焊接殘余應力對結構性能的影響

金小強

摘要：焊接殘余應力是鋼結構在使用過程中出現各種病變的主要原因之一，文章對焊接殘余在結構的承載力、穩定性、疲勞強度、應力腐蝕開裂、動應力響應、固有頻率、結構剛度等方向的影響進行了較為詳細的綜述，為了解殘余應力對結構性能的影響提供了參考。

關鍵詞：焊接殘余應力;承載能力;結構性能

0引言

隨著國家的日益發展，現我國鋼鐵產量位居世界第一，而在建筑領域中，又因鋼結構具有質量輕、強度高，塑性韌性好、施工周期短，制造簡單等優點，鋼結構已廣泛應用于各類現代建筑。焊接作為鋼結構的主要連接方式之一，由焊接而產生的殘余應力也必然普遍存在與鋼結構中，探清焊接殘余應力對結構性能的影響是安全設計鋼結構的前提。

1焊接殘余應力對極限承載能力的影響

趙智力[1]等采用有限元方法研究了焊后拉伸條件下高強度鋼等匹配和低匹配對接接頭內部應力的變化情況，結果顯示，焊后橫向、縱向拉伸載荷增至臨界失效載荷期間接頭焊接殘余應力均不能完全調勻;因焊接殘余應力的存在，高強度鋼等匹配焊接結構的靜載強度會略有損失，高強度鋼低匹配焊接結構將在低強焊縫的影響下損失更大的靜載強度。徐磊[2]等在耐壓殼極限強度設計公式基礎上，采用數值計算模擬耐壓球殼的焊接過程，得到焊后球殼的焊接殘余應力分布，并將其作為初應力考慮殘余應力對球殼極限強度的影響，結果表明，影響較小約5%，但對于安全系數較小的耐壓殼設計，準確預估焊接對耐壓強度的影響十分必要。

總得來說，只要構件和焊道本身具有較好的塑性變形能力，殘余應力不會降低構件的靜力強度。

2焊接殘余應力對結構穩定性的影響

彭崇梅[3]，數值模擬橋塔與主桁連接處焊接殘余應力，并經一定的簡化，將其作為初應力施加到結構典型焊接細節上，分析其對鋼桁結構穩定承載力的影響，結果表明：初應力同時施加于下橫梁和中桁架上弦桿時，穩定系數下降13%;焊接殘余應力引起桁架結構橋梁穩定承載能力的下降幅度最大可達14%。

高永毅[4]根據非線性振動和高等板殼理論，以具有對接焊接殘余應力的非線性矩形薄板為研究對象，研究焊接殘余應力對非線性構件解的穩定性影響，結果表明，具有焊接殘余應力的非線性矩形簿板周期解的穩定和不穩定區域隨焊接殘余應力大小變化而變化。

3焊接殘余應力對結構疲勞強度的影響

蘇聯學者Kudryavtsev和Trufyakov[5]分別使用一系列含殘余應力水平較高的縱向不承載角焊縫和對接焊縫接頭試件，行交變彎曲常幅疲勞試驗，結果顯示應力釋放工藝在200萬次循環下可提高疲勞強度近150%，從而首次得出高值殘余拉應力的存在會導致焊縫接頭長壽命區疲勞強度大幅降低的結論。

Ohta[6]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，由于在實際焊接結構中常存在有達到母材屈服極限的殘余拉應力，將大幅提高疲勞裂紋擴展速率，而降低結構的疲勞強度。

總的來說，焊接殘余應力對結構疲勞強度的影響如下[7]：①壓縮為主加載下的影響程度大于拉伸為主加載;②常幅加載下的影響程度大于變幅加載;③軸向加載下的影響程度大于彎曲加載;④高周加載下的影響程度大于低周加載;⑤接頭應力集中低時的影響程度大于應力集中高時;⑥殘余及外加應力多軸率高時的影響程度大于多軸率低時;⑦對復雜、厚壁結構的影響程度大于簡單、薄壁結構。

4焊接殘余應力對結構開裂的影響

郭瑞[8]通過有限元利用導入預應力法對核電一回路壁厚為74mm的壓力容器安全端焊接接頭中的殘余應力分布進行模擬，計算分析焊接殘余應力作用對安全端焊接接頭中SCC裂紋尖端主要力學參量的影響。結果表明，裂紋尖端應力、應變以及J積分均與殘余應力的分布規律有很大的關聯性;當裂紋長度小于管壁厚度的三分之一時，裂紋尖端應力應變和斷裂參量隨裂紋長度增加而增大，后趨于平穩;當裂紋長度接近30mm時裂紋尖端法向應力由正變負，裂紋尖端應力應變隨裂紋長度的增大而減小，有可能造成SCC裂紋擴展停滯。

5焊接殘余應力對結構動力性能的影響

劉嘉[9]以銅九線鄱陽湖鐵路鋼桁架橋梁為研究背景，采用雙橢球熱源模型，模擬橋梁焊縫區域的焊接殘余應力分布，并將其與列車過橋時的實測動應力疊加，施于橋梁節點精確有限元模型上，分析不同焊接殘余應力作用下該橋危險點的動應力響應。結果表明：動應力疊加不同百分比的焊接殘余應力下，等效應力曲線變化規律相似，但其值隨殘余應力的增加而增大，其中考慮百分之百的殘余應力等效應力值將增大約十倍。陳章蘭[10]以686TEU集裝箱船為例，通過在大合攏縫橫剖面上施加50MPa和100MPa的名義焊接殘余應力，進行船體結構模態分析。結果表明，焊接熱效應使固有頻率降低，應力處于低水平時，降低幅度在5%以內;而在高應力水平時，降低幅度為7.5%。

6焊接殘余應力對結構剛度的影響

姚茜[11]利用Ansys分析球—管連接節點殘余應力，并將其作為初應力施加在節點軸向加載過程中，最終得出節點的荷載位移曲線，發現：當構件還處于彈性階段時，焊接殘余應力對節點的彈性軸向剛度幾乎無影響。但當構件進入屈服還未破壞時，接殘余應力對其軸向剛度的影響十分明顯。

陳章蘭[10]則是從理論上結合虛功原理推導了受焊接熱效應影響的焊縫單元剛度矩陣，證實了焊接殘余應力對剛度的影響。

結論

焊接殘余應力對結構的承載力、穩定性、疲勞強度、應力腐蝕開裂、動應力響應、固有頻率、結構剛度等均有著較大的負面影響，在設計中不能忽視，在實際工程中應采取恰當的殘余應力控制及消除技術，最大限度地減少殘余應力，提高結構的安全性。

參考文獻：

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[2] 徐磊，黃小平，王芳. 焊接殘余應力對深潛器耐壓球殼承載能力的影響[J]. 船舶力學， 2017， v.21; 21（7）： 864-872.

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[11] 姚茜. 球—管焊接殘余應力分布模式及其對節點性能的影響研究[D]. 重慶： 重慶交通大學， 2018.