焊接残余应力-残余应力基础理论及应用

焊接构件因焊接而产生的应力称为焊接应力。按照作用时间，焊接应力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为焊接瞬时应力，它会随时间的变化而产生变化；焊后残留在焊件内的焊接应力则称为焊接残余应力，它是由于焊接加热产生不均匀温度场而引起的。

1）焊接残余应力的分类

焊接残余应力按其发生源可分为以下三种情况：

（1）直接应力。这是由于不均匀加热和冷却的结果，是取决于加热和冷却时的温度梯度而表现出来的热应力。它是形成焊接残余应力的主要原因。

（2）间接应力。这是由焊接前加工状况所产生的应力。构件在轧制与冷拔后其表面会产生拉应力，它与焊接产生的应力叠加，并对焊后构件的变形产生附加的影响。此外，构件受外界约束产生的拘束应力也属于此类应力。

（3）组织应力。这是由于组织变化而产生的应力，即由于相变造成的比体积变化而产生的应力。它与碳含量及材料的其他成分有关。

2）焊接残余应力的产生过程

在焊接过程中，工件受到电弧热的不均匀加热而产生焊接应力，当工件冷却后仍然保留在工件内部的应力即焊接残余应力。焊接过程是一个不均匀的受热过程，即焊缝及其相邻区域的金属都要被加热到很高温度，然后快速冷却下来。由于在焊接过程中，焊件各部分的温度不同，随后的冷却速度也各不相同，因而焊件各部分在热胀冷缩和塑性变形的影响下，必然会产生焊接应力。

图1-1所示为焊后冷却过程中不同位置温度分布随时间的变化。当时间为零时，焊缝附近急速被加热到高温状态。因此，首先会在达到这一温度的焊缝间产生很大的热应力，并且其附近会伴随塑性变形的发生。在接合方向上显然为约束状态，因而将产生明显的压缩塑性变形；在垂直于接合的方向上，对于一般的焊接状态，也会发生塑性变形。因为此时焊缝部分的长度变短，因此如果使各处从现在这种状态冷却到室温，必然会使实质尺寸小的焊缝部分呈拉应力状态，而这种拉应力不会超过材料的屈服强度。(https://www.xing528.com)

图1-1　焊后冷却过程中不同位置温度分布随时间的变化［4］

注：焊接板材尺寸200mm×12mm

图1-2所示为冷却过程中的温度分布和相应的热应力状态。图1-2a的上图给出了开始时间为零的温度分布曲线。在中央的熔化区呈山状分布，与此相对应的热应力分布如图1-2c、d所示。在热应力分布曲线的中央出现的折曲，是由于熔化部分的屈服强度几乎为零而造成的。随着时间的不断延长，其温度分布逐渐趋于缓和。图1-2b所示为从冷却途中的某个时刻到另一时刻的温度变化。图1-2c是与温度变化相对应的热应力变化，热应力不超过该温度下的屈服强度。实际的热应力（见图1-2d）是在冷却开始时的热应力基础上再叠加上那时的热应力变化而得到的残余应力最终状态。焊接残余应力的产生，就是由加热和冷却时的热应力，以及由其所产生的塑性变形来确定的。

图1-2　冷却过程中的温度分布和相应的热应力状态［4］

3）焊接应力的影响因素

焊接应力是由很多影响因素同时作用造成的。这些影响因素主要包括焊接时温度分布不均匀、熔敷金属的收缩、焊接接头金属组织转变及工件的刚性约束等［5］。焊接热过程贯穿于整个焊接过程，是产生焊接应力的决定性因素。焊接温度场的温度分布越不均匀，焊接应力越大。

此外，焊接应力还与焊接参数有关。在焊接速度一定时，焊接电流越大，不均匀热输入越大，所产生的温度场分布不均匀度越大，因此产生的焊接应力越大；反之，产生的焊接应力就越小。在焊接电流一定时，焊接速度越大，不均匀热输入越大，所产生的温度场分布不均匀度越大，因此产生的焊接应力越大；反之，产生的焊接应力就越小。