焊接结构的残余应力的研究
焊接残余应力的测定
释放。对于某一梳条，用电阻应变仪量的释放前后的应变量差值， 12 则相应焊缝残余应力为： E E1 2
用同样的方法，测出每一测量点的残余应力。
注意事项：
（1）测量结果受切条宽度影响很大，因此切条 时，要尽可能使每条宽度一致；
（2）贴应变片时，应尽可能是个片之间的距离 保持均等，这样有利于切条是保持宽度一样。
（3）切条时，切割速度不宜过快。 （4）实验钢板厚度不宜太厚
（2）、小孔法
l 特点：
（1）可以进行现场操作，测量速度快； （2) 对焊件破坏性小，可以不经塞焊件仍可使用。 （3） 结果较准确
有关。如图3所示
在一应般力的都焊将接有接头'y 中和，都'y'存来在决定'y 。和因此影'y' ，响所的以因最素终有的以横下向几残个余
方面
（1）、焊接方向和焊接顺序
（2）、焊缝长度 （3）、拘束度
（二）、焊接残余应力的测定方法及基本原理
焊接残余应力的测定方法按测试原理可分为应力释放法和物理的方法。 其中以应力释放法应用较为普遍。 1、应力释放法主要包括切条法、切槽法，小孔法，逐层铣削法等，这里 主要介绍切条法和小孔法。 l （1）、切条法 特点：费工时，加工麻烦，完全破坏焊件，是用于实验室进行研究工作。 要求：准备仔细，加工精细，测量准确。
一、实验目的;
（1）、学习采用应力释放法测量焊接残余应力 的原理和方法，初步掌握测试操作技能；
焊接结构2.3
（三）厚板中的残余应力
❖当厚度超过25mm时，焊接结构中除了存在着纵 向应力和横向应力外，还存在着较大的厚度方向的
应力 z 。
❖近年来的试验研究结果表明，这三个方向的内应 力在厚度上的分布极不均匀。其分布规律，对于不 同焊接工艺有较大差别
低碳钢电渣焊缝中的内应力分布
z
x
y
焊缝中心受较大的三向拉应力，其 塑性指标显著降低。
低碳钢多层焊时的内应力分布
、x 表面y 为较高的拉应力。 的数z 值较小，有可
能为压应力，亦有可能为拉应力。
大厚度合金钢接头中的残余应力分布
❖中心线上的表面横向应力比表面层以下的焊缝金
属低，其数值接近于零。表面 y 在Y轴上的分布，
在离焊趾20mm处有一峰值。 ❖这种分布规律可能与该钢的相变温度较低和焊缝 形状（较窄较深）有关。 ❖影响：最大横向残余应力存在于表面焊道下面几 层焊道中。有可能因为残余应力较大而产生延迟裂 纹，并向表面扩展。
➢当区段III恢复弹性时，其收缩受到区段I和II的拘，使
" y
扩展。
的y"分布与焊接方向、分段方法以及焊接顺序
有关。
❖当从中间向两端焊时，
" y
的分布是中心部分为压应力，
两端部分为拉应力。
❖从两端向中心部分焊接，则中心部分为拉应力，两端部
分为压应力。
❖直通焊的
"尾部是拉应力，中段压应力，起焊段由于必
质影响甚大。
钛材焊缝中的纵向应力较低，一般仅为 0.5-0.8 σs。铝材焊缝中的σx也较低，仅为 0. 6-0. 8 σs。
高强钢焊件中的最大残余拉应力不会达 到母材的屈服极限，而且残余拉应力区的宽 度可能变窄。
浅析焊接残余应力的产生及影响
浅析焊接残余应力的产生及影响焊接是一个复杂的、包含电弧物理、传热、冶金以及力学的钢结构工艺过程，对工程质量的好坏以及工程结构的安全有着直接的影响。
在进行焊接的过程中以及焊接完成之后，由于一些高度集中的瞬时热输入，焊接会产生很大的残余应力和变形。
焊接过程中的残余应力对焊接的结构的使用性能会产生极大的影响，所以，我们要对焊接的残余应力进行相关研究。
标签：焊接残余应力；成因；对焊接结构的影响0 引言焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。
1 产生焊接残余应力的原因之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。
按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。
（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。
