焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力分析

摘 要 焊接殘余應(yīng)力的存在，會(huì)直接影響到鋼混結(jié)構(gòu)的承載能力。為了保證焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠，準(zhǔn)確地推斷焊接過(guò)程中的力學(xué)行為和殘余應(yīng)力是十分重要的。對(duì)于焊接殘余應(yīng)力，以往多是采用切割、鉆孔等試驗(yàn)測(cè)量方法，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且受到許多條件的限制，結(jié)果數(shù)據(jù)誤差也會(huì)很大。

關(guān)鍵詞 焊接殘余應(yīng)力；有限元；對(duì)接焊縫

一、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(shí)間可分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接過(guò)程中，某一瞬時(shí)的焊接應(yīng)力稱之為焊接瞬時(shí)應(yīng)力，它隨時(shí)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(kuò)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(dú)作用，也可能附加于上述熱效應(yīng)之上。

二、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

焊接過(guò)程是一個(gè)先局部加熱，然后再冷卻的過(guò)程。焊件在焊接時(shí)產(chǎn)生的變形稱為熱變形，焊件冷卻后產(chǎn)生的變形稱為焊接殘余變形，這時(shí)焊件中的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接應(yīng)力包括沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力，垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過(guò)程中不均勻加熱所引起的。焊接應(yīng)力按其發(fā)生源來(lái)區(qū)分，有如下3種情況：

（1）直接應(yīng)力是進(jìn)行不均勻加熱和冷卻的結(jié)果，它取決于加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度，是形成焊接殘余應(yīng)力的主要原因。（2）間接應(yīng)力是由焊前加工狀況所造成的壓力。構(gòu)件若經(jīng)歷過(guò)軋制或拉拔時(shí)，都會(huì)使之具有此類殘余應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力在某種場(chǎng)合下會(huì)疊加到焊接殘余應(yīng)力上去，而在焊后的變形過(guò)程中，往往也具有附加性的影響。另外，焊件受外界約束產(chǎn)生的附加應(yīng)力也屬于此類應(yīng)力。（3）組織應(yīng)力是由組織變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，也就是相變?cè)斐傻谋热葑兓a(chǎn)生的應(yīng)力。它雖然因含碳量和材料其它成分不同而有異，但一般情況下，這種影響必須要加以考慮的是，發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度。

焊后消除應(yīng)力處理：（1）整體熱處理：消除應(yīng)力的程度主要決定于材質(zhì)的成分、組織、加熱溫度和保溫時(shí)間。低碳鋼及部分低合金鋼焊接構(gòu)件在650度，保溫20～40h，可基本消除全部殘余應(yīng)力。另外還有爆炸消除應(yīng)力。（2）局部熱處理：大型焊接結(jié)構(gòu)，受加熱爐的限制或要求不高時(shí)采用這種方法。可采用火焰、紅外、電阻、感應(yīng)等加熱方式，應(yīng)保持均勻加熱并具有一定的加熱寬度。低合金高強(qiáng)鋼，一般在焊縫兩側(cè)各100～200mm。（3）機(jī)械拉伸、水壓試驗(yàn)、溫差拉伸、振動(dòng)法等這幾種方法只能消除20～50%的殘余應(yīng)力，前兩種方法在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用。

焊接后進(jìn)行去應(yīng)力處理，有自然時(shí)效處理（時(shí)間長(zhǎng)，去應(yīng)力不徹底，）、震動(dòng)時(shí)效（效率高，費(fèi)用低，只能去除焊接應(yīng)力的70%左右）人工加熱時(shí)效（ 時(shí)間短費(fèi)用較高，能100%去除焊接應(yīng)力，同時(shí)能進(jìn)行去氫處理）。

三、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響

（1）對(duì)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(dá)到屈服點(diǎn)o。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)的有效截面積減小，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(guò)火焰校正，都可能在相當(dāng)大的截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，雖然在構(gòu)件長(zhǎng)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。

（2）對(duì)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(dá)到o。，這部分截面就喪失進(jìn)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(duì)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(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。

（4）對(duì)疲勞強(qiáng)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。結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時(shí)，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應(yīng)力集中處存在著拉仲殘余應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度就降低。應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力的影響也就越顯著，因此，提高疲勞強(qiáng)度，不僅應(yīng)從調(diào)節(jié)和消除殘余應(yīng)力著手，而且應(yīng)從工藝和設(shè)計(jì)上來(lái)降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)，從而降低殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的不利影響。

（5）對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是殘余拉應(yīng)力和化學(xué)腐蝕共同作下產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，在一定的材料和介質(zhì)的組合下發(fā)生。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需時(shí)間與殘余應(yīng)力大小有關(guān)，殘余拉應(yīng)力越大，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的時(shí)間越短。

四、殘余應(yīng)力研究的意義

焊接殘余應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能，可能引起結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，拉伸殘余應(yīng)力會(huì)降低疲勞強(qiáng)度和腐蝕抗力，壓縮殘余應(yīng)力會(huì)減小穩(wěn)定性極限，焊接殘余應(yīng)力是焊件產(chǎn)生變形和開(kāi)裂等工藝缺陷的主要原因。由于焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定程序麻煩，計(jì)算殘余應(yīng)力又極為復(fù)雜，因此給殘余應(yīng)力的研究帶來(lái)了許多困難，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力研究就顯得尤為重要。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)的地位顯得越來(lái)越重要。焊接是一個(gè)涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程，一旦各種焊接現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬，我們就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)確定各種材料的最佳設(shè)計(jì)、最佳工藝和焊接參數(shù)。焊接工藝過(guò)去一般總是憑經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)一系列的試驗(yàn)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式獲得，通過(guò)數(shù)值模擬則可以大大節(jié)約人力、物力和時(shí)間，尤其是復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)。隨著有限元法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的焊接工作者利用數(shù)值模擬來(lái)研究焊接問(wèn)題，并取得了不少成果。