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摘 要 焊接残余应力对钢结构的刚度、稳定性、疲劳性能产生影响。焊接残余应力的影响因素、控制。
关键词 焊接残余应力；因素；控制
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0188-01
钢结构焊接是局部被高温加热、熔化，加热区域受热膨胀，随后连续冷却收缩凝固的过程。过程中焊件存在应力场、温度场和变形场及显微组织状态场的变化，且相互影响。当产生的热应力、相变应力、超过材料屈服极限时，在焊缝及近焊缝区产生拉应力和母材的压应力在数值上达到自身平衡时的应力状态，称为焊接残余应力。焊接残余应力沿焊缝横向、纵向及板材厚度方向分布，对钢结构的刚度、稳定性、疲劳性能产生影响。
1 焊接残余应力的影响因素
1）焊接热源。焊接时对焊件进行局部加热，热源中心温度达1 600 ℃以上，焊件上每一点距焊缝的距离不同，其温度在瞬间都在变化，温度场随时改变。且热输入的不均匀性更增加了焊件的温度梯度，影响焊接残余应力的大小。焊件冷却时一般是在自然条件下进行的，从800 ℃冷却至500 ℃所需的时间t8/5决定热影响区域的金相组织，影响焊接残余应力、应变的大小。
2）焊接材料。母材的熔化温度Tm高时引起高的焊接残余应力。线膨胀系数a、弹性模量E、屈服强度σS随温度变化，影响焊接残余应力的大小。不同的母材其变化的总体规律是：高温条件下线膨胀系数α随温度的增加而呈线性增加；屈服强度σS、弹性模量E根据母材的不同在不同的温度区间呈曲线或直线下降。
3）相变时比容变化。钢材加热及冷却发生相变引起比容及性能的变化。一般情况下钢材由奥氏体转变为铁素体、珠光体的温度在700 ℃以上，不影响残余应力。但随着冷却速度的加快或合金及碳元素的增加，在低温下发生γ-α相变，体积膨胀，产生压缩焊接残余应力。
4）焊接参数。正常焊接条件下，在保持焊接电流不变的情况下，提高焊接速度，焊接温度场变细长，温度梯度增加，焊接残余应力增大；在保持焊接速度不变的情况下，增大焊接电流，焊接温度场变長且宽，温度梯度增加，焊接残余应力增大。
2 焊接残余应力的控制
1）焊接方法。焊接热输入分为瞬时输入热量和连续输入热流量。相同的热输入，不同的焊接方法，产生的热源特征值，温度场分布、温度梯度不同。熔化极电弧焊中埋弧焊热输入最高，手工焊居中，气体保护焊热输入最小。过高的热输入产生过高的焊接残余应力，最佳焊接线能量E可通过钢材的CCT图确定t8/5max和t8/5min后，再根据钢材的不同采用不同的经验计算式估算。如：Q345（C）t8/5= KEn/B（T-T0）2[1+2л-1tg-1（h-h0）/d]（式中：K系数、B接头系数、n焊接能量系数、T冷却区间温度特征值、T0焊接初始温度、h板厚、h0板厚补偿、d板厚修正系数）。
2）焊接电流、电压、速度。线能量与三者的关系式：E（J/CM）=60I（A）U（V）/V（cm/s）。常用焊接方法减少对焊接残余应力影响的参数选择因素：手工电弧焊电流经验估算式为I（A）=（30～50）焊条直径，电流数值大则焊缝熔深大，热影响区域大，太小则不易起弧。电压与弧长匹配，弧长为焊条直径的0.5～1.0倍；埋弧焊焊接电流根据熔深要求选定，焊接电流大时熔深大，热影响区也大。直流反接时，熔深较大，直流正接，熔深浅，交流进行焊接时，熔深处于直流正接与直流反接之间。电压调整时每一焊接电流对应的焊接电压的变化范围不超过10 V。焊接速度大时熔深、熔宽减小，反之则增大；CO2气体保护焊焊接电流大时熔深增加，熔宽加宽，热影响区域加宽。焊接电流过小易产生未焊透。焊接电压增大时熔深减小，熔宽增加。电弧电压与焊接电流匹配，电流大则电压高。短路过渡时电弧电压为16 V～24 V，细颗粒过渡时电弧电压为25 V～45 V。焊接速度半自动焊时一般在15 m/h～40 m/h，自动焊时不超过90 m/h。
3）构件预制。为减小整个结构的焊接残余应力，将焊接结构的构件与组（部件）在工厂预制后，到工地现场安装，通过有效的减少每个构件与组（部件）的焊接残余应力，来减少整个结构的焊接残余应力。
