然而，焊接过程中产生的高温以及环境对冷却速度的影响，会不可避免地产生
焊接应力与焊接变形。焊接应力是指在焊缝及其附近热影响区因热涨冷缩导致的内应力，焊接变形是焊接时各种因素导致未完全达到生产标准而产生的问题，具体表现为结构件外形偏离设计状态。在大型桥梁钢构件的制造与安装过程中，它们会严重影响到构件的尺寸精度和结构的稳定性，进而导致出现各种经济收益下降的负面结果。
近些年来，随着复杂异型节点焊接技术得以在桥梁构件生产中被广泛应用，如何科学控制焊接过程中应力与变形的产生，以及有效提升焊接工艺与焊后处理措施，已经成为钢结构制造领域的重要探索方向。可喜的是，从广东中江高速东凤出入口立交桥项目的钢箱梁生产制造开始，新天地钢结构拉开了焊接品质提升的序幕，我们在佛山市顺兴大桥和浒通河大桥等桥梁制造过程中纷纷使用强化焊接工艺，大幅提升桥梁焊接质量与结构耐久性。
焊接质量控制标准与要求
应力变形控制在焊接生产中的标准
在
桥梁钢结构的焊接生产中，应力和变形控制属于核心质量要求之一。在《公路钢结构桥梁制造和安装施工规范》(JTG/T 3651-2022)中，7.2.5规定: 焊前预热温度应通过焊接工艺评定试验确定;预热范围宜为焊缝两侧1.5倍板厚且不小于 100 mm，并应在距焊缝 30~50mm 范围内测温。7.2.7的第3条规定定位焊焊缝不得有裂纹、夹渣、焊瘤等缺陷，弧坑应填满:对开裂的定位焊焊缝，应先查明原因，然后再清除开裂的焊缝，并应在保证构件尺寸正确的条件下补充定位焊。7.2.12的第一条规定焊接完成后，应将焊缝两端设置的引板、产品试板或工艺板等采用气割方式切除，并磨平切口;切割和磨平时不得损伤母材。第五条规定对焊缝的缺陷，应采用碳弧气刨或其他机械方法进行清除，焊缝裂纹的清除长度应由裂纹端各外延50mm。在清除缺陷时，应刨出利于返修焊的坡口，并应采用砂轮磨除坡口表面的氧化皮，露出金属光泽。
因此，钢构件在完成焊接后必须进行外观检查、几何尺寸检验以及必要的残余应力与变形测试：
- 外观检查：不得出现咬边、裂纹、气孔、焊瘤、飞溅物和未熔合等各种常见焊接缺陷。
- 尺寸精度：构件的变形值应控制在设计允许偏差范围内，主要包括板件翘曲、梁体扭曲和焊角偏离等。
- 结构稳定性：对易产生高应力集中部位的节点和焊缝区域，应通过结构分析控制残余应力水平。
- 疲劳性能：针对受交变载荷影响显著的焊接构件，应评估应力集中与残余应力对疲劳寿命的影响，采用疲劳等级验算。
工艺评定阶段的试验要求
在施工准备阶段，焊接工艺评定 (WPS) 必须包括对焊接热输入、预热温度、焊缝层数、焊接方向、冷却速率等参数的系统验证，同时需进行原型构件的应力变形测试，这包括：
- 质检部门：焊后通过卷尺、直尺和焊接检验尺等工具进行变形测量。
- 无损检测：射线、超声波或磁粉等方式检测焊缝质量。
- 科学仪器：通过专用设备进行热模拟分析与实际残余应力布置进行对比。
通过科学方式评估焊接质量与应力参数，是制定可控焊接工艺的基础。这一过程要求结合不同构件在受热过程中的变形特性与刚度响应，系统分析焊接应力与变形的产生机制。根据分析结果合理设置夹具与约束方式，能对焊接过程中热胀冷缩的抑制效果具有决定性影响。
焊接应力与变形的产生原因分析
焊接应力与变形的本质源于热输入不均引发的塑性变形与结构拘束效应的共同作用，其主要成因如下：
焊接过程不均匀受热
