简述焊接残余应力对结构性能的影响

——ｌ０４　安徽建筑　２００６年第４期　

焊接璇会皮　对　期佴虽　惶铝曲景　哟　

朱一平，叶献国　

（合肥工业大学，安徽合肥２３０００９）　

摘要：文章就钢构件中的残余应力对钢构件的静力强度、稳定性及疲劳性能的影响进行了分析和研究。　

关键词：残余应力；塑性变形；残余应力分布；受力性能　中图分类号：ＴＵ３９１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００ｌ７＿７３５９（２００６）０４－ｏ１　０４＿０２　

Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｅｓｉｄｕａｌ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｓｔｒｅｓｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｗｅｉｇｈｔｅｄ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｔｅｅｌ　Ｍｅｍｂｅｒｓ　

Ｚｈｕ　Ｙｉｐｉｎｇ，Ｙｅ　Ｘｉａｎｇｕｏ　（Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｏｎ　ｓｔａｔｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄ　ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｅｅｌ　ｍｅｍｂｅＩ＇Ｓ　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ；ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ；ｓｔｒｅｓｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　

０前言　钢结构具有强度高、自重轻、塑性好、抗震性能好及施工速　

度快等优点，因而钢结构广泛用于单层厂房、大跨及高层建筑。　

在这些结构中许多节点采用焊接的形式，结构焊接时将在结构　

构件中产生较强的残余应力场，它将直接影响构件的受力性　

能。国内外许多钢结构脆断破坏事故说明了残余应力是引起低　

温脆断的主要因素之一。　

１　残余应力对钢构件静力强度的影响　

如果没有严重的应力集中的焊接构件，只要构件和焊道本　

身具有较好的塑性变形能力（没有低温、动荷载等使钢材变脆　

２０１５年１１期　科技一向导　◇科技之窗◇　浅谈焊接残余应力对结构的影响　牛晓娜高凯　（郑州大学土木工程学院河南郑州４５０００１）　【摘要ｌ残余应力的存在虽然不会影响结构的静态承栽能力，但仍然会引起一些问题，比如结构会由于焊接初始缺陷，导致在低应力下裂　纹扩展而导致脆性破坏。本文选取焊接残余应力为研究对象，分析残余应力下构件或结构的刚度、低温冷脆、疲劳强度，并讨论残余应力给它们　带来的影响。　【关键词】残余应力；焊接结构；影响　Ｏ。引言　焊接残余应力简称焊接应力，它是一种无荷载作用下的内应力。　由于焊接的过程是一个不均匀加热和冷却的过程．在施焊时．焊件上　产生不均匀的温度场．不均匀的温度场产生不均匀的膨胀．由此就形　成了残余应力。残余应力的存在对结构的刚度、受压构件的承载力、低　温冷脆以及疲劳强度均会有一定的影响　１．焊接残余应力的分类及产生的原因　焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程。焊件由于　焊接而产生的内应力我们称之为焊接应力．对于钢结构而言，焊接残　余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因　素。从焊缝的方向．焊接残余应力可以分为三类：　１．１沿焊缝长度方向的纵向焊接应力　施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。由　于不均匀温度场的影响，温度高的钢材膨胀大，但受到周围温度较低、　膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩：焊缝冷却时。被塑性压　缩的焊缝区趋向内收缩．但受到周围钢材限制而产生收缩应力。这是　垂直于焊缝方向的纵向拉应力就是纵向焊接应力。此时，由于焊件不　受约束．焊接产生的应力是自相平衡的应力．即由于在焊缝附近出现　收缩拉应力．则必然会在距焊缝稍远区段内产生压应力．可以把纵向　焊接应力的这种分布规律简称为“热拉冷压”。　