【摘 要】殘余應(yīng)力的存在雖然不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的靜態(tài)承載能力，但仍然會(huì)引起一些問(wèn)題，比如結(jié)構(gòu)會(huì)由于焊接初始缺陷，導(dǎo)致在低應(yīng)力下裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致脆性破壞。本文選取焊接殘余應(yīng)力為研究對(duì)象，分析殘余應(yīng)力下構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的剛度、低溫冷脆、疲勞強(qiáng)度，并討論殘余應(yīng)力給它們帶來(lái)的影響。

【關(guān)鍵詞】殘余應(yīng)力；焊接結(jié)構(gòu)；影響

0.引言

焊接殘余應(yīng)力簡(jiǎn)稱焊接應(yīng)力，它是一種無(wú)荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力。由于焊接的過(guò)程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過(guò)程，在施焊時(shí)，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，不均勻的溫度場(chǎng)產(chǎn)生不均勻的膨脹，由此就形成了殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、受壓構(gòu)件的承載力、低溫冷脆以及疲勞強(qiáng)度均會(huì)有一定的影響。

1.焊接殘余應(yīng)力的分類及產(chǎn)生的原因

焊接過(guò)程是一個(gè)對(duì)焊件局部加熱繼而逐漸冷卻的過(guò)程，焊件由于焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力我們稱之為焊接應(yīng)力，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，焊接殘余應(yīng)力和變形是影響結(jié)構(gòu)斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素。從焊縫的方向，焊接殘余應(yīng)力可以分為三類：

1.1沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力

施焊時(shí)，焊縫附近溫度最高，在焊縫區(qū)以外，溫度則急劇下降。由于不均勻溫度場(chǎng)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(chǎn)生了熱塑性壓縮；焊縫冷卻時(shí)，被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向內(nèi)收縮，但受到周圍鋼材限制而產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這是垂直于焊縫方向的縱向拉應(yīng)力就是縱向焊接應(yīng)力。此時(shí)，由于焊件不受約束，焊接產(chǎn)生的應(yīng)力是自相平衡的應(yīng)力，即由于在焊縫附近出現(xiàn)收縮拉應(yīng)力，則必然會(huì)在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力，可以把縱向焊接應(yīng)力的這種分布規(guī)律簡(jiǎn)稱為“熱拉冷壓”。

1.2垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向焊接應(yīng)力

橫向焊縫產(chǎn)生的原因有兩個(gè)：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(shí)際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開(kāi)，于是兩塊鋼板的中間會(huì)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而兩端則產(chǎn)生壓應(yīng)力；二是由于先焊的焊縫已經(jīng)凝固，會(huì)阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹，使其發(fā)生橫向塑性壓縮變形。而在焊后收縮時(shí)，先冷部分就將受壓，而后冷部分受拉。由于殘余應(yīng)力自相平衡，所以兩部分的焊接應(yīng)力疊加形成了橫向焊接應(yīng)力，這種應(yīng)力分布要比縱向焊接應(yīng)力復(fù)雜?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)就是“先焊壓后焊拉”。

1.3厚度方向上的焊接應(yīng)力

主要針對(duì)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(tài)，這就帶來(lái)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(yīng)力，在厚度方向上也存在著殘余應(yīng)力。

2.殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

結(jié)構(gòu)是保障建筑安全性和可靠性的重要方面，所以結(jié)構(gòu)的工作性能能否正常的發(fā)揮就顯得非常重要。殘余應(yīng)力是構(gòu)件還未承受荷載而早已存在構(gòu)件截面上的初應(yīng)力，在構(gòu)件受力過(guò)程中，與構(gòu)件所受的其它荷載引起的工作應(yīng)力相互疊加，不但會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，而且還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力等。下面將從這幾個(gè)方面闡述焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響：

