焊接残余应力的分布及影响分析

1.焊接残余应力的分布

焊接结构形式很多，其中采用熔焊方法完成的中厚和薄板典型焊件中的焊接残余应力场分布各异，但大多为双向应力既平面应力状态，其中平板直线对接所引起的残余应力是最典型的例子，如图7-2所示。在一般钢材上，平行于焊缝方向的纵向残余应力σ_x的峰值在焊缝中心线上，其值可以接近材料的屈服强度σ_s；横向残余应力σ_y的数值较小。材料类型不同、板厚、接头形式的差异以及焊接工艺（尤其是焊接方法、焊接顺序）的不同，其残余应力的分布和大小也不尽相同。

2.残余应力的作用和影响

图7-2 钢板对接件的残留应力分布

焊接残余应力的大小不如残余变形容易在实践中观察到，它对结构性能的影响也比较复杂，而且，它对构件性能的影响也并非都是有害的。在分析其对结构失效或对使用性能可能带来的影响时，应根据不同材料、不同结构设计、不同承载条件以及不同运行环境进行具体分析，主要考虑以下几点：

（1）对构件承受静载能力的影响 在一般焊接构件中，焊缝区的纵向拉伸残余应力的峰值较高，在某些材料上可接近或超过（有硬化）材料的屈服强度σ_s。当工作应力和它的方向一致而叠加时，在这一区域会发生局部塑性变形，这部分材料丧失继续承受外载的能力，减小了构件的有效承载截面。在塑性良好的焊件上，在应力均匀化过程（塑性区扩大到整个截面的过程）的作用下，焊接残余应力对承受静载能力没有影响；在脆性材料的焊件上，一般不会出现塑性区扩大的现象，峰值应力区的应力达到抗拉强度σ_b后，会发生局部破坏，导致构件断裂。

（2）对结构脆性断裂的影响 由碳钢宽板拉伸试件（带尖缺口试件和焊接残余应力与尖缺口并行的试件）在不同实验温度下，呈现的尖缺口与焊接残余应力对断裂的影响表明：在带有焊接残余应力和尖缺口的试件上，若尖缺口位于残余拉应力的高应力区内，则可能发生不同类型的断裂，降低构件的承载能力并易于引发脆性断裂。

（3）对疲劳强度的影响 焊接拉伸残余应力阻碍裂纹的闭合，在疲劳载荷中提高了应力平均值和应力循环特征，从而加剧了应力循环的损伤。当焊缝区的拉应力使应力循环的平均值增高时，接头的疲劳强度会降低。焊接接头是应力集中区，残余拉应力对疲劳的不利影响也会更加明显。在疲劳载荷的应力循环中，残余应力的峰值有可能降低，循环次数越多，降低的幅度也越大。焊接构件中的压缩残余应力可以延缓或阻止疲劳裂纹的扩展，采用不同工艺措施，如点状加热、局部锤击和超载荷处理等，利用压缩残余应力，能改善焊接结构抗疲劳性能。(www.xing528.com)

（4）对结构刚度的影响 当外加工作应力为拉应力时，与焊缝中的峰值拉应力相叠加，会发生局部屈服；在随后的卸载过程中，构件的回弹量将小于加载时的变形量，构件卸载后不能回复到初始尺寸，尤其焊接的梁形构件，这种现象会降低结构的刚度。若首次加载后的重复加载值小于第一次加载值，则不再发生新的残余变形。在对尺寸精度要求较高的重要焊接结构上，这种影响不容忽视。但若构件本身的刚度较小（如薄壳构件），且材料具有较好的塑性，随着加载水平的提高，这种影响趋于减小。

结构受弯曲时，内应力对刚度的影响与焊缝的位置有关，焊缝所在部位的弯曲应力越大，其影响也越大。

结构上有纵向和横向焊缝时（例如有肋板焊缝的工字梁），或经过火焰校正，可能在相当大的截面上产生拉应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是他们对刚度仍有较大的影响。尤其是采用大量火焰矫正后的焊接梁，加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，这对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

（5）对受压杆件稳定性的影响 当外载引起的压应力与焊接残余压应力叠加之和达到σ_s，这部分截面就丧失了进一步承受外载的能力，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。内应力对受压杆件稳定性的影响大小，主要与内应力的分布有关。一般来说，压缩残余应力会降低杆件的受压稳定性，而拉应力具有有利的一面。

（6）对应力腐蚀的影响 一些焊接构件工作在有腐蚀性的环境下，尽管外加的工作应力不一定很高，但焊接残余拉应力本身就会引起应力腐蚀开裂，这是在拉应力与化学反应共同作用下发生的。残余应力与工作应力叠加后的拉应力值越高，应力腐蚀开裂的时间就越短。为提高构件的耐应力腐蚀性能，宜选用对特定环境和工作介质具有良好的耐腐蚀性的材料，或对焊接构件进行消除残余应力的处理。

（7）对构件精度和尺寸稳定性的影响 焊接件若在焊后要进行机械加工，则切削加工把部分材料从构件上去除，而使其截面积改变，所释放的残余应力使构件中原有的残余应力场失去平衡并重新分布，会引起构件变形。这类变形只是当工件完成切削加工从夹具中松开后才能显示出来，影响构件的精度。

组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在室温下的应力松弛微弱，因此内应力随时间的变化较小，焊件尺寸比较稳定。低碳钢在室温下长期存放，峰值为σ_s的原始应力可能松弛2.5%～3%；如原始应力较低，则松弛的比值将会有所减少。若是环境温度升高至100℃，松弛的比值将成倍增加。

焊后产生不稳定组织的材料，如20CrMnSi、2Cr13、12CrMo等钢材和高强铝合金，由于不稳定组织随时间而转变，内应力变化也较大，焊件尺寸稳定性较差。