１．２垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力　横向焊缝产生的原因有两个：一是由于焊缝纵向收缩，使得被焊　接的两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形．但实际上焊缝将两块钢　板连成整体．不能分开．于是两块钢板的中间会产生横向拉应力，而两　端则产生压应力：二是由于先焊的焊缝已经凝固．会阻止后焊焊缝在　横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。而在焊后收缩时，先冷部　分就将受压，而后冷部分受拉。由于残余应力自相平衡，所以两部分的　焊接应力叠加形成了横向焊接应力．这种应力分布要比纵向焊接应力　复杂　总结来说就是“先焊压后焊拉”　ｌ＿３厚度方向上的焊接应力　主要针对一些厚度较大的钢板有影响。一般大于４０ｒａｍ。由于在　厚钢板的焊缝连接中．焊缝需要多层施焊．在厚度方向就存在先冷和　后冷的状态，这就带来了在厚度方向的不均匀热胀冷缩。所以，不仅仅　是在纵向和横向有残余应力．在厚度方向上也存在着残余应力。　２．残余应力对结构性能的影响　结构是保障建筑安全性和可靠性的重要方面．所以结构的工作性　能能否正常的发挥就显得非常重要　残余应力是构件还未承受荷载而　早已存在构件截面上的初应力．在构件受力过程中。与构件所受的其　它荷载引起的工作应力相互叠加．不但会降低结构的刚度和稳定性．　而且还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力等。下面将从这几个　方面阐述焊接残余应力对结构工作性能的影响：　２．１对结构刚度的影响　构件上的焊接残余应力的存在会降低结构的刚度。在构件受荷载　时．当外荷载产生的应力与构件中某个区域的残余应力叠加之和达到　材料的屈服点时．该区域的材料就会产生局部的塑性变形，该部分的　应力不再增加．而在达到屈服点部分的材料，其弹性模量近于Ｏ。这样　从构件截面性能来讲．构件的刚度减小．构件抵御变形的能力下降。所　以当构件受力超过了局部塑性的应力　构建的变形加速，这对于尺寸　精确度和稳定性要求较高的结构是不容许忽视的　２．２对低温冷脆的影响　焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的．必须引起足够　的重视　脆性断裂一般都是在应力不高于结构的设计应力和没有明显　塑性变形的情况下发生的’并瞬时扩展到结构整体。事先不易发现和预　防，因此往往造成人身伤亡和巨大的财产损失　根据有关资料研究表　明由于焊接使得结构存在多种焊接缺陷。　Ｉ曩　图尖锐缺口和残余应力对断裂应力的影响　上图表明焊接的碳钢试件断裂强度在不同温度下的总趋向，以及　尖锐缺口和残余应力对断裂强度的影响　当试件没有尖锐缺１３时’断裂的载荷将相应于试验温度下的材料　强度极限，如曲线ＰＱＲ所示。试件有尖锐缺口，但没有残余应力时引起　的断裂的应力用曲线ＰＱ—ＳＵＴ。当温度高于断裂转变温度Ｔｆ时，在高　应力作用下发生高能量断裂。当温度低于断裂转变温度Ｔｆ时，断裂应　力降低到接近于屈服应力　如果在高残余拉应力区存在有一个缺口，　则可能发生以下各种形式的断裂：　（１）温度高于Ｔｆ时，断裂应力等于强度极限（曲线ＰＱ　Ｒ），残余应力对　断裂应力没有影响　ｆ２）温度低于Ｔｆ时．但温度高于止裂温度Ｔａ时，裂纹可能在低应力　下始发。但被止住。　（３）温度低于Ｔａ时，根据断裂始发时应力水平将发生两种情况之一：　ａ１如果应力低于临界应力ＷＶ，裂纹将在扩展一段距后被止住　ｂ１如果应力高于临界应力ｗＶ，将发生完全断裂。　２．３对疲劳强度的影响　钢材在循环应力多次反复作用下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的　现象称为钢材的疲劳　残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应　力叠加后．应力幅值产生变化．将对结构抗疲劳强度产生影响。在焊缝　及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形　成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳　强度有明显的不利影响　结合某研究所曾对起重机箱型粱制作成模拟梁　做疲劳强度试验（用３Ｏ根分别进行），￣－ｆｉ＂７从中了解到ｃ下转第１７２页）　注释：　本文指导老师为李天。　作者简介：牛晓娜（１９９３．１１．２（卜），女，河南新密人，郑州大学土木工程学院２０１２级本科生，土木工程专业。　

