焊接應力對焊縫金屬性能的影響

王鋒　汪圣鋒

【摘要】綜述了焊接應力的形成條件、影響其分布的主要因素，分析了焊接應力對焊縫金屬性能的影響，對今后改善焊接應力的發展趨勢進行了展望。

【關鍵字】焊接 應力 形成條件 工作性能

【中圖分類號】TU758.11 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04—0458-01

前言

焊接是低合金高強度鋼能否實現其應用價值的最重要的加工手段。我國正處于高速、持續的發展時期，油氣管線、儲備原油球罐、大型公路橋梁、船舶軍艦等大型結構、設備、設施等的建設都需要用到焊接技術。

焊接過程不均勻的加熱和冷卻使得焊縫及其附近金屬產生非均勻的膨脹和收縮，從而產生焊接殘余應力。焊接應力在一定的條件下會導致金屬結構的斷裂、對形狀尺寸精度和疲勞強度產生極為不利的影響。由此對焊接應力的研究是焊接工藝的一個重要方向。本文綜述了焊接應力的形成條件、影響其分布的主要因素，分析了焊接應力對焊縫金屬的影響，對今后改善焊接應力的研究方向進行了展望。

1、焊接應力的產生

焊接構件在焊接過程中產生的內應力稱之為焊接應力，焊接后殘留在焊接構件內的焊接應力稱之為焊接殘余應力。焊接殘余應力的形成，一般包括下列三個方面：

（1）直接應力，是由于不均勻加熱而造成的，是焊接殘余應力形成的主要方面，其取決于焊接構件加熱和冷卻時的溫度梯度而表現出來的熱應力。

（2）間接應力，是焊接前工序帶來的應力，構件在軋制和冷拔后表面會產生拉伸應力，它與焊接產生的應力疊加，并對焊接后的構件的變形產生了附加的影響。

（3）組織應力，是由于組織變化而產生的應力，與材料的含碳量及材料的其他成分有關。

2、影響焊接應力分布的主要因素

焊接應力的產生和發展是在加熱和冷卻的工作條件下隨材料的彈塑性應力應變變化的過程。影響焊接應力分布的主要因素有以下2個方面。

1.材料物理特性

溫度的變化是決定焊接熱應力、應變的重要物理特性，影響焊接溫度場分布的主要因素是材料物理參量如熱焓s、比熱容c以及密度p.

目前國內主要通過計算或測量焊接溫度場來分析焊接應力、應變熱彈塑性動態，陳楚等人對非線性的熱傳導問題進行了二維溫度場有限元分析，并對脈沖TIG焊接以及局部干法水下焊接等溫度場進行了實例分析。

2.相變時的比容變化

金屬比容及性能在加熱及冷卻時隨金屬相變發生變化而變化，不同組織由于晶格類型不一樣，其比容也不一樣。一般情況下，鋼材加熱冷卻不影響焊接殘余應力；但當冷卻速度很快或合金及碳元素增加時，在400℃以下條件奧氏體也能轉變成馬氏體，這種相變會引起比容變化，對焊接殘余應力產生很大的影響。

3、焊接應力對焊縫金屬的影響

3.1 殘余應力對焊縫金屬穩定性的影響

在外載荷作用下，材料實際應力是由荷載應力與殘余應力的疊加組成，殘余應力能使部分材料截面提前屈服而進入塑性狀態。這會導致部分材料截面提前退出工作，材料有效截面減小，慣性矩下降，整體穩定性降低。

3.2 殘余應力對焊縫金屬結構剛度的影響

焊接殘余應力會影響焊接材料的剛度，由于材料是實際應力是由荷載應力與殘余應力的疊加組成，當實際應力到達材料屈服點時會使得材料發生塑性變形，造成結構的有效截面積減小，結構的剛度也因而降低。

3.3 殘余應力對金屬構件變形的影響

殘余應力是一個不穩定的應力狀態。當焊件受外力作用時會與殘余應力相互作用，使構件局部區域呈塑性變形，截面內應力重新分布；當外力去除后，整個構件發生變形。所以，殘余應力顯著地影響構件加工后的精度。殘余應力對構件變形的影響包括兩個方面：一是構件抵抗靜、動載荷的變形的能力，一是載荷卸除后材料變形的恢復能力。殘余應力在這兩方面對構件的影響相當大。

3.4 殘余應力對焊件疲勞強度的影響

鋼材在循環應力多次反復作用下出現的裂縫生成、擴展以致斷裂破壞的現象稱為鋼材的疲勞。殘余應力的存在使動荷載產生的應力與殘余應力疊加后，應力幅值產生了變化，這將對結構抗疲勞的強度產生影響。因此，如應力集中處存在的殘余拉應力較大，疲勞強度就會明顯降低。應力集中系數越高，殘余應力的影響越顯著。因此，焊接殘余應力對結構的疲勞強度有明顯不利影響。

為驗證焊接殘余應力是否影響疲勞強度，Wilson、Newman、Navrotskii等分別對焊態及經應力釋放的各種對接焊縫接頭試件，在脈動拉伸循環載荷下進行了大量常幅疲勞試驗。綜合分析表明：少數情況下應力釋放并未改善疲勞強度，多數情況下盡管疲勞強度有所提高，但提高幅度很小。日本國立材料科學研究所對焊接殘余拉應力、應力比、材料拉伸強度等因素對角焊縫及對接焊縫接頭的疲勞強度影響進行了深入的研究。其中，Ohtam等的試驗研究同樣證實了焊接殘余應力對結構疲勞強度具有重要影響。

3.5 殘余應力對裂紋擴展的影響

焊接構件在使用過程中如果長期承受循環載荷的作用，構件內部就可能產生裂紋，從而導致疲勞破壞.焊接殘余應力作為初始應力附加于普通構件的斷面上時，就會很容易產生裂紋，乃至斷裂。焊接拉伸殘余應力能使構件承受外應力的能力下降到很低的水平。

4、改善焊接應力的方法及趨勢

目前國內減小焊接殘余應力的做法主要是通過焊前處理、調整焊接參數和進行焊后處理。但這些方法都使焊接的工序變多，成本增加，而且在實際生產過程中對殘余應力的消除和降低是十分有限的。因此，在不增加焊接工序，不增加成本的條件下，最好的解決焊接殘余應力，減少焊接應力的方法就是開發更好的低應力焊絲材料。