焊接应力分类及产生原因分析

（1）应力 物体受到外力作用或加热时引起物体内部之间相互作用的力，称为内力。单位横截面积上的内力称为应力。

引起金属材料内力的原因有工作应力和内应力。工作应力是指外力施加给构件的，工作应力的产生与消失与外力有关。当构件有外力时，构件内部即存在工作应力，相反同时消失；内应力是指在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力，在物体内部构成平衡的力系。

按产生原因分类有热应力、相变应力和塑变应力。

热应力是指在加热过程中，焊件内部温度有差异所引起的应力，故又称温差应力。热应力的大小与温差大小有关，温差越大应力越大，温差越小应力越小。

相变应力是指在加热过程中，局部金属发生相变，使比容增大或减小而引起的应力。

塑变应力是指金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。对金属进行剪切、弯曲、切削、冲压、铆接、铸造等冷热加工时常产生这种内应力。

（2）温度产生内应力的原因 温度差异所引起应力（热应力）的举例如图3⁃18所示。它是一个既无外力又无内应力封闭的金属框架，若只对框架中心杆件加热，而两侧杆件保持原始温度，如果无两侧杆件，中心杆件随加热温度的升高而伸长，但由于受到两侧杆件和封闭框架的限制，不能自由伸长，此时中心杆件受压而产生压应力，两侧杆件受到中心杆件的反作用受拉而产生拉应力。压应力和拉应力是在没有外力作用下产生的，压应力和拉应力在框架中互相平衡，由此构成了内应力。如果加热的温度较低，应力在金属框架材料的弹性极限范围内，当温差消失后，温度差产生的应力随之消失。

图3⁃18 封闭金属框架

（3）残留应力 如果加热时产生的内应力大于材料的弹性极限，中间杆件就会产生压缩塑性变形，当温度恢复到原始温度，若杆件能自由收缩，那么中间杆件的长度必然要比原来的短，这个差值就是中心杆件的压缩塑性变形量；若杆件不能自由收缩，中间杆件就会产生内应力，这种内应力是温度均匀后产生在物体中的，故称残留应力。实际上，框架两侧杆件阻碍着中心杆件的自由收缩使其受到残留拉应力，两侧杆件本身则由于中心杆件的反作用而产生残留压应力。

（4）焊接残留应力 平行焊缝轴线方向的应力称纵向残留应力σ_x，垂直焊缝轴线的应力为横向残留应力σ_y，厚度方向的残留应力为σ_z。在厚度小于20mm的对接接头结构中，厚度方向σ_z应力较小，可以不计，焊接残留应力基本是沿两个方向即板件的长和宽。

1）纵向应力。图3⁃19所示为低碳钢板件熔化焊对接接头残留应力分布图，从图中看出，沿焊缝x轴方向应力分布不完全相同，焊缝的中间区域，纵向应力为拉应力，其数值可达到材料的屈服强度，在板件两端，拉应力逐渐减小至自由边界σ_x=О（О⁃О截面）。靠近自由端面Ⅰ⁃Ⅰ和Ⅱ⁃Ⅱ截面的σ_x<σ_s。随着截面离开自由端距离的增大，σ_x逐渐趋近于σ_s，板件两端都存在一个残留应力过渡区。在Ⅲ⁃Ⅲ截面σ_x=σs，此区为残留应力稳定区。图3⁃20所示为三种长度堆焊焊缝的纵向残留应力在焊缝横截面上的分布情况。由图中看出，随着焊缝的长度增加，稳定区也增长，当焊缝的长度较短时无稳定区，则σ_x<σ_s。焊缝越短，σ_x越小。

图3⁃19 对接焊缝各截面中σ_x的分布

图3⁃20 三种长度堆焊焊缝σ_x的分布

不同成分的板材纵向应力分布规律基本相同，但由于热物理性能和力学性能不同，其残留应力大小不尽相同。如钛材焊缝中的纵向应力一般为板件材料屈服极限的0.5～0.8倍，铝材焊缝为0.6～0.8倍。

