焊接殘余應力的危害及處理方法

蔣莉莎

（安徽省滁州市水利勘測設計院，安徽 滁州 239000）

焊接殘余應力的危害及處理方法

蔣莉莎

（安徽省滁州市水利勘測設計院，安徽 滁州 239000）

焊接殘余應力是焊件產生變形和開裂等缺陷的主要原因，本文主要介紹建筑鋼結構中焊接殘余應力的產生原因及其危害。并簡要介紹處理焊接殘余應力的方法，希望能夠對今后提高產品的內部質量、提高構件的壽命及減少安全隱患方面提供一些有效對策。

鋼結構；焊接殘余應力；剛度；強度

引言

隨著我國國民經濟的不斷發展和科學技術的進步，鋼結構在我國的應用范圍不斷擴大。鋼結構的主要優點是材料強度高、結構自重輕、有良好的延性、抗震性能好、工業化程度高等，能滿足建筑上大跨度、大空間以及多用途的各種要求，同時施工速度快。連接在鋼結構中普遍存在，占有重要的地位。鋼結構中實現連接的方式可分為兩大類：焊縫連接和緊固件（螺栓、鉚釘等）連接。鉚釘連接由于費鋼費工,現在除了一些重型和經常受動力荷載作用的結構仍然采用外,已很少采用鉚釘連接。近年發展起來的高強螺栓的連接,雖具有很大的發展前途,但就目前而言,螺栓連接仍非主要的連接方式,焊縫連接是現代鋼結構中最主要的連接方式。它的優點是構造簡單，任何形式的構件都可直接相連；用料經濟，不削弱截面；制作加工方便，即可手工施焊也可實現自動化操作；連接的封閉性好，結構剛度大，整體性較好。目前在工業與民用建筑結構中,焊接結構已占絕對優勢。

然而，金屬構件在焊接過程中的不均勻加熱會在焊接構件的內部產生應力，在焊縫附近的熱影響區內，鋼材的金相組織發生改變，導致局部材質變脆；焊接殘余應力和殘余變形使構件受力時變形增加，降低了構件的的剛度和穩定性以及結構疲勞強度。因此，研究構件中的焊接殘余應力對生產和科學試驗都有著重大的意義[1]。

一、焊接殘余應力的產生原因

焊接殘余應力（welding residual stresses）簡稱焊接應力，有沿焊縫長度方向的縱向殘余應力，垂直于焊縫長度方向的橫向殘余應力和沿厚度方向的焊接應力。

（一）縱向焊接應力

縱向焊接應力就是平行于焊縫長度方向的應力。在施焊時，鋼板中會產生不均勻的溫度場,從而產生不均勻的膨脹（圖1）。溫度高的鋼材膨脹大，但受到兩側溫度較小、膨脹量較小的鋼材所限制，產生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時，被塑形壓縮的焊縫區趨向于縮短，但受到兩側鋼材的限制而產生縱向拉應力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應力經常達到鋼材的屈服強度。焊接應力是一種無荷載作用下的內應力，因此會在焊件內部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠處產生壓應力[2][3]。

圖1 施焊時焊縫及附近的溫度場和焊接殘余應力

（二）橫向焊接應力

橫向焊接應力的方向與焊縫長度垂直,產生橫向焊接應力的原因可分為2個方面。：一是由于焊縫縱向收縮，使兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，但實際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，于是兩塊板的中間產生橫向拉應力，而兩端則產生壓應力（圖2b）。二是由于先焊的焊縫已經凝固，會阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使其發生橫向塑形壓縮變形。當焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產生橫向拉應力，而先焊部分則產生橫向壓應力，在最后施焊的末端的焊縫中必然產生拉應力（圖2c）。焊縫的橫向應力是上述兩種應力合成的結果（圖 2d）

圖2 焊縫的橫向殘余應力

（三）厚度方向的焊接應力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。因此，除有縱向和橫向焊接應力 x、y外，還存在著沿鋼板厚度方向的焊接應力 z（圖3）。溫度沿厚度方向分布不均,表面先冷卻,中間后冷卻,中間部分收縮時,受到表面已凝固焊縫阻止,中間層受拉,而外層受壓。

圖3 厚板中的焊接殘余應力

二、焊接殘余應力的危害

（一）殘余應力對構件變形的影響

殘余應力對構件變形的影響包括兩個方面：一是構件抵抗靜、動載荷的變形能力，另外就是載荷卸除后變形的恢復能力。殘余應力在這兩方面對構件的影響相當大。

殘余應力是一個不穩定的應力狀態。構件受外力時，與殘余應力相互作用，使構件某些局部呈塑性變形，截面內應力重新分布；當外力去除時，整個構件發生變形。所以，殘余應力明顯地影響構件加工后的精度。

（二）殘余應力對受壓焊件穩定性的影響

受壓焊件在外載作用下，其截面實際應力是荷載應力與殘余應力的疊加，使部分截面提前屈服而進入塑性狀態。由于這部分截面提前退出工作，導致有效截面減小，慣性矩下降，整體穩定性降低。

