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【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。而在焊后收缩时，先冷部分就将受压，而后冷部分受拉。由于残余应力自相平衡，所以两部分的焊接应力叠加形成了横向焊接应力，这种应力分布要比纵向焊接应力复杂。总结来说就是“先焊压后焊拉”。
1.3厚度方向上的焊接应力
主要针对一些厚度较大的钢板有影响，一般大于40mm。由于在厚钢板的焊缝连接中，焊缝需要多层施焊，在厚度方向就存在先冷和后冷的状态，这就带来了在厚度方向的不均匀热胀冷缩。所以，不仅仅是在纵向和横向有残余应力，在厚度方向上也存在着残余应力。
2.残余应力对结构性能的影响
结构是保障建筑安全性和可靠性的重要方面，所以结构的工作性能能否正常的发挥就显得非常重要。残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，在构件受力过程中，与构件所受的其它荷载引起的工作应力相互叠加，不但会降低结构的刚度和稳定性，而且还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力等。下面将从这几个方面阐述焊接残余应力对结构工作性能的影响：
2.1对结构刚度的影响
构件上的焊接残余应力的存在会降低结构的刚度。在构件受荷载时，当外荷载产生的应力与构件中某个区域的残余应力叠加之和达到材料的屈服点时，该区域的材料就会产生局部的塑性变形，该部分的应力不再增加，而在达到屈服点部分的材料，其弹性模量近于0。这样从构件截面性能来讲，构件的刚度减小，构件抵御变形的能力下降。所以当构件受力超过了局部塑性的应力，构建的变形加速，这对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容许忽视的。
2.2对低温冷脆的影响
焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的，必须引起足够的重视。脆性断裂一般都是在应力不高于结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生的，并瞬时扩展到结构整体，事先不易发现和预防，因此往往造成人身伤亡和巨大的财产损失。根据有关资料研究表明由于焊接使得结构存在多种焊接缺陷。
上图表明焊接的碳钢试件断裂强度在不同温度下的总趋向，以及尖锐缺口和残余应力对断裂强度的影响。
当试件没有尖锐缺口时，断裂的载荷将相应于试验温度下的材料强度极限，如曲线PQR所示。试件有尖锐缺口，但没有残余应力时，引起的断裂的应力用曲线PQ-SUT。当温度高于断裂转变温度Tf时，在高应力作用下发生高能量断裂。当温度低于断裂转变温度Tf时，断裂应力降低到接近于屈服应力。如果在高残余拉应力区存在有一个缺口，则可能发生以下各种形式的断裂：
（1）温度高于Tf时，断裂应力等于强度极限（曲线PQR），残余应力对断裂应力没有影响。
（2）温度低于Tf时，但温度高于止裂温度Ta时，裂纹可能在低应力下始发，但被止住。
（3）温度低于Ta时，根据断裂始发时应力水平将发生两种情况之一：
a）如果应力低于临界应力WV，裂纹将在扩展一段距后被止住。
b）如果应力高于临界应力WV，将发生完全断裂。
2.3对疲劳强度的影响
钢材在循环应力多次反复作用下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应力叠加后，应力幅值产生变化，将对结构抗疲劳强度产生影响。在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。结合某研究所曾对起重机箱型梁制作成模拟梁做疲劳强度试验（用30根分别进行），我们从中了解到了一些小结论：
（1）各梁疲劳破坏时初始裂纹均发生在梁焊接应力最大处。证明焊接结构承受载荷疲劳破坏是在焊接残余应力最大处发生。
（2）焊接结构若焊缝质量高、无缺陷，则结构承受载荷时，焊接残余应力对疲劳强度无明显影响。
（3）焊缝存在缺陷，则初始裂纹会在焊接残余应力分布最大处，使梁的寿命降低。
3.结语
焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷，对结构的刚度、低温冷脆、疲劳强度等都有很大的影响。因此，应该加强关于残余应力对结构影响的研究，以便找出减小残余应力的措施，提高结构的安全性和可靠性。
【参考文献】
[1]钢结构设计原理.郑大出版社.
[2]机械设计手册（中册）（第一卷）（第二卷）.机械工业出版社.
[3]机械工程材料机械工业出版社.
