焊接殘余應(yīng)力

對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的影響

焊接殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力，在構(gòu)件服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，不但會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。

對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響

當(dāng)外載產(chǎn)生的應(yīng)力δ與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)fy時(shí)，這一區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進(jìn)一步承受外載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截而積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。結(jié)構(gòu)上有縱向和橫向焊縫時(shí)（例如工字梁上的肋板焊縫），或經(jīng)過火焰校正，都可能在較大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，雖然在構(gòu)件長度上的分布范圍并不太大，但是它們對(duì)剛度仍然能有較大的影響。特別是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加載時(shí)剛度和卸載時(shí)的回彈量可能有較明顯的下降，對(duì)于尺寸精確度和穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)是不容忽視的。

對(duì)靜載強(qiáng)度的影響

如果材料是脆性材料，由于材料不能進(jìn)行塑性變形，隨著外力的增加，構(gòu)件中不可能應(yīng)力均勻化。應(yīng)力峰值將不斷增加，直至達(dá)到材料的屈服極限，發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件斷裂。脆性材料殘余應(yīng)力的存在，會(huì)使承載能力下降，導(dǎo)致斷裂。對(duì)于塑性材料，在低溫環(huán)境下存在三向拉伸殘余應(yīng)力的作用，會(huì)阻礙塑性變形的產(chǎn)生，從而也會(huì)大大降低構(gòu)件的承載能力。

對(duì)于焊接構(gòu)件，只要構(gòu)件和焊道本身具有較好的塑性變形能力（沒有低溫、動(dòng)荷載等使鋼材變脆的不利因素），殘余應(yīng)力不會(huì)降低構(gòu)件的靜力強(qiáng)度。因?yàn)橛袣堄鄳?yīng)力的構(gòu)件承受逐漸增大的軸心拉力時(shí)，外荷載引起的拉應(yīng)力將疊加截面的殘余應(yīng)力。在加載過程中，應(yīng)力不斷增加，當(dāng)疊加總應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限fy，構(gòu)件中存在殘余拉應(yīng)力的截而提前進(jìn)入塑性區(qū)，后增長的外荷載僅由截而的彈性區(qū)承擔(dān)，隨荷載的增大，彈性區(qū)減少，塑性區(qū)增大，內(nèi)部應(yīng)力不斷疊加，應(yīng)力發(fā)生重新分布，直至整個(gè)截面上的應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時(shí)為止。由于截面殘余應(yīng)力為自相平衡應(yīng)力分布，故靜力荷載相等，即殘余應(yīng)力不會(huì)降低構(gòu)件的靜力強(qiáng)度。但是塑性材料在一定條件下會(huì)失去塑性，變成脆性或者構(gòu)件材料塑性較低，殘余應(yīng)力將會(huì)影響構(gòu)件的靜力強(qiáng)度。因?yàn)闃?gòu)件無足夠的塑性變形產(chǎn)生，在加載過程中，應(yīng)力峰值不斷增加，直至達(dá)到材料強(qiáng)度極限后發(fā)生破壞。因而殘余應(yīng)力對(duì)其有影響。

由于焊接應(yīng)力將會(huì)直接影響到焊接結(jié)構(gòu)焊后的承載能力或抵抗破壞的能力，為了防止與減小焊接殘余應(yīng)力，可從設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面著手。正確的設(shè)計(jì)方案是控制應(yīng)力的根本措施，如減少焊縫的數(shù)量及尺寸、避免焊縫過分集中、采用剛性較小的接頭形式或避免應(yīng)力集中等方法。但是僅依靠正確的設(shè)計(jì)并不能完全控制殘余應(yīng)力，還須利用正確的工藝方法與其相結(jié)合，才能有效地將焊接應(yīng)力的影響控制到較低的程度。

（1）選擇合理的焊接順序合理安排焊接順序的原則有：

①焊接時(shí)，應(yīng)盡可能考慮焊縫能自由收縮。如拼板合理的焊接順序，見《焊板的焊接順序》所示，圖中的數(shù)字1～10所指表示焊接順序，即先焊相互錯(cuò)開的短焊縫，后焊直通長焊縫。

②收縮最最大的焊縫應(yīng)先焊。由于先焊的焊縫收縮時(shí)受阻較小，因此焊后應(yīng)力較小，而收縮量大的焊縫容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力；故焊件上收縮量最大的焊縫先焊就可以減小焊接應(yīng)力。

③焊接平面交叉焊縫時(shí)，焊縫的交叉點(diǎn)處易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。