焊接对接圆筒环焊缝的纵向残留应力（切向应力）分布如图3⁃21所示。它的残留应力分布不同于平板对接，其σ_x的大小与圆筒直径、壁厚、圆筒化学成分和压缩塑性变形区的宽度有关。如圆筒直径与壁厚之比较大时，σ_x的分布和平板对接相似，当直径比较小时σ_x就有所降低。如直径为ϕ1200mm，壁厚为6mm的低碳钢圆筒，环缝中的σ_x为210MPa，而直径为ϕ384mm，壁厚也为6mm的圆筒环焊缝中的σ_x为115MPa。

图3⁃21 圆筒环缝对接的纵向残留应力分布

图3⁃22 平板对接纵向收缩引起的横向应力σ_y′的分布

2）横向应力。平板对接焊缝中横向残留应力σ_y垂直于焊缝，它的分布与纵向应力σ_x的分布规律不同。横向残留应力σ_y由两部分组成，一部分是由焊缝及其附近塑性区的纵向收缩引起的横向应力σ_y，另一部分是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩所引起的横向应力σ′

y。

图3⁃22a所示两块平板对接的板件，图中表示连接后室温板件的应力分布。板件中间受拉，两侧受压。如果假想沿焊缝中心将板件一分为二，就相当于板边堆焊，有焊缝一边产生压缩变形，无焊缝一边出现拉伸变形，如图3⁃22b所示，要使两块板件恢复原来位置，应在两端加上横向拉应力。由此推断，焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩会使板件两端存在压应力，而中心部位存在着拉应力，如图3⁃22c所示。同时两端压应力的最大值要比拉应力的值大得多。图3⁃22所示为不同长度的焊缝其σ_y′的分布规律，只是长焊缝中部的拉应力将有所降低，其他的基本相同。

焊缝的横向应力分布还与焊接速度、焊接方向和顺序等有关。长焊缝平板对接，焊接速度很慢，在引弧端会产生高值的横向拉伸残留应力，而在焊缝中部为压应力。由此看出，慢焊速平板对接焊缝的横向应力分布图形的正负符号，与短板快速焊时图3⁃23所示的符号相反。

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图3⁃23 不同长度焊缝σ_y′的分布规律

a）短焊缝 b）中长焊缝 c）长焊缝

不同焊接方向时，σ_y″的分布规律也不相同。一条焊缝如果不能同时完成，先焊部分先冷却，后焊部分后冷却。先冷却的焊缝限制后冷却焊缝的横向收缩。这种相互制约构成了横向应力σ_y″。此外，一条焊缝从中间分成两段焊时，先焊的焊缝部分受压应力，后焊的焊缝部分受拉应力（图3⁃24中箭头表示焊接方向），直通焊的尾部σ_y″受拉应力。分段焊法的σ_y有多次正负反复，拉应力峰值往往高于直通焊。

图3⁃24 不同焊接方向时σ_y″的分布

a）短焊缝 b）中长焊缝 c）长焊缝

从以上分析可知，横向应力σ_y应由σ_y′和σ_y″组合而成。从减小总横向应力σ_y来看，应合理地选用不同的分段和不同的焊接方向。

3）厚板中的残留应力。图3⁃25所示为厚板对接多层焊模型的横向残留应力分布情况。图3⁃25a中间为填充材料，随着填充材料厚度的增加，横向收缩应力σ_y也沿z轴向上移动，并在已填充的坡口的纵截面上引起应力。若板材在焊接中可自由变形，即板边在无拘束的情况下，随着坡口填充层的增加，产生急剧的角收缩，导致横向残留应力在焊根部位产生高值拉应力，如图3⁃25b所示。相反，厚板根部如果采用刚性约束，则发生图3⁃25c所示的根部为高值横向残留压应力。