（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。
焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。
间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。
而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。
（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。
虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。
2 焊接残余应力会对焊接结构产生哪些影响焊接是一个局部的受热不均匀、冷却不均匀的过程，加之受焊缝和靠近焊缝的温度场的影响，焊件的内部会有大小不同、分布不均匀的残余应力—应变场。
焊接工艺对焊接残余应力的影响
焊接工艺对焊接残余应力的影响焊接是一种常用的金属连接方法，它的基本原理是在金属表面加热到熔点，并施加适当的压力，使金属发生熔化和冷却凝固的过程。
然而，在焊接过程中，由于金属的热膨胀和冷却收缩，会产生焊接残余应力。
这些应力不仅会影响焊接件的性能和寿命，还可能导致焊接接头的变形和裂纹。
因此，研究焊接工艺对焊接残余应力的影响是非常重要的。
一、焊接残余应力的形成机理焊接残余应力是指当焊接接头冷却后，由于冷却速度的不均匀和金属固态相变引起的体积收缩，使得焊接接头内部存在一定的残余应力。
焊接残余应力的形成机理主要包括以下几个方面：1. 热效应：焊接过程中的高温会引起焊接接头的局部加热和膨胀，而冷却过程中的快速降温又会引起金属的快速收缩，从而产生应力。
2. 宏观应变：焊接时，由于焊接接头的收缩受到约束，导致成分和结构发生变化，从而产生应力。
3. 相变热效应：焊接过程中，当焊缝区域的温度达到相变温度时，会产生相变热效应，导致局部区域的热膨胀或热收缩，进而产生应力。
二、焊接工艺参数的选择和控制对焊接残余应力的影响非常大。
以下是几个常见的焊接工艺对焊接残余应力的影响：1. 焊接电流和电压：焊接电流和电压对熔池的形成以及焊接接头的加热和冷却速度有直接影响。
较高的电流和电压会使熔池较大，并且使金属加热和冷却的速度快，从而产生较高的残余应力。
2. 焊接速度：焊接速度是指焊接过程中的焊接头的移动速度。
较高的焊接速度会导致焊缝短时间内的加热和冷却，从而产生较高的残余应力。
3. 焊接预热温度和保温时间：预热温度和保温时间可以改变焊接接头的温度分布和冷却速率。
适当的预热温度和保温时间可以减缓金属的冷却速度，缓解残余应力的产生。
4. 焊接序列和方向：焊接的序列和方向可以影响焊接残余应力的分布。
合理选择焊接的序列和方向可以使应力得到均匀分布，减少局部区域的应力集中。
5. 退火处理：退火是通过加热和保温来消除焊接件内部的残余应力。
合理的退火处理可以有效减小焊接残余应力。
焊接残余应力产生原因分析及消除方法
（2）运用三维模型装配仿真对打磨掉干涉区域后的前承力机匣和IGB机匣进行模拟装配，结果显示可实现装配；（3）实物装配IGB机匣与打磨后的前承力机匣，可顺利完成装配；（4）装配后的发动机在完成其原定试验计划后，未出现任何潜在问题。
通过三维装配仿真可有效地为设计及排故等提供有力的技术支持，节省由于设计等不合理带来的返工、时间以及其他成本的浪费。
5结语目前发动机装配分析主要是对比典型民用航空发动机装配顺序和装配路径，定性地判断整机装配性，无法准确判断实际装配情况。
通过三维仿真装配技术，在方案设计阶段，建立发动机装配仿真模型，进行三维静态、动态干涉检查，规划整机装配路径，可最大程度地暴露并提前解决装配过程存在的干涉问题，保证实际装配可行性，提高装配效率，节约成本。
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残余应力