（三）對結構剛度的影響

構件上的焊接殘余應力會降低結構的剛度。當外荷載產生的應力s與結構中某區域的殘余應力疊加之和達到屈服點fy時,這一區域的材料就會產生局部塑性變形,喪失了進一步承受外荷載的能力,造成結構的有效截面積減小,結構的剛度也隨之降低。構件上有縱向和橫向焊縫時(例如工字梁上的肋板焊縫),或經過火焰校正,都可能在較大的截面上產生殘余拉伸應力,雖然在構件長度上的分布范圍并不太大,但是它們對剛度仍然能有較大的影響。特別是采用大量火焰校正后的焊接梁,在加載時剛度和卸載時的回彈量可能有較明顯的下降,對于尺寸精確度和穩定性要求較高的結構是不容忽視的。

（四）對疲勞強度的影響

鋼材在循環應力多次反復作用下裂縫生成、擴展以致斷裂破壞的現象稱為鋼材的疲勞。殘余應力的存在使動荷載產生的應力與殘余應力疊加后,應力幅值產生變化,將對結構抗疲勞強度產生影響。因此,如應力集中處存在的殘余拉應力較大,疲勞強度就會明顯降低。應力集中系數越高,殘余應力的影響也就越顯著。因此,焊接殘余應力對結構的疲勞強度有明顯不利影響[4]。

三、消除殘余應力的方法

由于構件中殘余應力的不良影響，科技人員針對構件中殘余應力的控制與消除做了大量的工作，一方面通過合理的焊縫設計和焊接工藝措施來控制焊接結構的殘余應力，另一方面提出一些消除殘余應力的措施：

（一）自然時效：將工件暴露于室外，經過幾個月至幾年時間，穩定尺寸精度。但殘余應力變化并不明顯，僅降低2%～10%。

（二）熱時效法：將構件加熱到塑性狀態的溫度范圍內，在此溫度下保溫一定的時間，使應力消除，再緩慢冷卻。熱時效法是比較可靠且工藝相對成熟的殘余應力去除方法。但其存在耗能大、成本高、污染重的缺點。

（三）局部低溫勢處理：對于焊接件而言，在焊縫近區兩側不太寬的范圍內加熱，及中間近區部位冷卻，造成一個溫差，使焊縫和近區的材料受到拉伸并達到塑性變形的程度，此塑性變形抵消焊接過程中的壓縮塑性變形，從而使焊縫近區拉伸殘余應力消除。

（四）磁振動消除殘余應力技術：將工件在固有頻率下進行數分鐘至數十分鐘的振動處理，消除其殘余應力，獲得尺寸穩定的一種方法，振動消除殘余應力就是用振動處理的方法來代替熱時效和自然時效，具有投資少、生產周期短、節約能源、降低成本、使用方便、效果顯著等特點。對于焊接殘余應力越高，振動時效處理降低應力越多，均化效果越好[5]。

（五）爆炸法消除殘余應力：它是利用爆炸沖擊波的能量使樣品塑性變形，從而達到降低或消除殘余應力的目的。爆炸時可使金屬在拉伸殘余應力區產生伸長塑性變形，在壓縮殘余應力區產生壓縮塑性變形，兩種情況都可導致殘余應力的降低[6]。

四、結束語

在冷、熱加工過程中，構件內部不可避免地、不同程度地存在殘余應力，致使構件在服役期間的使用壽命受很大影響，而且多數情況下是負面影響；結果導致工件過早地失效，造成巨大的經濟損失甚至危及生命。因此，采取恰當的措施及對策，消除或減輕殘余應力的影響并預防事故的發生，具有極大的經濟效益及社會效益。在目前的建筑鋼結構制造中，除熱時效外尚有多種消應力工藝尚未得到有效應用，應加強應用試驗，把在其他行業已成功的技術進行移植、推廣應用，并逐步建立技術標準。我國的振動時效和振動焊接技術在國際上占領先地位；這兩種工藝對建筑鋼結構的荷載特點和制造要求具有良好的適用性，應首先加強這兩種工藝的應用試驗。

[1]米谷貌.殘余應力的產生與對策[M].北京：機械工業出版社，1983.

[2]張家旭.鋼結構[M].北京：中國鐵道出版社，1997：48-50.

[3]陳 驥.鋼結構穩定理論與設計[M].北京：科學出版社，2001：49-51.

[4]陳紹蕃.鋼結構設計原理[M].北京：科學出版社，2005：56-57.

[5]夏正旭.振動法消除焊接殘余應力及對力學性能影響的研究.[D].第六屆全國焊接學術會議論文選集，1990,4：45.

[6]朱中華,鑄件殘余應力的爆炸消除法[J].鑄造,1997,(1)：36-38.

TG404 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A

1003－5060（2011）02－0064－02

2011-06-07

蔣莉莎(1983-)，女，安徽滁州人，滁州市水利設計院助理工程師。