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2010年国外核动力第3期

焊接结构中的残余应力

R．H．Leggatt

(英国焊接研究所)

摘要：本文讨论了焊接结构中残余应力的性质，包括其大小、方向性、空间分布、范围

和种类。以下因素均会对残余应力产生影响：材料性能、材料制造、焊接构件的几何形状和

加_T工艺、焊接工艺、焊后处理工艺和服役条件。

本文给出了板对接焊缝、管对接环焊缝以及表面堆焊中的残余应力分布实例。这些实例

表明，不同几何形状的焊接接头，其残余应力的大小和分布是不同的。本文验证了各构件材

料的力学性能、热学性能和相组成对残余应力的影响，以及在焊接过程中残余应力对焊道顺

序和焊接中所使用约束的敏感性，并采用管材和压力容器的对接环焊缝的一般范例来进一步

阐明测量点到焊缝的距离及焊后热处理对残余应力的影响。

残余应力的实测值或模拟计算值存在大的分散性和不确定性。这种分散性可能是由测

量点或材料性能的差异等系统因素造成的，或者是由所测数据的实验误差、模拟分析时的错

误假定，或者是由预先存在的残余应力、记录不全的焊接或制造工艺和未记录的局部修复等

未知因素导致的。为了提高残余应力的预测准确度和降低不确定性，需要更好地记录焊接结

构及其零部件材料的制造过程、服役史，并更好地理解和分析许多可能影响残余应力的工

艺过程。

关键词：残余应力；焊接；焊后热处理

1引言

焊接结构中的残余应力水平及分布状态的主要影响因素如下：

(1)焊接前零部件中已存在的残余应力，它是由零部件原材料的制造和零部件加工

组装产生的。

(2)焊缝及母材的材料性能，包括化学成分、微观组织、热性能和力学性能。

(3)焊接接头的几何形状。

(4)施于焊接部件的约束，它是由焊接夹具、局部校准装置或铆接固定于焊接结构

的其他部件上的相应附件等外部装置的应用引起的。

(5)焊接工艺，包括焊接准备、焊接规范及多道焊中的焊道顺序。

(6)由焊后机加工引起或释放的残余应力，或者在服役寿命内由于热作用或机械作

用引起的残余应力。

本文综述了以上因素如何影响焊接接头和焊接结构中残余应力的大小、方向和分布

情况的机理。

2焊前残余应力

在熔化区域内，热影响区(HAZ)及邻近母材中由焊接热量导致的退火效应及热应

力足以令材料在焊接过程中发生屈服，其残余应力场主要取决于焊接所致的残余应力。

在距离焊缝较远的区域，焊后残余应力将是焊接致残余应力和焊接零部件中原始残余应

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力综合作用的结果。这种综合作用取决于总的残余应力大小和母材的机械性能，它可能

是线性弹性应力、非线性弹塑性应力或蠕变应力。

原始残余应力可能是南材料加工制造过程中的热作用或机械作用引起的。导致产生

显著的残余应力的材料制造或加工工艺包括：铸造、锻造、轧制、热处理、淬火、矫直

及渗碳处理。导致产生显著残余应力的焊前制造工艺包括：火焰、等离子体或激光切割、

弯曲、机加工、装夹和组装校准。

在许多材料制造或加工工序中，在工序实施过程中或实施后均存在残余应力的再平

衡。最终残余应力往往不到材料屈服强度的一半。某些工艺，例如热处理后缓冷，可能

会释放由先前工序引起的应力。但是，机加工或急冷淬火等会引起材料表面局部屈服的

工艺，可能在近表面处引起与屈服应力大小相当的应力，并可能因冷作硬化导致屈服强

度上升。

在评估焊接结构残余应力时，应该考虑预先存在残余应力的可能性。在测量焊接部

件残余应力的程序中，建议测量焊后焊件中各部分未受焊接影响区域的残余应力，或测

量焊前各部件的残余应力，从而确定焊件中预先存在的残余应力。

3焊件中残余应力

我们常做这样的简单假设：焊接件残余拉应力的最大值与焊缝金属或母材的屈服强

度相等l【】。在许多但并非所有材料中，这个假设是可行的。焊件中残余拉应力的产生是

由于焊缝金属和邻近母材焊后冷却的热收缩导致的。若满足以下2个条件，残