和一平

摘要：物體受到外力作用時和加熱引起物體內部之間相互作用的力，稱內力。單位截面積上的內力稱為應力。熔化焊必然會帶來焊接殘余應力，焊接殘余應力在鋼結構中一般都是有害的。通常當人們考慮結構性能時，常假定所用材料和構件是均質的和各向同性的，并認為構件中不存在原始應力。然而，實際焊接構件并非如此，其中最為明顯的是在焊接構件中存有較強的殘余應力場，它直接影響到焊件的靜載強度、動載強度、斷裂韌性、疲勞強度、尺寸穩(wěn)定性和抗腐蝕開裂等性能。

關鍵詞：焊接應力；危害；應力消除

一、焊接應力的危害及消除應力的必要性

（一）焊接殘余應力的危害

熔化焊必然會帶來焊接殘余應力，焊接殘余應力在鋼結構中一般都是有害的。根據鋼結構在工程中的受力情況、使用的材料、不同的結構設計等，正確選擇焊接工藝，將不利的因素變?yōu)橛辛Φ囊蛩?，盡量減少焊接應力對鋼結構件的不利影響。

通常當人們考慮結構性能時，常假定所用材料和構件是均質的和各向同性的，并認為構件中不存在原始應力。然而，實際焊接構件并非如此，其中最為明顯的是在焊接構件中存有較強的殘余應力場，它直接影響到焊件的靜載強度、動載強度、斷裂韌性、疲勞強度、尺寸穩(wěn)定性和抗腐蝕開裂等性能。下文將分別討論焊接殘余應力對這些性能的影響。

（二）消除應力的必要性

1.殘余應力對焊接構件靜載強度的影響。現以低碳鋼對接接頭為例來討論殘余應力對靜載強度的影響。試板中的原始縱向殘余應力分布如圖1.4曲線1所示，焊接區(qū)為殘余拉伸應力，其值高達材料的屈服極限，兩側為殘余壓應力。當試板在外載荷作用下承受均勻拉應力σ時，殘余應力和施加應力疊加，使試板中的應力分布發(fā)生變化。由于焊接區(qū)的殘余拉伸應力已達到材料的屈服極限，故在加載時，只產生塑性變形，應力不再增加，此時施加載荷完全由未達到屈服的彈性區(qū)承擔。隨著施加載荷增加，試板中的應力分布由曲線1變?yōu)榍€2，繼而變?yōu)榍€3，使其應力分布逐漸均勻化，直至整個橫截面上的應力全部達到σs時為止，此時，外力的大小可用圖中所示的 abcdefghia 面積來表示（因為外力 P=σ·B·t， P/t=σ·B），并假定以此值定為靜載強度載荷。如果對無殘余應力同樣尺寸的試板施加拉力，使整個橫截面也達到σs，則此時所需要施加的外力值可用矩形面積 aghia 來表示。不難發(fā)現，面積abcdefghia=面積aghia-面積 cdec+面積abca+面積efge。根據內力平衡原理（殘余拉力等于殘余壓力）得知，面積cdec=面積abca+面積efge，故面積abcdefghia=面積aghia。由此可見，只要材料具有足夠的塑性，焊接殘余應力的存在并不影響其靜載強度。

然而，對于由塑性較低的金屬材料焊制成的焊件，由于在受力過程中，無足夠的塑性變形產生，所以在加載過程中應力峰值不斷增加，直至達到材料的強度極限后發(fā)生破壞。由此可見，對于由低塑性材料焊制的構件或有嚴重應力集中（應力集中處往往存在三向拉伸應力，不易發(fā)生塑性變形）的焊件，殘余應力對其靜載強度有不利的影響。

2.殘余應力對機加工精度構件尺寸穩(wěn)定性的影響。對尺寸精度要求高的焊接結構，焊后一般都采用切削加工來保證構件的技術條件和裝配精度。然而這樣導致截面積相應減少，同時也釋放了部分殘余應力，使得構件中原有殘余應力的平衡得到破壞，引起構件變形。故在切削加工前應對焊件先進行消除應力退火，在進行切削加工，也可以采用多次分步加工的辦法來釋放焊件中的殘余應力和變形。

