浅析焊接残余应力的产生及影响

赵剑　卞冰

摘 要：焊接是一个复杂的、包含电弧物理、传热、冶金以及力学的钢结构工艺过程，对工程质量的好坏以及工程结构的安全有着直接的影响。在进行焊接的过程中以及焊接完成之后，由于一些高度集中的瞬时热输入，焊接会产生很大的残余应力和变形。焊接过程中的残余应力对焊接的结构的使用性能会产生极大的影响，所以，我们要对焊接的残余应力进行相关研究。

关键词：焊接残余应力；成因；对焊接结构的影响

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

0 引言

焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。

1 产生焊接残余应力的原因

之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。

（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。

（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。

（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。

2 焊接残余应力会对焊接结构产生哪些影响

焊接是一个局部的受热不均匀、冷却不均匀的过程，加之受焊缝和靠近焊缝的温度场的影响，焊件的内部会有大小不同、分布不均匀的残余应力—应变场。如果焊件焊接结构的残余应力以及焊件的载荷的工作应力发生叠加现象，焊件就会遭受二次变形、残余应力也会重新进行分布，这会造成焊接结构的刚性和尺寸的稳定性变差；受温度和介质的共同作用的影响，焊接结构和接头会产生较大的疲劳，容易断裂、受应力腐蚀会裂开、在高温下会蠕变开裂。随着新技术的发展，现代的大工业生产也发生了新的变化，对于焊接技术有了新的要求，焊接技术有了质量高、经济性高还要可靠性高的三高要求。而焊接残余应力与变形又是对构件的结构性能、安全可靠性有直接影响的，所以我们也要对焊接残余应力加强注意。

2.1 对焊接结构的刚度产生影响

当焊接结构的外载产生的应力σ与某个区域的残余应力相互叠加，且叠加的程度到达屈服点fy时，该区域的材料便会因为受压过大而造成局部的塑性变形，对外界的承受能力丧失，焊接结构的有效的截面积变小，结构的刚度也变小。在对一些焊接结构的焊缝进行火焰校正时，由于结构的焊缝有横向和纵向的，产生的残余拉伸应力就会有相对来说较大的截面拉伸应力，这会影响到结构的刚度而不会影响结构的长度。如果火焰校正的火焰过大，焊接梁的加载刚度和卸载回弹会变弱，这对于某些尺寸精确度和稳定性有较高要求的结构影响是极大的。

2.2 对结构的受压杆件的稳定性产生一定影响

当焊接结构的外载产生的应力σ与某个区域的残余应力相互叠加，且叠加的程度到达屈服点fy时，不但结构的截面承受外界压力的能力丧失，结构杆件的稳定性也会受到影响。残余应力是构件受外界的压力、外界的温度等因素的影响而产生的不稳定的应力状态，构件局部受损变形，甚至会有整个构件变形的可能。构件的稳定性和残余应力有着这样的关系：构件的使用会使残余应力松弛，构件稳定性降低。这种影响主要有构件抗静、动载荷的变形和载荷卸载后变形恢复能力两个方面，我们必须要想办法来消除残余应力对这两个方面的不良影响。

2.3 对静载强度产生的影响

如果焊接的材料不是脆性的，受到焊接时会发生塑性和变形，构件的应力还可能是均匀的。但是对于脆性材料来说，它们是不能塑性变形的，受到外力影响后，构建的应力是不均匀的，应力的峰值随着外力的加大而不断增多，达到材料的屈服值得极限后，构件局部被破坏，整个构件会发生断裂现象。对于一些脆性材料来说，残余应力会使它的承载能力变低，甚至会发生断裂。而塑性材料在低温状态下受到残余应力之后，它会将残余应力进行三向拉伸来缓解压力，阻止塑性材料发生变形，构件的承载能力也会变低。只要焊接结构的构件和焊道有较强的塑性变形能力，那么残余应力就不会让它的静力强度变低。由于有些残余应力的构件在受到较大的轴心拉力作用，外荷载引起的拉应力会叠加在截面上的参与压力之上，因此总的应力值会越来越大，直到达到屈服极限值fy，有残余应力的截面到达塑性区，截面的弹性区承受增大的外荷载应力，慢慢地弹性区变小、塑性区变大，应力重新分布，整个截面上的应力值到达材料的屈服极限fy。截面上的残余应力会进行均衡的分布，对构件的静力强度没有影响。但是塑性材料在失去塑性变成脆性构件时，残余应力又会对静力强度产生影响。

2.4 对焊件疲劳强度产生影响

钢材的疲劳是指钢材在循环应力多次反复作下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象。残余应力与荷载的应力相互叠加，应力幅值会相应发生变化，焊件的结构抗疲劳强度也会受其影响。残余拉应力与疲劳强度成反比，即残余拉应力较小，疲劳强度就变强。所以，我们要从焊件的工艺和设计上来想办法降低应力集中系数，使得焊件的抗疲劳强度变得更强。

3 总结

总而言之，经过对焊接残余应力的研究我们可以发现，残余应力对于焊件的刚度、焊件的受压杆件稳定性、静载强度、焊件的疲劳强度都产生影响。为了提高工程的质量，我们必须要采取相应的措施来将残余应力对焊接结构的影响降到最低，避免焊件发生变形或者断裂现象的出现，提高焊接质量和焊接水平。

参考文献：

[1]陈文汨，张利，金立业，何少平.焊接残余应力的分布和焊后热处理的应力松弛作用[J].金属热处理，2002（02）：30-32.

[2]葛明兰，鲁家晟.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].福建建筑，2010（07）：50-52.