构的力学边界条件，然后将之前得到的各节点温度读入，将某一载荷或者时间步的温度值作为体载荷，用相应命令求解支付就能够得到焊接过程中应力的动态变化过程以及在焊接完成后的残余应力。
（五）后处理
这个步骤是对计算结果进行观察和分析。ANSYS的后处理模块主要包括POST1通用后处理器和POS26时间历程后处理器。前者的目的是查看某一时刻的结果。后者用于观察模型不同时刻的结果[4]。
通过ANSYS软件，我们可以得到残余应力在焊接过程中的各种变化曲线，以规格尺寸为δ15X500X1000的两块焊件进行模拟分析，其结果如图所示：
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图二 纵向残余应力等值线图
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图四 厚度方向等值线图
在进一步的后处理分析支付，可以得到这种焊件各向应力的变化曲线，如下图所示：
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图六 沿宽度方向横向残余应力的变化曲线
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图七 厚度方向残余应力的变化曲线
通过分析这些曲线可以发现，纵向残余应力的变化成中心对称分布，横向的变化曲线大约成抛物线式分布，厚度的曲线成递减式分布。
四、焊接残余应力的控制方法
（一）热处理消除方法
此方法是常用的残余应力消除方法，主要利用热火处理技术，让焊件的受热温度增加，温度越高保温的时间也越长。但是需要注意温度值也要有一定限制，避免温度过高造成焊件表面氧化过重，破坏了内部组织结构和使用性能[5]。
（二）锤击消除法
锤击消除法主要是在焊接后使用手锤锤头对焊接部分进行敲击，让在外界压力的作用下得到延展，进而与残余应力进行抵消。这种方法可以降低焊接结构的变形，锤击过程汇总应该让焊件保持均匀受力。
（三）振动消除法
振动消除法是如今焊接结构中广泛应用的额一种焊接方法。和其他几种方法比较相比较，振动消除法的优势是处理时间比较短，并且成本低，此外对金属表面也不会造成氧化现象。
五、控制焊接变形的方法
（一）合理控制焊接量
想要减少焊接残余应力的产生，就要最大程度的减少焊缝。所以，在焊接之前，应该充分分析焊件的焊接结构。如果不必要，就不用对焊件进行焊缝，相反，如果必须焊缝，那么就应该尽量降低其尺寸，减少焊接位置受到的影响。
（二）调整焊接次序
从目前形势来看，我国的焊接技术并不是十分完善，有待改善和提高。调整焊接的次序也能减少残余应力的产生。例如将焊件分钟拥有很大收缩量的部分先进行焊接，然后在焊接其他影响比较小的部分，最后加热整个焊件，缩小焊接部分和其他非焊接部分的温差，进而降低残余应力的产生。
（三）运用新型焊接技术
传统的焊接工艺会对焊件结构产生很多不良的影响，先部分构件氧化、增加焊缝等等，都会加大残余应力的产生，所以，必须提高焊接技术，合理有效的运用新型技术，先二氧化碳保护焊技术等，能够在焊接过程中产生气体保护层，进而保护焊接部分不会氧化，此外还可以降低焊缝的产生[6]。
结束语：
随着社会经济和科学技术的不断发展，对焊接技术的要求也在不断提高，所以，在焊接过程中必须充分了解焊接工艺，运用合理科学的方法和控制措施，尽量减少或者消除焊接残余应力和焊接变形，这样才能提高焊件的使用性能和质量，进一步促进焊接工艺的发展。
参考文献
[1]李本强.钢结构焊接残余应力及变形控制分析[J].中国房地产业，2018，9（15）：174.
[2]王彤.钢结构焊接残余应力及变形控制分析[J].内燃机与配件，2018，8（3）：117-118.
[3]冯艳.焊接残余应力对钢结构性能的影响分析[J].中国高新技术企业，2017，15（9）：80-81，292.
[4]褚胜明.探析钢结构焊接残余应力[J].低碳地产，2016，17（13）：375-375.
[5]潘广善，王自力，李良碧，等.高强钢焊接结构残余热应力的有限元分析[J].船舶工程，2011，13（3）：79-83.
[6]商广泰，蒋凤昌.钢结构焊接残余应力的ANSYS分析[J].广东建材，2005，7（2）：54-55.
论文作者:王创军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/14
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