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焊接残余应力讲义张思功0317焊接应力：钢材焊接时在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处可达1600o C以上，高温部分钢材要求较大的膨胀伸长但受到邻近钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中随时间和温度而不断变化，称为焊接应力。
焊接残余应力：焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。
当局部受热温度较低时，温度应力和变形将在弹性范围以内，并随温度的升降而按比例增减。
钢板完全冷却后，应力和变形恢复到零，不产生残余应力（假定原始钢板无残余应力）或残余变形。
当局部受热温度较高，达到100～150o C（Q235钢）或150～200o C（低合金结构钢）时，钢板中央部分热胀受抑制引起的温度压应力将达到钢材屈服强度；温度再升高时则进入塑性受压状态，即继续压缩时钢材只发生压缩变形（塑性变形）而应力保持受压不变。
(屈服时，应力不增加但应变会继续增加。
)在厚度不大的焊接结构中，残余应力基本上是双轴的，即只有纵向和横向残余应力，如图1所示的和，而厚度方向温度大致均匀，残余应力很小。
只在厚度大的焊接结构中，厚度方向的应力才达到较高的数值。
图1 焊接残余应力1.纵向焊接残余应力焊接结构中的焊缝（求其是组合构件中的纵向焊缝）沿纵向（焊缝长度方向）收缩时，将产生纵向焊接残余应力。
2.横向焊接残余应力焊接结构的横向（垂直于焊缝长度方向）焊接残余应力是由焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩所引起的，以及因焊缝全长的不同时（有先后顺序）焊接引起的横向收缩不同时性所引起的合成的。
以钢板对接焊缝为例，焊缝纵向收缩使两侧钢板趋向于形成相反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两侧钢板连成整体不能分开，因而就产生中部受拉两端受压的自相平衡的横向焊接残余应力，如图2(b)所示.横向收缩不同时性引起的横向焊接残余应力与焊接方向和顺序有关。
每一段焊缝冷却时的横向收缩使其本身横向受拉（注意这一段焊缝是最后焊接的部位），而对邻近先焊的已冷却凝固部分为横向偏心受压（这一段是指中间焊缝部位），因应力自相平衡，更远处的另一端焊缝则受拉应力，如图2（c）所示。
焊接残余应力
焊接残余应力是影响焊接结构或焊接部件疲劳强度、弯曲强度、脆性断裂强度和抗腐蚀性等性能的重要因素。
同时，残余应力还会严重影响结构的机加工质量和尺寸的稳定性。
因此，在前面学习内应力和焊接应力产生原因的基础上，将介绍焊接后残存在焊接结构中的应力分布情况，以及降低和消除焊接应力的措施。
一、焊接残余应力的分布
在焊件厚度不大（一般小于20mm）的常规焊接结构中，残余应力基本是纵、横双向的，如图2-5所示。
厚度方向的残余应力很小，只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的残余应力才有较高数值。
为了便于分析，通常将平行于焊缝轴线方向的应力称为纵向残余应力，用бx表示。
将垂直于焊缝轴线方向的残余应力称为横向残余应力，用бy表示。
厚度方向的应力残余应力，用бz表示。
下面分别加以讨论。
图2-5板材的空间坐标位置
（一）非拘束状态下焊接残余应力的分布
1．纵向残余应力бx的分布
在低碳钢和普通低合金钢焊接结构中，焊缝及其附近的压缩塑性变形区内的纵向应力бx为拉应力，其数值一般达到材料的屈服点（焊件尺寸过小时除外），稍离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残余压应力。
如图2-6所示为中心有一条焊缝的低碳钢长板条在不同横截面上的纵向应力бx的分布情况。
从图中可以看出，焊缝及其附近为拉应力，并达到材料的屈服极限，而远离焊缝区为压应力。
在长条板中部（Ⅲ-Ⅲ截面所在的区域），纵向残余应力的大小基本保持不变，一般称该区域为稳定区。
在焊缝两端O-O截面，、因为边界条件与中部有所
不同，拘束度和热循环特性也不尽相同，使纵向残余应力由恒定逐渐降至零
而出现过渡区。
另外，纵向应力在过渡区分布不同于中段，且бx小于材料的屈服限бs。
图2-6焊缝横截面纵向应力的分布
随着焊缝长度的缩短，稳定区降逐渐减小，直至消失。
如图2-7所示为不同焊缝长度的纵向应力бx的分布情况示意图。
由图可以发现，当焊板较短时，不存在稳定区，并且焊板越短，短焊缝中的纵向应力比长焊缝中的纵向应力要小。
由此可见，在实际焊接结构中，如果将长焊缝适当分段进行焊接，将会减小焊件中的残余应力。
圆筒环焊缝所引起的纵向（对圆筒体就是环向应力）应力的分布规律如图2-8所示。
在焊缝及其附近区域为拉伸应力，远离焊缝则为压缩应力。
它与平板直缝有所不同，其数值取决于圆筒直径、厚度以及焊接压缩塑性变形区的宽度。
环缝上的бX随圆筒直径的增大而增加，而随塑性变形区的扩大而降低。
直径增大，бx的分布逐渐与焊接平板接近。
的关系
图2-7 不同长度焊缝中纵向应力的分布及长度与σ
x
T型焊接接头纵向应力的分布，如图2-9所示。
显然，其应力分布与焊件的尺寸有关。
图(a)为水平板厚度与立板高度h之比较小时的分布情况；图（b)为水平板厚度与立板高度h之比较大时的分布情况。
当T型接头平板厚度s与立板高度h之比越大时，其残余应力的分布越和前面介绍的中心堆焊的长条板的情况相似。
2.横向残余应力бy的分布
横向残余应力的产生及其影响比较复杂，一般认为，沿焊缝中心线的横向残余应力主要由两个方面所引起：一是由于焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力，用б`y表示；另一个是由焊缝及其附近塑性变形区横向收缩的不同时性所引起的，用б“y表示。
换言之，横向残余应力бy是由б‘y 和б”y叠加而成。
现以对接接头焊缝中的横向残余应力为例，分析说明残余应力的产生和分布规律。
