淺談焊接殘余應力對結構的影響

【摘 要】殘余應力的存在雖然不會影響結構的靜態承載能力，但仍然會引起一些問題，比如結構會由于焊接初始缺陷，導致在低應力下裂紋擴展而導致脆性破壞。本文選取焊接殘余應力為研究對象，分析殘余應力下構件或結構的剛度、低溫冷脆、疲勞強度，并討論殘余應力給它們帶來的影響。

【關鍵詞】殘余應力；焊接結構；影響

0.引言

焊接殘余應力簡稱焊接應力，它是一種無荷載作用下的內應力。由于焊接的過程是一個不均勻加熱和冷卻的過程，在施焊時，焊件上產生不均勻的溫度場，不均勻的溫度場產生不均勻的膨脹，由此就形成了殘余應力。殘余應力的存在對結構的剛度、受壓構件的承載力、低溫冷脆以及疲勞強度均會有一定的影響。

1.焊接殘余應力的分類及產生的原因

焊接過程是一個對焊件局部加熱繼而逐漸冷卻的過程，焊件由于焊接而產生的內應力我們稱之為焊接應力，對于鋼結構而言，焊接殘余應力和變形是影響結構斷裂強度、疲勞強度和結構穩定性的重要因素。從焊縫的方向，焊接殘余應力可以分為三類：

1.1沿焊縫長度方向的縱向焊接應力

施焊時，焊縫附近溫度最高，在焊縫區以外，溫度則急劇下降。由于不均勻溫度場的影響，溫度高的鋼材膨脹大，但受到周圍溫度較低、膨脹量較小的鋼材所限制，產生了熱塑性壓縮；焊縫冷卻時，被塑性壓縮的焊縫區趨向內收縮，但受到周圍鋼材限制而產生收縮應力，這是垂直于焊縫方向的縱向拉應力就是縱向焊接應力。此時，由于焊件不受約束，焊接產生的應力是自相平衡的應力，即由于在焊縫附近出現收縮拉應力，則必然會在距焊縫稍遠區段內產生壓應力，可以把縱向焊接應力的這種分布規律簡稱為“熱拉冷壓”。

1.2垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力

橫向焊縫產生的原因有兩個：一是由于焊縫縱向收縮，使得被焊接的兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形，但實際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，于是兩塊鋼板的中間會產生橫向拉應力，而兩端則產生壓應力；二是由于先焊的焊縫已經凝固，會阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使其發生橫向塑性壓縮變形。而在焊后收縮時，先冷部分就將受壓，而后冷部分受拉。由于殘余應力自相平衡，所以兩部分的焊接應力疊加形成了橫向焊接應力，這種應力分布要比縱向焊接應力復雜。總結來說就是“先焊壓后焊拉”。

1.3厚度方向上的焊接應力

主要針對一些厚度較大的鋼板有影響，一般大于40mm。由于在厚鋼板的焊縫連接中，焊縫需要多層施焊，在厚度方向就存在先冷和后冷的狀態，這就帶來了在厚度方向的不均勻熱脹冷縮。所以，不僅僅是在縱向和橫向有殘余應力，在厚度方向上也存在著殘余應力。

2.殘余應力對結構性能的影響

結構是保障建筑安全性和可靠性的重要方面，所以結構的工作性能能否正常的發揮就顯得非常重要。殘余應力是構件還未承受荷載而早已存在構件截面上的初應力，在構件受力過程中，與構件所受的其它荷載引起的工作應力相互疊加，不但會降低結構的剛度和穩定性，而且還會嚴重影響結構的疲勞強度、抗脆斷能力等。下面將從這幾個方面闡述焊接殘余應力對結構工作性能的影響：

2.1對結構剛度的影響

構件上的焊接殘余應力的存在會降低結構的剛度。在構件受荷載時，當外荷載產生的應力與構件中某個區域的殘余應力疊加之和達到材料的屈服點時，該區域的材料就會產生局部的塑性變形，該部分的應力不再增加，而在達到屈服點部分的材料，其彈性模量近于0。這樣從構件截面性能來講，構件的剛度減小，構件抵御變形的能力下降。所以當構件受力超過了局部塑性的應力，構建的變形加速，這對于尺寸精確度和穩定性要求較高的結構是不容許忽視的。

2.2對低溫冷脆的影響

焊接殘余應力對低溫冷脆的影響經常是決定性的，必須引起足夠的重視。脆性斷裂一般都是在應力不高于結構的設計應力和沒有明顯塑性變形的情況下發生的，并瞬時擴展到結構整體，事先不易發現和預防，因此往往造成人身傷亡和巨大的財產損失。根據有關資料研究表明由于焊接使得結構存在多種焊接缺陷。

上圖表明焊接的碳鋼試件斷裂強度在不同溫度下的總趨向，以及尖銳缺口和殘余應力對斷裂強度的影響。

當試件沒有尖銳缺口時，斷裂的載荷將相應于試驗溫度下的材料強度極限，如曲線PQR所示。試件有尖銳缺口，但沒有殘余應力時，引起的斷裂的應力用曲線PQ-SUT。當溫度高于斷裂轉變溫度Tf時，在高應力作用下發生高能量斷裂。當溫度低于斷裂轉變溫度Tf時，斷裂應力降低到接近于屈服應力。如果在高殘余拉應力區存在有一個缺口，則可能發生以下各種形式的斷裂：

（1）溫度高于Tf時，斷裂應力等于強度極限（曲線PQR），殘余應力對斷裂應力沒有影響。

（2）溫度低于Tf時，但溫度高于止裂溫度Ta時，裂紋可能在低應力下始發，但被止住。

（3）溫度低于Ta時，根據斷裂始發時應力水平將發生兩種情況之一：

a）如果應力低于臨界應力WV，裂紋將在擴展一段距后被止住。

b）如果應力高于臨界應力WV，將發生完全斷裂。

2.3對疲勞強度的影響

鋼材在循環應力多次反復作用下裂縫生成、擴展以致斷裂破壞的現象稱為鋼材的疲勞。殘余應力的存在使變荷載產生的應力與殘余應力疊加后，應力幅值產生變化，將對結構抗疲勞強度產生影響。在焊縫及其附近的主體金屬殘余拉應力通常達到鋼材屈服點，此部位正是形成和發展疲勞裂紋最為敏感的區域。因此，焊接殘余應力對結構的疲勞強度有明顯的不利影響。結合某研究所曾對起重機箱型梁制作成模擬梁做疲勞強度試驗（用30根分別進行），我們從中了解到了一些小結論：

（1）各梁疲勞破壞時初始裂紋均發生在梁焊接應力最大處。證明焊接結構承受載荷疲勞破壞是在焊接殘余應力最大處發生。

（2）焊接結構若焊縫質量高、無缺陷，則結構承受載荷時，焊接殘余應力對疲勞強度無明顯影響。

（3）焊縫存在缺陷，則初始裂紋會在焊接殘余應力分布最大處，使梁的壽命降低。

3.結語

焊接殘余應力是焊接技術帶來的一個幾乎無法避免的缺陷，對結構的剛度、低溫冷脆、疲勞強度等都有很大的影響。因此，應該加強關于殘余應力對結構影響的研究，以便找出減小殘余應力的措施，提高結構的安全性和可靠性。

【參考文獻】

[1]鋼結構設計原理.鄭大出版社.

[2]機械設計手冊（中冊）（第一卷）（第二卷）.機械工業出版社.

[3]機械工程材料機械工業出版社.