[科普中国]-焊接残余应力

焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。 这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。

定义焊接残余应力，是焊接工程研究领域的重点问题。涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。例如，在土木工程领域，对于钢结构焊接连接，残余应力对结构的疲劳性能，稳定承载力等均有影响。

焊接时，焊区局部加热膨胀，受到离焊缝较远部分的 约束不能自由伸长，使焊区受压产生塑性变形;在随 后的冷却中，焊区要缩得比其他部分短，又受到离焊 区较远部分的约束不能自由缩短，因而受拉产生残 余拉应力（而其他部分则受到残余压应力）。在无外 部约束的情况下，焊接残余应力是自相平衡的。

焊接残余应力的影响对结构或构件的影响
焊接残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，在构件服役过程中，和其他所受荷载引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，不但会降低结构的刚度和稳定性而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。

对结构刚度的影响
当外载产生的应力δ与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点fy时，这一区:域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截而积减小，结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时（例如工字梁上的肋板焊缝），或经过火焰校正，都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

对静载强度的影响 如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限，发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降，导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。

对于焊接构件，只要构件和焊道本身具有较好的塑性变形能力（没有低温、动荷载等使钢材变脆的不利因素），残余应力不会降低构件的静力强度。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时，外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中，应力不断增加，当叠加总应力达到材料的屈服极限fy，构件中存在残余拉应力的截而提前进入塑性区，后增长的外荷载仅由截而的弹性区承担，随荷载的增大，弹性区减少，塑性区增大，内部应力不断叠加，应力发生重新分布，直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限时为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布，故静力荷载相等，即残余应力不会降低构件的静力强度。但是塑性材料在一定条件下会失去塑性，变成脆性或者构件材料塑性较低，残余应力将会影响构件的静力强度。因为构件无足够的塑性变形产生，在加载过程中，应力峰值不断增加，直至达到材料强度极限后发生破坏。因而残余应力对其有影响。1

控制措施由于焊接应力将会直接影响到焊接结构焊后的承载能力或抵抗破坏的能力，为了防止与减小焊接残余应力，可从设计和工艺两个方面着手。正确的设计方案是控制应力的根本措施，如减少焊缝的数量及尺寸、避免焊缝过分集中、采用刚性较小的接头形式或避免应力集中等方法。但是仅依靠正确的设计并不能完全控制残余应力，还须利用正确的工艺方法与其相结合，才能有效地将焊接应力的影响控制到较低的程度。

（1）选择合理的焊接顺序合理安排焊接顺序的原则有：

①焊接时，应尽可能考虑焊缝能自由收缩。如拼板合理的焊接顺序，见图1，图中的数字1～10所指表示焊接顺序，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。

②收缩最最大的焊缝应先焊。由于先焊的焊缝收缩时受阻较小，因此焊后应力较小，而收缩量大的焊缝容易产生较大的焊接残余应力；故焊件上收缩量最大的焊缝先焊就可以减小焊接应力。2

③焊接平面交叉焊缝时，焊缝的交叉点处易产生较大的焊接应力。

（2）降低焊缝的拘束度 采取在结构上事先留出保证焊缝自由收缩的余量及开缓和槽以减小应力的措施可降低焊缝的拘束度。

（3）预热法 预热法指在焊前对焊件局部或整体加热的工艺措施。预热温度根据金属材料、结构刚性、散热情况的不同而异。其目的是减小焊接区和结构整体的温度差，温差越小，越能使焊缝区与结构整体尽可能均匀地冷却，从而减少内应力。对于淬硬倾向较大的材料、脆性材料或刚性较大的焊件，在焊接或焊补时常用此法。

（4）加热“减应区”法焊接时加热阻碍焊接区自由伸缩的部位（即“减应区”），使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用，此法称为加热“减应区”法。

本词条内容贡献者为:

于仁业 - 高级工程师 - 中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司