重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074
摘要：焊接作为钢结构中的重要工艺，是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和残余变形。焊接残余应力会严重影响结构的使用性能，因此，对焊接残余应力进行计算和分析具有很重要的现实意义。目前广泛应用实际测量法和数值模拟法进行焊接残余应力大小和分布的计算和分析。
关键词：焊接残余应力；数值模拟；机械法；物理法
一、焊接残余应力概述
（一）残余应力的定义
残余应力是指在没有外力或外力矩作用下，以平衡状态存在结构内部的力。残余应力是由于物体存在不均匀、不协调的变形，而导致物体自身为保持平衡而产生的力，如物体的不同部分因膨胀系数、刚度、屈服强度等不同而导致的不均匀变形。
（二）焊接残余应力的产生
在无外力作用下，焊接过后存在于焊件内部的自平衡的内应力称为焊接残余应力，焊接过程中，局部不均匀热输入是产生焊接残余应为的主要原因。
建筑钢结构的焊接施工中，目前应用最为广泛的是自动（或半自动）埋弧焊和手工电弧焊，利用电弧产生的热能使焊丝和焊件材料烙化，冷却后形成焊缝，达到连接焊件的目的[1]。焊接过程中，焊缝区被急剧加热至烙化，产生了局部高温的不均匀温度场，焊缝中心处温度达到钢材熔点（即1400℃以上），甚至最高可达到钢材的沸点。焊缝区及其附近的材料受热膨胀，但受到周围温度降低区域材料的约束作用而处于压缩状态，由此产生的焊接应力常常超过材料的屈服强度，从而导致不均匀压缩塑性变形的出现。在焊后冷却时，发生塑性变形的焊缝区及其附近的材料同样受到周围材料的约束，无法自由收缩，从而产生了残余拉应力，相邻区域则产生残余压应力。同时，在冷却过程中，如果金属组织转变引起的体积增加发生在较低温度时，由于此时材料屈服极限较高，将导致残余拉应力减小，进一步可能产生压应力[4]。
二、焊接残余应力对构件的影响
焊接过程中产生的二次变形和应力重分布，是由于焊接残余应力和工作荷载叠加的结果，在温度和介质的共同影响下，残余应力会对结构性能造成以下的影响[2]。
（一）焊接残余应力对焊接结构静力强度的影响
当结构在承载后表现出足够的塑性变形能力，即随着荷载的增加，达到屈服强度的区域应力不再增加，未达到屈服强度的区域应力继续增加，直到整个材料表面都达到屈服强度。这种情况下焊接残余应力将对结构的静力强度不产生影响。如果在相反的情况下，结构在承载后没有表现出足够的塑性变形的能力，那么焊接残余应力将对结构的静力强度产生影响。
（二）焊接残余应力对焊接结构疲劳强度的影响
在荷载的循环作用过程中，如果存在焊接残余应力，则会使应力循环的整个过程偏移一个值，使得其平均值发生变化，而幅值不发生变化，而我们知道，平均值和极限值之间为反比关系。所以，拉伸焊接残余应力出现在应力集中的部位，会造成疲劳强度的降低，焊接残余应力的影响随着应力集中系数的增加而提高。
（三）焊接残余应力对焊接结构刚度的影响
由于焊接结构中存在的焊接残余应力和外载荷作用产生的应力发生叠加，使得材料达到其屈服点，而材料的塑性性能不能充分的表现出来，就造成了局部应力的不断增加，达到屈服极限，结构失去继续承载的能力，这样材料结构有效的承载面积减小，造成结构的刚度也减小。实际工程中的焊接结构连接所用到的焊缝和火焰校正都会在很大范围内产生很大的焊接残余应力，即使焊接残余应力仅仅出现在沿构件长度方向很小范围内，但其对结构刚度的影响不能忽视，当焊接梁采用频繁的火焰校正时，可能在加载后产生较大的变形，而在卸载后表现出回弹性能的不足。
（四）焊接残余应力对焊接构件稳定性的影响
在焊接过程中由于焊接残余应力和外荷载的叠加效应，造成构件的二次变形和应力的重分布，从而导致了结构的稳定性能下降，尤其在和介质温度共同影响下，更会给焊接结构的承载能力带来严重的影响。
（五）焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响。
出现在一定的介质材料组合中，拉应力和腐蚀介质共同作用下产生裂缝称为应力腐蚀开裂。拉应力的存在使得金属表面的腐蚀钝化膜破坏加大，而残余拉应力和拉应力产生叠加的效果，使得拉应力加大，腐蚀断裂加速。
三、焊接残余应力的研究方法
在焊接残余应力的定量计算方面，计算方法有解析法和数值法两大类。解析法由相关数学理论直接求得焊接残余应力的解析解，物理概念和逻辑推理都很清晰明了，但是解析法常常只适用于一些简单的问题，并且对问题的描述须作大量简化和假设。焊接热过程、焊接残余应力与变形、氨扩散等复杂问题，采用按实际条件建立的特定微分方程组来求得解析解是十分困难的，因此大多利用计算机强大的计算功能而采用数值法求解[3]。
虽然焊接数值模拟技术取得了较大的发展，但由于参数众多、过程复杂等因素，数值模拟仍存在诸多困难，试验实测对于研究焊接残余应力的分布规律和验证数值模拟的正确性仍然是十分必要的。对焊接残余应力的测量主要分为机械方法和物理方法[4]。机械法包括取条法、切槽法、剥层法、钻孔法等。机械法测量残余应力需释放应力,这就需要对工件局部分离或者分割,从而会对工件造成一定的损伤或者破坏,但机械法理论完善,技术成熟,目前在现场测试中广泛应用,其中尤以浅盲孔法的破坏性最小。物理法包括X射线法、超声法和磁性法。这些方法均属无损检测法,对工件不会造成破坏。
四、结论
焊接残余应力对于钢结构有重要的影响，研究其特性有利于钢结构的设计和加工。目前研究焊接残余应力主要有数值模拟和试验测量法。数值模拟方法是十分方便经济的，但仍处于探索发展阶段，仍有许多不能解决的情况。实际测量法是能准确的确定焊接残余应力的各种特性，只是需要花费更多的人力财力。具体选择何种方法研究焊接残余应力，需要多方面的因素综合考虑。
参考文献
[1]樊清禄.钢结构桥梁焊接施工技术[J].山西建筑,2019,45(02):82-84.
[2]葛明兰,鲁家晟.焊接残余应力对焊接结构的影响[J].福建建筑,2010 (07):50-52.
[3]汪建华,魏良武.焊接变形和残余应力预测理论的发展及应用前景(2)[J].焊接,2001(10):4-6+34.
[4]张根树,张颖.常用焊接残余应力测量方法的探究[J].科技信息,2012 (32):637.
作者简介
黄庆（1996-），男，汉族，重庆人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：桥梁健康监测研究。