浅析焊接应力的危害与常见消除办法

和一平

摘要：物体受到外力作用时和加热引起物体内部之间相互作用的力，称内力。单位截面积上的内力称为应力。熔化焊必然会带来焊接残余应力，焊接残余应力在钢结构中一般都是有害的。通常当人们考虑结构性能时，常假定所用材料和构件是均质的和各向同性的，并认为构件中不存在原始应力。然而，实际焊接构件并非如此，其中最为明显的是在焊接构件中存有较强的残余应力场，它直接影响到焊件的静载强度、动载强度、断裂韧性、疲劳强度、尺寸稳定性和抗腐蚀开裂等性能。

关键词：焊接应力；危害；应力消除

一、焊接应力的危害及消除应力的必要性

（一）焊接残余应力的危害

熔化焊必然会带来焊接残余应力，焊接残余应力在钢结构中一般都是有害的。根据钢结构在工程中的受力情况、使用的材料、不同的结构设计等，正确选择焊接工艺，将不利的因素变为有力的因素，尽量减少焊接应力对钢结构件的不利影响。

通常当人们考虑结构性能时，常假定所用材料和构件是均质的和各向同性的，并认为构件中不存在原始应力。然而，实际焊接构件并非如此，其中最为明显的是在焊接构件中存有较强的残余应力场，它直接影响到焊件的静载强度、动载强度、断裂韧性、疲劳强度、尺寸稳定性和抗腐蚀开裂等性能。下文将分别讨论焊接残余应力对这些性能的影响。

（二）消除应力的必要性

1.残余应力对焊接构件静载强度的影响。现以低碳钢对接接头为例来讨论残余应力对静载强度的影响。试板中的原始纵向残余应力分布如图1.4曲线1所示，焊接区为残余拉伸应力，其值高达材料的屈服极限，两侧为残余压应力。当试板在外载荷作用下承受均匀拉应力σ时，残余应力和施加应力叠加，使试板中的应力分布发生变化。由于焊接区的残余拉伸应力已达到材料的屈服极限，故在加载时，只产生塑性变形，应力不再增加，此时施加载荷完全由未达到屈服的弹性区承担。随着施加载荷增加，试板中的应力分布由曲线1变为曲线2，继而变为曲线3，使其应力分布逐渐均匀化，直至整个横截面上的应力全部达到σs时为止，此时，外力的大小可用图中所示的 abcdefghia 面积来表示（因为外力 P=σ·B·t， P/t=σ·B），并假定以此值定为静载强度载荷。如果对无残余应力同样尺寸的试板施加拉力，使整个横截面也达到σs，则此时所需要施加的外力值可用矩形面积 aghia 来表示。不难发现，面积abcdefghia=面积aghia-面积 cdec+面积abca+面积efge。根据内力平衡原理（残余拉力等于残余压力）得知，面积cdec=面积abca+面积efge，故面积abcdefghia=面积aghia。由此可见，只要材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响其静载强度。

然而，对于由塑性较低的金属材料焊制成的焊件，由于在受力过程中，无足够的塑性变形产生，所以在加载过程中应力峰值不断增加，直至达到材料的强度极限后发生破坏。由此可见，对于由低塑性材料焊制的构件或有严重应力集中（应力集中处往往存在三向拉伸应力，不易发生塑性变形）的焊件，残余应力对其静载强度有不利的影响。

2.残余应力对机加工精度构件尺寸稳定性的影响。对尺寸精度要求高的焊接结构，焊后一般都采用切削加工来保证构件的技术条件和装配精度。然而这样导致截面积相应减少，同时也释放了部分残余应力，使得构件中原有残余应力的平衡得到破坏，引起构件变形。故在切削加工前应对焊件先进行消除应力退火，在进行切削加工，也可以采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残余应力和变形。

3.焊接残余应力对压杆稳定性的影响。翼板中部产生拉应力，两端产生压应力；而腹板中部产生压应力，上下两端产生拉应力。当该截面承受压力达到临界状态时，外加荷载产生的压应力与翼缘板两端的残余应力同号，叠加后翼缘板两端达到屈服点首先屈服，出现部分塑性区；而荷载产生的压应力和翼缘板中部的残余应力异号，叠加后这部分翼缘板保持弹性。因此，该轴心受压构件达到临界状态，使构件截面内出现了部分塑性区和部分弹性区。由材料力学可知，翼缘板两端为塑性区，弹性模量为零，抗弯刚度也为零；翼缘板中部为弹性区，弹性模量大于零，抗弯刚度也大于零。由于只有截面的弹性区才能有效承载，轴心压杆在残余应力作用下，稳定能下降。

4.焊接残余应力对疲劳强度的影响。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，不改變其幅值。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，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余应力的影响也就越显著，因此，提高疲劳强度，不仅应从调节和消除残余应力着手，而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响[7]。

5.焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响。采用熔化焊焊接的构件，焊接残余应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀介质中，尽管拉应力不一定很高都会产生应力腐蚀开裂。其中残余拉应力大小对应力腐蚀速度有很大的影响，当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加后的拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向就高，发生应力腐蚀开裂的时间就越短。所以要选择抗介质腐蚀性能好的材料，对钢结构的焊缝及其周围处进行锤击，使焊缝延展开，消除焊接残余应力，焊前进行消除应力退火等。

二、焊接应力的消除办法

（一）从设计上考虑控制焊接应力的方法

控制焊接残余应力可以从焊接结构的设计上考虑，在保证结构有足够的强度条件下，合理的布置焊缝的位置，尽量减少焊缝的数量和尺寸。

（二）降低局部刚性法

结构刚性增加时，焊接应力随之加大，降低局部刚性有利于减少应力。焊接封闭焊缝或刚性较大的焊缝，焊接时可以采取反变形法降低结构的局部刚性，也可根据情况在焊缝附近开缓和槽，降低焊接部位的局部刚性，尽量使焊缝有自由收缩的可能，以便能有效地减少焊接应力。

（三）预热和缓冷方法

焊件本体上温差越大，焊接应力也越大。焊前对焊件进行预热能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减少焊接应力。在焊修前将工件放在炉内加热到一定温度（100～600℃），并在焊接过程中防止加热后的工件急剧冷却，这样降低焊修部分温度与基体金属温度的差值，使膨胀数值接近，从而减少内应力。若焊件整体预热有困难，可采用局部预热，即在焊缝及其两侧不少于80mm处进行加热，因为加热太窄会造成新的温差应力。预热时温升不要太快，要均匀，并要求整条焊缝各部位温度应基本一致。缓冷时将焊接后的工件加热到600℃，放在退火炉内，让它慢慢地冷却下来。

参考文献：

[1]王国凡，张元彬，罗辉等.钢结构焊接制造[M].北京：化学工业出版社，2004（3）.1-21.

[2]朱一平，叶献国. 焊接残余应力对钢构件受力性能的影响[J]. 安徽建筑，2006（4）endprint