焊接是一个加热加压的过程，而受限于生产条件，实际焊接过程中钢构件上的受热温度分布是极不均匀，没有受到约束力的构件在焊接加热与冷却时其产生的变形呈现自由状态，在构件焊接加热过程中不会出现任何的内部应力，而慢慢冷却后构件自然也不会出现各种变形和焊接残余应力。同样，受到约束的构件焊接加热时同样产生内部应力与变形，受约束构件的变形为非自由状态，这时构件的内外部都会存在变形。
当焊接后构件能够充分自由的收缩，那么构件中就会出现一定比例的变形而不会出现焊接残余应力。此外，当构件通过某些装置受到绝对约束，这时焊接构件不会产生变形，但是会产生很大的焊接残余应力。当构件焊接时冷却收缩不够充分，构件既会产生焊接变形还会出现焊接残余应力。因此，总结上述各种情况如下，当钢构件的焊接过程不均匀，且焊接输入的热量高出金属材料的屈服点温度，这时会产生一些塑性焊接变形，待到构件冷却后则一定会产生焊接变形和焊接残余应力。
一般情况下，在钢构件生产制造过程中，构件的变形走向与焊接后的变形走向可能出现不一致的情况：这是由于钢构件在焊接加热时，离焊缝比较近的位置会产生塑性焊接变形，冷却的时候焊接变形的位置会引起一定的收缩。如果这些焊接后的收缩会很好的进行，钢构件的焊接变形越来越大，而焊接残余应力相对越来越小。反之，则表现为焊接后收缩的不够充分，钢构件的焊接变形就越小，焊接后的残余应力就会越来越大。总而言之，在生产制造过程中钢构件经焊接后产生应力在构件的中的分布既不规律的也不均匀，焊接结束后焊缝附近的区域会产生残余应力，一般情况下把这种应力称作焊后残余拉应力。
构件焊缝金属收缩和组织变化
随着钢构件焊缝的金属材料自然冷却，即逐渐从液态慢慢转变成固态时，构件的焊缝体积会自然收缩，最终引起整个构件变形。与此同时，焊缝中也会出现一些残余的应力。在焊接过程中焊缝的形成存在先后顺序，工人的焊接受限于设备和环境等因素不一定能保持焊接完全连续。这时，先焊接形成的焊缝会一定程度影响并改变后形成的焊缝，导致整体焊缝出现一定的收缩，一般情况下会引起焊 接变形并形成残余的应力。
此外，当
构件材料的内部组织发生变化时同样也会产生焊接变形和焊接应力。焊缝区的金属在熔化至凝固过程中体积发生变化，最重要的是其组织结构会由奥氏体转为珠光体或贝氏体，相变过程亦会伴随晶格收缩，从而形成微应变，叠加于热应力之上构成总残余应力。如果在未来研究突破，工业界得到纳米级的金属材料，如细晶强化等方式帮助构件综合力学性能实现飞跃。
构件的刚性和拘束程度变化
在生产制造过程中，钢构件结构本身的刚性变化对焊接后变形和残余应力有极大影响。当钢构件的刚度变大时，构件焊后焊接变形相对较小；当钢构件的刚性不足时，构件焊接后变形则会相对较大，而残余的应力就会很小。
另一方面，钢构件的拘束度变化也会给构件带来一定的影响，当拘束度变大时，构件焊接后的变形很小，焊接产生的应力就会很大。当拘束度较弱时，构件焊接后的变形相对较明显，但是构件焊接后的残余应力就会很小。
在实际生产过程中，当钢构件不同部位的刚度差异显著时，热胀冷缩会难以协调，这时约束端不动且自由端收缩，会在构件内形成自平衡内力系统。然而，当固定支架设置的不合理或吊装顺序错误，这会导致人为强化某一方向的拘束，最终导致非对称变形的不良后果。
焊接顺序与方向不当
焊接顺序安排不合理可能导致焊接应力过于集中和热输入分布不均，进而引发不可逆的焊接变形。例如，工人优先焊接长焊缝再焊接短焊缝，或者在封闭环焊缝焊接过程中未进行首尾搭接与熔合，这都可能出现焊接变形和残余应力。这是因为在结构刚度较大的构件中，初始变形可能被暂时约束；随着焊接过程持续，高温带来的应力不断叠加，并突破构件本身刚性的限制而造成永久性变形。
