焊接残余应力有纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和厚度方向的残余应力,这些应力都是由焊接加热和冷却过程中不均匀收缩变形引起的。

1)纵向焊接残余应力

焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。如图3.41所示,在施焊时,焊件上产生不均匀的温度场,焊缝及其附近温度最高,达1600℃以上,其邻近区域温度则急剧下降。

图3.41　焊接时焊缝附近的温度场

不均匀的温度场产生不均匀的膨胀,高温处的钢材膨胀最大,但受到两侧温度较低、膨胀较小的钢材的限制,产生了热状态塑性压缩。焊缝冷却时,被塑性压缩的焊缝区趋向于缩得比原始长度稍短,这种缩短变形受到两侧钢材的限制,使焊缝区产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中,这种拉应力经常会达到钢材的屈服强度。

焊接残余应力是一种在没有外荷载作用下的内应力,因此会在焊件内部自相平衡。这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力。如用3块板焊成的工字形截面,焊接残余应力的分布如图3.42所示。

图3.42　焊缝纵向的残余应力

2)横向焊接残余应力

横向焊接残余应力产生的原因:一是由于焊缝纵向收缩,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,于是在焊缝中部产生横向拉应力,而在两端产生横向压应力,如图3.43(a)所示。二是焊缝在施焊过程中,先后冷却的时间不同,先焊的焊缝已经凝固,且具有一定的强度,会阻止后焊焊缝在横向的自由膨胀,使其发生横向的塑性压缩变形。当先焊部分冷却时,中间焊缝部分逐渐冷却,后焊部分开始冷却。后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力,同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力。由杠杆原理可知,横向残余应力分布如图3.43(b)所示。(www.daowen.com)

图3.43　焊缝的横向残余应力

横向收缩引起的横向应力与施焊方向和先后次序有关,如图3.44所示。焊缝的横向残余应力是上述两种原因产生的应力合成的结果,如图3.44(d)就是图3.44(a)和3.44(b)应力合成的结果。

图3.44　不同施焊方向时的横向残余应力

3)沿焊缝厚度方向的残余应力

在厚钢板的连接中,焊缝需要多层施焊。因此,除有纵向和横向焊接残余应力σx,σy外,还存在着沿钢板厚度方向的焊接残余应力σz,如图3.45所示。这3种应力形成比较严重的同号三轴应力,大大降低了结构连接的塑性。

图3.45　厚度方向的焊接应力