焊接应力

焊接 应力

焊接应力 ：welding stress and distortion

焊接 残余应力的主要研究内容包括应力的分布、影响以及消除和调整的方法。

焊接残余应力的分布 在厚度不大的 焊件中，焊接残余应力基本上是 平面应力，厚度方向的应力很小。在自由状态下焊接的平板，沿 焊缝方向的纵向残余应力X在焊缝及其附近一般为 拉应力，在远离焊缝处则为 压应力。对于低碳钢和强度不高的 低合金结构钢（ 屈服强度小于 400 兆帕），焊缝上的残余应力X可达到材料的屈服强度S（图1 [焊缝中纵向残余应力分布]分布" class=image>）。垂直于焊缝方向的横向残余应力的分布与焊接顺序和方向有关，后焊的区段一般为拉应力，但平板对接焊时 焊缝两端的经常为压应力（图2[焊缝中横向 残余应力分]分" class=image>[布]）。厚板 焊缝厚度方向的残余应力与焊接方法有关。电渣焊缝中为 拉应力。多层焊缝则较低。在厚度上的分布是中心部位最高，逐渐向表面过渡到零。X和在焊缝厚度上的分布也是不均匀的。电渣焊缝中心部位X和的数值大于表层。 多层焊缝则与此相反，表层应力大于中心部位（图3 [厚板多层焊缝中残余应力在厚度上的分布]）。在拘束状态下进行焊接（如封闭焊缝）时，则可能在比自由状态下大得多的范围内出现较高的拉应力X和，因而是更为危险的 内应力。

由于 焊接残余应力受多种因素的影响，在实际工作中常常需要通过实验测定 残余应力的大小和分布。

焊接 残余应力 对焊件有 6个方面的影响。①对强度的影响：如果在高残余 拉应力区中存在严重的缺陷，而 焊件又在低于 脆性转变温度下工作，则 焊接残余应力将使静载强度降低。在循环应力作用下,如果在 应力集中处存在着残余拉应力,则焊接残余拉应力将使焊件的 疲劳强度降低。焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外,还与焊件的应力集中系数应力循环特征系数 [min]/[max]和循环应力的最大值[max]有关其影响随应力集中系数的降低而减弱,随[min]/[max]的降低而加剧（例如对交变疲劳强度的影响大于脉冲疲劳）,随[max]的增加而减弱。当[max]接近于 屈服强度时， 残余应力的影响逐渐消失。②对刚度的影响： 焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降低。③对受压焊件稳定性的影响：焊接 杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件 局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。残余应力对稳定性的影响取决于杆件的 几何形状和 内应力分布。残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。④对 加工精度的影响：焊接残余应力的存在 对焊件的加工精度有不同程度的影响。 焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。⑤对 尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。焊件的尺寸稳定性又受到 残余应力稳定性的影响。⑥对耐腐蚀性的影响： 焊接残余应力和载荷应力一样也能导致 应力腐蚀开裂。

为了消除和减小 焊接残余应力，应采取合理的焊接顺序，先焊接收缩量大的 焊缝。焊接时适当降低 焊件的刚度，并在焊件的适当部位局部加热，使焊缝能比较自由地收缩，以减小 残余应力。热处理( 高温回火)是消除焊接残余应力的常用方法。整体 消除应力的热处理效果一般比局部热处理好。焊接残余应力也可采用机械拉伸法（预载法）来消除或调整，例如对压力容器可以采用 水压试验，也可以在焊缝两侧局部加热到200℃，造成一个温度场,使焊缝区得到拉伸，以减小残余应力。

　　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。

　　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。

　　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。

焊接过程中引起的焊件变形直接影响焊件的性能和使用，因此需要采用不同的 焊接工艺来控制和预防焊件的变形，并对产生 焊接变形的构件进行矫正。

对所有熔化式焊接，在 焊缝及其 热影响区都存在较大的 残余应力，残余应力的存在会导致焊接构件的变形、开裂并降低其承载力；同时，在焊缝的 焊趾部位还存在凹坑、 余高、 咬边造成的 应力集中；而焊趾出的 熔渣缺陷、 微裂纹又形成了裂纹的提前萌生源。由于受残余 拉应力、应力集中和裂纹萌生源的影响， 焊接接头的 疲劳寿命大大降低。

残余应力都集中在焊缝附近，当 焊接残余应力与承载的 工作应力叠加，其数值超过材料的 屈服极限时，工件就会再焊缝附近产生 焊接变形，断裂等现象。研究残余应力的影响不仅考虑其数值的大小，而残余应力的方向也是重要因素，用 盲孔法 残余应力检测仪可以对焊接残余应力值的大小和方向进行测量。在分析 残余应力的影响时，即使焊接构件的残余应力值远远低于其材料的屈服极限，但如果存在严重的 应力集中，那么焊接构件在其运输和使用过程中也会因残余应力的释放而发生永久性的塑性变形。

焊接变形有7种形式（图4[各种焊接变形]）。①纵向收缩变形：沿 焊缝长度方向的收缩。②横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩。③角变形：绕焊缝轴线的 角位移。④挠曲变形：构件 中性轴上下不对称的收缩引起的弯曲变形。⑤ 失稳变形：薄壁结构在焊接残余 压应力的作用下， 局部失稳而产生波浪形；⑥错边变形：焊接边缘在焊接过程中，因膨胀不一致而产生的厚度方向的错边。⑦扭曲变形：由于装配不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。

焊接变形的大小与 焊缝的尺寸、数量和布置有关。首先从设计上合理地确定焊缝的数量、坡口的形状和尺寸，并恰当地安排焊缝的位置，对于减少变形十分重要。在工艺上采用高能量密度的焊接方法和小线能量的工艺参量，例如多层焊对减少焊缝的纵、横向收缩以及由此引起的挠曲和 失稳变形是有利的。但多层焊对角变形不利。采用合理的装配、焊接顺序、反变形和刚性固定可以减少焊接变形。

焊接变形常采用机械方法矫正。对于由长而规则的 对接焊缝引起的薄板壳结构的变形，用钢轮辗压 焊缝及其两侧，可获得良好的矫正效果。利用局部加热产生压缩塑性变形使较长的焊件在冷却后收缩的火焰矫正法，具有机动性强、设备简单的优点，得到广泛采用。