第一篇：FPSO典型焊接接头残余应力释放及其对疲劳强度的影响

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pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。49 卷 第 4 期(总第 184 期)202_ 年 12 月

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SH IPBU I I G O F CH I LD N NA.V o l 49 N o.4(Serial N o.184)D ec.202_ 文章编号: 100024882(202_)04200522009 FPSO 典型焊接接头残余应力释放

及其对疲劳强度的影响

李良碧, 王自力 摘 要

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 江苏 镇江 212003)为了在估算结构疲劳强度时计及残余应力释放的作用, 合理地解释在以往焊接接头疲劳试验中不能解

释的试验结果, 借助三维弹塑性有限元法, 研究了 FPSO 典型焊接接头在任意变幅循环载荷作用下的残余应 力释放规律, 建立了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放大小与残余应力和外载荷大小之间的计算公 式, 从而定量地分析了残余应力的释放, 提高了疲劳强度估算的准确性和可靠性。

关 键 词: 船舶、舰船工程;FPSO;焊接接头;残余应力释放;疲劳;有限元法

中图分类号: U 661.4

文献标识码: A

引 言

当焊接结构由外载荷产生的应力和残余应力相叠加时, 常常会使应力超过材料的屈服强度, 一部分 与残余应力相关的弹性应变就转化为塑性变形, 因此, 残余应力就产生了释放现象, 即残余应力在循环 载荷的作用下逐渐消失[ 1～ 3 ]。众所周知, 船舶等结构在服役期间, 由于波浪载荷所产生的应力与初始残余应力叠加, 会使结构提

前到达材料的屈服应力, 在很大程度上降低了结构的疲劳强度。但实际上, 船舶服役前, 如进行油船试验 和压载, 船舶焊接结构所承受的静载荷远远大于在服役期间所承受的常规波浪载荷[ 4 ] , 结构中较高的初 始残余应力已被释放。浮式生产储油卸油船(FPSO)和海洋平台等承受波浪载荷作用的结构, 特别是油 船和散货船的腹板框架结构, 对残余应力释放特别敏感[ 5 ]。尽管国内外众多学者对残余应力的释放进行过一些探讨[ 1～ 12 ] , 但很少有文献报导从疲劳角度来定 量地分析焊接残余应力释放及其对疲劳强度的影响, 因此, 常有一些焊接结构的疲劳试验结果不能被合 理地解释[ 13, 14 ]。本文借助三维弹塑性有限元法, 研究了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放的规 律, 建立了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放大小与残余应力和外载荷大小之间的计算公式, 最 后分析了残余应力释放对结构疲劳强度的影响, 合理地解释了某些疲劳试验的结果。2 典型焊接接头残余应力释放的有限元分析

本文借助较简单的内应变有限元法[ 15 ] 来模拟焊接残余应力, 借助弹塑性有限元法分析残余应力的 ① 将内应变输入模型;② 通过应力和应变的自平衡分析得到初始残余应变和应力;释放, 分析步骤如下: 收稿日期: 2007204230;修改稿收稿日期: 2008202220 49 卷 第4 期(总第184 期)

李良碧, 等: FPSO 典型焊接接头残余应力释放及其对疲劳强度的影响

③ 利用弹塑性有限元法, 分析在不同的外载荷作用下残余应力的释放。须指出的是, 由于纵向残余应力在这些结构形式中与疲劳强度密切相关, 所以本文讨论的都为结构 的纵向应力。2.1 模型 从几何结构和承受载荷形式的角度, 作者选出能代表浮式生产储油卸油船典型焊接结构形式的四 种焊接接头模型进行研究。模型的几何尺寸和结构形式如图 1 所示, 材料都为船用钢, 厚度为 10mm。模 型

1、模型 2 和模型 3 材料的屈服强度为 315M Pa, 模型 4 材料的屈服强度为 350M Pa。

(a)模型 1

(b)模型 2(c)模型 3

(d)模型 4 图 1 模型的几何尺寸

有限元模型如图 2 所示。根据模型的结构特点, 模型 1, 模型 2 和模型 3 采用 1 8 对称结构和 x、、y z 轴对称的边界条件;模型4 则采用1 2 对称结构和 y 轴对称边界条件。有限元模型考虑了焊角形状, 加密 了焊趾周围的网格划分, 采用 20 节点的 So lid 单元。通过网格划分的灵敏度分析, 可得出在焊趾处采用

