焊接残余应力对结构性能的影响

金小强

摘要：焊接残余应力是钢结构在使用过程中出现各种病变的主要原因之一，文章对焊接残余在结构的承载力、稳定性、疲劳强度、应力腐蚀开裂、动应力响应、固有频率、结构刚度等方向的影响进行了较为详细的综述，为了解残余应力对结构性能的影响提供了参考。

关键词：焊接残余应力;承载能力;结构性能

0引言

随着国家的日益发展，现我国钢铁产量位居世界第一，而在建筑领域中，又因钢结构具有质量轻、强度高，塑性韧性好、施工周期短，制造简单等优点，钢结构已广泛应用于各类现代建筑。焊接作为钢结构的主要连接方式之一，由焊接而产生的残余应力也必然普遍存在与钢结构中，探清焊接残余应力对结构性能的影响是安全设计钢结构的前提。

1焊接残余应力对极限承载能力的影响

赵智力[1]等采用有限元方法研究了焊后拉伸条件下高强度钢等匹配和低匹配对接接头内部应力的变化情况，结果显示，焊后横向、纵向拉伸载荷增至临界失效载荷期间接头焊接残余应力均不能完全调匀;因焊接残余应力的存在，高强度钢等匹配焊接结构的静载强度会略有损失，高强度钢低匹配焊接结构将在低强焊缝的影响下损失更大的静载强度。徐磊[2]等在耐压壳极限强度设计公式基础上，采用数值计算模拟耐压球壳的焊接过程，得到焊后球壳的焊接残余应力分布，并将其作为初应力考虑残余应力对球壳极限强度的影响，结果表明，影响较小约5%，但对于安全系数较小的耐压壳设计，准确预估焊接对耐压强度的影响十分必要。

总得来说，只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力，残余应力不会降低构件的静力强度。

2焊接残余应力对结构稳定性的影响

彭崇梅[3]，数值模拟桥塔与主桁连接处焊接残余应力，并经一定的简化，将其作为初应力施加到结构典型焊接细节上，分析其对钢桁结构稳定承载力的影响，结果表明：初应力同时施加于下横梁和中桁架上弦杆时，稳定系数下降13%;焊接残余应力引起桁架结构桥梁稳定承载能力的下降幅度最大可达14%。

高永毅[4]根据非线性振动和高等板壳理论，以具有对接焊接残余应力的非线性矩形薄板为研究对象，研究焊接残余应力对非线性构件解的稳定性影响，结果表明，具有焊接残余应力的非线性矩形簿板周期解的稳定和不稳定区域随焊接残余应力大小变化而变化。

3焊接残余应力对结构疲劳强度的影响

苏联学者Kudryavtsev和Trufyakov[5]分别使用一系列含残余应力水平较高的纵向不承载角焊缝和对接焊缝接头试件，行交变弯曲常幅疲劳试验，结果显示应力释放工艺在200万次循环下可提高疲劳强度近150%，从而首次得出高值残余拉应力的存在会导致焊缝接头长寿命区疲劳强度大幅降低的结论。

Ohta[6]等的试验研究同样证实了焊接残余应力对结构疲劳强度具有重要影响，由于在实际焊接结构中常存在有达到母材屈服极限的残余拉应力，将大幅提高疲劳裂纹扩展速率，而降低结构的疲劳强度。

总的来说，焊接残余应力对结构疲劳强度的影响如下[7]：①压缩为主加载下的影响程度大于拉伸为主加载;②常幅加载下的影响程度大于变幅加载;③轴向加载下的影响程度大于弯曲加载;④高周加载下的影响程度大于低周加载;⑤接头应力集中低时的影响程度大于应力集中高时;⑥残余及外加应力多轴率高时的影响程度大于多轴率低时;⑦对复杂、厚壁结构的影响程度大于简单、薄壁结构。

