焊接残余应力对焊接结构的影响

焊接残余应力对焊接结构的影响

周燕1谭志源2万惠林3

广东佛山528255

【摘要】阐述了焊接残余应力产生的原因及其影响因素，分析了焊接残余应力对焊接结构的影响，同时，就如何有效消除焊接残余应力进行了深入的探讨，为焊接残余应力提供了参考依据。

【关键词】焊接残余应力；焊接结构；影响

钢材在冷却和焊接的过程中，由于收缩、膨胀的速度和程度不同，往往就会在焊接局部结构处形成很不均匀的温度场，从而产生塑性变形现象，而这种塑性变形是具有不可逆转性的。在焊接完全冷却后，残留在焊件内的残余应力则为焊接残余应力。焊接残余应力是焊接结构发生脆断的重要原因，焊接部位材料的有效比例极限会随着焊接残余应力的增大而大幅度降低，受压构件的刚度、焊接结构的耐腐蚀能力、抗疲劳能力都会随之而降低，另外，焊接残余应力还是焊接结构开裂、变形等缺陷的主要原因。本文就焊接残余应力对焊接结构的影响进行探讨。

1产生的原因及影响因素

一般来说，都是由于焊接结构在焊接过程中受热不均匀而导致产生焊接残余应力。焊接残余应力可分为沿厚度方向的焊接残余应力（图1）、横向焊接残余应力（图2）及纵向焊接残余应力（图3）

1．1产生原因

而按照发生的来源来分，焊接残余应力可以分为三种类型：

一是，比热容变化产生的组织变化而引起的焊接残余应力，尽管不同的钢材具有不同的碳含量，但我们必须要充分考虑到平均冷却速度和相变温度；

二是，直接产生的焊接残余应力，这种残余应力是焊接残余应力的关键，主要是由冷却的温度梯度和不均匀加热来决定的；

三是，间接产生的残余应力，这种残余应力往往都是在焊接开始之前由于焊件加工所导致的。如果焊件在焊接开始之前经过了拉拔或者轧刹之后，都会存在这种应力，也会在焊后的变形中产生附加性影响。

1．2影响因素

影响焊接残余应力产生的影响因素主要有两种：一是，不同的焊接热源模型的影响。焊接残余应力产生和焊接分析的关键性因素就是热源的输人类型，不同的热源模型往往会导致焊接温度场分布不同，进而造成焊接残余应力分布不同；

二是，随温度变化的材料力学性能和热物理性能的影响。线膨胀系数（随温度变化）往往是决定焊接热应力应变的重要参数，而热扩散率则往往是影响焊接温度场分布的重要参数。

2对焊接结构的影响

焊接过程实质上是一个不均匀的、局部的冷却、加热过程，焊件内部由于受到近缝区温度场和焊缝区温度场的影响而出现诸多分布不均匀、大小不等的残余应力一应变场。焊接结构的工作应力与残余应力相互叠加，就会重新分布残余应力，且产生二次变形，这样就会对焊接接头和焊接结构的高温蠕变开裂能力、抵抗应力腐蚀开裂能力、抗脆断能力及疲劳强度产生严重影响，使得焊接结构的尺寸稳定性和刚性也会降低。焊接构件的安全可靠性、结构性能都会受到焊接残余应力的直接影响，甚至还会对焊接结构的形状尺寸精度、疲劳强度及断裂特性产生较为不利的影响。

（1）焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响

腐蚀介质和拉应力的双重作用下会使得一些介质材料表面出现裂缝，产生应力腐蚀开裂。而焊接残余应力的存在会使得腐蚀断裂加速，拉应力加大。

（2）焊接残余应力对焊接结构刚度的影响

外载荷作用+焊接残余应力会造成应力叠加，造成局部应力不断增加，使得焊接结构的材料迅速达到屈服点，这样一来就会让焊接结构的刚度和有效承载面积减小，失去继续承载的能力，也不能充分地将材料的塑性性能表现出来。在实际的焊接过程中，火焰校正和焊缝会产生很大的焊接残余应力，造成结构的回弹性能不足，不能忽视。

（3）焊接残余应力对焊接结构疲劳强度的影响

焊接残余应力会造成应力荷载在循环作用过程中应力循环平均值发生变化，而极限幅值与应力循环平均值二者之间是反比关系。因此，在应力集中的部位存在拉伸焊接残余应力，那么就会大幅度降低疲劳强度。随着应力集中系数的不断增加，焊接残余应力造成的影响也在不断地加大。

（4）焊接残余应力对焊接构件稳定性的影响

外荷载与焊接残余应力在焊接过程的叠加效应往往会重新分布残余应力，且产生二次变形，尤其是再加上介质温度，那么会严重影响到焊接结构的稳定性能和承载能力。

3焊接残余应力的消除

随着新技术、新科技和现代化工业生产的快速发展，要求焊接技术具有更高的可靠性、经济性、品质性。因此，需要消除焊接残余势力的影响来提高焊接技术。措施如下：

（1）利用锤击焊缝法来消除焊接残余应力

为了减少焊接变形和焊接残余应力，可以在焊缝冷却的过程中，用圆头的小锤头来对焊缝进行迅速、均匀地锤击，这样也可以让焊接结构在焊接之后产生塑性延伸变形。

（2）预热法来控制焊接残余应力

如果焊接构件本体上的温差越大，那么相对应的，焊接残余应力也就变得越大。对构件进行焊前预热，可以有效地减慢冷却速度和温差大小，从而降低焊接残余应力。

（3）合理选择焊接顺序

焊接构件如果存在较多的焊缝，那么可以先从错开的短焊缝来施焊，然后再采用跳跃焊接和逐步焊接来焊接较长的焊缝，这样一来，可以让焊缝自由收缩，以免产生裂纹。

4结束语

总之，焊接残余应力是焊接结构发生脆断的重要原因，焊接部位材料的有效比例极限会随着焊接残余应力的增大而大幅度降低，受压构件的刚度、焊接结构的耐腐蚀能力、抗疲劳能力都会随之而降低，值得进步重点关注和研究。

参考文献：

[1]黄向红．焊接残余应力对结构性能的影响[J]．现代机械，2011，（01）：111-114．

[2]杨坪，苏威．焊接工艺参数对焊接残余应力的影响[J]．热加工工艺，2010，（07）：102—104．

[3]黄向红．焊接残余应力对疲劳强度的影响及改善[J]．热加工工艺，2010，（15）：130—135．