1.6mm ×2mm ×2.5mm 的网格尺寸是合适的和节省计算时间的。54 中

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(a)模型 1

(b)模型 2(c)模型 3

(d)模型 4 图 2 有限元模型

2.2 循环载荷作用下残余应力的释放 2.2.1 试验载荷及残余应力的释放

为防止对海洋的污染, 油船通常采用双层壳结构[ 4 ]。满载时, 油船结构承受的预载荷达到材料屈服 强度的50% 到80%。为了研究残余应力释放对结构疲劳强度的影响, 韩国现代重工[ 14 ] 对FPSO 典型焊接 接头加以不同的静态预载荷(表 1)进行残余应力释放的试验研究。试验时的载荷工况为 载荷工况 1: 未加预载荷;载荷工况 2 : 预载荷为 0.5Ρy(Ρy 为屈服应力)的名义拉伸应力;载荷工况 3: 预载荷为 0.85Ρy 的名义拉伸应力。表 2 列出了模型 1 离焊趾 2mm～ 2.5mm 处的纵向残余应力有限元分析值与试验测量值[ 14 ]。图 3 示 出了模型 1 的主板宽度方向上, 纵向残余应力分布的有限元分析结果与测量结果[ 14 ]。从图 3 和表 2 中可 看出: ① 随着预载荷的增加, 焊接残余应力不断降低;② 残余应力的释放只改变应力值, 不改变残余应力的分布特征;③ 残余应力的释放使残余应力的绝对值相应变小;④ 有限元分析结果与试验结果总体上一致, 因此, 利用有限元分析残余应力释放是合适的。

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表 1 静态预载荷

须指出的是, 表 2 中 Ρx 为纵向残余应力;?Ρx 为残余应力释放前后的差值;Ρx 为纵向残余应力的测 量均值。

2.2.2 循环次数不同的循环载荷及残余应力的释放

图 3 主板宽度方向上纵向残余应力 Ρx 随离中心线距离 l 的变化(模型 1)本文借助有限元法分析了循环次数不同的循环载荷对残余应力释放的影响。图 4 示出了模拟的带 预载荷的循环载荷, 这些循环载荷的共同特点是有相等的预载荷值和等幅循环载荷, 不同的只是等幅循 环载荷的循环次数。56 中

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(a)预载荷+ 1 个循环

(b)预载荷+ 5 个循环

(c)预载荷+ 10 个循环

图 4 循环次数不同的循环载荷

一般来说, 结构的热点应力和缺口应力 与疲劳强度密切相关, 因此本文选择了与结 构疲劳热点和疲劳缺口应力相关的节点应力 进行分析。在循环次数不同的循环载荷作用 下, 模型 1 与疲劳相关点的残余应力释放如 图 5 所示。由图 5 可见, 残余应力的释放仅限 于第一个循环。其它模型也有类似的情况。从试验的观点出发[ 1 ] , 循环载荷在循环 了 107 次后, 残余应力完全释放后的值与只 循环一次的残余应力值之比只有轻微的下 降。文献 [ 5 ] 对船舶上的开孔结构在整个寿命 期间的疲劳及残余应力的重分布进行了调 查: 经过一次满载航行后, 根据计算, 残余应 力的分布比较稳定。文献 [ 8 ] 也得到了同样的 结论。因此, 用循环载荷的第一个循环来分析

图 5 循环次数 N 不同的循环载荷 对残余应力 Ρx 释放的影响(模型 1)这种载荷工况模式的残余应力释放已足够了。其它模型也有相同的规律。2.2.3 简单变幅循环载荷及残余应力的释放 FPSO 经历满载和卸载, 不断重复着中垂和中拱的受力状态, 而且, 经常航行或工作在具有不同海 况的区域, 经历多变的波浪载荷, 因此, 为方便计算, 首先选择较简单的变幅循环载荷(图 6)来模拟波浪 载荷, 分析其对残余应力释放的影响。在载荷工况C 1 中, 第1 个循环的幅值是最高的;在载荷工况C 2 中, 第 4 个循环的幅值是最高的;它们的共同特点是具有相等的循环载荷的最高幅值。

