淺析焊接殘余應力的產生及影響

趙劍　卞冰

摘 要：焊接是一個復雜的、包含電弧物理、傳熱、冶金以及力學的鋼結構工藝過程，對工程質量的好壞以及工程結構的安全有著直接的影響。在進行焊接的過程中以及焊接完成之后，由于一些高度集中的瞬時熱輸入，焊接會產生很大的殘余應力和變形。焊接過程中的殘余應力對焊接的結構的使用性能會產生極大的影響，所以，我們要對焊接的殘余應力進行相關研究。

關鍵詞：焊接殘余應力；成因；對焊接結構的影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.009

0 引言

焊接應力即是在焊接結構時由于焊接而產生的內應力，它可以依據產生作用的時間被分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。所謂焊接瞬時應力是指在焊接的過程中某一個焊接瞬時產生的焊接應力，它是會跟著時間的變化而發生變化的，而在焊接之后，某一個受到焊接的焊件內還殘留的焊接應力被稱為焊接殘余應力。

1 產生焊接殘余應力的原因

之所以會產生焊接殘余應力，主要是由于焊件在焊接的過程中所受到的加熱是不均勻的。按照焊接殘余應力的發生來源，可將焊接殘余應力分為直接應力、間接應力和組織應力三種。

（1）直接的焊接應力是焊接殘余應力所產生的最主要的原因，它是受到不均勻的加熱和冷卻之后所產生的，根據加熱和冷卻時的溫度梯度而發生變化。

（2）間接的焊接應力則是焊件由于焊前的加工狀況造成的應力。焊件在受到軋制和拉拔時會產生一定的殘余應力。間接的殘余應力如果在某一種場合下疊加到焊接的殘余應力上去，焊件受到焊接發生變形，也會將其影響附加到焊接殘余應力上去。而且，焊件一旦受到外來的某一種約束，產生相應的附加應力，也屬于間接應力的范疇。

（3）組織應力也就是由相變造成的比容變化而產生的應力，它的產生是由于焊件的組織發生了變化。雖說組織應力會由于含碳量和材料其他成分的不同而產生差異，但我們一般都會將其所產生的影響進行分析研究。

2 焊接殘余應力會對焊接結構產生哪些影響

焊接是一個局部的受熱不均勻、冷卻不均勻的過程，加之受焊縫和靠近焊縫的溫度場的影響，焊件的內部會有大小不同、分布不均勻的殘余應力—應變場。如果焊件焊接結構的殘余應力以及焊件的載荷的工作應力發生疊加現象，焊件就會遭受二次變形、殘余應力也會重新進行分布，這會造成焊接結構的剛性和尺寸的穩定性變差；受溫度和介質的共同作用的影響，焊接結構和接頭會產生較大的疲勞，容易斷裂、受應力腐蝕會裂開、在高溫下會蠕變開裂。隨著新技術的發展，現代的大工業生產也發生了新的變化，對于焊接技術有了新的要求，焊接技術有了質量高、經濟性高還要可靠性高的三高要求。而焊接殘余應力與變形又是對構件的結構性能、安全可靠性有直接影響的，所以我們也要對焊接殘余應力加強注意。

2.1 對焊接結構的剛度產生影響

當焊接結構的外載產生的應力σ與某個區域的殘余應力相互疊加，且疊加的程度到達屈服點fy時，該區域的材料便會因為受壓過大而造成局部的塑性變形，對外界的承受能力喪失，焊接結構的有效的截面積變小，結構的剛度也變小。在對一些焊接結構的焊縫進行火焰校正時，由于結構的焊縫有橫向和縱向的，產生的殘余拉伸應力就會有相對來說較大的截面拉伸應力，這會影響到結構的剛度而不會影響結構的長度。如果火焰校正的火焰過大，焊接梁的加載剛度和卸載回彈會變弱，這對于某些尺寸精確度和穩定性有較高要求的結構影響是極大的。

2.2 對結構的受壓桿件的穩定性產生一定影響

當焊接結構的外載產生的應力σ與某個區域的殘余應力相互疊加，且疊加的程度到達屈服點fy時，不但結構的截面承受外界壓力的能力喪失，結構桿件的穩定性也會受到影響。殘余應力是構件受外界的壓力、外界的溫度等因素的影響而產生的不穩定的應力狀態，構件局部受損變形，甚至會有整個構件變形的可能。構件的穩定性和殘余應力有著這樣的關系：構件的使用會使殘余應力松弛，構件穩定性降低。這種影響主要有構件抗靜、動載荷的變形和載荷卸載后變形恢復能力兩個方面，我們必須要想辦法來消除殘余應力對這兩個方面的不良影響。

2.3 對靜載強度產生的影響

如果焊接的材料不是脆性的，受到焊接時會發生塑性和變形，構件的應力還可能是均勻的。但是對于脆性材料來說，它們是不能塑性變形的，受到外力影響后，構建的應力是不均勻的，應力的峰值隨著外力的加大而不斷增多，達到材料的屈服值得極限后，構件局部被破壞，整個構件會發生斷裂現象。對于一些脆性材料來說，殘余應力會使它的承載能力變低，甚至會發生斷裂。而塑性材料在低溫狀態下受到殘余應力之后，它會將殘余應力進行三向拉伸來緩解壓力，阻止塑性材料發生變形，構件的承載能力也會變低。只要焊接結構的構件和焊道有較強的塑性變形能力，那么殘余應力就不會讓它的靜力強度變低。由于有些殘余應力的構件在受到較大的軸心拉力作用，外荷載引起的拉應力會疊加在截面上的參與壓力之上，因此總的應力值會越來越大，直到達到屈服極限值fy，有殘余應力的截面到達塑性區，截面的彈性區承受增大的外荷載應力，慢慢地彈性區變小、塑性區變大，應力重新分布，整個截面上的應力值到達材料的屈服極限fy。截面上的殘余應力會進行均衡的分布，對構件的靜力強度沒有影響。但是塑性材料在失去塑性變成脆性構件時，殘余應力又會對靜力強度產生影響。

2.4 對焊件疲勞強度產生影響

鋼材的疲勞是指鋼材在循環應力多次反復作下裂縫生成、擴展以致斷裂破壞的現象。殘余應力與荷載的應力相互疊加，應力幅值會相應發生變化，焊件的結構抗疲勞強度也會受其影響。殘余拉應力與疲勞強度成反比，即殘余拉應力較小，疲勞強度就變強。所以，我們要從焊件的工藝和設計上來想辦法降低應力集中系數，使得焊件的抗疲勞強度變得更強。

3 總結

總而言之，經過對焊接殘余應力的研究我們可以發現，殘余應力對于焊件的剛度、焊件的受壓桿件穩定性、靜載強度、焊件的疲勞強度都產生影響。為了提高工程的質量，我們必須要采取相應的措施來將殘余應力對焊接結構的影響降到最低，避免焊件發生變形或者斷裂現象的出現，提高焊接質量和焊接水平。

參考文獻：

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