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。

图2 焊缝横向焊接应力
3.厚度方向的焊接应力
较厚钢材焊接时，厚度中部冷却比表面缓慢，会引起厚度方向的焊接残余应力（厚度中部受拉而上下表面为零）；且纵向和横向焊接残余应力和在厚
度方向为不均匀分布。

具体分布状况与焊接尺寸和焊接工艺密切相关。