钢结构在焊接过程中，局部区域受到高温作用，焊接中心处温度高达 1 600 °C 以上，焊接完成后再经历降温过程。不均匀的加热和冷却，使构件产生焊接变形。同时，高温部分钢材在高温时的体积膨胀以及在冷却时的体积收缩均受到周围部分钢材的约束而不能自由变形，从而产生焊接应力。焊接应力较高的部位将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后塑性变形不能完全恢复，有残存于焊件内的应力和变形，称为焊接残余应力和残余变形。焊接残余应力和残余变形将影响结构的受力和使用性能，造成焊接部位产生裂纹的因素之一，应在焊接、设计和制造时加以重视和控制。
焊接残余应力和变形的产生是内外因共同作用造成的。内因是钢材本身具有热胀冷缩的性质，而且随温度升高钢材屈服强度大幅度下降；外因是钢材在焊接过程中受到了不均匀的热过程，钢材的变形受到外界和内部的约束，进入到屈服阶段产生了塑性变形。
焊接残余应力根据应力方向与钢板长度方向以及钢板表面的关系，可分为纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力。其中纵向残余应力是沿焊缝长度方向的应力，横向残余应力是垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力，厚度方向残余应力则是垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。
1．纵向焊接残余应力
焊接结构中焊缝沿焊缝长度方向收缩时产生纵向焊接残余应力。例如在两块钢板上施焊时，钢板上产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。焊缝附近高温处的钢材膨胀最大，稍远区域温度稍低，膨胀较小。膨胀大的区域受到周围膨胀小的区域的限制，产生了热塑性压缩。冷却时的过程与加热时刚好相反，即焊缝区钢材的收缩受到两侧钢材的限制。相互约束作用的结果是焊缝中央部分产生纵向拉力，两侧则产生纵向压力，这就是纵向收缩引起的纵向残余应力，如图3.46（a）所示。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内应力自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。
又如三块钢板拼成的工字钢［图 3.46（b）］，翼缘与腹板连接处因焊缝收缩受到两边钢板的阻碍而产生纵向拉应力，两边因中间收缩而产生压应力，因而形成中部焊缝区受拉而两边钢板受压的纵向应力。腹板纵向应力分布则相反，由于腹板与翼缘焊缝收缩受到腹板中间钢板的阻碍而受拉，腹板中间受压，因而形成中间钢板受压而两边焊缝区受拉的纵向应力。
图3.46 焊缝纵向收缩引起的纵应力
2．横向焊接残余应力
焊缝的横向（垂直焊缝长度方向）残余应力包括两部分：其一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形［图 3.47（a）］，而实际上焊缝将两块板连成整体，从而在两块板的中间产生横向拉应力，两端则产生压应力［图 3.47（b）］；其二是由于焊缝在施焊过程中冷却时间的不同，先焊的焊缝凝固后具有一定强度，阻止后焊的焊缝进行横向自由膨胀，使之发生横向塑性压缩变形。随后冷却焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，因应力自相平衡，更远处的焊缝则受拉应力［图 3.47（c）］。这两种横向应力叠加成最后的横向残余应力［图 3.47（d）］。(www.xing528.com)
横向残余应力的分布规律比纵向更复杂，例如横向收缩引起的横向残余应力与施焊方向和先后顺序有关。不同施焊方向下，焊缝横向收缩时产生的横向残余应力如图 3.48 所示。
图3.47 焊缝的横向焊接应力
图3.48 施焊方向对横向焊接残余应力的影响
3．厚度方向焊接残余应力
较厚钢板焊接时，焊缝与钢板和空气的接触面散热较快而先冷却结硬，厚度中部的冷却比表面的冷却缓慢，因而使收缩受到阻碍，形成中间焊缝受拉，四周受压的状态。因而焊缝在厚度方向出现应力zσ（图 3.49）。当钢板厚度＜25 mm时，厚度方向的应力不大；但板厚≥50 mm时，厚度方向应力较大，可达 50 N/mm2左右。加上纵向、横向残余应力，厚焊件的焊缝内部有可能形成三向拉应力场，大大降低连接的塑性，对焊接工作性能极为不利。
图3.49 厚度方向的焊接应力
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