论钢结构焊接残余应力控制与消残方法

1、论钢结构焊接残余应力控制与消残方法黄子龙摘要:结合施工实践,分析了钢结构焊接残余应力的成因及危害,鉴于此提出了焊接残余应力的控制目标和措施,并总结了消除构件残余应力的方法,从而提高钢结构的整体承载力、增强结构的安全性。关键词:钢结构,焊接残余应力,控制措施,消残方法中图分类号:TU758.11文献标识码:A近年来,随着我国的工业发展,钢结构工程因其结构性能好、结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好,适于承受冲击和地震荷载、施工速度快、便于机械化生产和工业化程度高等很多优越条件,因此钢结构工程在建筑领域被广泛应用。但是,也不能否认,钢结构还存在着缺陷和隐患。本文将结合本人在某大型钢构加工

2、企业驻厂监造以及在多个超高层建筑现场施工的经验,浅析钢结构焊接残余应力的形成、控制与消残方法。1焊接残余应力的成因焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中,在焊件上产生局部高温的不均匀温度场,焊接中心处温度可达1800,局部高温使材料产生不均匀的膨胀。处于高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀,于是焊件内出现内应力,使高温区的材料受到挤压,产生局部压缩塑性应变,在冷却过程中,经受压缩塑性应变的材料,由于不能自由收缩而受到拉伸,于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。另外,由于构件受到焊接热循环的作用,使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化,引起了

3、因金属组织转变而造成体积上的变化,产生相变应力。除上述两种原因外,如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住,也会在焊接件中产生焊接应力,上述因素就是焊接残余应力的形成过程。2焊接残余应力的危害焊接残余应力在钢材不同板厚、构件形状不同等条件约束下,在构件中产生复杂的应力分布。应力分布虽然复杂,但对构件本身来说,其是一种自相平衡的力系,当构件承受荷载时,如受拉、受压等,荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加,从而使构件某些部位提前达到屈服强度,并发生塑性变形,因此会严重降低构件的刚度、稳定性以及结构疲劳强度。总体来讲,焊接残余应力对构件结构强度、断裂韧性、金属材料的耐腐蚀性和疲劳寿命等有很大的危害,因

4、此控制与消除焊接残余应力是钢结构危害中十分重要和不容忽视的问题。3焊接残余应力的控制目标和措施控制残余应力的目标是消除残余应力集中和叠加现象,降低应力的峰值并使其均匀分布,从而提高结构的整体承载力、增强结构的安全性。其措施有以下几种:1采取合理的焊接顺序。a.对大型结构,应从中间向四周进行施焊,使焊缝可以由中间向外依次进行收缩。b.对于平面上的交叉焊缝,应特别注意交叉处的焊接质量。如果接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷(如未焊透,则这些缺陷正好位于纵焊缝的拉伸应力场中,会造成三向应力状态。所以要采取保证交叉点部位不易产生缺陷而又能自由收缩的顺序,先焊错开的短焊缝,后焊直通的长焊缝。c.应先焊收缩量

5、最大的焊缝。如果在结构上既有对接焊缝又有角焊缝,就应先焊对接缝,后焊角焊缝。d.应先焊在工作时受力较大的焊缝,使内应力合理分布。在接头两端留出一段翼缘角不焊,先焊受力最大的翼缘对接焊缝,然后再焊腹板对接缝,最后焊翼缘预留角焊缝,这样焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力,而腹板对接缝受拉,角焊缝留在最后焊可以保证腹板对接缝有一定的收缩余地,同时也有利于在焊接对接缝时采取反变形措施以防止产生角变形。基本建设焊接构件一般都比较大,因此十分讲究焊接顺序和施工程序。2间断焊接法。为降低对焊件的加热程度,减小加热范围,可根据结构具体情况,以间断的方式进行焊接。例如,在对铸铁进行电弧冷焊时,每次只焊一段很短的焊

6、缝,让其冷却到不烫手时再焊下一段,直至全部焊完工作缝。这样焊接区附近的金属始终处在“冷态”中,可减小焊接应力。3减小焊缝尺寸。焊接内应力由局部加热循环而引起,为此在满足设计要求的条件下,在深化设计过程中,不应加大焊缝尺寸和余高,要对其焊缝尺寸给予优化,焊缝坡口要合理,尽量采用双面坡口,要转变焊缝越大越安全的观念。4减小焊接拘束度。拘束度越大,焊接应力越大,首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接。如长构件需要拼接板条时,要尽量在自由状态下施焊,不要待到组装时再焊,应按工艺先将其拼接工作完成,再进行组装构件。若组装后再焊,则因其无法自由收缩,拘束度过大而产生很大的应力。5采用补偿加热法。在构件焊接过程

