摘要：钢结构的优势在于其自重、强度及抗震上，同时在施工难度和时间上有着明显的优势，为建筑行业以及钢材去产能带来了契机，得到广泛采用。但是钢结构的缺陷和潜在隐患依然存在。例如随着钢结构使用时间增长，其疲劳破损机脆性情况会愈加严重，同时防腐蚀能力也减弱。文章从对钢结构焊接的残余应力的分类、产生原因及解决措施等方面进行剖析，阐述了应对残余应力的几条建议，希望对类似工程提供可供参考和借鉴的意见。
关键词：钢结构；焊接变形；焊接应力
一、焊接变形与焊接应力的基本概念
1、焊接变形
焊接变形是由于焊接而引起的焊接结构的变形，焊接结构的变形从焊接开始即发生，并一直持续到焊接结构冷却至原始温度时才结束。焊接变形包括焊接过程中的变形和焊接残余变形。
2、焊接应力
焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后存在于焊接结构中的内应力，如图所示对接接头纵向焊接内应力的分布。焊接应力也是焊接一开始就产生，并且随着焊接的进行而不断地改变它在结构中的分布，按照焊接应力作用时间的不同，焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
二、焊接变形和焊接应力产生的原因
产生焊接变形与应力最根本的原因是焊件受热或冷却不均匀，此外，焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性也是产生或影响焊接变形与应力的重要原因。
1、焊件的不均匀受热
焊接是一种局部加热和冷却的过程，焊件焊接区的金属在热作用下的热自由膨胀受到周围未被加热金属的阻碍而发生压缩缩性变形，所以焊后冷却时，这一区域的金属必然有收缩变短的趋势。
2、焊缝金属的收缩
焊缝金属包括熔化的母材和填充金属，甚至包括焊缝两侧力学熔点以上的固态母材金属，它们均处于全塑性状态，只有自身的塑性变形，对周围金属并无推力和拉动作用，这部分金属在力学熔点以下是不能自由收缩的。
3、金属组织的变化
有些金属在固态下有相变过程。焊缝金属在周围冷金属的包围中，冷却速度极快。如高强钢焊接时，焊缝金属像被淬火一样，来不及相变，直到较低温度下，才从奥氏体转变为马氏体，比容明显增大，这不但可能抵消焊接时产生的部分压缩塑性变形，减小残余拉应力，甚至可能使焊缝区出现较大的压应力。
4、焊件的刚性和拘束
焊件的刚性和拘束与焊接应力、焊接变形有密切的关系。焊件的刚度和拘束越大，焊接变形就越小、焊接应力则越大；反之，焊件的刚度和拘束越小，焊接变形就越大，焊接应力则越小。
三、钢结构焊接变形控制的策略分析
1、焊接手法的选择
首先，要正确的选择焊接工艺：（1）在钢结构组装的时候要尽可能的将可以组装的零件组装起来，在进行焊接，以此降低弹性变形或者整体钢结构的刚性；（2）在对称的截面要采取对称焊接的方式；（3）对于不对称的截面，要先操作焊接点比较少的一面，这样的话另外一面的焊接产生的应力可以抵消掉之前焊接产生的应力；（4）遇到焊缝比较长的钢结构的时候，在确保质量的基础之下，可以进行分段性的焊接工作，同理也是抵消掉焊接产生的应力。其次，在焊接的时候有几种方式可以有效的控制变形：（1）焊接的时候可以使用反变形法进行焊接，这样产生的应力也会抵消点；（2）通过刚性固定的方式加以固定；（3）对于不对称的部位进行热平衡法进行焊接，使用热平衡法的时候可以先对弯曲度比较小的位置进行焊接，其具体的操作是在焊接的时候要确保确保火焰加热的方向是焊缝相对的区域，此方法对于加热参数值的要求比较高，人为操作的时候一般无法正确的掌握，因此需要依靠计算机精准计算。
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2、加强建筑钢结构焊接施工过程的管理
