談焊接殘余應力對結構的影響

畢長剛

(沈陽有色冶金設計研究院，遼寧沈陽 110003)

鋼材在焊接和冷卻的過程中，其局部形成一個很不均勻的溫度場，由于膨脹和收縮的程度和速度不同，溫度場內各部分鋼材的變形相互制約，產生了不可逆轉的塑性變形，導致焊件在完全冷卻后，其上仍然存在著殘余應力，即焊接殘余應力［1］。殘余應力的峰值甚至可能達到或超過材料的屈服極限，當這些焊接構件投入使用時，它們所受載荷引起的工作應力與其內部的焊接殘余應力相疊加，將導致焊接構件產生二次變形和焊接殘余應力的重新分布，使得鋼材在保證穩定性能和其剛度方面的能力下降［2］。焊接構件的焊接接頭的疲勞強度的問題和鋼材的剛性問題的影響因素在于焊接時的溫度、焊接時所處的環境及在焊接過程中產生的應力，在這三方面因素的共同作用下產生的疲勞強度問題，還會對結構的抵抗脆斷的性能、腐蝕開裂的性能及其在高溫下的蠕變開裂的性能產生降低的效果。因此，在焊接過程中我們要對可能產生的，影響結構承載力的焊接殘余應力進行一定的控制和消除［3］。

1 焊接殘余應力的概念

焊件在焊接過程中，熱應力、相變應力、加工應力等超過屈服極限(Yield strength)，以致冷卻后焊件中留有未能消除的應力，這樣，焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應力稱為殘余焊接應力，焊接應力包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力和沿厚度方向的焊接應力［4］。

焊接過程中，焊縫區被急速的加熱，并局部熔化，焊材受熱膨脹，焊接熱應力的產生是由于周圍溫度較低區域的約束，隨著溫度的升高，受熱區域的屈服極限下降，有部分的焊接熱應力超出了常溫下的屈服強度，這樣，熱壓縮的焊縫區域形成，經過冷卻降溫和附件的區域相比，減小、縮短或者變窄，所以，此區域就以殘余拉應力為主，附近區域就以殘余壓應力為主，而降溫冷卻過程中由于纖維組織而產生的體積變化發生在溫度較低的區域，而且材料有較高的屈服極限，這樣該區域就會以殘余壓應力為主，而且它的附近區域會以殘余拉應力為主。

產生焊接殘余應力的情況可以應用經驗法則來判斷:熱應力為最后冷卻的區域，焊接拉伸應力為主，焊接壓應力是在相變的應力為主時的應力。

2 焊接殘余應力產生的原因及其影響因素

焊接殘余應力產生的主要原因是由焊接過程中的不均勻加熱所引起的，焊應力按照其發生的來源分為三種情況:直接產生的殘余應力，是不均勻加熱和冷卻導致的，決定在于不均勻加熱和冷卻的溫度梯度，是焊接殘余用應力產生的關鍵;間接產生的殘余應力，是焊接過程之前的加工狀況導致的，焊件若經歷過軋剎或拉拔時，都會使之具有此類殘余應力，這種殘余應力在某種場合下會加到焊接殘余應力上去，也往往會在焊后的變形中產生附加性影響，而且外界約束對于焊件產生的附加應力也應該歸于此類型應力;組織變化產生的殘余應力，相變是比熱容變化產生組織變化導致的，盡管因材料中碳的含量不同而異，但一般情況下這種影響必須要加以考慮的是發生相變的溫度和平均冷卻速度［5］。

焊接殘余應力的產生是一個隨著焊接過程的進行而產生的動態過程，影響其產生的因素主要有以下兩種:

1)隨溫度變化的材料熱物理性能和力學性能影響。影響焊接溫度場分布的主要物理參數，即熱擴散率。決定焊接熱應力應變的重要物理特性，即隨溫度變化的線膨脹系數。

2)選取不同的焊接熱源模型的影響。熱源的輸入是焊接分析和焊接殘余應力產生的決定性的因素，由于選取不同的熱源模型會造成焊接溫度場計算結果中焊接溫度場分布的不同，從而造成焊接殘余應力分布的不同。

3 焊接殘余應力對焊接結構的影響［6-9］

焊接過程中產生的二次變形和應力重分布，是由于焊接殘余應力和工作荷載疊加的結果，在溫度和介質的共同影響下，殘余應力會對結構性能造成以下的影響:

1)焊接殘余應力對焊接結構靜力強度的影響。

當結構在承載后表現出足夠的塑性變形能力，即隨著荷載的增加，達到屈服強度的區域應力不再增加，未達到屈服強度的區域應力繼續增加，直到整個材料表面都達到屈服強度。這種情況下焊接殘余應力將對結構的靜力強度不產生影響。如果在相反的情況下，結構在承載后沒有表現出足夠的塑性變形的能力，那么焊接殘余應力將對結構的靜力強度產生影響。

2)焊接殘余應力對焊接結構疲勞強度的影響。

在荷載的循環作用過程中，如果存在焊接殘余應力，則會使應力循環的整個過程偏移一個值，使得其平均值發生變化，而幅值不發生變化，而我們知道，平均值和極限幅值之間為反比關系。所以，拉伸焊接殘余應力出現在應力集中的部位，會造成疲勞強度的降低，焊接殘余應力的影響隨著應力集中系數的增加而提高。

3)焊接殘余應力對焊接結構剛度的影響。

由于焊接結構中存在的焊接殘余應力和外載荷作用產生的應力發生疊加，使得材料達到其屈服點，而材料的塑性性能不能充分的表現出來，就造成了局部應力的不斷增加，達到屈服極限，結構失去繼續承載的能力，這樣材料結構有效的承載面積減小，造成結構的剛度也減小。實際工程中的焊接結構連接所用到的焊縫和火焰校正都會在很大范圍內產生很大的焊接殘余應力，即使焊接殘余應力僅僅出現在沿構件長度方向很小范圍內，但其對結構剛度的影響不能忽視，當焊接梁采用頻繁的火焰校正時，可能在加載后產生較大的變形，而在卸載后表現出回彈性能的不足。

4)焊接殘余應力對焊接構件穩定性的影響。

在焊接過程中由于焊接殘余應力和外荷載的疊加效應，造成構件的二次變形和應力的重分布，從而導致了結構的穩定性能下降，尤其在和介質溫度共同影響下，更會給焊接結構的承載能力帶來嚴重的影響。

5)焊接殘余應力對應力腐蝕開裂的影響。

出現在一定的介質材料組合中，拉應力和腐蝕介質共同作用下產生裂縫稱為應力腐蝕開裂。拉應力的存在使得金屬表面的腐蝕鈍化膜破壞加大，而殘余拉應力和拉應力產生疊加的效果，使得拉應力加大，腐蝕斷裂加速。

4 減少焊接殘余應力的工藝措施［1，2，10］

1)對變形收縮量進行預留。通過已有的計算理論和工程中的經驗，事先在焊接準備材料和加工時留出收縮余量，使得焊件在焊接后滿足所需的尺寸和形狀。

2)反變形法。通過已有的計算理論和工程中的經驗，事先判斷焊接構件焊后變形的大小和方向，而后采取一個相反變形和大小相同的預置變形再焊接裝配。

3)剛性固定法。在焊接過程中把焊接構件采用剛性固定，減少其發生變形，等到焊接冷卻結束后，再去掉剛性固定，但是應用此方法會大大的增大焊接殘余應力的產生，僅應用于塑性較好的低碳鋼。

4)焊接順序的合理選擇。在焊接構件中，如存在較多的焊縫，為了使得焊縫可以自由的收縮，應該從錯開的短焊縫開始施焊，然后焊接通長的焊縫(對較長的焊縫可以采用逐步焊接和跳躍焊接)，不要在焊縫的交界處交匯，以免產生裂紋。

5)錘擊焊縫法。為了使得金屬在焊接后產生塑性延伸變形，可以用圓頭的小錘頭在焊縫冷卻的過程中均勻迅速錘擊焊縫，使得一部分的焊接產生的變形得到抵消，達到減少焊接殘余應力和變形的目的。

6)預熱焊前和緩冷焊后。應用焊接之前預熱構件的方法來減少焊接過程中焊縫區和其他區域的溫度差異，而在焊后減慢焊縫區域的冷卻速率的方法，使得焊縫的冷卻速率和其他區域同步，以此來達到減少焊接殘余應力和變形的目的。

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