焊接應力

焊接應力

焊接應力 ：welding stress and distortion

焊接應力，是焊接構件由於焊接而產生的應力。焊接過程中焊件中產生的內應力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻温度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。當焊接引起的不均勻温度場尚未消失時，焊件中的這種應力和變形稱為瞬態焊接應力和變形；焊接温度場消失後的應力和變形稱為殘餘焊接應力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內部是平衡的。焊接應力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀，因此是設計和製造中必須考慮的問題。

焊接殘餘應力的主要研究內容包括應力的分佈、影響以及消除和調整的方法。

焊接殘餘應力的分佈 在厚度不大的焊件中，焊接殘餘應力基本上是平面應力，厚度方向的應力很小。在自由狀態下焊接的平板，沿焊縫方向的縱向殘餘應力[6]X在焊縫及其附近一般為拉應力，在遠離焊縫處則為壓應力。對於低碳鋼和強度不高的低合金結構鋼（屈服強度小於 400兆帕），焊縫上的殘餘應力[6]X可達到材料的屈服強度[6]S（圖1 [焊縫中縱向殘餘應力分佈]分佈" class=image>）。垂直於焊縫方向的橫向殘餘應力[6]的分佈與焊接順序和方向有關，後焊的區段一般為拉應力，但平板對接焊時焊縫兩端的[6]經常為壓應力（圖2[焊縫中橫向殘餘應力分]分" class=image>[布]）。厚板焊縫厚度方向的殘餘應力[6]與焊接方法有關。電渣焊縫中[6]為拉應力。多層焊縫則[6]較低。[6]在厚度上的分佈是中心部位最高，逐漸向表面過渡到零。[6]X和[6]在焊縫厚度上的分佈也是不均勻的。電渣焊縫中心部位[6]X和[6]的數值大於表層。 多層焊縫則與此相反，表層應力大於中心部位（圖3 [厚板多層焊縫中殘餘應力在厚度上的分佈]）。在拘束狀態下進行焊接（如封閉焊縫）時，則可能在比自由狀態下大得多的範圍內出現較高的拉應力[6]X和[6]，因而是更為危險的內應力。

由於焊接殘餘應力受多種因素的影響，在實際工作中常常需要通過實驗測定殘餘應力的大小和分佈。

焊接殘餘應力對焊件有 6個方面的影響。①對強度的影響：如果在高殘餘拉應力區中存在嚴重的缺陷，而焊件又在低於脆性轉變温度下工作，則焊接殘餘應力將使靜載強度降低。在循環應力作用下,如果在應力集中處存在着殘餘拉應力,則焊接殘餘拉應力將使焊件的疲勞強度降低。焊件的疲勞強度除與殘餘應力的大小有關外,還與焊件的應力集中係數應力循環特徵係數 [6][min]/[6][max]和循環應力的最大值[6][max]有關其影響隨應力集中係數的降低而減弱,隨[6][min]/[6][max]的降低而加劇（例如對交變疲勞強度的影響大於脈衝疲勞）,隨[6][max]的增加而減弱。當[6][max]接近於屈服強度時，殘餘應力的影響逐漸消失。②對剛度的影響：焊接殘餘應力與外載引起的應力相疊加，可能使焊件局部提前屈服產生塑性變形。焊件的剛度會因此而降低。③對受壓焊件穩定性的影響：焊接杆件受壓時，焊接殘餘應力與外載所引起的應力相疊加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失穩，杆件的整體穩定性將因此而降低。殘餘應力對穩定性的影響取決於杆件的幾何形狀和內應力分佈。殘餘應力對非封閉截面（如工字形截面）杆件的影響比封閉截面（如箱形截面）的影響大。④對加工精度的影響：焊接殘餘應力的存在對焊件的加工精度有不同程度的影響。焊件的剛度越小，加工量越大，對精度的影響也越大。⑤對尺寸穩定性的影響：焊接殘餘應力隨時間發生一定的變化，焊件的尺寸也隨之變化。焊件的尺寸穩定性又受到殘餘應力穩定性的影響。⑥對耐腐蝕性的影響：焊接殘餘應力和載荷應力一樣也能導致應力腐蝕開裂。

為了消除和減小焊接殘餘應力，應採取合理的焊接順序，先焊接收縮量大的焊縫。焊接時適當降低焊件的剛度，並在焊件的適當部位局部加熱，使焊縫能比較自由地收縮，以減小殘餘應力。熱處理(高温回火)是消除焊接殘餘應力的常用方法。整體消除應力的熱處理效果一般比局部熱處理好。焊接殘餘應力也可採用機械拉伸法（預載法）來消除或調整，例如對壓力容器可以採用水壓試驗，也可以在焊縫兩側局部加熱到200℃，造成一個温度場,使焊縫區得到拉伸，以減小殘餘應力。

焊接殘餘應力是構件還未承受荷載而早已存在構件截面上的初應力，在構件服役過程中，和其他所受荷載引起的工作應力相互疊加，使其產生二次變形和殘餘應力的重新分佈，不但會降低結構的剛度和穩定性而且在温度和介質的共同作用下，還會嚴重影響結構的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂和高温蠕變開裂的能力。