要想从根本上控制建筑钢结构焊接变形，必须在施工过程中加强对施工人员的管理。（1）要求焊接人员在进行焊接作业时必须经过严格的培训，使其取得相应的资格证书后进行施工。（2）对建筑钢结构的焊接人员进行定期与不定期培训，使其在进行焊接工作时，拥有极强自身的责任心，根据设计的要求图样与焊接工艺评定指导中的要求进行焊接工作，提高焊接人员的工作水平。
四、钢结构焊接应力控制的策略分析
1、振动时效法
采用振动时效法实践的焊接经验可知，在降低焊接残余应力方面振动时效法有着显著作用，振动时效法其优势在于其作用下不受钢结构尺寸、形状、重量等因素的制约。同时施工周期短、效率高并且没有污染。因此可以选择结合钢结构的外形特点及应力情况，合理选择有效的振型，对钢结构残余应力部位施加适度振动，消除构件内部的残余应力，保证钢结构的稳定性。特别是对于环状钢结构，振动时效法对稳定构件的行为尺寸效果显著。
2、采取合理的焊接顺序
在焊接过程中应遵循先焊中间，后焊四周的施工顺序，这样可以做到焊缝按照中间向四周的方向依次收缩，减小其相互作用力。在构件表面有交叉焊缝的情况下，着重注意交叉处的焊接工艺。在靠近纵向焊缝的横向焊缝处，多会有未焊透的情况，且同时此部分未焊透的情况多有出现，此时焊接缝正好在纵焊缝的拉伸应力场中，三向应力就会产生，造成脆性形变。
3、间断焊接法
间断焊接法的原理是使焊接区附件的构件长期处于冷却状态，降低钢结构受到的热源影响，降低焊接应力。根据钢结构的实际情况，间断性的进行焊接，然而在时间上会用到更多工期。例如在电弧冷焊时，先进行很短的焊缝焊接，再进行其他的焊接工作。
4、减小焊缝尺寸设计要求
在设计优化阶段，利用应力计算合理考虑局部加热循环，避免其引起的二次焊接应力。同时端正观念，消除焊缝越大越安全的错误想法。施焊过程中控制好焊缝的尺寸，控制好焊缝的坡口角度，尽量采用双面焊接坡口。
5、减小焊接拘束度
焊接时构件受到的约束力越大，产生的焊接应力就越强，对钢结构的稳定性影响就越大。因此在焊接时，避免焊缝处受到的约束力过大。比如在长构件的焊接时，采用拼接板条，再进行自由状态下的施焊，严禁在组装时焊接。同时要按照施工工艺进行拼接步骤，避免钢结构的各个部位无法自行收缩，增大了其内部的约束力，造成残余应力的增加。
6、对构件进行分解施工
常态下体积越大的钢结构，焊接起来更加复杂。在施工时可以把大型钢结构进行分解焊接，待校正完成后再进行总体焊接安装，提高施工效率的同时降低了焊接应力，同时提高了钢结构的整体精准度。
7、消除残余变形
在钢结构焊接施工过程中，造成结构发生变形的因素有很多，包括温度、重力、钢结构材料、承载力等等，另外，焊接施工环境以及焊接施工工艺也会对焊接变形造成一定的影响，因此，在焊接施工过程中，必须积极总结经验，并采取有效的预防措施。加热矫正引起的应力会与焊接应力叠加，同向应力叠加甚至可能会使构件的总应力超过允许应力，从而导致构件承载力增大引起结构破坏。对于钢结构焊接变形，有一部分可以在焊接施工工程中有效避免，而另外一部分则可以在施工过程中进行有效控制，提高焊接生产效率，保证工程施工质量，而这就要求在钢结构制作过程中合理选择施工工艺，尽量避免构件发生形变。
结束语
综上所述，在对钢结构焊接过程中，焊接变形和焊接应力的控制，要结合实际情况，依据现场条件、钢结构的受力情况、焊接工艺的选择等具体参数，结合有效的焊接措施见效焊接变形以及残余应力的影响，保证钢结构的整体结构稳定性。
参考文献：
[1]尹士科.焊接材料实用基础知识[M].北京:化学工业出版社,2017.
[2]牛传波,张彦平,陈小华,等.钢结构焊接变形控制分析[J].建材发展导向（下半月）,2017,(9):43-43.
论文作者:高如翠
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
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