3.焊接殘余應力對壓桿穩(wěn)定性的影響。翼板中部產生拉應力，兩端產生壓應力；而腹板中部產生壓應力，上下兩端產生拉應力。當該截面承受壓力達到臨界狀態(tài)時，外加荷載產生的壓應力與翼緣板兩端的殘余應力同號，疊加后翼緣板兩端達到屈服點首先屈服，出現部分塑性區(qū)；而荷載產生的壓應力和翼緣板中部的殘余應力異號，疊加后這部分翼緣板保持彈性。因此，該軸心受壓構件達到臨界狀態(tài)，使構件截面內出現了部分塑性區(qū)和部分彈性區(qū)。由材料力學可知，翼緣板兩端為塑性區(qū)，彈性模量為零，抗彎剛度也為零；翼緣板中部為彈性區(qū)，彈性模量大于零，抗彎剛度也大于零。由于只有截面的彈性區(qū)才能有效承載，軸心壓桿在殘余應力作用下，穩(wěn)定能下降。

4.焊接殘余應力對疲勞強度的影響。殘余應力的存在使變荷載的應力循環(huán)發(fā)生偏移，這種偏移只改變其平均值，不改變其幅值。結構的疲勞強度與應力循環(huán)的特征有關。當應力循環(huán)的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應力集中處存在著拉伸殘余應力，疲勞強度就降低。應力集中系數越高，殘余應力的影響也就越顯著，因此，提高疲勞強度，不僅應從調節(jié)和消除殘余應力著手，而且應從工藝和設計上來降低結構的應力集中系數，從而降低殘余應力對疲勞強度的不利影響[7]。

5.焊接殘余應力對應力腐蝕開裂的影響。采用熔化焊焊接的構件，焊接殘余應力是不可避免的。焊件在特定的腐蝕介質中，盡管拉應力不一定很高都會產生應力腐蝕開裂。其中殘余拉應力大小對應力腐蝕速度有很大的影響，當焊接殘余應力與外載荷產生的拉應力疊加后的拉應力值越高，產生應力腐蝕裂紋的傾向就高，發(fā)生應力腐蝕開裂的時間就越短。所以要選擇抗介質腐蝕性能好的材料，對鋼結構的焊縫及其周圍處進行錘擊，使焊縫延展開，消除焊接殘余應力，焊前進行消除應力退火等。

二、焊接應力的消除辦法

（一）從設計上考慮控制焊接應力的方法

控制焊接殘余應力可以從焊接結構的設計上考慮，在保證結構有足夠的強度條件下，合理的布置焊縫的位置，盡量減少焊縫的數量和尺寸。

（二）降低局部剛性法

結構剛性增加時，焊接應力隨之加大，降低局部剛性有利于減少應力。焊接封閉焊縫或剛性較大的焊縫，焊接時可以采取反變形法降低結構的局部剛性，也可根據情況在焊縫附近開緩和槽，降低焊接部位的局部剛性，盡量使焊縫有自由收縮的可能，以便能有效地減少焊接應力。

（三）預熱和緩冷方法

焊件本體上溫差越大，焊接應力也越大。焊前對焊件進行預熱能減小溫差和減慢冷卻速度，兩者均能減少焊接應力。在焊修前將工件放在爐內加熱到一定溫度（100～600℃），并在焊接過程中防止加熱后的工件急劇冷卻，這樣降低焊修部分溫度與基體金屬溫度的差值，使膨脹數值接近，從而減少內應力。若焊件整體預熱有困難，可采用局部預熱，即在焊縫及其兩側不少于80mm處進行加熱，因為加熱太窄會造成新的溫差應力。預熱時溫升不要太快，要均勻，并要求整條焊縫各部位溫度應基本一致。緩冷時將焊接后的工件加熱到600℃，放在退火爐內，讓它慢慢地冷卻下來。

參考文獻：

[1]王國凡，張元彬，羅輝等.鋼結構焊接制造[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004（3）.1-21.

[2]朱一平，葉獻國. 焊接殘余應力對鋼構件受力性能的影響[J]. 安徽建筑，2006（4）endprint