4焊接残余应力对结构开裂的影响

郭瑞[8]通过有限元利用导入预应力法对核电一回路壁厚为74mm的压力容器安全端焊接接头中的残余应力分布进行模拟，计算分析焊接残余应力作用对安全端焊接接头中SCC裂纹尖端主要力学参量的影响。结果表明，裂纹尖端应力、应变以及J积分均与残余应力的分布规律有很大的关联性;当裂纹长度小于管壁厚度的三分之一时，裂纹尖端应力应变和断裂参量随裂纹长度增加而增大，后趋于平稳;当裂纹长度接近30mm时裂纹尖端法向应力由正变负，裂纹尖端应力应变随裂纹长度的增大而减小，有可能造成SCC裂纹扩展停滞。

5焊接残余应力对结构动力性能的影响

刘嘉[9]以铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥梁为研究背景，采用双椭球热源模型，模拟桥梁焊缝区域的焊接残余应力分布，并将其与列车过桥时的实测动应力叠加，施于桥梁节点精确有限元模型上，分析不同焊接残余应力作用下该桥危险点的动应力响应。结果表明：动应力叠加不同百分比的焊接残余应力下，等效应力曲线变化规律相似，但其值随残余应力的增加而增大，其中考虑百分之百的残余应力等效应力值将增大约十倍。陈章兰[10]以686TEU集装箱船为例，通过在大合拢缝横剖面上施加50MPa和100MPa的名义焊接残余应力，进行船体结构模态分析。结果表明，焊接热效应使固有频率降低，应力处于低水平时，降低幅度在5%以内;而在高应力水平时，降低幅度为7.5%。

6焊接残余应力对结构刚度的影响

姚茜[11]利用Ansys分析球—管连接节点残余应力，并将其作为初应力施加在节点轴向加载过程中，最终得出节点的荷载位移曲线，发现：当构件还处于弹性阶段时，焊接残余应力对节点的弹性轴向刚度几乎无影响。但当构件进入屈服还未破坏时，接残余应力对其轴向刚度的影响十分明显。

陈章兰[10]则是从理论上结合虚功原理推导了受焊接热效应影响的焊缝单元刚度矩阵，证实了焊接残余应力对刚度的影响。

结论

焊接残余应力对结构的承载力、稳定性、疲劳强度、应力腐蚀开裂、动应力响应、固有频率、结构刚度等均有着较大的负面影响，在设计中不能忽视，在实际工程中应采取恰当的残余应力控制及消除技术，最大限度地减少残余应力，提高结构的安全性。

参考文献：

[1] 赵智力，王光临，张远健，等. 焊接残余应力对高强度钢低匹配对接接头静载强度的影响[J]. 焊接学报， 2016， 37 （6）： 114-117， 134.

[2] 徐磊，黄小平，王芳. 焊接残余应力对深潜器耐压球壳承载能力的影响[J]. 船舶力学， 2017， v.21; 21（7）： 864-872.

[3] 彭崇梅，张启伟，李元兵. 焊接残余应力对钢桁斜拉桥整體稳定性的影响[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2011， 31（6）： 36-42.

[4] 高永毅，唐果，万文，等. 焊接残余应力对非线性矩形薄板解的稳定性影响的研究[J]. 机械强度， 2016， 38（6）： 1289-1293.

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[6] Ohta A， uzuki N，aeda Y.Shift of S-N curves with stress ratio[J].Welding in the World，003，7（1-2）：19-24.

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[8] 郭瑞，薛河，崔英浩. 安全端焊接残余应力对裂纹尖端力学参量的影响[J]. 西安科技大学学报， 2018， 31（3）： 479-483.

[9] 刘嘉，瞿伟廉，何钟山，等. 焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力影响的研究[J]. 地震工程与工程振动， 2011， 31（1）： 91-96.

[10] 陈章兰，叶家玮. 焊接热效应对船舶动力学性能影响的有限元分析[J]. 大连海事大学学报， 2013， 39（2）： 55-58

[11] 姚茜. 球—管焊接残余应力分布模式及其对节点性能的影响研究[D]. 重庆： 重庆交通大学， 2018.