焊接残余应力对结构强度的影响
引言
焊接作为材料连接的关键工艺，广泛应用于现代工业各领域。但在焊接过程中，因局部快速加热与冷却，不可避免地产生焊接残余应力。这种残余应力长期留存于焊接结构内部，对结构强度与稳定性影响重大。深入剖析焊接残余应力的影响因素，以及其对结构静载和疲劳强度的作用机制，对优化焊接结构设计、提升结构可靠性与安全性意义非凡。
1、焊接残余应力的产生及影响因素
1.1 产生过程
焊接是典型的不均匀加热过程。在焊接热源作用下，焊缝及邻近区域金属迅速升温，因热胀冷缩，该部分金属体积膨胀。但周围低温金属对其膨胀形成约束，致使焊缝及近缝区金属受压。焊接结束后，这部分金属冷却收缩，又受周围已冷却金属制约，从而在焊件内部形成残余应力。且残余应力的分布与大小，受焊接工艺、材料特性及焊件几何形状等多种因素共同作用。
1.2 影响因素
1.2.1 焊接工艺参数
焊接电流和电压：二者直接决定焊接热输入。较大的电流与电压会使热输入显著增加，导致焊缝及附近区域温度大幅升高，热胀冷缩加剧，进而产生更大的残余应力。以手工电弧焊为例，当焊接电流从150A增至200A时，焊缝中心残余拉应力可能升高20-30MPa（因材料和焊件尺寸不同，具体数值会有差异）。
焊接速度：焊接速度对残余应力影响显著。速度慢时，焊件受热时间长，热影响区范围扩大，残余应力相应增大；提高焊接速度，单位时间热输入减少，热影响区变窄，残余应力降低。如熔化极气体保护焊（GMAW）与激光焊（LW）焊接10mm厚钢板（全熔透），GMAW需开坡口且焊4层，而LW只需焊一遍，LW因能量集中、焊接速度高、坡口小等特点，产生的焊接变形和应力更小。不同熔化焊工艺方法对变形和应力影响排序为：激光焊/电子束焊<小孔等离子焊<钨极氩弧焊<熔化极气体保护焊<焊条电弧焊<埋弧焊。
1.2.2 材料特性
热物理性能：材料的热膨胀系数、导热系数等热物理性能对残余应力影响关键。热膨胀系数大的材料，在焊接热循环中热胀冷缩程度大，更易产生较大残余应力。如铝合金热膨胀系数约为低碳钢的2倍，相同焊接条件下，铝合金焊接结构残余应力通常比低碳钢结构大。
力学性能：材料的屈服强度和弹性模量等力学性能也影响残余应力。屈服强度低的材料，在焊接热应力作用下易发生塑性变形，从而部分释放残余应力；弹性模量较大的材料，对变形约束能力强，可能导致更高的残余应力。
1.2.3 焊件几何形状和尺寸
焊件形状：复杂形状焊件在焊接时，不同部位热传递和约束条件差异大，易产生不均匀的残余应力分布。像T形接头、十字接头等几何不连续的接头形式，在焊缝交叉处常出现较高的残余应力集中。
上面两个图所示的结构，传递同样的载荷P（大小和方向相同），但是图a）的全部载荷全部由中间的唯一一块连接板及其焊缝来承担，而图b）却由两块连接板及它们的双倍速数量的焊缝来承担，显然，图a）比图b）要焊接更大焊角，会有更多的热量积累，从而产生更大的焊接残余变形和应力。
焊件尺寸：焊件尺寸大小影响残余应力。一般焊件尺寸越大，焊接中热传导和热扩散路径越长，热不均匀性越明显，残余应力越大；同时，大尺寸焊件冷却时受外部约束更大，进一步加剧残余应力产生。
坡口类型和尺寸：坡口是决定焊接填充量，也是决定热输入的直接因素，坡口越大（角度、深度、间隙），则热输入越大，变形和应力也越大，如下图所示。
2、焊接残余应力对静载强度的影响
2.1 对塑性材料结构的影响
对于塑性良好的材料制成的焊接结构，在静载作用下，焊接残余应力通常对整体静载强度影响不明显。因为外加载荷逐渐增加时，首先在残余拉应力最大处（如焊缝）材料发生屈服，应力不再增加，应变持续增大。随着外加载荷进一步增加，屈服区域扩大，材料塑性变形不断发展，直至整个结构达到屈服状态。此过程中，焊接残余应力通过材料塑性变形部分或全部释放。
例如低碳钢焊接梁结构承受垂直静载时，若焊缝处有较大残余拉应力，外加载荷较小时，焊缝处应力为残余拉应力与外加载荷应力叠加。随着载荷增加，焊缝处材料先达到屈服强度，应力不再升高，应变持续增大，应力开始重新分布，其他部位材料逐渐承担更多载荷，直至梁结构屈服破坏，焊接残余应力未降低结构极限承载能力。