7、中为了减少焊接热输入流失过快,避免焊缝在结晶过程中产生裂纹,因此当板厚达到一定厚度时,焊前应对焊缝周边一定范围内进行加热,加热温度视板厚及母材碳当量(CE而定,此即为焊前预热。当构件上某一条焊缝经预热施焊时,构件焊缝区域温度非常高,伴随着焊缝施焊的进展,该区域内必定产生热胀冷缩的现象,而该区域仅占构件截面中很小一部分,此外,部分母材均处于冷却(常温状态,由此而对焊接区域产生巨大的刚性拘束,造成很大的应力,甚至产生裂纹。若此时在焊缝区域的对称部位进行加热,温度略高于预热温度,且加热温度始终伴随着焊接全程,则上述应力状况将会大为减小,构件变形亦会大大改观。6对构件进行分解施工。对于大型结构宜采取分

8、部组装焊接,结构各部分分别施工、焊接,校正合格后总装焊接。4焊接应力的消除1利用对零件整平消除应力。钢板在切割过程中由于切割边所受热量大、冷却速度快,因此切割边缘存在较大的收缩应力。氧气管道施工及质量控制浅谈周烽摘要:从氧气的特殊性出发,介绍了氧气管道的施工程序,从材料验收、除锈、脱脂、管道焊接、安装、静电接地、吹扫等方面阐述了氧气管道施工的质量控制要点,并指出只有严把工序质量关,才能确保氧气管道安全、平稳的工作。关键词:氧气管道,施工,除锈,静电接地,质量控制中图分类号:TU745.9文献标识码:A氧气是一种强氧化剂,具有极大的化学活性。在实际生产当中,往往因为氧气管道施工的原因,引起爆炸事

9、故,从而造成一定的经济损失。本文根据施工程序,阐述氧气管道施工及质量控制要求。1氧气管道施工程序氧气管道通常采用的是20号无缝钢管,其典型的施工程序如图1所示。2施工及质量控制2.1材料验收1管道材质正确,管道厚度合格,且表面无超过规定壁厚负偏差值的凹陷。2管道的内、外表面无明显划痕、损伤、裂纹和折叠等现象。1弯头、三通、变径管均是无缝或压制焊接件。2所有管件内 壁平滑,无锐边、毛刺、焊瘤。中、薄板切割后产生扭曲变形,便是这些应力释放的后果。对于厚板由于其抗弯截面大,不足以产生弯曲,但收缩应力存在是客观的。因此在整平过程中加大对零件切割边缘的反复碾压,这对其产生的收缩应力的消除极为有利。2焊后

10、热处理(消除应力退火。对钢管局部烘烤释放应力。构件完工后在其焊缝背部或焊缝两侧进行烘烤。不需施加任何外力,构件角变形即可得以校正。由此可见只要控制加热温度与范围,此法对消除余应力是极为有效的。为便于控制加热温度,一般采用电加热板对焊缝两侧进行加热到约650左右,然后用保温棉进行保温1h1.5h,缓慢冷却,相关的局部烘烤工作将安排在制管阶段进行。3合理安排计划,增加时效期。其实构件搁置时间也是消除残余应力的一种有效方法,构件搁置时间越长(即时效周期,残余应力得到释放的越多,从而也起到消残作用。因此在生产上合理安排,“重要”“关键”节点提前开工,增加构件冲砂前的搁放周期,延长时效周期也不失为一种消

11、残的好方法。4利用冲砂除锈的工序进行消除应力。因为冲砂除锈时,喷出的铁砂束高达2500MPa/cm2,用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀的冲击,除了达到除锈效果外,对构件的应力消除亦将会起到良好的效果。5采用VSR振动时效法消除应力。对于大型厚板钢构件的最后一道,有效消除焊接残余应力的方法就是VSR振动时效。振动时效的原理是给被时效处理的工件施加一个与其固有谐振频率相一致的周期激振力,使其产生共振,从而使工件获得一定的振动能量,使工件内部产生微观的塑性变形,从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态,晶粒内部的错位逐渐滑移并重新缠绕钉扎,使得残余应力得以被消除和均化。长期实践证明,

12、在科学地选择有效振型,对工件关键部位施加适当应力后,振动时效能有效降低和均化残余应力值,能极好地稳定焊接件特别是异种钢焊接后的尺寸稳定性,在对环状钢结构中,稳定构件形位尺寸更是效果明显。另外,振动时效法具有周期短、效率高、无污染的特点,且不受工件尺寸、形状、重量等限制,已经过大量的工程实践证明,对消除构件焊接残余应力是有明显效果的。参考文献:1陈海霞,张永胜.焊接工艺中的残余应力J.山西建筑,2007,33(30:1512152.On steel structure w elding residual stress control and eliminate remnant methodHUANG Zi2longAbstract:Combining with construction practices,the author analyses the cause and damage of steel structure welding residual stress,in view of this provides the control objectives and measures of the welding residual stress,and concludes the methods of how to eliminate the compo2 nents