1、1焊接残余应力对结构性能的影响【摘要】残余应力的存在虽然不会影响结构的静态承载能力，但仍然会引起一些问题，比如结构会因过脆导致折断或是承载过久而断裂等。因此要采取必要的措施进行控制或消除。焊接残余力作为本文的研究对象，分析结构在静态时的强度、疲劳耐力、应力腐蚀性和稳定性，并讨论它们带来的影响。 【关键词】焊接残余应力影响结构措施 中图分类号：P755.1 文献标识码： A 文章编号： 一、前言 在金属结构焊接过程中，温度的选择尤为重要，必须控制在一定的温度范围内，要严格遵守热循环温度的范围在 1500以上。焊接应力较高的部位将达到金属屈服强度而发生塑性变形，因此金属结构在冷却后将有残存于焊件内
2、的应力及焊接残存变形，这些将影响构件的受力和使用，应在焊接、设计时重视。 二、焊接残余应力对焊接结构的影响 1.残余应力对焊接结构脆性断裂的影响 如果局部发生了脆性断裂，它便会在短期内影响到整体结构，它是在应力没有达到原先设计的结构应力数值上以及外形没有发生明显变形时发生的。如果发生了脆性断裂，在很大程度上会威胁到人的生命安全以及财产安全。主要是它的发生是不能提前预料和预防的。现在将举例2分析焊接结构的脆性断裂情况。如右图所示，在不同温度下，所焊接的碳钢试件的断裂情况不同，以及尖锐缺口、残余应力对结构所能承受的断裂强度的影响。 图中 PQR 曲线描述的是材料强度在试验温度下以及没有尖锐缺口的情
3、况下断裂载荷所能达到的最大值。而曲线 PQ-SUT 所呈现的是断裂应力情况，它的前提是曲线有尖锐缺口存在，却没有残余应力。不过要出现多种的断裂情况，需要在高残余拉应力区存在一个缺口。所可能的情况如下： （一）温度Tf 时，从图 PQR 可以看出，此时断裂应力已经达到了强度极限，且残余应力在这个状态下没有对断裂应力造成一定的影响。 （二）温度Tf，却高于止裂温度 Ta 的情况下，在低应力的条件下裂纹有可能会开始出现，但会受到一定的阻碍而停止。 （三）Ta此时的温度时，利用应力在一定数值下达到断裂始发的程度，而促使发生的情况有两种：裂纹将在应力低于临界应力 WV 的状态下，发生一定距离的延伸，而后
4、被及时制止住；若应力达到了临界应力WV，甚至超过了它，就会出现完全断裂的情况。 2. 焊接构件承受拉伸载荷时对残余应力的影响 拉伸载荷在不同数值情况下会对焊接结构造成不同的影响。如果出现的是脆性断裂或者是应力腐蚀型断裂的低应力情况，那么焊接结构的性能会在一定程度上受到残余应力的影响；不过这种残余应力的作用也会因为加载应力数值的增大而减小；如果要对这种影响忽略不计，那么需要外部施加的加载应力高于屈服应力，而残余应力的影响范围会在重3复加载后变的越来越小。 3.残余应力对结构稳定性的影响 举例分析对薄板局部稳定性的影响。薄板稳定性会受到内应力、拉应力及压应力影响。内应力存在于焊后的平板中，离焊缝一
5、定距离区域会出现压应力，这种力会使薄板失去稳定性，且出现波浪变形。而大多数情况下，拉应力存在于焊缝比较近的距离。 公式 cr = K(/B ) 2 是用来求得失稳的临界应力大小。观察式子可以发现，临界应力的大小是与板厚 与板宽 B 的比值成正比的，临界应力会因为它们比值的变小而变小,此时平板就越有可能出现失稳现象从而导致变形。 4.残余应力对疲劳强度的影响 金属结构失效有多种形式存在，疲劳断裂是其中一种，断裂的过程主要有三个阶段构成：首先在应力所集中的范围内，出现了初始疲劳裂纹，其次裂纹以稳定的趋势逐渐扩展开来，最后达到断裂状态。 各种形式的连接状态会产生不同的疲劳断裂情况。其中焊接接头的连接
