焊接残余应力

焊接残余应力

焊接过程中，工件内产生的内应力叫焊接应力。根据作用时间的不同可分为瞬时应力和焊接残余应力。焊后残留在工件内的焊接应力叫焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力叫焊接瞬时应力，它随时间的变化而变化。

一、焊接残余应力的分类

焊接残余应力可根据产生原因、作用方向、作用形式及其在结构中的作用方向来分类。

（一）根据焊接残余应力的产生原因分类

根据产生原因焊接残余应力可分为温度应力、组织应力、拘束应力和氢致应力。

1.温度应力

温度应力也称为热应力，它是在焊接过程中，由于焊接热源在工件上的局部加热，使工件受热不均匀，造成温度分布的不均匀、各处变形不一致且相互制约而产生的应力。它主要与工件金属的热物理性质、工件内的温度分布及材料高温时的力学性能有关。焊接过程中温度应力在不断地变化，且峰值一般都达到屈服强度，因此产生了塑性变形，焊接过程结束并冷却后，产生的焊接残余应力保存下来。

2.组织应力

焊接过程中由于焊接热循环的作用引起局部金属组织发生转变，随着金属组织发生变化而出现比体积变化，这种比体积的变化受到阻碍时便产生了应力。这种由于组织转变而引起的内应力叫组织应力。如奥氏体分解为珠光体进而引起比体积的增大，从而引起体积的变化，并且受到周边金属的约束，同时组织的转变也是不均匀的，因此便产生了组织应力。

3.拘束应力

焊接过程往往是在结构自身拘束或外部拘束条件下进行的，它与结构形式、刚度、自重、焊接接头的位置、焊接顺序以及夹持工装卡具的位置及松紧程度等因素有关。这种拘束条件下的焊接，由于受到自身拘束或外部拘束的限制，不能自由变形便产生了拘束应力。

4.氢致应力

在焊接过程中，由于焊接材料或操作技能等因素的影响，焊缝局部会产生显微缺陷，如气孔、夹渣等，扩散氢向显微缺陷处聚集，导致局部氢的压力增大，便产生氢致应力。氢致应力是导致焊接冷裂纹的重要因素之一。

（二）根据焊接残余应力的作用形式分类

根据焊接残余应力的作用形式可分为拉应力、压应力、切应力。焊接过程中，焊缝区及周边一定范围内的金属受热膨胀，但受到离焊接热源更远处的低温金属的拘束，使受热膨胀金属受压应力作用，而周围低温部位的金属受拉应力作用，如图5-3的Ⅰ所示。冷却时焊缝及周边一定范围内的金属收缩，但又受到离焊接热源更远处金属的制约，则产生拉应力，而离焊接热源更远处的金属受到压应力，如图5-3的Ⅱ所示。当焊缝两侧金属受到的拉应力或压应力不同时，焊缝区

则产生了切应力。

（三）根据焊接残余应力对焊缝的作用方向分类

根据焊接残余应力对焊缝的作用方向可分为纵向应力和横向应力。纵向应力是平行于焊缝方向的应力，横向应力是垂直于焊缝方向的应力。

（四）根据焊接残余应力在结构中的作用方向分类

根据焊接残余应力在结构中的作用方向可分为单向应力、双向应力和体积应力。

1.单向应力

在工件中只沿一个方向存在的应力叫单向应力，也称线应力。薄板焊接和圆棒对接时，长而窄的对接焊缝及表面堆焊结构中，如图5-4所示。

2.双向应力

在一个平面内沿着不同方向存在焊接残余应力，即纵向和横向都存在应力叫双向应力，也叫平面应力。如较厚板对接或宽板对接焊、表面堆焊及薄板十字焊接接头的结构，如图5-5所示。

3.体积应力

在工件中沿空间三个方向上作用的应力叫体积应力，也叫三向应力。如厚大工件、表面堆焊、立体交叉焊的结构中，如图5-6所示。

二、焊接残余应力的影响

任何焊接结构件中都不可避免焊接应力的存在，并且直接影响焊接结构的制造质量和安全使用性能。焊接应力也是产生热裂纹和冷裂纹的重要因素之一。下面从六个方面分析焊接应力对工件的影响。

（一）对强度的影响

当结构承载的残余拉应力与工作应力叠加时，总应力提高。如果材料具有足够的塑性，则产生塑性变形，当应力峰值达到屈服强度后，该区应力不再增加而产生塑性变形，从而消耗了材料的一部分塑性。当材料的塑性耗尽时，就会造成塑性破坏。

如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而工件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残

余应力将使静载强度严重降低。在循环应力的作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使工件的疲劳强度降低。工件的疲劳强度除与焊接残余应力的大小有关外，还与工件的应力集中系数、应力循环特征系数r= [σ.1] /[gm] 和循环应力的最大值[amn]有关，其影响随应力集中系数的降低而减弱，随r的降低而加剧（例如对交变疲劳强度的影响大于脉冲疲劳），随[amk] 的增加而减弱。当[am] 接近于屈服强度时，焊接残余应力的影响逐渐消失。

（二）对刚度的影响

焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使工件局部提前屈服产生塑性变形，工件的刚度会因此而降低。

（三）对受压工件稳定性的影响

焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。

（四）对加工精度的影响

工件去除工夹具或焊后进行机械加工去掉一部分材料的同时破坏了原工件中内应力的平衡，使工件产生变形并且影响加工精度。所以焊接残余应力的存在对工件的加工精度有不同程度的影响。工件的刚度越小或加工量越大，对精度的影响也越大。

（五）对尺寸稳定性的影响

有些工件在长期存放过程中因蠕变和应力松弛，焊接残余应力也随时间发生一定的变化，工件的尺寸也随之变化。工件的尺寸稳定性还受残余应力稳定性的影响。

（六）对耐蚀性的影响

焊接残余应力和载荷应力一样，也能导致应力腐蚀开裂。图5-7 所示就是因焊接残余应力导致锅炉炉胆开裂。

当工件接触腐蚀介质时，如低碳钢和低合金钢在硝酸铵溶液、氢氧化钠溶液、氨以及硫化氢等介质中，奥氏体不锈钢在氯化镁溶液、氯化物及氢氧化钠等介质中，拉伸残余应力与以上腐蚀介质的共同作用将产生应力腐蚀裂纹。裂纹细端在拉应力和腐蚀介质的连续作用下不断扩展。当裂纹发展到某一临界点后，结构就会发生低应力脆性断裂。拉伸残余应力越大，产生的应力腐蚀开裂就越快。