(a)载荷工荷 C 1

(b)载荷工荷 C 2 图 6 简单的变幅循环载荷(5 次循环)两种简单变幅载荷对残余应力的释放如图7 所示。同样选择了与疲劳相关的节点应力来研究。从图

可见, 在载荷工况C 1 中, 残余应力的释放仅限于第1 个循环;而在载荷工况C 2 中, 残余应力的释放出现

在第 2 个和第 4 个循环中。图 7 中实心点代表残余应力将在相应圆圈所示的循环中释放。从图 7 亦可看 出, 两种载荷工况在循环载荷结束后, 具有相等的残余应力释放值, 其原因在于它们所受循环载荷的最

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高幅值相等。

(a)载荷工况 C 1

(b)载荷工况 C 2 基于上述分析可知, 残余应力释放的程度是由循环载荷中的最高幅值所控制。残余应力释放后, 若 再经历同等或较小幅值的循环载荷, 残余应力将不再继续释放。文献 [ 16 ] 也有相似的结论。其他相似结 构承受相似载荷工况也有类似的释放规律。2.2.4 变幅循环载荷及残余应力的释放 为了较准确地估算焊接构件在任意复杂载荷工况下的疲劳强度, 需得到残余应力释放值的大小。表 3 列出了不同预载荷的变幅循环载荷。表 3 有不同预载荷的变幅循环载荷 M Pa 载荷工况 1 2 3 4 5 6 4 个模型疲劳热点处的残余应力经历最高循环幅值后的值与初始残余应力值的比率(Ρres)afterm ax(Ρres)in i 和 {(Ρres)ini + Ρapp } Ρy(Ρapp 为外加应力)与 1 的比率如图 8 所示。

由图 8 可见, 当 {(Ρres)in i + Ρapp } Ρy < 1 时, 残余应力不会释放;当 {(Ρres)in i + Ρapp } Ρy 超过 1 时,(Ρres)afterm ax(Ρres)in i 随着 {(Ρres)in i + Ρapp } Ρy 的增加而线性下降;当残余应力完全释放时, {(Ρres)in i + Ρapp } Ρy 的值达到 1.9, 超过这个值, 拉伸残余应力将转变为压缩残余应力。基于上述的分析, 可将图 8 中

疲劳热点残余应力释放规律归纳为 {(Ρres)in i + Ρapp } Ρy < 1,(Ρres)2cycle(Ρres)in i = 1;(1)

{(Ρres)in i + Ρapp } Ρy ≥ 1,(Ρres)afterm ax(Ρres)in i =-1.1[ {(Ρres)in i + Ρapp } Ρy ] + 2.1 由于式(1)已将材料的屈服应力进行了正则化, 所以式(1)也适用于分析不同钢种的残余应力释放, 而且式(1)亦可应用于其他相似的焊接件。3 残余应力释放对结构疲劳强度影响的讨论

为了研究 FPSO 典型焊接接头的残余应力释放及其对疲劳强度的影响, 韩国现代重工进行了试验

图 7 变幅循环载荷下残余应力 Ρx 的释放(模型 1)预载荷 0 0.25Ρ0 0.65Ρ0 0.75Ρ0 0.85Ρ0 0.5Ρ0 s(循环载荷中的最大名义应力幅值)80, 100, 120, 140, 160, 180 58 中

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研究[ 14 ]。疲劳试验分析了 4 个模型(图 1)在不同预载荷(P re 2load)(表 1)和相同循环应力幅值(?S)(图 9)作用下, 具有初始残余应力的典型焊接接头的疲劳强度, 得到了相应的疲劳曲线, 模型 1 的疲劳结果 如图 10 所示。从图 10 可见:(1)预载荷明显地影响结构的疲劳强度;随 着预载荷的增加, 疲劳强度增加, 在低应力循环时 特别明显;从理论的角度来分析, 随着预载荷的增 加, 即式(1)中的 Ρapp 增加,(Ρres)afterm ax(Ρres)in i 的 其他模型也有类似的情况。值则相应减小, 这意味着残余应力释放程度增加, 释放后的残余应力降低, 结构的疲劳强度会增强。理论分析和试验研究的结果相一致, 残余应力释 放的公式(1)成功地阐述了这个疲劳试验现象。