需要特别指出的是，在空间节点、T形接头或多向交叉接头等复杂部位，不同方向焊缝的热影响区极易相互干扰。这一区域金属的微观结构发生了变化，该变化则会降低金属的强度。因此，如果焊接路径和方向安排不当，会出现应力冲突、相对位移和强制性变形等问题，从而显著降低结构的几何精度与受力性能。
焊接应力与变形可能造成的影响
钢构件在焊接过程中受热传递的影响，当受热温度不均匀时，局部的受热或冷却时间顺序也不一致，这便会引起钢构件焊接变形。钢构件不均匀的受热膨胀和不均匀的冷却顺序，最终产生可以导致杆件变形的应力，学术界通常将这类应力称为焊接残余应力。多条焊道搭接位置，由于焊道在焊接和冷却的时间不一致，焊缝过渡密集，部分区域产生热量就会很大，从而造成焊接变形。
焊接残余应力对钢构件结构强度的影响
在钢构件生产制造过程中，构件焊接结构没有过渡的应力集中。这时构件的金属材料有一定的塑性变形能力，构件的焊接应力再一般情况下不会影响构件结构的静载强度。当构件的金属材料处于脆性状态时，所产生产的拉伸内应力和外部拉应力叠加起来可能应力会增大。当应力达到一定强度，会存在将材料结构破坏的可能性，这时构件随时可能断裂。当构件处于焊接过程中使用温度低于材料脆性临界温度时，拉伸应力和内应力集中在一起会降低构件结构的静载强度。
以下是部分焊接变形的原因及影响：
- 角变形: 焊缝两侧因温度梯度引起的收缩不一致，容易在翼缘板、腹板及节点处形成角变形。例如双面焊时若未均衡对称施焊，焊接出现侧向收缩会导致板件翘曲，严重影响构件拼装。
- 波浪变形与扭曲: 箱梁面板、桁架杆件等受高温-冷却的反复膨胀和收缩效应后，易出现波浪状起伏。如果构件在焊接过程中受拘束不均，还可能引发整体扭曲，尤其在长箱段或大型平面板构件中尤为明显。
- 安装偏差与金属错位: 由于焊接变形累计效应，其造成的不良后果包括且不限于孔位错位、节点板无法对接、梁段高差等问题。最重要的是这些问题极大延误安装进度，后期工人还需大力强行矫正，并加剧构件应力损伤。
- 结构开裂或焊缝损伤: 焊接残余应力在热影响区累积，叠加交通荷载作用后，易诱发微裂纹扩展或局部断裂。这种情况在材料处于脆性温度的情况下更为严重，还会极大影响材料的结构稳定性以及缩减疲劳寿命。
焊接残余应力对钢构件加工尺寸精度的影响
钢构件在
生产制造过程中，通过焊接会产生一些的内部应力。通过将一部分金属从构件上切除掉的加工方法，就可以破环构件原有的应力平衡状态。这些内部应力会逐渐开始重新分布，并形成一个新的平衡状态。此时，如果构件没有拘束，它会发生一定程度变形，并对加工精度造成不利影响。因此，为了保证构件的加工尺寸精度，对焊接后的构件要先进行消除应力的处理才能开始加工。
焊接残余应力对钢构件稳定性的影响
生产制造过程中，由构件外部引起的一些内部应力与压应力合在一起时，对钢构件的稳定性带来很大影响。该影响与构件的内部应力和截面状态有直接关系。有效的截面会远离构件的中性轴，从而可以改善构件的稳定性。为了确保钢构件最大程度的发挥其材料性能，在生产制造过程中管理人员一定要采取必要的措施预防和控制减小焊接变形和焊接残余应力。此外，对于重要的钢构件结构焊接后还要采取消除针对性焊接残余应力的措施。
结语
焊接残余应力与焊接变形是桥梁钢结构制造中不可回避的核心技术问题，其存在不仅影响构件装配精度与结构安全，更可能降低桥梁寿命。焊接变形与应力问题非常难解决，但生产过程的标准化和智能化仍然能最大程度的减少其负面影响。
通过新天地钢结构的科学设计和项目管理，优化构件结构、焊接工艺路径、控制热输入、选择合理焊接方法等方式，并配合焊后有效的热处理或机械处理手段，可以实现对焊接应力与变形的有效控制。
