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焊接残余应力的控制与消除 孙先锋 何志涛 秦力 张铁华 李宇千 税昱 （中建国际建设有限公司，北京 100026） 摘 要:介绍了焊接残余应力产生的原因、分布情况、产生的影响 以及残余应力的控制与消除方法，对不同方法的工作原理、适用范围和消应效果进行简要概述。 关键词:焊接残余应力 应力消除 一、焊接残余应力产生的原因 对构件进行焊接时，在焊件上会产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。 二、焊接残余应力分布 厚度不大的焊接结构中，残余应力基本上是单向的或双向的，厚度方向上残余应力很小。只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向上的应力才达到较高的数值。 （1）纵向（沿焊缝方向）残余应力σx 长板对接焊后横截面上σx的分布，如图2-1所示。低碳钢、低合金结构钢和奥氏体钢焊接结构中，焊缝及其附近的压缩变形区内的σx为拉应力，其数值一般达到焊接材料的屈服点（焊件尺寸过小的除外）。图2-1 长板对接焊后横截面上的纵向应力σs的分布 （2）横向（垂直焊缝方向）残余应力σy σy由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩与横向收缩的不同时所引起的应力合成。平板对接时，焊缝中心截面上的σy在两端为压应力，中间为拉应力。σy的数值与板的长度尺寸有关，如图2-2所示。图2-2 不同长度平板对接时σy的分布 （3）厚板中的残余应力 厚板焊接接头中，除纵向和横向残余应力外，还存在较大的厚度方向残余应力σx 。 厚度为80mm的低碳钢厚板V型坡口多层多道焊焊缝残余应力的分布如图2-3所示。σx在焊缝根部大大超过屈服点。这是由于每焊一道焊缝，产生一次角变形，在根部多次拉伸塑性变形的累积造成应变硬化，使应力不断上升所致。严重时，甚至会导致焊缝根部开裂。 图2-3 厚板多层多道焊沿厚度上的残余应力分布 a) σz在厚度上的分布 b) σx在厚度上的分布 c) σy在厚度上的分布 三、焊接残余应力对结构性能的影响 焊接残余应力对结构的影响是不利的，主要表现在以下几个方面 （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σs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的压应力叠加之和达到屈服点σs，这一部分截面就丧失进一步承受外载的能力。这就削弱了构件的有效截面面积，并改变了有效截面面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。 （3）对静载强度的影响 没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载强度。如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力和外载应力叠加有可能是局部的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。 （4）对疲劳强度的影响 残余应力的存在使便合在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。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。 （5）对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响 机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的残余应力也被释放。残余应力原来的平衡状态被破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。 （6）对应力腐蚀开裂的影响 应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀工作作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。 四、焊接残余应力的控制与消除方法 鉴于焊接残余应力的不利影响，必须采取措施控制其产生和进行部分消除，常用的焊接残余焊接应力控制方法有以下几种。 利用焊接顺序和方向控制焊接残余应力 利用焊接顺序控制残余应力在焊接中应用较为广泛。焊接顺序的确定一般遵循以下原则：先焊变形收缩大的焊缝，后焊变形收缩小的焊缝；先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝；先焊在工作时受力较大焊缝，后焊工作时受力较小的焊缝；对称施焊。 利用降低结构局部刚度控制焊接残余应力 构件刚度大，对焊接变形的约束大，焊后残余应力则越大。因此在