4.1 焊接应力

金属焊接是局部加热与熔化的过程，焊缝区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高，因此对焊缝区的膨胀起约束作用。焊缝区产生塑性压缩变形，冷却后经过塑性压缩的焊缝区因金属体积变小而产生了拉应力；在该拉应力的作用下使相邻焊缝两侧的母材金属产生了压应力，这两种力就是焊接应力。

在考虑到金属的弹性变形因素后，焊接拉应力和压应力经过金属的弹性变形冲抵后会形成一种静态平衡，其数值不再随时间变化而改变，这时的拉应力和压应力称焊接残余应力。按焊缝残余应力的分布方向，可将其分成三种：沿焊缝长度分布的纵向残余应力 σ _x ，横向分布的应力 σ _y ，厚度方向分布的 σ _z 。

4.1.1 纵向残余应力 σ _x

纵向残余应力是由焊缝的纵向收缩引起的，在焊缝区产生的是拉应力，母材区产生的为压应力。该数值的大小取决于钢材的塑性，碳含量越高其数值越大。另外，在焊缝的引弧区和收弧区段数值较小，中间区段数值较大，其分布情况如图4-1所示。

纵向残余应力在焊缝两端（过渡区）由小到大变化，中间部分（稳定区）数值较为稳定。

在该应力的作用下，H型钢会产生纵向收缩变形，计算公式为

式中 A _w ——焊缝截面积（mm ² ）；

A ——杆件截面积（mm ² ）；

L ——杆件长度（mm）；

Δ L ——纵向收缩量（mm）；

K ₁ ——与焊接方法、材料热膨胀系数和多层焊层数有关的系数，对于不同焊接方法，系数 K ₁ 的数值不同：当用CO ₂ 气体保护焊时， K ₁ =0.043；当用埋弧焊时， K ₁ =0.071～0.076；当用焊条电弧焊时， K ₁ =0.048～0.057。

对焊接H型钢来讲，由于4道主焊缝均偏离中性轴，因此任何一道焊缝的收缩都会产生挠度。

由纵向收缩引起的挠度值 f 的计算公式为

式中 e ——焊缝到构件中性轴的距离（cm）；

L ——杆件长度（cm）；

A _w ——焊缝截面积（cm ² ）；

I ——杆件截面惯性矩（cm ⁴ ）；

K _f ——系数（数值同 K ₁ ）。

4.1.2 横向残余应力 σ _y

在焊接过程中，焊缝沿长度方向各部分的横向收缩，随着焊接熔化过程前移而不能同时发生。先焊的焊缝冷却后，因焊缝形成约束而产生了横向应力，冷却后形成的稳定数值即为横向残余应力。其数值的大小按板宽方向来讲，焊缝区最大，随着偏离焊缝横向距离的逐渐加大而降低，横向残余应力 σ _y 的分布情况如图4-2所示。

在横向残余应力的作用下会产生横向收缩变形，计算公式为

式中 Δ B ——对接接头横向收缩量（mm）；

A _w ——焊缝横截面积（mm ² ）；

b ——根部间隙（mm）；

δ ——板厚（mm）。

横向残余应力 σ _y 除了会产生横向收缩变形外，还会因其在焊缝横向和纵向数值分布的不均匀而产生焊后H型钢扭曲现象，因此应合理控制焊接工艺，采用刚性装夹，减小扭曲变形。

4.1.3 厚度方向的残余应力 σ _z

在焊缝厚度方向产生的残余应力为 σ _z 。 σ _z 是由焊缝在 Z 向塑性变形积累产生的，其分布情况如图4-3所示。

残余应力 σ _z 对H型钢最明显的影响是产生焊接角变形，降低其使用强度，因此必须加以控制。

焊接角变形计算公式为

式中 Δ θ ——角变形量（rad）；

B ——翼缘宽（mm）；

δ ——翼缘厚（mm）；

h _f ——焊脚尺寸（mm）。

4.1.4 焊接应力控制措施

控制焊接应力的目标是降低焊接应力的峰值并使其均匀分布，具体措施有以下几点。

1.减小焊缝尺寸

在满足施工设计要求的条件下，深化设计，应对其焊缝坡口及尺寸进行优化，选用合理的焊缝坡口形式，如尽量采用双面坡口、不随意加大焊缝尺寸和余高等。

2.减小焊接拘束度

因为拘束度越大，焊接应力也越大，所以首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接。如长构件在拼接板条时，应尽量在自由状态下施焊，不要等到组装时再焊接；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焊接应力。

3.采取合理的焊接顺序

1）在工件放置条件允许或易于翻转的情况下，应双面对称焊接。

2）对称截面的构件，应对称焊接；非对称的双面坡口焊缝，应先焊接深坡口一侧至一定焊缝高度，然后焊满浅坡口一侧，最后再完成深坡口一侧的焊缝。

3）板厚≥80mm的超厚板应采用双面分层对称焊接，板越厚焊缝分层数应越多。

4）长焊缝应采用分段退焊法或跳焊法施焊，避免热量过分集中。

5）构件装配焊接时，应先焊接有较大收缩量的接头，后焊收缩量较小的接头。

4.采用补偿加热法

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，区域外的母材均处于冷却（常温）状态，因此必然对焊接区域产生巨大的刚性拘束，导致产生很大的焊接应力，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，构件变形也会大大改观。

5.对构件进行分解施工

对于大型结构（管桁架、复杂树杈柱等）宜采取分部组装焊接措施。结构各部分分别施工、焊接，矫正合格后再总装焊接。

4.1.5 焊接应力消减方法

尽管采取措施来控制焊接应力，但是在焊接完工后，许多构件依然存在相当大的焊接应力。为此，当必要时，可从以下几方面来采取措施，进一步消减构件的焊接应力。

1.利用对零件整平消减应力

在钢板切割过程中，由于切割边所受热量大、冷却速度快，因此切割边缘时也会留下较大的收缩应力，如中厚板、薄板切割后产生扭曲变形，便是这些应力作用的结果。对于厚板，因其抗弯截面大而不足以产生弯曲，但收缩应力依然客观存在。为此，在整平过程中（见图4-4）加大对零件切割边缘的反复碾压，可有效消减热加工过程形成的残余应力。

2.进行局部烘烤释放应力

构件完工后在其焊缝背部或焊缝两侧进行烘烤（见图4-5），可消除部分焊接应力。此法过去常用于对T形构件焊接角变形的矫正，不需施加任何外力，构件角变形即可得以矫正，焊接应力也随之减小。

3.采用超声波振动消减应力

超声波冲击（UIT）（见图4-6）的基本原理是利用大功率超声波振动工具以2万Hz以上的频率冲击金属物体表面。由于超声波的高频和聚焦下的大能量，使金属表面产生较大的压塑变形，改变了原有的应力场，因此在焊接拉应力区产生一定数值的压应力，使该区域的焊接拉应力大幅降低，从而达到消减焊接应力的目的。

4.利用喷砂除锈的工序消减应力

喷砂除锈时，喷出的铁砂束压力高达2500MPa/cm ² 。用铁砂束对构件焊缝及其热影响区反复、均匀地冲击，除了达到除锈效果外，还可消减构件的焊接应力。

5.采用振动时效法消减应力

振动时效的原理就是对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，工件内部产生微观的塑性变形，从而引起残余应力的歪曲晶格被逐渐恢复平衡状态，晶粒内部的错位逐渐滑移并重新缠绕钉扎，达到消减和均化残余应力的目的。振动时效法（见图4-7）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。