淺析焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及影響

趙劍　卞冰

摘 要：焊接是一個(gè)復(fù)雜的、包含電弧物理、傳熱、冶金以及力學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)工藝過(guò)程，對(duì)工程質(zhì)量的好壞以及工程結(jié)構(gòu)的安全有著直接的影響。在進(jìn)行焊接的過(guò)程中以及焊接完成之后，由于一些高度集中的瞬時(shí)熱輸入，焊接會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力和變形。焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力對(duì)焊接的結(jié)構(gòu)的使用性能會(huì)產(chǎn)生極大的影響，所以，我們要對(duì)焊接的殘余應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力；成因；對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.009

0 引言

焊接應(yīng)力即是在焊接結(jié)構(gòu)時(shí)由于焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，它可以依據(jù)產(chǎn)生作用的時(shí)間被分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。所謂焊接瞬時(shí)應(yīng)力是指在焊接的過(guò)程中某一個(gè)焊接瞬時(shí)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，它是會(huì)跟著時(shí)間的變化而發(fā)生變化的，而在焊接之后，某一個(gè)受到焊接的焊件內(nèi)還殘留的焊接應(yīng)力被稱為焊接殘余應(yīng)力。

1 產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的原因

之所以會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，主要是由于焊件在焊接的過(guò)程中所受到的加熱是不均勻的。按照焊接殘余應(yīng)力的發(fā)生來(lái)源，可將焊接殘余應(yīng)力分為直接應(yīng)力、間接應(yīng)力和組織應(yīng)力三種。

（1）直接的焊接應(yīng)力是焊接殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的最主要的原因，它是受到不均勻的加熱和冷卻之后所產(chǎn)生的，根據(jù)加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度而發(fā)生變化。

（2）間接的焊接應(yīng)力則是焊件由于焊前的加工狀況造成的應(yīng)力。焊件在受到軋制和拉拔時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。間接的殘余應(yīng)力如果在某一種場(chǎng)合下疊加到焊接的殘余應(yīng)力上去，焊件受到焊接發(fā)生變形，也會(huì)將其影響附加到焊接殘余應(yīng)力上去。而且，焊件一旦受到外來(lái)的某一種約束，產(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力，也屬于間接應(yīng)力的范疇。

（3）組織應(yīng)力也就是由相變?cè)斐傻谋热葑兓a(chǎn)生的應(yīng)力，它的產(chǎn)生是由于焊件的組織發(fā)生了變化。雖說(shuō)組織應(yīng)力會(huì)由于含碳量和材料其他成分的不同而產(chǎn)生差異，但我們一般都會(huì)將其所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析研究。

2 焊接殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生哪些影響

焊接是一個(gè)局部的受熱不均勻、冷卻不均勻的過(guò)程，加之受焊縫和靠近焊縫的溫度場(chǎng)的影響，焊件的內(nèi)部會(huì)有大小不同、分布不均勻的殘余應(yīng)力—應(yīng)變場(chǎng)。如果焊件焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力以及焊件的載荷的工作應(yīng)力發(fā)生疊加現(xiàn)象，焊件就會(huì)遭受二次變形、殘余應(yīng)力也會(huì)重新進(jìn)行分布，這會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸的穩(wěn)定性變差；受溫度和介質(zhì)的共同作用的影響，焊接結(jié)構(gòu)和接頭會(huì)產(chǎn)生較大的疲勞，容易斷裂、受應(yīng)力腐蝕會(huì)裂開(kāi)、在高溫下會(huì)蠕變開(kāi)裂。隨著新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的大工業(yè)生產(chǎn)也發(fā)生了新的變化，對(duì)于焊接技術(shù)有了新的要求，焊接技術(shù)有了質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)性高還要可靠性高的三高要求。而焊接殘余應(yīng)力與變形又是對(duì)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性有直接影響的，所以我們也要對(duì)焊接殘余應(yīng)力加強(qiáng)注意。

2.1 對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的剛度產(chǎn)生影響

當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)的外載產(chǎn)生的應(yīng)力σ與某個(gè)區(qū)域的殘余應(yīng)力相互疊加，且疊加的程度到達(dá)屈服點(diǎn)fy時(shí)，該區(qū)域的材料便會(huì)因?yàn)槭軌哼^(guò)大而造成局部的塑性變形，對(duì)外界的承受能力喪失，焊接結(jié)構(gòu)的有效的截面積變小，結(jié)構(gòu)的剛度也變小。在對(duì)一些焊接結(jié)構(gòu)的焊縫進(jìn)行火焰校正時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的焊縫有橫向和縱向的，產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力就會(huì)有相對(duì)來(lái)說(shuō)較大的截面拉伸應(yīng)力，這會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的剛度而不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。如果火焰校正的火焰過(guò)大，焊接梁的加載剛度和卸載回彈會(huì)變?nèi)?，這對(duì)于某些尺寸精確度和穩(wěn)定性有較高要求的結(jié)構(gòu)影響是極大的。