4）焊缝及坡口。减少焊缝数量和避免焊缝集中。横焊缝应交错布置，交错距离至少为板厚的20倍，以避免相同方向上的焊接残余应力叠加。焊缝尺寸不得过大，角焊缝焊脚尺寸K尽可能小，过大时热影响区域增加，太小则不能保证焊缝质量。一般满足hf≥1.5（N较厚构件厚度）及hf≤1.2较薄构件厚度。焊缝厚度应同板厚，角焊缝的焊角高度he不宜超过其所需的静载尺寸，以避免热输入随焊角高度增加而增加。坡口横截面尽可能小，通过减少熔化区来减少焊接残余应力的分布区域。坡口形式按焊接技术规程选择，不同坡口形式截面积按从小到大的排列依次为：I、U、V、K、X。
5）焊接顺序及焊件拘束度。合理的焊接顺序可以减少焊接残余应力。遵循“先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝”及“横向收缩不受拘束”的原则。如：钢板对接可采用分段退焊，厚板焊缝采用分层焊，工字形截面采用跳脚焊等。焊接时使构件不受外界拘束，能够自由收缩，减少拘束应力σr对焊接残余应力的影响。焊件结构形式、自重、冷却过程中其它部位的收缩对焊接产生内拘束，应先焊拘束度大不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度小能自由收缩的焊缝。
6）预热。焊前对构件进行预热，可降低构件冷却速度，延长t8/5时间，减少焊接残余应力的大小和范围。预热温度根据钢的碳当量（CE）的实际含量计算。碳钢和低合金高强度钢的碳当量可采用估算式：CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13；预热温度（TP）可采用估算式：TP=210×（CE）-25。当焊接坡口角度及间隙增大，熔敷金属的扩散氢含量高或操作地点温度低于常温（高于0 ℃）时，预热温度提高
15 ℃～50 ℃。
参考文献
[1]卢铁鹰.钢结构.1993,8.
[2]建设部.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规.中国建筑工业出版社,2003.
[3]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册.中国计划出版社,2002.
关键词 焊接残余应力；因素；控制
中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0188-01
钢结构焊接是局部被高温加热、熔化，加热区域受热膨胀，随后连续冷却收缩凝固的过程。过程中焊件存在应力场、温度场和变形场及显微组织状态场的变化，且相互影响。当产生的热应力、相变应力、超过材料屈服极限时，在焊缝及近焊缝区产生拉应力和母材的压应力在数值上达到自身平衡时的应力状态，称为焊接残余应力。焊接残余应力沿焊缝横向、纵向及板材厚度方向分布，对钢结构的刚度、稳定性、疲劳性能产生影响。
1 焊接残余应力的影响因素
1）焊接热源。焊接时对焊件进行局部加热，热源中心温度达1 600 ℃以上，焊件上每一点距焊缝的距离不同，其温度在瞬间都在变化，温度场随时改变。且热输入的不均匀性更增加了焊件的温度梯度，影响焊接残余应力的大小。焊件冷却时一般是在自然条件下进行的，从800 ℃冷却至500 ℃所需的时间t8/5决定热影响区域的金相组织，影响焊接残余应力、应变的大小。
2）焊接材料。母材的熔化温度Tm高时引起高的焊接残余应力。线膨胀系数a、弹性模量E、屈服强度σS随温度变化，影响焊接残余应力的大小。不同的母材其变化的总体规律是：高温条件下线膨胀系数α随温度的增加而呈线性增加；屈服强度σS、弹性模量E根据母材的不同在不同的温度区间呈曲线或直线下降。
3）相变时比容变化。钢材加热及冷却发生相变引起比容及性能的变化。一般情况下钢材由奥氏体转变为铁素体、珠光体的温度在700 ℃以上，不影响残余应力。但随着冷却速度的加快或合金及碳元素的增加，在低温下发生γ-α相变，体积膨胀，产生压缩焊接残余应力。
4）焊接参数。正常焊接条件下，在保持焊接电流不变的情况下，提高焊接速度，焊接温度场变细长，温度梯度增加，焊接残余应力增大；在保持焊接速度不变的情况下，增大焊接电流，焊接温度场变長且宽，温度梯度增加，焊接残余应力增大。
2 焊接残余应力的控制
