焊接结构残余应力分析

摘 要 焊接残余应力的存在，会直接影响到钢混结构的承载能力。为了保证焊接结构的安全可靠，准确地推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的。对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，不但费时费力，而且受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大。

关键词 焊接残余应力；有限元；对接焊缝

一、焊接残余应力的概念

焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力为热应力（主要为冷却应力），相变应力可再叠加其上。在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。

二、焊接残余应力产生的原因

焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形，这时焊件中的应力称为焊接残余应力。焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：

（1）直接应力是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。（2）间接应力是由焊前加工状况所造成的压力。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。（3）组织应力是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异，但一般情况下，这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。

焊后消除应力处理：（1）整体热处理：消除应力的程度主要决定于材质的成分、组织、加热温度和保温时间。低碳钢及部分低合金钢焊接构件在650度，保温20～40h，可基本消除全部残余应力。另外还有爆炸消除应力。（2）局部热处理：大型焊接结构，受加热炉的限制或要求不高时采用这种方法。可采用火焰、红外、电阻、感应等加热方式，应保持均匀加热并具有一定的加热宽度。低合金高强钢，一般在焊缝两侧各100～200mm。（3）机械拉伸、水压试验、温差拉伸、振动法等这几种方法只能消除20～50%的残余应力，前两种方法在生产上广泛应用。

焊接后进行去应力处理，有自然时效处理（时间长，去应力不彻底，）、震动时效（效率高，费用低，只能去除焊接应力的70%左右）人工加热时效（ 时间短费用较高，能100%去除焊接应力，同时能进行去氢处理）。

三、焊接残余应力对焊接结构的影响

（1）对结构刚度的影响 当外载产生的应力。与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点o。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，造成结构的有效截面积减小，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，都可能在相当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。

（2）对受压杆件稳定性的影响 当外载引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和达到o。，这部分截面就丧失进一步承受外载的能力，这样就削弱了杆件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。残余应力对受压杆件稳定性的影响大小，与残余应力的分布有关。

（3）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。

（4）对疲劳强度的影响残余应力的存在使变荷载的应力循环发生偏移，这种偏移只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关。当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉仲残余应力，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余应力的影响也就越显著，因此，提高疲劳强度，不仅应从调节和消除残余应力着手，而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。

（5）对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是残余拉应力和化学腐蚀共同作下产生裂缝的现象，在一定的材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需时间与残余应力大小有关，残余拉应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

四、残余应力研究的意义

焊接残余应力会严重影响焊接结构的使用性能，可能引起结构的脆性断裂，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，压缩残余应力会减小稳定性极限，焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因。由于焊接残余应力的测定程序麻烦，计算残余应力又极为复杂，因此给残余应力的研究带来了许多困难，对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。随着现代科学技术的发展，数值模拟技术的地位显得越来越重要。焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定各种材料的最佳设计、最佳工艺和焊接参数。焊接工艺过去一般总是凭经验，通过一系列的试验或根据经验公式获得，通过数值模拟则可以大大节约人力、物力和时间，尤其是复杂的大型结构。随着有限元法和计算机技术的飞速发展，越来越多的焊接工作者利用数值模拟来研究焊接问题，并取得了不少成果。