焊接残余应力对结构的影响分析

焊接残余应力对结构的影响分析

王春青

中车唐山机车车辆有限公司城轨服务事业部 河北唐山 064000

摘要：在焊接加热过程中，焊缝金属熔化，而熔化区金属温度很高，受热膨胀受到离焊缝较远的冷态金属的拘束，产生不均匀的压应力和压缩应变，当压应力应超过材料的屈服极限时便产生压缩塑性应变。在冷却过程中，己经发生压缩塑性变形的靠近焊缝两侧区域材料要自由收缩，同样受到周围金属的制约，因而受到拉伸将部分抵消加热过程中的压缩变形。同时焊缝金属凝固收缩也受到周围金属的限制，产生拉应力和拉伸变形，冷却阶段的塑性拉伸应变往往不足以抵消加热阶段产生塑性挤压变形，因此焊件中就会有压缩塑性应变保留下来，这样，在焊接接头区域就产生了缩短的不均匀应变，其大小和分布就决定了最终的残余应力和变形。

1.概述

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、疲劳强度、刚度、抗腐蚀开裂等性能。但焊接残余应力在构件中并非总是有害的，其作用应根据具体的情况作分析。下面将分别讨论焊接残余应力对这些性能的影响。

2. 残余应力对结构影响分析

2.1静载强度的影响

对于没有严重应力集中的焊接构件，只要材料具有足够的塑性变形能力，能进行塑性变形，则残余应力的存在并不会影响结构的承载能力，因而对静载强度没有影响。因为有残余应力的构件承受逐渐增大的轴心拉力时,外荷载引起的拉应力将叠加截面的残余应力。在加载过程中,应力不断增加,当叠加总应力达到材料的屈服极限,构件中存在残余拉应力的截面就提前进入塑性区,后增长的外荷载仅由截面的弹性区承担,随荷载的增大,弹性区减少,塑性区增大,内部应力不断叠加,应力发生重新分布,直至整个截面上的应力达到材料的屈服极限为止。由于截面残余应力为自相平衡应力分布,故静力荷载相等, 即残余应力不会降低构件的静力强度。反之，如果材料处于脆性状态，当外载荷增加时，由于材料不能发生塑性变形而使构件上的应力均匀化，因而应力峰值不断增加，一直达到材料的抗拉强度。这将造成局部破坏，从而导致整个构件断裂。也就是说，当材料的塑性变形能力不足时，残余应力的存在将影响构件的承载能力,使静载强度降低。

2.2疲劳强度的影响

残余压应力延缓疲劳裂纹扩展速率，而残余拉应力加速疲劳裂纹扩展。许多对焊接结构残余应力的研究表明，降低焊态构件中的残余拉应力的影响有利于提高焊接结构的疲劳强度。研究表明采用特殊的焊后表面处理方法引入残余压应力，可以提高焊接接头的疲劳强及疲劳寿命，如锤击硬化、玻璃或钢的喷丸硬化、应力硬化及拉伸超载等。而较低水平的残余压应力(小于62MPa)及焊后表面热应力释放处理对疲劳强度的影响无明显区别。残余应力对零件缺口疲劳强度的作用十分显著。这是由于残余应力存在应力集中现象和残余应力对疲劳裂纹扩展的影响更大的缘故。但是残余应力的应力集中不仅与缺口几何因素有关，还与材料特性有关。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。

2.3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材料的屈服点时,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。结构上有纵向和横向焊缝时( 例如工字梁上的肋板焊缝) , 或经过火焰校正,都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力, 虽然在构件长度上的分布范围并不太大,但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁,在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降,对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

2.4应力腐蚀开裂的影响

应力腐蚀开裂是指当材料处于持续的拉应力作用时，同时又是与材料敏感的腐蚀介质相接触，经过一段时间后所发生的开裂。一般可分为三个阶段：第一阶段，局部腐蚀造成的腐蚀坑和其他形式的应力集中，并逐渐发展成为微裂纹，即裂纹的萌生阶段；第二阶段，在腐蚀介质的作用下，金属在裂纹尖端处被腐蚀掉，进而在拉应力的作用下裂纹扩展，产生新的表面，新表明又进一步被腐蚀，这样在应力和腐蚀的交替作用下裂纹扩展，即裂纹的扩展阶段；第三阶段,当裂纹扩展到临界值时，在拉应力的作用下，裂纹迅速扩展造成脆性断裂，即裂纹的断裂阶段。

应力腐蚀开裂的必要条件是同时存在腐蚀介质和拉应力。应力越大，发生断裂所需要的时间久越短。而应力同时包括工作应力和残余应力。焊接后，构件中存在残余应力，在没有外载荷作用下，焊接残余应力的分布发生较大的变化。如果残余应力与工作应力叠加，就会促进应力腐蚀。当只有残余应力的作用时，裂纹扩展到其尖端处的拉应力为屈服强度的30%左右时就会停止扩展。如果存在工作应力，会使裂纹尖端处因缺口效应而产生很大的三相拉应力，裂纹的设深度越大。裂纹尖端的应力强度因子就越大，因而裂纹的扩展也进一步加速。

2. 分析结论

1）当材料的塑性变形能力不足时，残余应力的存在将影响构件的承载能力,使静载强度降低。

2）残余压应力延缓疲劳裂纹扩展速率，而残余拉应力加速疲劳裂纹扩展，降低焊态构件中的残余拉应力的影响有利于提高焊接结构的疲劳强度。

3）区域的残余应力叠加之和达到材料的屈服点时,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。

4）应力腐蚀开裂的必要条件是同时存在腐蚀介质和拉应力。应力越大，发生断裂所需要的时间久越短。