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试析焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响

作者：李彬

来源：《科技风》2017年第24期

摘要：现阶段，国内外工业设计指标在差异化分析过程与对疲劳影响因素的分析方法上没有一个统一的标准。特别是针对国内机车车辆领域，焊接承载结构的疲劳分析与工程分析应用还处在发展中阶段，指标化的疲劳设计模式与参数还没有一个硬性的标准，且对焊接结构疲劳的研究不足。文章将以试析焊接残余应力对钢结构疲劳性能的影响作为切入点，在此基础上予以深入的探究，相关内容如下所述。

关键词：焊接残余应力；钢结构；疲劳性能；影响

1 焊接残余应力（Welding residual stress）研究

1.1 焊接残余应力分布与形成

锻造、铸造、挤压、轧制与焊接等都能够在产品中生成残余应力（Residual stress），而焊接技术所生成的Residual stress较为显著。Residual stress即为一组作用在结构差异化区域，残余应力具有单独的外部载荷。焊接结构内，Residual stress出现在焊接快速加热和后续冷却的局部温度变化环节，因为热源与其周围材料的膨胀与收缩会因低温区域的材料所约束，部分区域出现塑性形变，进而在冷却的焊缝接头周围出现自相平衡的拉压应力。一般状态下，焊缝与周围热影响区存在着一定的拉应力，同时具有一定的强度，通常会超过材料的屈服极值。

1.2.焊接残余应力的疲劳性分析

针对弹塑性材料，Welding residual stress对结构静、动态疲劳承载能力的作用存在较大差异。静态载荷状态，塑性断裂与弹性损失是结构的两类失效因素。Welding residual stress对弹性断裂承载能力不存在显著的影响，这是因为自平衡力系，Welding residual stress和外在应力的累积能够在残余拉应力中达到屈服极值，不过塑性断裂即承载截面出现全屈服的结果，仅在残余压应力范围内，同时叠加应力参数超过屈服极值才能够造成失效问题。针对弹性失稳问题，在隐藏的区间分布着残余压应力状态下，能够发现其临界失效外加压应力值会小于无残余应力状态，也就是Welding residual stress影响其承载能力，不过此类影响在很大程度上会依附于整体截面上的Residual stress分布情况。

石工钻头结构设计对焊接残余应力的影响

摘要：硬质合金刀头具有高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨损等优点，被广泛应用于石工钻头。同时硬质合金材料本身的塑性、韧性和抗冲击性都较差。由于硬质合金刀头与施工钻头的刀杆材料的性能参数的不匹配而导致在焊接的冷却过程中使得焊缝部分产生相当大的残余应力，这些残余应力对硬质合金刀头产生拉应力而导致硬质合金刀头产生裂纹或微裂纹，而导致生产的高报废率或降低产品的性能。本文结合工作中的实际改进案例，阐述了如何从石工钻头的结构设计方面减少由焊接产生的残余应力，从而减少焊接裂纹。

【关键词】结构设计 石工钻头 残余应力

Abstract： Tungsten carbide tip is widely used in masonry drill Bit，

because it has the advantages of high hardness， high temperature resistance，

corrosion resistance， and abrasion resistance. At the same time， tungsten carbide tip

itself has the attributes of poor plasticity， poor toughness and poor impact resistance.

The larger difference of linear expansion coefficient between tungsten carbide tip and

steel blank caused much residual stress in carbide tip during the cooling process of

brazing process. The tensile stress caused by this residual stress makes cracks or