焊接残余应力分析方法概述

曹洪波

（山东新华医药化工设计有限公司 山东淄博）

一、引言

焊接作为钢结构中的重要工艺，它直接关系到工程质量的好坏，结构的安全。它是一种运用（多数情况下为局部）加热或加压条件、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸地连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺（根据德国标准DIN 1910[341]给出的定义）。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力（焊接残余应力）和变形（焊接变形、焊接收缩、焊接翘曲）。焊接残余应力和焊接变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，使焊缝特别是定位焊缝部分或完全断裂，而且在一定条件下将严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等等。

焊接残余应力和变形的分布和大小取决于:材料的线膨胀系数、弹性模量、屈服点、焊件的形状、尺寸和焊接温度场。而焊接温度场又与材料的导热系数、比热、密度以及焊接工艺参量和条件密切相关。由于焊接过程的温度变化范围大，上述材料的各种系数有很大的起伏，特别是牵涉到材料的相变时，可能引起焊接应力的反复。这些情况使焊接应力和变形问题十分复杂，因此在实践中往往采用理论和数值分析与试验相结合的方法来掌握焊接应力与变形的规律和影响因素，最终达到预测、控制和调整它们的目的。

二、焊接残余应力的概念

焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化;焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力为热应力(主要为冷却应力)，相变应力可再叠加其上。在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。

在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成(弹性)热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限。结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后，比周围区域相对缩短、变窄或减小。因此，这个区域就呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。

三、影响焊接残余应力产生的主要因素

焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例，影响这一过程的主要因素有2个方面。

（1）材料物理特性和力学性能的影响。热导率λ、比热容c、密度ρ或由这几个参数联合表示的热扩散率是影响焊接温度场分布的主要物理参数。

（2）不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布，因而也改变着焊接残余应力的分布规律。

四、焊接残余应力对焊接结构的影响

由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却过程，受焊缝及其近缝区温度场的影响，焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力应变场。在焊件服役过程中，焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力，现代大工业生产与新技术的迅猛发展，对焊接技术提出了更高的要求即高质量、高经济性和高可靠性。焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能、安全可靠性的重要因素，它在一定条件下，会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生十分不利的影响。

（1）对结构刚度的影响。当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点氏时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。

（2）对受压杆件稳定性的影响。当外载引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和达到σs，这部分截面就丧失进一步承受外载的能力，这样就削弱了杆件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。残余应力对受压杆件稳定性的影响大小，与残余应力的分布有关。

（3）对静载强度的影响。如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件中不可能应力均匀化。

（4）对疲劳强度的影响。残余应力的存在使变荷载的应力循环发生偏移，这种偏移只改变其平均值，不改变其幅值。

（5）对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响。加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的应力也被释放。

（6）对应力腐蚀裂纹的影响。金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂纹。

五、展望

解决计算精度与计算时间之间的矛盾，追求高计算精度需要较长的计算时间，后续研究可以尝试利用网格自适用技术来解决此问题。继续对焊接残余应力的测量方法进行研究，应用实验方法验证数值模拟的正确性。增加数值模拟的通用性，使之能符合多个算例，并在以后的研究工作中可以进一步研究多个算例，找出规律，得到最优化的工艺参数。以后的研究中可以尝试复杂焊接结构的数值模拟计算，得出复杂焊接结构的残余应力分布规律，并进行消除研究。