焊接残余应力对构件的危害
钢结构设计(专科)——武汉理工大学
一、单选( 每题参考分值2.5分 )1、焊接残余应力对构件的（）无影响。
A. 变形B. 静力强度C. 疲劳强度D. 整体稳定正确答案是：【B】2、钢结构进行疲劳强度验算时，应注意（）。
A. 荷载采用基本组合B. 在完全压应力循环中，必须进行疲劳验算C. 疲劳验算采用容许应力幅法D. 应力循环次数不小于5×106时，才进行疲劳验算正确答案是：【C】3、直接承受动力荷载的大跨度结构应尽可能采用（）连接。
A. 粗制螺栓B. 精制螺栓C. 加叉焊缝D. 摩擦型高强螺栓正确答案是：【D】4、弯矩绕虚轴（x轴）作用的格构式压弯构件，计算其弯矩作用平面内整体稳定时，截面模量W1x=Ix/y0，图示两种双轴对称截面形式，其y0应分别取（）。
A. 83，113B. 176，207C. 176，146D. 144，132正确答案是：【C】5、当沿受力方向的连接长度时，螺栓的抗剪和承压设计承载力均应降低，以防止（）A. 中部螺栓提前破坏B. 端部螺栓提前破坏C. 螺栓受弯破坏D. 螺栓连接的变形过大正确答案是：【B】6、工字形截面简支梁，在跨中设侧向支承点，下列选项所示侧向支承位置，在（）时最好。
A.B.C.D.正确答案是：【A】7、钢材屈服点fy的高低反映材料（）A. 受静荷时的最大承载能力B. 受静荷时的最大变形能力C. 受动荷时的最大承载能力D. 受静荷时发生塑性变形前的承载能力正确答案是：【D】8、屋架的设计图纸上要求注明钢材牌号，最合理的选项是A. 3号钢B. Q235C. HPB235D. Q235-B正确答案是：【D】9、双肢格构式轴心受压柱，实轴为x－x，虚轴为y－y，应根据（）确定分肢间的距离。
A.B.C.D. 强度条件正确答案是：【B】10、图示普通螺栓连接，最不可能出现的破坏形式为（）。
A. 栓杆被剪断B. 板件孔边被挤坏C. 板件被拉断D. 螺栓被拉断正确答案是：【D】11、屋架的设计图纸上要求注明钢材牌号，最合理的选项是（）A. 3号钢B. Q235C. HPB235D. Q235-B正确答案是：【D】12、T形截面轴心受压构件，当其发生相对于对称轴的整体失稳时，最可能的失稳形态为（）。
焊接残余应力对钢构件受力性能的影响
图 １ （ 截面 翼缘 残余应 力分布 ａ）
（ 截面受力状态 ｂ）
在外 力作用下 ， 其截面应力是 由外荷载引起 的截 面应 力叠加截 面的残余应力 ，从而使 截面在 ｏ ＮＡ ｒ ／ ＝ 时处于弹性状态 ， 构件发生弯 曲失稳时的临界力为欧拉 临界：￣ ２ｒ ｌ２ Ｎ ＝ ７ ／，相应的 Ｅｌ
临界应力 ｏ ＝ｒ Ｉ 当 ｏ ＮＡ≥ 一 ， ｒ Ｔ ＥＡ 。 ｒ ／ ｏ 时 部分截 面将会提前屈 ￣ ２ ＝ ｒ 服， 进入塑性变形状态 ， 使整个截 面呈现出弹性 区和塑性 区 （ 见 图 １ ｂ） ， （ ） 随着 外荷载增 大 ， 面上 塑性 区变形增 大 ， 应力 截 但 不增加 。抵抗外荷载只 由弹性 区截 面承担 ， 整个截面 的有效惯 性矩变成截面弹性 区的惯性矩 ， 此时 的临界应力为 ： ＝ ｌＦ Ｔ Ｅ ， Ｉ
Ｋｅ ｒ ｓｒｓｄ ａ ｔｅｓｓ； ｌｓ ｃｄ ｆｒ ｔ ｎ； ｉｔｉｕｅ ｓｄ ａ ｔｅ ｓ ； ｔ ｓ ｅｆｒ ａ ｃ ｙｗｏ ｄ ：ｅｉｕ ｓｒｓｅ ｐａｔ ｅｏｍａｉ ｌ ｉ ｏ ｄ ｓｒ ｔｄｒ ｉｕ ｓｒｓｅ ｓｒ ｓｐ ｒｏ ｎ ｅ ｂ ｅ ｌ ｓ ｅ ｍ
０ 前
言
钢结构具有强 度高 、 自重轻 、 塑性 好 、 抗震性 能好 及施工速 度快等优点 ， 因而钢结构 广泛 用于单层 厂房 、 大跨及高层 建筑 。
，
时为止 。由于截 面残余应 力为 自相平衡应 力分布 ， 故静力荷 载 相等 ， 即残余应力不会降低构件 的静力强度 。但是塑性材料 在
一
定条件下 会失去塑性 ，变成脆性 或者构件材料塑性 较低 ， 残
余应 力将会影响构件的静力强度。因为构件无 足够 的塑性变形 产生 ， 在加载过程 中应力峰值 不断增加 ， 至达到材料 强度极 直 限后发 生破坏 ， 因而残余应 力对其有影响 。
焊接应力及焊接变形预防措施
钢结构工程焊接应力与变形差生的危害及采取的措施随着“绿色建筑”理念的推广，以钢结构件为主体框架结构结合复合砌筑体结构已成为一种必然趋势，因为以钢结构为主的框架结构的回收利用性有效避免钢筋混凝土结构建筑垃圾的产生，具有可持续性。
由于钢结构工程的特有型，焊接作业时钢结构工程最重要的工序之一，而焊接应力及焊接变形产生是影响钢结构安全性及可靠性的重要因素。
本文着重对焊接应力及焊接变形的危害及所采取的对应措施进行分析。
一、焊接应力与变形产生机理焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化，而熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形。
在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的制约，不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载，与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生了相应的收缩拉应力和变形。
这种随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为瞬态应力与变形。
而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形称为焊接残余应力与焊接残余变形。
