焊接殘餘應力

焊接殘餘應力，是焊接工程研究領域的重點問題。涉及焊接的各種工程應用中，都十分關注殘餘應力的影響。例如，在土木工程領域，對於鋼結構焊接連接，殘餘應力對結構的疲勞性能，穩定承載力等均有影響。

焊接時，焊區局部加熱膨脹，受到離焊縫較遠部分的 約束不能自由伸長，使焊區受壓產生塑性變形;在隨 後的冷卻中，焊區要縮得比其他部分短，又受到離焊 區較遠部分的約束不能自由縮短，因而受拉產生殘 餘拉應力（而其他部分則受到殘餘壓應力）。在無外 部約束的情況下，焊接殘餘應力是自相平衡的。

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，造成結構的有效截面積減小，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。 ^[2] 

由於焊接應力將會直接影響到焊接結構焊後的承載能力或抵抗破壞的能力，為了防止與減小焊接殘餘應力，可從設計和工藝兩個方面着手。正確的設計方案是控制應力的根本措施，如減少焊縫的數量及尺寸、避免焊縫過分集中、採用剛性較小的接頭形式或避免應力集中等方法。但是僅依靠正確的設計並不能完全控制殘餘應力，還須利用正確的工藝方法與其相結合，才能有效地將焊接應力的影響控制到較低的程度。

（1）選擇合理的焊接順序合理安排焊接順序的原則有：

①焊接時，應儘可能考慮焊縫能自由收縮。如拼板合理的焊接順序，見《焊板的焊接順序》所示，圖中的數字1～10所指表示焊接順序，即先焊相互錯開的短焊縫，後焊直通長焊縫。

②收縮最最大的焊縫應先焊。由於先焊的焊縫收縮時受阻較小，因此焊後應力較小，而收縮量大的焊縫容易產生較大的焊接殘餘應力；故焊件上收縮量最大的焊縫先焊就可以減小焊接應力。 ^[3] 

③焊接平面交叉焊縫時，焊縫的交叉點處易產生較大的焊接應力。

（2）降低焊縫的拘束度 採取在結構上事先留出保證焊縫自由收縮的餘量及開緩和槽以減小應力的措施可降低焊縫的拘束度。

（3）預熱法 預熱法指在焊前對焊件局部或整體加熱的工藝措施。預熱温度根據金屬材料、結構剛性、散熱情況的不同而異。其目的是減小焊接區和結構整體的温度差，温差越小，越能使焊縫區與結構整體儘可能均勻地冷卻，從而減少內應力。對於淬硬傾向較大的材料、脆性材料或剛性較大的焊件，在焊接或焊補時常用此法。

（4）加熱“減應區”法焊接時加熱阻礙焊接區自由伸縮的部位（即“減應區”），使之與焊接區同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應力的作用，此法稱為加熱“減應區”法。