钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术

钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术

于殿明

齐重数控装备股份有限公司黑龙江齐齐哈尔161005

摘要:随着建筑行业的不断发展，钢结构的应用越来越多。通过加强对钢结构的分析，有助于进一步提高钢结构施工质量，从而促进建筑工程的发展。本文通过对钢结构焊接残余应力以及焊接变形的研究，希望能够进一步提升技术水平。

关键词:建筑钢结构;残余应力;焊接变形

1对接形式焊接残余应力测定

1.1试验材料及焊接工艺参数

钢板对接是建筑钢结构最常见模式，通过两块钢板模拟建筑钢结构对接形式，设定试验使用钢板尺寸均为500mm×200mm×8mm，材料为建筑常用Q345B钢。焊接前需对钢板进行前处理，经由剪板机对其进行粗加工后再细加工，确保焊接面稳定。对位后先对焊缝两侧进行点焊固定位置，对接焊接模型及成品。

式中:σx、σy分别为焊接横向及纵向残余应力;ε1、ε2为释放应变;A、B为应变释放系数，与多种因素相关，可视为定值．由式(1)可知，该结构的焊接横向及纵向残余应力与计算建立的坐标系x轴向以及y轴向一致，将其分别定义为横向应力和纵向应力。钢板1和钢板2在材质和尺寸上均相同，仅对钢板1建立有限元分析模型即可。对钢板1进行模拟计算，根据过渡网格技术对其进行模型分块处理，越靠近焊缝处网格越密集，向外逐渐呈现分散趋势。

2钢结构焊接变形控制技术

2.1残余应力调控工艺

窗口残余应力是造成钢结构焊接变形的一项因素，降低残余应力可有效降低结构焊接变形情况。钢结构焊接后由于温度场集中于焊缝部位，导致冷却后残余应力集中于焊缝处。焊接过程初始焊接温度、焊点到焊件距离、最大温度、有效加热半径和试件厚度等均是影响钢结构焊接的条件。为了探究建筑钢结构残余应力的控制效果，研究设定其残余应力调控工艺窗口。

2.2试验设计试验

采用建筑常用Q345B钢，试件制定过程与残余应力测定试验过程相似，试件预制时首先需对其进行点焊处理，之后将其进行应力热退火，消除试件预制加工残余应力，设定退火温度为600℃，退火时间为40min，到达退火时间后便可让其自行冷却至常温。通过传感器收集焊接过程的温度数据，并对加热过程中试验模型进行参数校核。采用盲孔法进行数据收集，盲孔深度为1mm，通过盲点收集信号，并通过无线传感器将其传输至计算机终端[1]。准备两组试件，一组为对照组，另一组为试验组，对照组焊接完成后不对其做任何处理，室温静置即可。对试验组试件进行加热处理，采用氧乙炔火焰对距离焊趾处25mm的直线区域进行平行加热处理，通过传感器收集加热温度，加热时控制温度区间在［500℃，550℃］。试验组试件进行热处理后，分别对试验组和对照组试件表面残余应力进行测量，验证通过该种热处理工艺后试件残余应力调整效果。在试验组试件中设置几个测试点，设置五个测试点分别为1、2、3、4、5，每个点分别测试五次，消除其中最高数据以及最低数据后对剩余3个数据取平均，得出最终结果。

3试验数据分析

根据所设置工艺窗口确定平行加热最佳加热温度区间为［500℃，550℃］，该区间可实现对残余应力的有效调控．在平行加热过程中将其参数调整至［500℃，550℃］范围，测得最大热流密度为6.1W/mm2。调节最佳加热半径为8mm，加热移动速度为5mm/s，中心处温度峰值为520℃，在此条件下可将加热模型表示为

式中:x、y为热量传播距离;t为传播时间。为了验证试验结果，通过计算机建模重新进行上述分析过程，将温度场相关系数等作为基本参数输入，设定与上述模型相同的测量方式。将盲点法收集的数据作为试验数据，与计算机模拟结果进行对比，验证通过平行加热降低焊接残余应力的实效性。盲点法收集数据表明平行加热区域中心温度峰值为504.5℃，通过试验模拟出的平行加热区域中心温度峰值为515.2℃，误差比为2.1%，该误差范围极小。实际测量及计算机模拟温度均处于最佳温度区间，条件控制良好，处于窗口推荐条件范围。对焊件进行平行加热处理后测定横向残余应力由处理前243.5MPa下降至225.2MPa，下降比例为7.5%。横向残余应力在初始加热时期会呈现较快下降趋势，之后逐渐趋于平缓，且焊趾部位为横向残余应力峰值处。通过计算机模拟得出的试样，在对其进行热处理前横向残余应力最大值为123.67MPa，计算机模拟热处理前横向残余应力最大值为112.67MPa，模拟误差为8.9%。对其进行平行加热处理后，横向残余应力最大值为117.23MPa，计算机模拟热处理后横向残余应力最大值为109.1MPa，模拟误差为6.9%。通过计算机模拟得出残余应力下降3.2%。通过对比研究可知，焊缝及周边位置纵向残余应力较大，试件表面纵向残余应力会随着到焊趾部位距离提升而呈现降低趋势，且其应力作用方式逐渐由挤应力转变为压应力[2]。峰值出现在焊趾部位，试验测得该处应力值为224.5MPa，计算机模拟值为162.4MPa，误差比例为27.7%。试验测定焊缝部位应力值为94.5MPa，计算机模拟值为115.7MPa，误差比例为18.2%。对焊件进行平行加热处理后，试验测得该处应力值115.5MPa，计算机模拟值为114.3MPa，误差比例为1%。对比试验前可知焊趾部位纵向残余应力试验值从224.5MPa下降至115.5MPa，下降比例为48.6%，模拟值从162.4MPa下降至114.3MPa，下降比例为28.9%。由上述对比分析可知，通过平行加热处理纵向残余应力下降程度较大，该种方法适用于应对纵向残余应力较大的焊接方式，钢板对接焊接变形主要原因是纵向残余应力过大导致，可通过平行加热处理降低纵向残余应力影响，对其他不同焊接方式可采用相对应方法降低残余应力影响。

结论：

1)对接焊接钢结构焊缝附近部分残余应力较大，其他区域随着与焊缝距离不断提升，其残余应力不断下降。对接焊缝区域为残余应力集中处，应力形式为焊缝两侧部位表现为压应力，作用范围较小;中间部位表现为拉应力，作用区域较大，但数值较小。2)对接焊接钢结构残余应力在初始加热时期会呈现较快下降趋势，后逐渐平缓，且焊趾部位为横向残余应力峰值处，该处为引起变形根源，为控制变形关键处。3)平行加热处理纵向残余应力下降程度比横向残余应力大，该方法适用于应对纵向残余应力较大的焊接方式，钢板对接焊接变形主要原因是纵向残余应力过大导致，可通过平行加热处理降低纵向残余应力影响，对其他不同焊接方式可采用相对应方法降低残余应力影响。

参考文献：

[1]罗毓彪.焊接应力和焊接变形控制的研究[J].建材与装饰,2018(28):199-200.

[2]李进卫.破解建筑钢结构焊接变形的技术探讨[J].特钢技术,2016,22(01):13-18+22.