【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。而在焊后收缩时，先冷部分就将受压，而后冷部分受拉。由于残余应力自相平衡，所以两部分的焊接应力叠加形成了横向焊接应力，这种应力分布要比纵向焊接应力复杂。总结来说就是“先焊压后焊拉”。
1.3厚度方向上的焊接应力
主要针对一些厚度较大的钢板有影响，一般大于40mm。由于在厚钢板的焊缝连接中，焊缝需要多层施焊，在厚度方向就存在先冷和后冷的状态，这就带来了在厚度方向的不均匀热胀冷缩。所以，不仅仅是在纵向和横向有残余应力，在厚度方向上也存在着残余应力。
2.残余应力对结构性能的影响
结构是保障建筑安全性和可靠性的重要方面，所以结构的工作性能能否正常的发挥就显得非常重要。残余应力是构件还未承受荷载而早已存在构件截面上的初应力，在构件受力过程中，与构件所受的其它荷载引起的工作应力相互叠加，不但会降低结构的刚度和稳定性，而且还会严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能力等。下面将从这几个方面阐述焊接残余应力对结构工作性能的影响：
2.1对结构刚度的影响
构件上的焊接残余应力的存在会降低结构的刚度。在构件受荷载时，当外荷载产生的应力与构件中某个区域的残余应力叠加之和达到材料的屈服点时，该区域的材料就会产生局部的塑性变形，该部分的应力不再增加，而在达到屈服点部分的材料，其弹性模量近于0。这样从构件截面性能来讲，构件的刚度减小，构件抵御变形的能力下降。所以当构件受力超过了局部塑性的应力，构建的变形加速，这对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容许忽视的。
2.2对低温冷脆的影响
焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的，必须引起足够的重视。脆性断裂一般都是在应力不高于结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生的，并瞬时扩展到结构整体，事先不易发现和预防，因此往往造成人身伤亡和巨大的财产损失。根据有关资料研究表明由于焊接使得结构存在多种焊接缺陷。
上图表明焊接的碳钢试件断裂强度在不同温度下的总趋向，以及尖锐缺口和残余应力对断裂强度的影响。
当试件没有尖锐缺口时，断裂的载荷将相应于试验温度下的材料强度极限，如曲线PQR所示。试件有尖锐缺口，但没有残余应力时，引起的断裂的应力用曲线PQ-SUT。当温度高于断裂转变温度Tf时，在高应力作用下发生高能量断裂。当温度低于断裂转变温度Tf时，断裂应力降低到接近于屈服应力。如果在高残余拉应力区存在有一个缺口，则可能发生以下各种形式的断裂：
（1）温度高于Tf时，断裂应力等于强度极限（曲线PQR），残余应力对断裂应力没有影响。
（2）温度低于Tf时，但温度高于止裂温度Ta时，裂纹可能在低应力下始发，但被止住。
（3）温度低于Ta时，根据断裂始发时应力水平将发生两种情况之一：
a）如果应力低于临界应力WV，裂纹将在扩展一段距后被止住。
b）如果应力高于临界应力WV，将发生完全断裂。
2.3对疲劳强度的影响
钢材在循环应力多次反复作用下裂缝生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳。残余应力的存在使变荷载产生的应力与残余应力叠加后，应力幅值产生变化，将对结构抗疲劳强度产生影响。在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。结合某研究所曾对起重机箱型梁制作成模拟梁做疲劳强度试验（用30根分别进行），我们从中了解到了一些小结论：
（1）各梁疲劳破坏时初始裂纹均发生在梁焊接应力最大处。证明焊接结构承受载荷疲劳破坏是在焊接残余应力最大处发生。
（2）焊接结构若焊缝质量高、无缺陷，则结构承受载荷时，焊接残余应力对疲劳强度无明显影响。
（3）焊缝存在缺陷，则初始裂纹会在焊接残余应力分布最大处，使梁的寿命降低。
3.结语
焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷，对结构的刚度、低温冷脆、疲劳强度等都有很大的影响。因此，应该加强关于残余应力对结构影响的研究，以便找出减小残余应力的措施，提高结构的安全性和可靠性。
【参考文献】
[1]钢结构设计原理.郑大出版社.
[2]机械设计手册（中册）（第一卷）（第二卷）.机械工业出版社.
[3]机械工程材料机械工业出版社.