（二）内应力对疲劳强度的影响（见第五章） （三）内应力对机械加工精度的影响 机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在 着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应 力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡使工件产生 变形。加工精度也就受到了影响。 例1：如在焊接丁字形零件上(见图2—121a）加工一个平面，会 引起工件的挠曲变形。但这种变形由于工件在加工过程中受到夹 持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才 能充分地表现出来。这样，它就破坏了己加工平面的精度。 例2：焊接齿轮箱的轴孔(见图2—121b)，加工第二个轴孔所引起 的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。 保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然后再进行机 械加工。
2、圆筒上环形焊缝引起的纵向应力σx分布：与平板不同。 (对圆筒来讲就是切向应力) （1）当圆筒直径与厚度之比较大时, σx的分布和平扳上的情况 相似，见图2—100。 对低碳钢来说σx达到σs （2）当圆筒直径与厚度之比较小时，就有所降低。 原因:由于圆筒环焊缝的半径在焊后缩小，焊缝在长度上的收缩 比平板上的焊缝具有更大的自由度。因此纵向应力比平板小。 应力值的大小取决于圆筒的半径R、壁厚以及塑性变形区的宽度 bp。后者与焊接线能量和材质有关。 当壁厚不变，R↓-- σx ↓； bp ↓ -- σx ↑（？）
③直通焊的尾部是拉应力，中段是压应力，起焊段由于必须满足平衡条件的 原因仍为拉应力，应力分布情况与图2—l04a相似 ④用分段退焊和分段跳焊法。σy/ /的分布将出现多次交替的拉应力和压应力 区。值得注意的是分段跳焊法的σy/ /峰值较其他焊接顺序高。
焊接残余应力
焊接残余应力
焊接是经常用到的一种连接技术，它具有多种优点，如预热寿命长、强度高、结构轻、装配方便等，但是也存在一些缺点，其中最常见的问题之一就是焊接残余应力。
焊接残余应力不仅会影响焊接头的强度耐久性，还会产生残余变形，严重影响焊接零件的结构、性能和使用寿命。
因此，为了确保焊接头长期可靠工作，必须对焊接残余应力进行有效控制。
焊接残余应力的来源主要有焊接温度轮廓、过热、焊缝深度、材料物理参数、焊接条件等。
因此，为了控制焊接残余应力，应该采取一定的措施。
首先，必须准确控制焊接温度轮廓，确保温度下降的趋势合理。
焊接温度轮廓是控制焊接残余应力的关键因素，适当缩短焊接时间和提高焊接速度可以有效控制焊接残余应力。
其次，应该在焊接前按要求精确测量焊接深度和厚度，以保证焊接深度的准确性。
焊接深度和厚度的测量越准确，焊接残余应力就越低。
此外，应尽可能采用低热流密度焊接技术，同时应采用恰当的焊条材料，以均匀分布焊接热量，以减少焊接残余应力。
最后，在焊接过程中应注意有效地调节焊接条件，防止产生焊接残余应力。
例如，在焊接过程中可以控制流体压力，防止焊条因压力而变形；可以采用分段焊接原理，减少焊接残余应力；可以采取一定的调节措施，使焊接头水平接触。
总之，为了控制焊接残余应力，需要采取一定的措施，如控制焊接温度轮廓、准确测量焊接深度和厚度、采用低热流密度焊接技术、调节焊接条件等。
如果能够有效控制焊接残余应力，则可以延长焊接头的使用寿命，使焊接头有更好的性能和可靠性。
焊接结构中的残余应力
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第 ３期
焊接 结构 中的残余应 力
Ｒ． ． ｇ ａ ｔ Ｈ Ｌｅ ｇ ｔ
（ 国焊 接研 究所 ） 英
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 、 间分布 、范围 空 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 ＿工艺 、焊接工艺 、焊后 处理 工艺和服役条件 。 Ｔ 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 、 学性能和相组成对残余 应力的影响 ， 热 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
