焊接殘余應力分析方法概述

曹洪波

（山東新華醫藥化工設計有限公司 山東淄博）

一、引言

焊接作為鋼結構中的重要工藝，它直接關系到工程質量的好壞，結構的安全。它是一種運用（多數情況下為局部）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（根據德國標準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生相當大的殘余應力（焊接殘余應力）和變形（焊接變形、焊接收縮、焊接翹曲）。焊接殘余應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、受壓時的穩定性、加工精度和尺寸穩定性等等。

焊接殘余應力和變形的分布和大小取決于:材料的線膨脹系數、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熱系數、比熱、密度以及焊接工藝參量和條件密切相關。由于焊接過程的溫度變化范圍大，上述材料的各種系數有很大的起伏，特別是牽涉到材料的相變時，可能引起焊接應力的反復。這些情況使焊接應力和變形問題十分復雜，因此在實踐中往往采用理論和數值分析與試驗相結合的方法來掌握焊接應力與變形的規律和影響因素，最終達到預測、控制和調整它們的目的。

二、焊接殘余應力的概念

焊接構件由焊接而產生的內應力稱之為焊接應力，按作用時間可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。焊接過程中，某一瞬時的焊接應力稱之為焊接瞬時應力，它隨時間而變化;焊后殘留在焊件內的焊接應力稱之為焊接殘余應力。焊接殘余應力為熱應力(主要為冷卻應力)，相變應力可再疊加其上。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力的源泉，它可單獨作用，也可能附加于上述熱效應之上。

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

三、影響焊接殘余應力產生的主要因素

焊接應力的產生和發展是一個隨加熱與冷卻而變化的材料熱彈塑性應力應變動態過程。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性能的影響。熱導率λ、比熱容c、密度ρ或由這幾個參數聯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。

（2）不同類型焊接熱源的影響。焊接時的熱輸入是產生焊接應力的決定性因素。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力的分布規律。

四、焊接殘余應力對焊接結構的影響

由于焊接過程是一個局部的不均勻加熱、冷卻過程，受焊縫及其近縫區溫度場的影響，焊件內部會出現大小不等、分布不均勻的殘余應力應變場。在焊件服役過程中，焊接結構的殘余應力和其所受載荷引起的工作應力相互疊加，使其產生二次變形和殘余應力的重新分布，這不但會降低焊接結構的剛性和尺寸穩定性，而且在溫度和介質的共同作用下，還會嚴重影響結構和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力，現代大工業生產與新技術的迅猛發展，對焊接技術提出了更高的要求即高質量、高經濟性和高可靠性。焊接殘余應力與變形是直接影響構件結構性能、安全可靠性的重要因素，它在一定條件下，會對結構的斷裂特性、疲勞強度和形狀尺寸精度等產生十分不利的影響。

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

（2）對受壓桿件穩定性的影響。當外載引起的壓應力與殘余應力中壓應力疊加之和達到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，使穩定性有所改變。殘余應力對受壓桿件穩定性的影響大小，與殘余應力的分布有關。

（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，構件中不可能應力均勻化。

（4）對疲勞強度的影響。殘余應力的存在使變荷載的應力循環發生偏移，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定性的影響。加工把一部分材料從焊件上切除時，此處的應力也被釋放。

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

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，后續研究可以嘗試利用網格自適用技術來解決此問題。繼續對焊接殘余應力的測量方法進行研究，應用實驗方法驗證數值模擬的正確性。增加數值模擬的通用性，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，找出規律，得到最優化的工藝參數。以后的研究中可以嘗試復雜焊接結構的數值模擬計算，得出復雜焊接結構的殘余應力分布規律，并進行消除研究。