6、方式，产生疲劳断裂循环次数明显少于其他方式的连接。很大的原因是焊接接头的应力比较集中，数值较高，且接头的缺陷也容易出现。正因为如此，才会使得在整个疲劳过程中，产生疲劳裂纹的过程只占了很小的比例。而裂纹扩展却占了大部分时间。裂纹因为循环载荷的作用而不断向外延伸，达到一定程度后，结构便会进入最终的断裂阶段。 5、焊接残余应力对腐蚀的影响 在拉应力和腐蚀介质共同影响下，往往会产生一种腐蚀破坏现象，4称之为应力腐蚀开裂。理论上纯金属在大多数情况下，是不会产生应力腐蚀开裂的。但根据一定数量应力腐蚀破坏实例，并对其进行统计研究，得到了超低碳不锈钢是产生应力腐蚀开裂的主要钢种。如果拉应力存在，那么便会出现应
7、力腐蚀性开裂。究其原因是拉应力的作用会加速破坏金属表面腐蚀钝化膜。下图是 18-8 和 25-20 型两种铬镍不锈钢的应力与断裂时间的关系图。曲线以上会出现断裂情况。由图可见，应力与发生断裂所需时间成反比，时间会因为应力的变大而缩短，因应力的减小而变大。还有一种情况，在焊接后由于焊接应力达到较大数值，便会将残余应力和工作应力进行叠加，共同力的作用促使近缝区在较短时间产生应力腐蚀。采取措施去应付这类情况发生是很必要的，因为焊接残余应力会在很大程度上影响到焊接结构的使用性能。 三、焊接残余应力的控制及消除 1.焊接残余应力的调节和控制 （一）复杂的多构件连接不要在设计中出现，主要选取小厚度型材；避
8、免焊缝过分集中或多方向焊缝相交于一点；在焊缝的数量和大小上要选取适中；焊缝应布置在焊工便于达到和施焊的位置，并有合适的焊条运转空间和角度，尽量避免仰焊。 （二）优化焊接顺序。如何分散开剩余应力的问题也是值得考虑的，如果不分散，必然会引起应力数值的合成。解决这个问题，可以采用优化焊接顺序的方式。焊缝区的金属横纵向收缩会使焊接残余应力出现，对其造成较大影响的是不同的装配和焊接顺序，因此要着重注意这些方面。 5（三）焊接方法以及工艺参数的合理选择。焊接方法最好选择热量集中方式，焊接电流要在比较小的数值范围内，焊条直径也要偏小（如焊丝） ，这样便会缩小影响焊件的区域，从而减少残余应力。 (四)预热是焊
9、接前很重要的一个步骤，预先将焊件局部或是整体加热到 100300 ，焊后保温一段时间，以减小焊接和冷却过程中温度的不均匀程度，来减小残余应力。预热法常常是刚性较大或脆性材料焊接时选择的方式，这样会阻止焊接裂纹的出现。 （五）锤击处理。焊缝及周围区域采用锤头轻轻敲击或用高速粒子直接冲击工件表面，使焊缝得到延展，会有助于降低拉伸残余应力。 （六）加热“减应区” 。在刚性较大的焊缝部位，选择适当的位置产生与焊接的收缩方向相反的变形。这样便会均匀地缩小部位与焊缝的距离，使残余应力在一定程度上减小。 （七）开减应力槽。有些厚度较大、刚度较大的焊件在焊接时，可在焊缝较近的区域内做出几个减应力槽，当然要让结
10、构强度没有受到影响。这样便能削减焊件的局部刚度，从而减小焊接的残余应力。 2.焊接残余应力的消除 在焊接结束后，消除残余应力是尤为重要的，其最重要的方法是焊后热处理。此外，还可以选择各种适当的方法，如机械拉伸法、温差拉伸法等。 四、结束语 焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷焊接残余应力的存在，其负面影响较大。会在一定程度上影响焊接构件的抗疲劳、脆断、应力6腐蚀破坏及尺寸稳定性。因此当今工程界面临的一项重大问题，便是如何在最大限度下降低或消除焊接残余应力。然而，要能轻而易举的制造出残余应力与变形均低的焊件是很困难的，因为焊接残余应力与焊接变形两者之间有着相反的特性。所以同时兼顾残余应力和焊接变形两者特性的措施还有待于工程师们经多次试验研究来解决。 参考文献 1宋天民. 焊接残余应力的产生与消除M. 北京. 机械工业出版社, 2005 2付荣柏. 焊接变形的控制与校正. 北京. 机械工业出版社, 2007 3王云鹏. 焊接结构生产. 北京. 机械工业出版社, 2005 4田锡唐. 焊接结构. 北京. 机械工业出版社, 1996