（2）降低焊縫的拘束度 采取在結(jié)構(gòu)上事先留出保證焊縫自由收縮的余量及開緩和槽以減小應(yīng)力的措施可降低焊縫的拘束度。

（3）預(yù)熱法 預(yù)熱法指在焊前對(duì)焊件局部或整體加熱的工藝措施。預(yù)熱溫度根據(jù)金屬材料、結(jié)構(gòu)剛性、散熱情況的不同而異。其目的是減小焊接區(qū)和結(jié)構(gòu)整體的溫度差，溫差越小，越能使焊縫區(qū)與結(jié)構(gòu)整體盡可能均勻地冷卻，從而減少內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于淬硬傾向較大的材料、脆性材料或剛性較大的焊件，在焊接或焊補(bǔ)時(shí)常用此法。

（4）加熱“減應(yīng)區(qū)”法焊接時(shí)加熱阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位（即“減應(yīng)區(qū)”），使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用，此法稱為加熱“減應(yīng)區(qū)”法。2100433B

焊接殘余應(yīng)力，是焊接工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。涉及焊接的各種工程應(yīng)用中，都十分關(guān)注殘余應(yīng)力的影響。例如，在土木工程領(lǐng)域，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)焊接連接，殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞性能，穩(wěn)定承載力等均有影響。

焊接時(shí)，焊區(qū)局部加熱膨脹，受到離焊縫較遠(yuǎn)部分的 約束不能自由伸長，使焊區(qū)受壓產(chǎn)生塑性變形;在隨 后的冷卻中，焊區(qū)要縮得比其他部分短，又受到離焊 區(qū)較遠(yuǎn)部分的約束不能自由縮短，因而受拉產(chǎn)生殘 余拉應(yīng)力（而其他部分則受到殘余壓應(yīng)力）。在無外 部約束的情況下，焊接殘余應(yīng)力是自相平衡的。

第一章 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與分類

1.1 殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理

1.2 殘作應(yīng)力產(chǎn)生原因

1.2.1 機(jī)械力產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

1.2.2 熱影響產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

1.2.3 化學(xué)作用產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

1.3 殘作應(yīng)力分類

第二章 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與分布

2.1 焊接殘應(yīng)力

2.1.1 構(gòu)件的焊接性

2.1.2 焊接殘余應(yīng)力

2.1.3 焊接殘余應(yīng)力場

2.1.4 焊接殘余應(yīng)力的分類

2.2 焊接溫度場

2.2.1 焊接熱過程的特點(diǎn)

焊接鋼梁概況

焊接過程的關(guān)鍵通常是使構(gòu)件局部加熱熔化，隨后是連續(xù)地冷卻。由于焊接等局部加熱及材料本身受到的約束作用，材料在溫度較高時(shí)發(fā)生了塑性變形或相變，在冷卻后被保留了下來，在構(gòu)件內(nèi)部形成了一個(gè)自相平衡的內(nèi)應(yīng)力場，即殘余應(yīng)力場。殘余應(yīng)力的峰值往往達(dá)到甚至超過母料的屈服強(qiáng)度，當(dāng)這些焊接構(gòu)件投入工程使用中時(shí)，它們所受荷載引起的工作應(yīng)力與其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力相互疊加，將導(dǎo)致焊接構(gòu)件產(chǎn)生二次變形和焊應(yīng)力重分布，從而降低焊接構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性。工程應(yīng)用中也不乏這種將型鋼直接焊接成鋼梁或鋼架的構(gòu)件。

焊接鋼梁殘余應(yīng)力

焊接過程是一個(gè)不均勻的加熱過程。在施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻分布溫度場，不均勻的溫度場會(huì)產(chǎn)生不均勻的溫度膨脹。溫度較高處的鋼材的膨脹較大，由于兩側(cè)溫度較低，受到膨脹較小的鋼材的限制，產(chǎn)生了熱狀態(tài)塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí)，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮的比原始長度稍短，這種縮短變形受到兩側(cè)鋼材的限制，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是一種無外荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力，因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。此外，由于焊縫縱向收縮，兩塊10號(hào)槽鋼趨向于形成反方向的彎曲變形，但實(shí)際上焊縫將兩塊槽鋼連成整體不能分開，于是在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而在兩端產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。其次焊縫在施焊過程中，由于先后冷卻的時(shí)間不同，先焊的焊縫已經(jīng)凝固，且具有一定的強(qiáng)度，會(huì)阻止后焊焊縫再橫向的自由膨脹，使其發(fā)生橫向的壓縮變形。當(dāng)焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，同時(shí)在先焊部分的焊縫內(nèi)產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。

本書既注重理論基礎(chǔ)，又結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，是研究焊接殘余應(yīng)力問題很有價(jià)值的參考書。

本書適用于相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員、研究人員和大專院校師生。