2.2 对脆性材料结构的影响
然而，对于脆性材料制成的焊接结构，焊接残余应力可能严重降低其静载强度。脆性材料塑性变形能力差，较小应力作用下就可能断裂。当焊接残余拉应力与外加载荷拉应力叠加后，局部应力可能超过材料抗拉强度，导致结构在较低外加载荷下发生脆性断裂。
以铸铁焊接结构为例，铸铁塑性极低，焊接残余应力难以通过塑性变形释放。若焊接产生较大残余拉应力，承受静载时，残余拉应力与外加载荷拉应力叠加，可能使焊缝或热影响区局部应力超过铸铁抗拉强度，引发脆性断裂，大幅降低结构静载强度。
此外，焊接残余应力虽一般不影响整体静载承受能力，但会引发局部问题。残余拉应力会使焊缝局部区域应力三轴度增加，降低材料断裂韧度，在厚板中尤为突出，可能形成三轴拉应力状态，促进材料内部孔洞形核与聚合，降低临界断裂应变，导致低载荷下开裂。焊缝处几何缺陷（如咬边、未焊透等）与残余拉应力耦合，可能使局部峰值应力远超设计及许用应力值，加速静载下裂纹萌生。在低温工况或存在裂纹/缺陷时，残余应力可能直接诱发脆性断裂。焊接残余应力还可能引起局部稳定性问题，如残余压应力使受压构件部分区域提前屈服，残余应力分布不均引发局部屈曲（薄壁结构中更显著），导致结构在静载下变形量超出预期。
3、焊接残余应力对疲劳强度的影响
3.1 影响机制
焊接残余应力对结构疲劳强度影响显著。在循环载荷作用下，残余拉应力与外加载荷拉应力叠加，提高焊接接头实际应力水平，降低疲劳裂纹萌生门槛值，加速疲劳裂纹形成与扩展。同时，残余应力改变材料微观组织结构，导致位错运动、晶界滑移等微观变形行为变化，进一步促进疲劳裂纹扩展。
例如焊接接头焊缝根部常存在较大残余拉应力，结构承受循环载荷时，焊缝根部实际应力范围增大，疲劳裂纹更易在此萌生。一旦裂纹萌生，残余拉应力使裂纹尖端应力强度因子增大，加速裂纹扩展速率，大幅降低结构疲劳寿命。
3.2 案例分析
以某汽车车架焊接结构为例，该车架采用高强度合金钢，焊接工艺为二氧化碳气体保护焊。实际使用中承受复杂循环载荷，经实验测试，焊接接头处残余拉应力最大值达250MPa。对车架进行疲劳试验，在一定循环载荷幅值下，疲劳寿命仅为5×105次循环。对部分车架焊接接头采用振动时效工艺消除残余应力，处理后残余应力降至50MPa以下，再次进行相同条件疲劳试验，疲劳寿命提高到1.2×106次循环，提高约140%。该案例充分表明焊接残余应力对结构疲劳强度的负面影响，消除残余应力可显著提升焊接结构疲劳寿命。
不过，对于残余应力对疲劳寿命的影响，学术界观点有一定差异。部分研究认为，与应力集中相比，残余应力对焊接结构疲劳寿命影响较小，且随着裂纹扩展，残余应力会重新分布或减小。如董平沙教授通过大量统计数据表明此观点，2012年版法国标准也指出残余应力不是影响疲劳结果的主要参量，英国焊接研究所Gurney博士认为只要材料有塑性，残余应力不影响其承受动载能力。但研究和试验也表明，焊接残余应力对薄板焊件、细长构件等，会降低发生屈曲的门槛。
4、结论
焊接残余应力是影响焊接结构强度的关键因素。其产生受焊接工艺参数、材料特性及焊件几何形状和尺寸等多种因素综合作用。
在静载强度方面，对塑性材料结构影响较小，但严重降低脆性材料结构静载强度，并引发诸多局部问题。
在疲劳强度方面，残余拉应力显著降低结构疲劳寿命，通过叠加外加载荷应力幅和改变材料微观结构等机制加速疲劳裂纹萌生与扩展，尽管学术界对其影响程度存在一定争议，但对特定结构（如薄板焊件、细长构件）的不利影响较为明确。
通过合理控制焊接工艺、选择合适材料以及采用有效的残余应力消除措施，可降低焊接残余应力对结构强度的不利影响，提升焊接结构的可靠性和使用寿命。在实际工程应用中，必须充分考量焊接残余应力的影响，进行科学的结构设计和强度分析，以保障焊接结构的安全稳定运行。