1）焊接方法。焊接热输入分为瞬时输入热量和连续输入热流量。相同的热输入，不同的焊接方法，产生的热源特征值，温度场分布、温度梯度不同。熔化极电弧焊中埋弧焊热输入最高，手工焊居中，气体保护焊热输入最小。过高的热输入产生过高的焊接残余应力，最佳焊接线能量E可通过钢材的CCT图确定t8/5max和t8/5min后，再根据钢材的不同采用不同的经验计算式估算。如：Q345（C）t8/5= KEn/B（T-T0）2[1+2л-1tg-1（h-h0）/d]（式中：K系数、B接头系数、n焊接能量系数、T冷却区间温度特征值、T0焊接初始温度、h板厚、h0板厚补偿、d板厚修正系数）。
2）焊接电流、电压、速度。线能量与三者的关系式：E（J/CM）=60I（A）U（V）/V（cm/s）。常用焊接方法减少对焊接残余应力影响的参数选择因素：手工电弧焊电流经验估算式为I（A）=（30～50）焊条直径，电流数值大则焊缝熔深大，热影响区域大，太小则不易起弧。电压与弧长匹配，弧长为焊条直径的0.5～1.0倍；埋弧焊焊接电流根据熔深要求选定，焊接电流大时熔深大，热影响区也大。直流反接时，熔深较大，直流正接，熔深浅，交流进行焊接时，熔深处于直流正接与直流反接之间。电压调整时每一焊接电流对应的焊接电压的变化范围不超过10 V。焊接速度大时熔深、熔宽减小，反之则增大；CO2气体保护焊焊接电流大时熔深增加，熔宽加宽，热影响区域加宽。焊接电流过小易产生未焊透。焊接电压增大时熔深减小，熔宽增加。电弧电压与焊接电流匹配，电流大则电压高。短路过渡时电弧电压为16 V～24 V，细颗粒过渡时电弧电压为25 V～45 V。焊接速度半自动焊时一般在15 m/h～40 m/h，自动焊时不超过90 m/h。
3）构件预制。为减小整个结构的焊接残余应力，将焊接结构的构件与组（部件）在工厂预制后，到工地现场安装，通过有效的减少每个构件与组（部件）的焊接残余应力，来减少整个结构的焊接残余应力。
4）焊缝及坡口。减少焊缝数量和避免焊缝集中。横焊缝应交错布置，交错距离至少为板厚的20倍，以避免相同方向上的焊接残余应力叠加。焊缝尺寸不得过大，角焊缝焊脚尺寸K尽可能小，过大时热影响区域增加，太小则不能保证焊缝质量。一般满足hf≥1.5（N较厚构件厚度）及hf≤1.2较薄构件厚度。焊缝厚度应同板厚，角焊缝的焊角高度he不宜超过其所需的静载尺寸，以避免热输入随焊角高度增加而增加。坡口横截面尽可能小，通过减少熔化区来减少焊接残余应力的分布区域。坡口形式按焊接技术规程选择，不同坡口形式截面积按从小到大的排列依次为：I、U、V、K、X。
5）焊接顺序及焊件拘束度。合理的焊接顺序可以减少焊接残余应力。遵循“先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝”及“横向收缩不受拘束”的原则。如：钢板对接可采用分段退焊，厚板焊缝采用分层焊，工字形截面采用跳脚焊等。焊接时使构件不受外界拘束，能够自由收缩，减少拘束应力σr对焊接残余应力的影响。焊件结构形式、自重、冷却过程中其它部位的收缩对焊接产生内拘束，应先焊拘束度大不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度小能自由收缩的焊缝。
6）预热。焊前对构件进行预热，可降低构件冷却速度，延长t8/5时间，减少焊接残余应力的大小和范围。预热温度根据钢的碳当量（CE）的实际含量计算。碳钢和低合金高强度钢的碳当量可采用估算式：CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13；预热温度（TP）可采用估算式：TP=210×（CE）-25。当焊接坡口角度及间隙增大，熔敷金属的扩散氢含量高或操作地点温度低于常温（高于0 ℃）时，预热温度提高
15 ℃～50 ℃。
参考文献
[1]卢铁鹰.钢结构.1993,8.
[2]建设部.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规.中国建筑工业出版社,2003.
[3]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册.中国计划出版社,2002.