焊接残余应力和变形，严重影响焊接构件的承载力和构件的加工精度，应从设计、焊接工艺、焊接方法、装配工艺着手降低焊接残余应力和减小焊接残余变形。
二、焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施1．焊接残余应力的危害影响构件承受静载能力；影响结构脆性断裂；影响结构的疲劳强度；影响结构的刚度和稳定性；易产生应力腐蚀开裂；影响构件精度和尺寸的稳定性。
2．降低焊接应力的措施(1)设计措施尽量减少焊缝的数量和尺寸，在减小变形量的同时降低焊接应力；防止焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加；要求较高的容器接管口，宜将插入式改为翻边式。
(2)工艺措施采用较小的焊接线能量，减小焊缝热塑变的范围，从而降低焊接应力；合理安排装配焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力；层间进行锤击，使焊缝得到延展，从而降低焊接应力；焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条；预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）；采用整体预热；降低焊缝中的含氢量及焊后进行消氢处理，减小氢致集中应力。
浅谈焊接残余应力对结构的影响
浅谈焊接残余应力对结构的影响【摘要】残余应力的存在虽然不会影响结构的静态承载能力，但仍然会引起一些问题，比如结构会由于焊接初始缺陷，导致在低应力下裂纹扩展而导致脆性破坏。
本文选取焊接残余应力为研究对象，分析残余应力下构件或结构的刚度、低温冷脆、疲劳强度，并讨论残余应力给它们带来的影响。
【关键词】残余应力；焊接结构；影响0.引言焊接残余应力简称焊接应力，它是一种无荷载作用下的内应力。
由于焊接的过程是一个不均匀加热和冷却的过程，在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，由此就形成了残余应力。
残余应力的存在对结构的刚度、受压构件的承载力、低温冷脆以及疲劳强度均会有一定的影响。
1.焊接残余应力的分类及产生的原因焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程，焊件由于焊接而产生的内应力我们称之为焊接应力，对于钢结构而言，焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。
从焊缝的方向，焊接残余应力可以分为三类：1.1沿焊缝长度方向的纵向焊接应力施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。
由于不均匀温度场的影响，温度高的钢材膨胀大，但受到周围温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩；焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向内收缩，但受到周围钢材限制而产生收缩应力，这是垂直于焊缝方向的纵向拉应力就是纵向焊接应力。
此时，由于焊件不受约束，焊接产生的应力是自相平衡的应力，即由于在焊缝附近出现收缩拉应力，则必然会在距焊缝稍远区段内产生压应力，可以把纵向焊接应力的这种分布规律简称为“热拉冷压”。
1.2垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力横向焊缝产生的原因有两个：一是由于焊缝纵向收缩，使得被焊接的两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块钢板的中间会产生横向拉应力，而两端则产生压应力；二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。
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。
试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用
试析焊接残余应力对钢结构性能的影响作用作者张红随着社会经济及科学技术的发展，钢结构以其材料强度高、自重轻、延性及抗震性好、工业化程度高、施工速度快等多个优点在现代化建设中得到了广泛的应用。
钢结构是利用钢材设计制作成构件后通过一定的连接方式将构件连接形成的，焊接是常用的钢构件连接方法，焊接过程中产生的焊接残余应力对钢结构有着较大的影响，是实际工程中需关注的主要问题之一。
1焊接残余应力的产生原因焊接残余应力产生的主要原因是焊接过程中的局部不均匀热输入。
按应力分布形式分以下三种：1.1纵向残余应力沿焊缝长度方向的残余应力称为纵向残余应力（如下图1）,钢材焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，在焊接时，温度很高的焊缝及其附近区域和温度较低的临近区域会产生不均匀的温度场，进而产生不均匀的膨胀，低温度区的钢材膨胀小，限制高温度区钢材膨胀，产生热塑性压缩，冷却时，焊缝两侧钢材又会限制塑性压缩引起的焊缝缩短，产生纵向拉应力，由于焊接残余应力是一种内应力，无荷载作用，需要在焊件内部自相平衡，从而导致焊件上距焊缝稍远产生压应力。