當外載產生的應力δ與結構中某區域的殘餘應力疊加之和達到屈服點fy時，這一區:域的材料就會產生局部塑性變形，喪失了進一步承受外載的能力，造成結構的有效截而積減小，結構的剛度也隨之降低。結構上有縱向和橫向焊縫時(例如工字樑上的肋板焊縫)，或經過火焰校正，都可能在較大的截面上產生殘餘拉伸應力，雖然在構件長度上的分佈範圍並不太大，但是它們對剛度仍然能有較大的影響。特別是採用大量火焰校正後的焊接梁，在加載時剛度和卸載時的回彈量可能有較明顯的下降，對於尺寸精確度和穩定性要求較高的結構是不容忽視的。

如果材料是脆性材料，由於材料不能進行塑性變形，隨着外力的增加，構件中不可能應力均勻化。應力峯值將不斷增加，直至達到材料的屈服極限，發生局部破壞，最後導致整個構件斷裂。脆性材料殘餘應力的存在，會使承載能力下降，導致斷裂。對於塑性材料，在低温環境下存在三向拉伸殘餘應力的作用，會阻礙塑性變形的產生，從而也會大大降低構件的承載能力。

對於焊接構件，只要構件和焊道本身具有較好的塑性變形能力(沒有低温、動荷載等使鋼材變脆的不利因素)，殘餘應力不會降低構件的靜力強度。因為有殘餘應力的構件承受逐漸增大的軸心拉力時，外荷載引起的拉應力將疊加截面的殘餘應力。在加載過程中，應力不斷增加，當疊加總應力達到材料的屈服極限fy，構件中存在殘餘拉應力的截而提前進入塑性區，後增長的外荷載僅由截而的彈性區承擔，隨荷載的增大，彈性區減少，塑性區增大，內部應力不斷疊加，應力發生重新分佈，直至整個截面上的應力達到材料的屈服極限時為止。由於截面殘餘應力為自相平衡應力分佈，故靜力荷載相等，即殘餘應力不會降低構件的靜力強度。但是塑性材料在一定條件下會失去塑性，變成脆性或者構件材料塑性較低，殘餘應力將會影響構件的靜力強度。因為構件無足夠的塑性變形產生，在加載過程中，應力峯值不斷增加，直至達到材料強度極限後發生破壞。因而殘餘應力對其有影響。

焊接過程中引起的焊件變形直接影響焊件的性能和使用，因此需要採用不同的焊接工藝來控制和預防焊件的變形，並對產生焊接變形的構件進行矯正。

對所有熔化式焊接，在焊縫及其熱影響區都存在較大的殘餘應力，殘餘應力的存在會導致焊接構件的變形、開裂並降低其承載力；同時，在焊縫的焊趾部位還存在凹坑、餘高、咬邊造成的應力集中；而焊趾出的熔渣缺陷、微裂紋又形成了裂紋的提前萌生源。由於受殘餘拉應力、應力集中和裂紋萌生源的影響，焊接接頭的疲勞壽命大大降低。

殘餘應力都集中在焊縫附近，當焊接殘餘應力與承載的工作應力疊加，其數值超過材料的屈服極限時，工件就會再焊縫附近產生焊接變形，斷裂等現象。研究殘餘應力的影響不僅考慮其數值的大小，而殘餘應力的方向也是重要因素，用盲孔法殘餘應力檢測儀可以對焊接殘餘應力值的大小和方向進行測量。在分析殘餘應力的影響時，即使焊接構件的殘餘應力值遠遠低於其材料的屈服極限，但如果存在嚴重的應力集中，那麼焊接構件在其運輸和使用過程中也會因殘餘應力的釋放而發生永久性的塑性變形。

焊接變形有7種形式（圖4[各種焊接變形]）。①縱向收縮變形：沿焊縫長度方向的收縮。②橫向收縮變形：垂直於焊縫方向的橫向收縮。③角變形：繞焊縫軸線的角位移。④撓曲變形：構件中性軸上下不對稱的收縮引起的彎曲變形。⑤失穩變形：薄壁結構在焊接殘餘壓應力的作用下，局部失穩而產生波浪形；⑥錯邊變形：焊接邊緣在焊接過程中，因膨脹不一致而產生的厚度方向的錯邊。⑦扭曲變形：由於裝配不良、施焊程序不合理而使焊縫的縱向、橫向收縮沒有規律所引起的變形。

焊接變形的大小與焊縫的尺寸、數量和佈置有關。首先從設計上合理地確定焊縫的數量、坡口的形狀和尺寸，並恰當地安排焊縫的位置，對於減少變形十分重要。在工藝上採用高能量密度的焊接方法和小線能量的工藝參量，例如多層焊對減少焊縫的縱、橫向收縮以及由此引起的撓曲和失穩變形是有利的。但多層焊對角變形不利。採用合理的裝配、焊接順序、反變形和剛性固定可以減少焊接變形。

焊接變形常採用機械方法矯正。對於由長而規則的對接焊縫引起的薄板殼結構的變形，用鋼輪輾壓焊縫及其兩側，可獲得良好的矯正效果。利用局部加熱產生壓縮塑性變形使較長的焊件在冷卻後收縮的火焰矯正法，具有機動性強、設備簡單的優點，得到廣泛採用。