2.1對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響

構(gòu)件上的焊接殘余應(yīng)力的存在會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度。在構(gòu)件受荷載時(shí)，當(dāng)外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與構(gòu)件中某個(gè)區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，該區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部的塑性變形，該部分的應(yīng)力不再增加，而在達(dá)到屈服點(diǎn)部分的材料，其彈性模量近于0。這樣從構(gòu)件截面性能來(lái)講，構(gòu)件的剛度減小，構(gòu)件抵御變形的能力下降。所以當(dāng)構(gòu)件受力超過(guò)了局部塑性的應(yīng)力，構(gòu)建的變形加速，這對(duì)于尺寸精確度和穩(wěn)定性要求較高的結(jié)構(gòu)是不容許忽視的。

2.2對(duì)低溫冷脆的影響

焊接殘余應(yīng)力對(duì)低溫冷脆的影響經(jīng)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(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒(méi)有明顯塑性變形的情況下發(fā)生的，并瞬時(shí)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體，事先不易發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，因此往往造成人身傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)有關(guān)資料研究表明由于焊接使得結(jié)構(gòu)存在多種焊接缺陷。

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

當(dāng)試件沒(méi)有尖銳缺口時(shí)，斷裂的載荷將相應(yīng)于試驗(yàn)溫度下的材料強(qiáng)度極限，如曲線PQR所示。試件有尖銳缺口，但沒(méi)有殘余應(yīng)力時(shí)，引起的斷裂的應(yīng)力用曲線PQ-SUT。當(dāng)溫度高于斷裂轉(zhuǎn)變溫度Tf時(shí)，在高應(yīng)力作用下發(fā)生高能量斷裂。當(dāng)溫度低于斷裂轉(zhuǎn)變溫度Tf時(shí)，斷裂應(yīng)力降低到接近于屈服應(yīng)力。如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)存在有一個(gè)缺口，則可能發(fā)生以下各種形式的斷裂：

（1）溫度高于Tf時(shí)，斷裂應(yīng)力等于強(qiáng)度極限（曲線PQR），殘余應(yīng)力對(duì)斷裂應(yīng)力沒(méi)有影響。

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

（3）溫度低于Ta時(shí)，根據(jù)斷裂始發(fā)時(shí)應(yīng)力水平將發(fā)生兩種情況之一：

a）如果應(yīng)力低于臨界應(yīng)力WV，裂紋將在擴(kuò)展一段距后被止住。

b）如果應(yīng)力高于臨界應(yīng)力WV，將發(fā)生完全斷裂。

2.3對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂縫生成、擴(kuò)展以致斷裂破壞的現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。殘余應(yīng)力的存在使變荷載產(chǎn)生的應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加后，應(yīng)力幅值產(chǎn)生變化，將對(duì)結(jié)構(gòu)抗疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在焊縫及其附近的主體金屬殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材屈服點(diǎn)，此部位正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域。因此，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯的不利影響。結(jié)合某研究所曾對(duì)起重機(jī)箱型梁制作成模擬梁做疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)（用30根分別進(jìn)行），我們從中了解到了一些小結(jié)論：

（1）各梁疲勞破壞時(shí)初始裂紋均發(fā)生在梁焊接應(yīng)力最大處。證明焊接結(jié)構(gòu)承受載荷疲勞破壞是在焊接殘余應(yīng)力最大處發(fā)生。

（2）焊接結(jié)構(gòu)若焊縫質(zhì)量高、無(wú)缺陷，則結(jié)構(gòu)承受載荷時(shí)，焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度無(wú)明顯影響。

（3）焊縫存在缺陷，則初始裂紋會(huì)在焊接殘余應(yīng)力分布最大處，使梁的壽命降低。

3.結(jié)語(yǔ)

焊接殘余應(yīng)力是焊接技術(shù)帶來(lái)的一個(gè)幾乎無(wú)法避免的缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度、低溫冷脆、疲勞強(qiáng)度等都有很大的影響。因此，應(yīng)該加強(qiáng)關(guān)于殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)影響的研究，以便找出減小殘余應(yīng)力的措施，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

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