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 ，残余拉应力 的大小将与材料本身屈服强度相近，即：
（） １ 被加热金属的 自由收缩受到约束 。 （ ）由退火温度降至环境温度或退火前 的温度时，材料的热收缩应力大于材料本身 ２ 的屈服应 力 。 第一种情况是被连接部件的几何形状及材料硬度的综合作用的结果 ，此点将在本文 后面部分进行探讨 ； 第二种情况是材料性能导致 的结果 ，将在以下的章节中进行讨论。
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焊接结构的残余应力的研究
【关键词】焊接结构；残余应力；消除方法
0.引言
人们对焊接应力的认识由来已久，但对其进行系统的研究时间并不长。
通俗来说，残余应力的产生是由焊接时零部件受热不均匀，而导致零部件内部受热产生的向外膨胀的力。
而在焊接后的零部件冷却阶段，在零部件会有一定的应力残留，即所谓的残余应力。
它对零部件的结构性能影响很大，必须设法消除。
1.焊接结构的残余应力对零部件的不良影响分析
1.1残余应力对零部件疲劳强度的影响分析
所谓零部件的疲劳强度，是指零部件在使用过程中能够保证基本性能不发生重大变化的时间，有时候也被称为疲劳寿命，它是检验零部件性能的一个重要指标。
根据一项研究，零部件疲劳强度受零部件材料、加工工艺以及焊接残余应力等因素的影响较大。
其中，焊接残余应力所构成的影响最大。
也就是说，一个构件的疲劳强度与焊接的应力循环有关，当一个构件的焊接的应力循环的平均值增加时，它的极限就会有所降低，所以说如果在构件的应力上存在着焊接结构的残余应力，那么这个构件的疲劳强度则会大大地降低。
而且，如果这种焊接残余应力的值达到了一定的程度，超过了零部件所能承受的最大限度，就会从根本上破坏零部件的结构性能，也就是说会使加工的零件失去使用价值。
因此，如果想让零部件的疲劳强度增大，就应当设法减小残余应力。
1.2残余应力对零部件的稳定性的影响分析
无论在课堂上还是在实际生活中，我们都知道，每一种材料都有它自身的稳定性。
生产零部件所使用的材料也不例外。
当零部件受到各种压力、弯压时，构件就会出现各种不稳定的现象，比如说受压杆件会不稳定、焊件加工精度和尺寸会不稳定等。
而根据研究，当零部件受到焊接残余应力的影响时，零部件材料稳定性所受到的不良影响非常强烈。
例如，在焊接钢制结构的零部件时，残余应力会使零部件表面残生一些细微的裂缝或者氧化，严重破坏其化学稳定性，使其容易产生金属疲劳或者生锈，对它的正常使用也构成了非常不利的影响。
而且，当外面的压力与焊接结构的残余应力同时作用于构件时，会出现更加严重的问题，焊件会出现由于有效截面积严重不足而导致的受压杆件不稳定以及由于焊接结构的残余应力之前的平衡状态被破坏而导致的焊件加工精度和尺寸不稳定等等一些严重的问题。
故而，要想提高零部件的结构稳定性，就必须设法解决焊接残留应力问题。
1.3焊接残余应力对零部件静力强度的影响分析
一般来说，当零部件焊接加工时不使用非常集中的焊接结构时，零部件的静力强度一般来说不会受到焊接结构残余应力过大的影响。
但一些零部件加工时由于性能要求，必须使用到高度集中式的焊接结构时，其对零部件静力强度的影响就不容忽视了。
而且，构件处于比较脆弱的状态，那么焊接结构的残余应力则会对构件的静力强度产生极大的影响。
而若零部件的静力强度受到较大的破坏
时，就可能时零部件发生一些不规则变形，这种影响对精密部件的性能破坏非常大，因为高精度零部件的性能很大程度上表现在规格上，而焊接结构残留应力恰恰会破坏它的规格。
总的来说，焊接结构的残余应力对构件静力强度的影响也是构件质量的重大影响因素之一。
所以，如果我们想保证构件的静力强度，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。