图1纵向残余应力分布图2横向残余应力分布1.2横向残余应力横向残余应力是指垂直于焊缝方向的残余应力（如上图2）,受到塑性压缩焊缝的纵向收缩可使焊缝两侧的钢板形成反向弯曲变形，在两块钢板间会产生横向的拉应力，同时钢板的两端形成压应力；焊接时，焊缝焊接的先后顺序不同，先焊接的焊缝先凝固，可限制后焊接焊缝的膨胀，引起横向塑性压缩变形，冷却时，先焊接已凝固的焊缝限制后焊接焊缝的收缩形成横向拉应力，同时最后焊接的焊缝末端产生拉应力，两块钢板间的横向拉应力及两端的压应力与先焊接焊缝的横向拉应力及焊缝末端的拉应力合成最终形成焊缝的横向应力。
1.3沿厚度方向的残余应力焊件采用厚钢板时，焊接时需要多层施焊，由于焊接时不同厚度方向的温度分布不均匀，冷却时表面冷却较中间快，可在焊缝中间层形成拉应力，在外层形成压应力，从而形成除纵向和横向残余应力外的沿厚度方向的残余应力。
焊接应力产生的原因及处理方法
在冷热加工过程中，产生残余应力，高者在屈服极限附近。构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用；如降低构件的实际强度，降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂。并且由于残余应力的松弛，使零件产生翘曲，大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低构件的残余应力，是十分必要的。
焊后消除应力处理：
1、整体热处理：消除应力的程度主要决定于材质的成分、组织、加热温度和保温时间。低碳钢及部分低合金钢焊接构件在650度，保温20~40h，可基本消除全部残余应力。
另外还有爆炸消除应力。
2、局部热处理：大型焊接结构，受加热炉的限制或要求不高时采用这种方法。可采用火焰、红外、电阻、感应等加热方式，应保持均匀加热并具有一定的加热宽度。低合金高强钢，一般在焊缝两侧各100~200mm。
（2）对结构刚度的影响：焊接残余应力降低结构的刚度。
（3）对受压构件承载力的影响：焊接残余应力降低受压构件的承载力。
（4）对低温冷脆的影响：增加钢材在低温下的脆断倾向。
（5）对疲劳强度的影响：焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。
焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。
热时效（TSR）是将构件由室温（或不高于150℃）缓慢、均匀加热至550℃左右，保温4~8小时，再严格控制降温速度至150℃以下出炉，达到消除残余应力的目的，可以保证加工精度和防止裂纹产生。
振动时效（VSR）又称振动消除应力法，是将工件（包括铸件、锻件、焊接构件等）在其固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理，以振动的形式给工件施加附加应力，当附加应力与残余应力叠加后，达到或超过材料的屈服极限时，工件发生微观或宏观塑性变形，从而降低和均化工件内的残余应力，使尺寸精度获得稳定的一种方法。这种工艺具有耗能少、时间短、效果显著等特点。近年来在国内外都得到迅速发展和广泛应用。
焊接应力的消除方法
焊接应力的消除方法一、什么是焊接应力焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。
焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。
焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。
当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。
在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。
焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观。
二、焊接应力的危害焊接残余应力对焊件有 6个方面的影响：①对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。
在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。
焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数应力循环特征系数[6][min]/[6][max]和循环应力的最大值[6][max]有关其影响随应力集中系数的降低而减弱，随[6][min]/[6][max]的降低而加剧，随[6][max]的增加而减弱。
当[6][max]接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。
②对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。
焊件的刚度会因此而降低。
③对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。
残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。
残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。
④对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。
焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。
⑤对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。