2.2 對(duì)結(jié)構(gòu)的受壓桿件的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響

當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)的外載產(chǎn)生的應(yīng)力σ與某個(gè)區(qū)域的殘余應(yīng)力相互疊加，且疊加的程度到達(dá)屈服點(diǎn)fy時(shí)，不但結(jié)構(gòu)的截面承受外界壓力的能力喪失，結(jié)構(gòu)桿件的穩(wěn)定性也會(huì)受到影響。殘余應(yīng)力是構(gòu)件受外界的壓力、外界的溫度等因素的影響而產(chǎn)生的不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，構(gòu)件局部受損變形，甚至?xí)姓麄€(gè)構(gòu)件變形的可能。構(gòu)件的穩(wěn)定性和殘余應(yīng)力有著這樣的關(guān)系：構(gòu)件的使用會(huì)使殘余應(yīng)力松弛，構(gòu)件穩(wěn)定性降低。這種影響主要有構(gòu)件抗靜、動(dòng)載荷的變形和載荷卸載后變形恢復(fù)能力兩個(gè)方面，我們必須要想辦法來(lái)消除殘余應(yīng)力對(duì)這兩個(gè)方面的不良影響。

2.3 對(duì)靜載強(qiáng)度產(chǎn)生的影響

如果焊接的材料不是脆性的，受到焊接時(shí)會(huì)發(fā)生塑性和變形，構(gòu)件的應(yīng)力還可能是均勻的。但是對(duì)于脆性材料來(lái)說(shuō)，它們是不能塑性變形的，受到外力影響后，構(gòu)建的應(yīng)力是不均勻的，應(yīng)力的峰值隨著外力的加大而不斷增多，達(dá)到材料的屈服值得極限后，構(gòu)件局部被破壞，整個(gè)構(gòu)件會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。對(duì)于一些脆性材料來(lái)說(shuō)，殘余應(yīng)力會(huì)使它的承載能力變低，甚至?xí)l(fā)生斷裂。而塑性材料在低溫狀態(tài)下受到殘余應(yīng)力之后，它會(huì)將殘余應(yīng)力進(jìn)行三向拉伸來(lái)緩解壓力，阻止塑性材料發(fā)生變形，構(gòu)件的承載能力也會(huì)變低。只要焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和焊道有較強(qiáng)的塑性變形能力，那么殘余應(yīng)力就不會(huì)讓它的靜力強(qiáng)度變低。由于有些殘余應(yīng)力的構(gòu)件在受到較大的軸心拉力作用，外荷載引起的拉應(yīng)力會(huì)疊加在截面上的參與壓力之上，因此總的應(yīng)力值會(huì)越來(lái)越大，直到達(dá)到屈服極限值fy，有殘余應(yīng)力的截面到達(dá)塑性區(qū)，截面的彈性區(qū)承受增大的外荷載應(yīng)力，慢慢地彈性區(qū)變小、塑性區(qū)變大，應(yīng)力重新分布，整個(gè)截面上的應(yīng)力值到達(dá)材料的屈服極限fy。截面上的殘余應(yīng)力會(huì)進(jìn)行均衡的分布，對(duì)構(gòu)件的靜力強(qiáng)度沒(méi)有影響。但是塑性材料在失去塑性變成脆性構(gòu)件時(shí)，殘余應(yīng)力又會(huì)對(duì)靜力強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

2.4 對(duì)焊件疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生影響

鋼材的疲勞是指鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作下裂縫生成、擴(kuò)展以致斷裂破壞的現(xiàn)象。殘余應(yīng)力與荷載的應(yīng)力相互疊加，應(yīng)力幅值會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，焊件的結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度也會(huì)受其影響。殘余拉應(yīng)力與疲勞強(qiáng)度成反比，即殘余拉應(yīng)力較小，疲勞強(qiáng)度就變強(qiáng)。所以，我們要從焊件的工藝和設(shè)計(jì)上來(lái)想辦法降低應(yīng)力集中系數(shù)，使得焊件的抗疲勞強(qiáng)度變得更強(qiáng)。

3 總結(jié)

總而言之，經(jīng)過(guò)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的研究我們可以發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力對(duì)于焊件的剛度、焊件的受壓桿件穩(wěn)定性、靜載強(qiáng)度、焊件的疲勞強(qiáng)度都產(chǎn)生影響。為了提高工程的質(zhì)量，我們必須要采取相應(yīng)的措施來(lái)將殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響降到最低，避免焊件發(fā)生變形或者斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高焊接質(zhì)量和焊接水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳文汨，張利，金立業(yè)，何少平.焊接殘余應(yīng)力的分布和焊后熱處理的應(yīng)力松弛作用[J].金屬熱處理，2002（02）：30-32.

[2]葛明蘭，魯家晟.焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響[J].福建建筑，2010（07）：50-52.