1.4残余应力对零部件变形与刚度的影响分析
每一张零部件都有自己特定的形态结构，其完整的形态结构也是它发挥功能的基础。
当零部件受到较大外力的影响时，就会发生物理形态上的形变，包括外形、长短、厚度、均匀程度等。
而一个零部件受到焊接结构的残余应力的重大影响时，那个构件会出现极其影响构件质量的问题，也即我们常见的构件变形问题。
而且，如果焊接结构残余应力的作用大小超过了零部件所能承受的最大限度时，超过了其最大屈服程度，零部件的变形很可能非常大，以至于无法恢复，造成其使用功能完全丧失。
除此之外，零部件的刚度也会受到焊接残余应力的影响。
其原因在于残余应力导致零部件内部发生部分膨胀时，导致这部分结构“疏松”，使得它的硬度和密度发生改变，进而改变了它的刚度，大大地影响构件的质量。
因此，如果想使零部件不易变形且保持原有刚度的话，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。
1.5残余应力对零部件裂缝的影响分析
根据研究，很多零部件的表面形态是比较脆弱的。
在沾染腐蚀性
化学药品或者受到挤压时，很可能会产生一些裂缝。
而且，在零部件的加工时，因切削、铣加工时往往会有一些微小的褶皱和裂缝。
在一般情况下，这些“小问题”并不会在功能上对零部件造成大的影响。
但是，如果零部件需要接受焊接加工时，这个“小问题”就变成了“大问题了”。
也就是说，残余应力引起的零件膨胀问题会致使小裂缝变成大裂缝，即引起零部件的开裂。
而且焊接所使用的焊棒为了提高焊接质量，往往会添加一些化学助剂，而这些化学一般具有腐蚀性，这无疑又加剧了焊接所产生的裂缝问题。
总而言之，。
焊接结构的残余应力对构件开裂的影响极大地影响了构件的后期使用。
所以，如果我们想保证构件不发生开裂现象，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。
2.减小焊接结构残余应力的一些措施
2.1在焊接加工时合理设置焊接量
其实，很多零部件在进行焊接加工之前，已经基本上成型了，不需要在焊接方面进行过深的加工。
因此，在对焊接加工程序进行设计时，务必做到科学化和合理化。
首先，在满足零部件加工性能的条件下，我们应该尽量地减少焊缝的数量和尺寸。
焊接焊缝的数量越少，尺寸越小，加工过程所产生的残余应力就越小，对零部件造成的不良影响也就越小；其次，避免出现焊缝过分的集中或多方向的焊缝相交于一点的情况，其原因在于一旦发生这种情况，残余应力会集中作用于某一点，对零部件造成不可修复的破坏；再者，我们应该使焊缝尽可能对称布置，以达到连接过渡尽量平滑的目的，
避免截面突变和应力集中现象；最后，焊接的搭接长度应大于加工零部件局部厚度（一般是焊接点的厚度）数倍（4～6倍左右），同时尽量避免仰焊。
2.2改进焊接工艺
首先，我们应该采用适当的焊接顺序和方向，以做好消除焊接结构的残余应力的基础工作。
因为，焊接的顺序与方向在很大程度上能够影响到焊接残余应力的大小，这一步骤是减小残余应力的基础步骤，务必要重视；其次，我们应当先焊收缩量较大的焊缝，然后再焊收缩量较小的焊缝，同时应该先焊错开的短焊缝，然后再焊直通的长焊缝，以达到使焊缝有比较大的横向收缩余地的目的；再者，焊接焊缝时应遵循“先大后小”的原则，以利于残余应力的释放，同时采取反变形措施，用以抵消残余应力引起的正变形；最后，在焊接完成后，可以将零部件整件进行加热，使焊接处温度同周围的温差缩小，从而减小残余应力。
2.3实用新型的焊接技术
新型的焊接技术如二氧化碳保护焊、氩弧焊等在焊接过程中能够产生一层气体保护层，能够保护焊接零部件不被氧化，同时可以大大减小焊接对焊缝周围部分的影响，在较大程度上也能减小残余应力。
除此之外，冷焊技术也是一种新式焊接技术，它的出现几乎能够完全消除焊接残余应力，目前已在推广应用中。
3.结语
除此之外，对零部件进行先期预热，再进行焊接作业，也是减小
残余应力的良策，因此也可以适当的运用。
[科]
【参考文献】
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