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焊接应力对构件的危害及消除

摘要：焊接残余应力在焊接构件中普遍存在，直接影响结构件的承载能力、降低焊接接头及整个构件的疲劳强度，在遇到外力作用时会产生疲劳断裂或脆性断裂而引发事故。只有从结构设计、工艺制造、焊后处理等阶段进行控制和消除，才能保证使用要求，提高焊接构件的强度，延长工作寿命。

????????关键词：焊接构件?焊接应力?疲劳断裂?脆性断裂

O前言：

????????在任何焊接构件焊接变形过程中都伴随着焊接应力的产生，焊接应力的存在直接影响焊接构件的承载能力、降低焊接接头及整个构件的疲劳强度，在遇到外力作用时会产生疲劳断裂或脆性断裂，因此，本文针对焊接应力对焊接构件的影响及消除进行阐述。

1焊接残余应力的形成机理：

????????焊接应力的形成原因非常复杂，因为被焊接金属材料的力学性能和物理性能随温度变化，焊接过程又是一个不均匀的温度场在不断运动的过程，同时焊接温度场又随焊接接头的形状、尺寸、焊接工艺参数等不同而变化。

2焊接残余应力的产生原因和分布规律：

??理论和生产经验证明，焊接残余应力的产生原因主要有：焊接本身的特性确定了焊接变形和焊接应力的产生，焊接构件的接头形式及焊接工艺措施设计不合理，具体原因如下：

??a）焊缝的尺寸和接头形式设计不合理：焊缝尺寸的大小直接影响焊接应力的大小，受热区域大，最后产生的残余应力也越大；焊接零件之间的搭接方式、焊接坡口型式、接头间隙、焊缝余高等，如果设计不合理都会影响焊接残余应力的大小。

????????b）焊缝的数量和位置分布不合理：如焊缝疏密相差很大，甚至相互交叉，封闭焊缝较多，均会产生较大的挠曲变形和焊接残余应力。

????????c）焊接方法和工艺参数设计不合理：不同的焊接方法具有不同的线能量和不同的温度场，产生的热变形和残余应力也不同。根据构件的材质、厚度、结构、选择合理的焊接方法和工艺参数，减少受热区和残余应力，同时尽量减少裂纹、气孔、夹渣、凹坑等焊接缺陷的生成，避免形成应力集中。

????????d）焊接顺序和施焊方法设计不合理：对于焊缝较多的焊接构件，比如机座或箱体，焊接顺序不同，最后形成的应力大小也不同。不同的焊接顺序会造成焊接拘束度不同，拘束度越大、焊接应力也越大。

????????焊接构件上的焊接残余应力可以通过理论分析，数值计算，实际测量及计算机有限元分析等手段加以确定。

????????同样的焊缝分别用手工焊和自动焊时，应力的大小也不相同：如果焊接方向不同，残余应力的分布状态也会不同，从中间往两边焊横向残余应力是中间受压、两端受拉，而从两端往中间焊应力分布正好相反。

????????在试验和生产中，可以用应力释放法测量焊接残余应力的大小和分布，钻孔法是目前较为成熟和可靠的方法。其操作原理是在待测应力点周围相隔45°粘贴3个应变片，然后对准测试点钻孔，由于钻孔后该点应力释放引起线应变，用电阻应变仪测出3个应变片的变化值，换算出该点原有的残余应力值。

????????随着计算机技术的快速发展，现在可以用ANSYS、Pro/MECHANICAL等三维工具来模拟、测试、分析焊接构件上的焊接应力问题。从模拟图中可以看到焊缝焊接残余应力大小，尖角处应力集中是否严重，是否在外力作用下容易导致疲劳破坏。

3焊接残余应力对构件的影响：

a）对静载强度的影响：

???低温下，材料处于脆性状态时，焊接残余拉应力和外载作用力相互叠加，共同作用，会使构件局部区域的应达到抗拉强度并发生脆性断裂，导致结构早期破坏。在实际结构中可能有由于工艺或设计原因造成的严重应力集中，有可能同时存在着较高的拉伸内应力，降低结构的静载强度，使之在远低于屈服点的外载应力作用下发生脆性断裂。

b）对疲劳强度的影响：

???构件存在残余拉应力时，在交变载荷作用下会很快达到疲劳极限，说明焊接残余拉应力会降低构件的疲劳强度；但残余压应力有利于提高疲劳强度。

c）对刚度的影响：

???当外载产生的内应力与焊接残余应力叠加之和达到材料的屈服点时，构件局部区域会发生塑性变形丧失了进一步承受外载的能力，造成结构有效面积减小和刚度降低。

d）对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响：

????????焊件上的内应力在机械加工时，因部分金属从焊件上被切除下来而破坏了原有的平衡，因此内应力要重新分布以达到新的平衡，同时也产生了变形，使加工精度受到影响。

4焊接残余应力的控制与消除：

4.1焊接残余应力的控制措施：

????????焊接内应力可以通过结构设计和焊接工艺等措施进行调节和控制，如降低残余应力的峰值，避免在大面积内产生较大拉内应力。

????????a）在保证构件承载能力的前提下，应尽量减少焊缝数量、设计合理的焊缝尺寸和形式，也就减少了焊接应力源。对于比较重要的焊缝，需要进行