图3⁃25 厚板多层焊横向应力分布模型

a）多层焊模型 b）无拘束应力分布 c）刚性约束情况下应力分布

4）残留应力对结构的影响。熔焊必然会带来焊接残留应力，焊接残留应力在钢结构中并非都是有害的。根据钢结构在工程中的受力情况，使用的材料、采用的设计结构等，正确选择焊接工艺，将不利的因素变为有利的因素。同时要做到具体情况具体分析。

①对静载强度的影响。正常情况下，平板对接直通焊焊接纵向残留应力分布，中间部分为拉应力，两侧为压应力。焊件在外拉应力F的作用下，焊件内部的应力分布将发生变化，焊件两侧受压应力会随着拉应力F的增加，压应力逐渐减小而转变为拉应力，而焊件中的拉应力与外力叠加。如果焊件是塑性材料，当叠加力达到材料的屈服点时，局部会发生塑性变形，在这一区域应力不会再增加，通过塑性变形，焊件截面的应力可以达到均匀化。因此，塑性良好的金属材料，焊接残留应力的存在并不影响焊接结构的静载强度。在塑性差的焊件上，因塑性变形困难，当残留应力峰值达到材料的抗拉强度时，局部首先发生开裂，最后导致钢结构整体破坏。由此可知，焊接残留应力的存在将明显降低脆性材料钢结构的静载强度。

图3⁃26 切削加工引起内应力释放和变形

②对构件加工尺寸精度的影响。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。通过切削加工把一部分材料从构件上去除，使横截面积相应减小，同时也释放了部分残留应力，使构件中原有残留应力的平衡得到破坏，引起构件变形。如图3⁃26所示，在T形焊件上切削上表面，切削后去除压板，T形焊件就会失稳产生上挠变形，影响T形焊件的精度。为防止因切削加工产生的精度下降，对精度要求高的焊件，在切削加工前应对焊件先进行消除应力退火，再进行切削加工，也可采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残留应力和变形。

③对应力腐蚀裂纹的影响。金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和拉应力共同作用的结果。

采用熔焊焊接的构件，焊接残留应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀介质中，尽管拉应力不一定很高，但都会产生应力腐蚀开裂。其中残留拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响，当焊接残留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，在腐蚀介质中服役的焊件，首先要选择抗介质腐蚀性能好的材料，此外，对钢结构的焊缝及其周围处进行锤击，使焊缝延展开，消除焊接残留应力。对条件允许焊接加工的钢结构，在使用前进行消除应力退火等。

5）消除焊接残留应力的方法。消除焊接残留应力的方法有：热处理、锤击、振动法和加载法等。

①热处理。热处理包括整体高温回火和局部回火。消除残留应力的效果主要取决于焊件整体或局部加热温度、焊件的成分和组织、保温时间长短、冷却速度以及焊后焊件的状态等。对于同一种材料，回火温度越高，保温时间越长，残留应力越小。图3⁃27所示为低碳钢在不同温度下，经不同时间的保温，残留应力消除的效果。此外，采用整体回火效果好于局部回火。对于某些残留应力较小不允许或不可能整体回火的焊件，可采用局部回火。

对碳钢及中、低合金钢，加热温度为580～680℃；铸铁为600～650℃，保温时间一般根据每毫米板厚保温1～2min计算，但总时间不少于30min，最长不超过3h。

图3⁃27 退火温度和保温时间与消除应力关系

②锤击法。焊后采用带小圆头面的锤子锤击焊缝及近缝区，使焊缝及近缝区的金属得到延展变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，使焊接残留应力降低。

锤击时要掌握好打击力量，保持均匀、适度，避免因打击力量过大造成加工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及时锤击，除打底层不宜锤击外，其余焊完每一层或每一道都要进行锤击。锤击铸铁时要避开石墨膨胀温度。

③振动消除法。振动消除法是利用由偏心轮和变速马达组成的激振器，钢结构焊接件在激振器上发生共振所产生的循环应力来降低内应力的。