焊接殘余應(yīng)力分析方法概述

曹洪波

（山東新華醫(yī)藥化工設(shè)計有限公司 山東淄博）

一、引言

焊接作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要工藝，它直接關(guān)系到工程質(zhì)量的好壞，結(jié)構(gòu)的安全。它是一種運用（多數(shù)情況下為局部）加熱或加壓條件、添加或不添加填充材料將構(gòu)件不可拆卸地連接在一起或在基材表面堆敷覆蓋層的加工工藝（根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 1910[341]給出的定義）。由于高度集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力（焊接殘余應(yīng)力）和變形（焊接變形、焊接收縮、焊接翹曲）。焊接殘余應(yīng)力和焊接變形不但可能引起熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等工藝缺陷，使焊縫特別是定位焊縫部分或完全斷裂，而且在一定條件下將嚴重影響焊件的強度、剛度、受壓時的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等等。

焊接殘余應(yīng)力和變形的分布和大小取決于:材料的線膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服點、焊件的形狀、尺寸和焊接溫度場。而焊接溫度場又與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度以及焊接工藝參量和條件密切相關(guān)。由于焊接過程的溫度變化范圍大，上述材料的各種系數(shù)有很大的起伏，特別是牽涉到材料的相變時，可能引起焊接應(yīng)力的反復(fù)。這些情況使焊接應(yīng)力和變形問題十分復(fù)雜，因此在實踐中往往采用理論和數(shù)值分析與試驗相結(jié)合的方法來掌握焊接應(yīng)力與變形的規(guī)律和影響因素，最終達到預(yù)測、控制和調(diào)整它們的目的。

二、焊接殘余應(yīng)力的概念

焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱之為焊接應(yīng)力，按作用時間可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接過程中，某一瞬時的焊接應(yīng)力稱之為焊接瞬時應(yīng)力，它隨時間而變化;焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力稱之為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力為熱應(yīng)力(主要為冷卻應(yīng)力)，相變應(yīng)力可再疊加其上。在冷焊、擴散焊、滾軋敷層和爆炸敷層等情況下，冷加工作用力是殘余應(yīng)力的源泉，它可單獨作用，也可能附加于上述熱效應(yīng)之上。

在焊接過程中，焊接區(qū)以遠高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區(qū)材料受熱而膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，并造成(彈性)熱應(yīng)力，受熱區(qū)溫度升高后屈服極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限。結(jié)果焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮，冷卻后，比周圍區(qū)域相對縮短、變窄或減小。因此，這個區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力。冷卻過程中的顯微組織轉(zhuǎn)變會引起體積的變化，如果這種情況發(fā)生在較低的溫度，而此時材料的屈服極限足夠高，則會導(dǎo)致焊接區(qū)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域承受拉伸殘余應(yīng)力。

三、影響焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素

焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展是一個隨加熱與冷卻而變化的材料熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)過程。以熔焊方法為例，影響這一過程的主要因素有2個方面。

（1）材料物理特性和力學(xué)性能的影響。熱導(dǎo)率λ、比熱容c、密度ρ或由這幾個參數(shù)聯(lián)合表示的熱擴散率是影響焊接溫度場分布的主要物理參數(shù)。

（2）不同類型焊接熱源的影響。焊接時的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的決定性因素。焊接熱源的種類、熱源能量密度的分布、熱源的移動速度、被焊接件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場分布，因而也改變著焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

四、焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響

由于焊接過程是一個局部的不均勻加熱、冷卻過程，受焊縫及其近縫區(qū)溫度場的影響，焊件內(nèi)部會出現(xiàn)大小不等、分布不均勻的殘余應(yīng)力應(yīng)變場。在焊件服役過程中，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和其所受載荷引起的工作應(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，這不但會降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力，現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)與新技術(shù)的迅猛發(fā)展，對焊接技術(shù)提出了更高的要求即高質(zhì)量、高經(jīng)濟性和高可靠性。焊接殘余應(yīng)力與變形是直接影響構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性的重要因素，它在一定條件下，會對結(jié)構(gòu)的斷裂特性、疲勞強度和形狀尺寸精度等產(chǎn)生十分不利的影響。

（1）對結(jié)構(gòu)剛度的影響。當(dāng)外載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達到屈服點氏時，這一區(qū)域的材料就會產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進一步承受外載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。

（2）對受壓桿件穩(wěn)定性的影響。當(dāng)外載引起的壓應(yīng)力與殘余應(yīng)力中壓應(yīng)力疊加之和達到σs，這部分截面就喪失進一步承受外載的能力，這樣就削弱了桿件的有效截面積，并改變了有效截面積的分布，使穩(wěn)定性有所改變。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定性的影響大小，與殘余應(yīng)力的分布有關(guān)。

（3）對靜載強度的影響。如果材料是脆性材料，由于材料不能進行塑性變形，隨著外力的增加，構(gòu)件中不可能應(yīng)力均勻化。

（4）對疲勞強度的影響。殘余應(yīng)力的存在使變荷載的應(yīng)力循環(huán)發(fā)生偏移，這種偏移只改變其平均值，不改變其幅值。

（5）對焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響。加工把一部分材料從焊件上切除時，此處的應(yīng)力也被釋放。

（6）對應(yīng)力腐蝕裂紋的影響。金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下發(fā)生的延遲開裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕裂紋。

五、展望

解決計算精度與計算時間之間的矛盾，追求高計算精度需要較長的計算時間，后續(xù)研究可以嘗試利用網(wǎng)格自適用技術(shù)來解決此問題。繼續(xù)對焊接殘余應(yīng)力的測量方法進行研究，應(yīng)用實驗方法驗證數(shù)值模擬的正確性。增加數(shù)值模擬的通用性，使之能符合多個算例，并在以后的研究工作中可以進一步研究多個算例，找出規(guī)律，得到最優(yōu)化的工藝參數(shù)。以后的研究中可以嘗試復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計算，得出復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，并進行消除研究。