(2)在低周循环时, 残余应力的释放主要由较高的名义应力控制, 因此, 三种载荷工况的疲劳强度

在高应力范围都很接近。(3)载荷工况 1 和载荷工况 2 与载荷工况 3 相比较接近, 这是因为载荷工况 1 即使是在没有预载荷

100M Pa 时, 意味着存在相当于 25% 材料屈服强度的预载荷。

的情况下, 只要具备合适的外载荷和残余应力, 残余应力释放同样会产生。例如, 当模型 1 的名义应力为 4 结 论

综上所述, 本文的主要结论归纳如下:(1)残余应力释放只改变残余应力的大小, 不改变残余应力的分布形状, 并且残余应力的绝对值相

应变小。(2)通过有限元分析, 建立了疲劳热点处残余应力在变幅循环载荷下释放的计算公式。当外载荷产

生的应力和残余应力的叠加, 使疲劳热点应力超过了材料的屈服强度时, 残余应力释放就会发生, 超过

图 8 4 个模型随 {(Ρres)in i + Ρapp } Ρy 变化的(Ρres)afterm ax(Ρres)ini 值

相同循环应力幅值 ?S 下的 ?S ～ N 图 9 不同预载荷(P re 2load)和 f 曲线(模型 1)49 卷 第4 期(总第184 期)

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图 10 在不同预载荷下的 S ～ N f 曲线(模型 1)材料屈服应力的大小决定了残余应力释放的程度, 并且本文导出的残余应力释放规律的计算公式(1)亦 可适用于不同的钢种和其他相似的焊接件。(3)残余应力释放的程度是由循环载荷中的最高幅值所控制的。残余应力释放后, 若再经历同等或 较小幅值的循环载荷, 残余应力将不再继续释放。(4)在低应力循环处, 预载荷明显地影响了疲劳强度;当残余应力释放发生时, 随着预载荷的增加, 疲劳强度增加了;在低周循环时, 残余应力的释放主要由较高的名义应力控制。致谢: 本文的研究工作得到挪威科技大学M OAN T 教授、上海交通大学黄小平教授的 ZHAN G B 博士、指导和中国留学基金委的资助, 特此致谢。参考文献: [ 1 ] HAN S, L EE T and SH I B.R esidua l stress relaxa tion of w elded steel com ponen ts under cyclic load [J ].Steel N [ 2 ] DA T TOM A V , G I R G IM D and NOB I E R.N um erica l eva lua tion of residua l stress relaxa tion by cycle load O L [ 3 ] II DA K, YAM AM O TO S and TA KANA SH IM.R esidua l stress relaxa tion by reversed loading [J ].W elding in [ 4 ] K I W S, TOM ITA Y, HA SH I O TO K and O SAW A N.Effects of sta tic load on fa tigue strength of sh ip M M structu re [A ].P roceedings of the Seven th(1997)In terna tiona l offsho re and Po la r Engineering Conference [C ].Hono lu lu, U SA , M ay 25230, 1997.(2): 10216.the W o rld, 1997, 39: 39245.[J ].Jou rna l of Stra in A na lysis fo r Engineering D esign, 202_, 39: 6632672.R esea rch, 202_, 73: 4142420.[ 5 ] ECKERL I J and U L FVA R SON A.R edistribu tion of in itia l stresses in sh ip structu ra l deta ils and its effect on D [ 6 ] 刘凯欣, 张晋香, 刘 颖, 李晓杰, 张 凯.爆炸法消除焊接接头残余应力的数值模拟 [J ].应用力学学报, 202_, 21 [ 7 ] ZHAN G B and TO R GE IR M.M ean stress effect on fa tigue of w elded jo in t in FPSO S [A ].25th In terna tiona l Conference on O ffsho re M echan ics and A rctic Engineering [C ].H am bu rg, Germ any, 202_.[ 8 ] In terna tiona l a ssocia tion of cla ssifica tion societies.JB P 2I CS Comm on R u les fo r B u lk Ca rrier[S ].J anua ry 202_.A [ 9 ] HU AN G X P, TO R GE IR M.I p roved m odeling of the effect of R 2ra tio on crack grow th ra te [J ].In terna tiona l m fa tigue [J ].M a rine Structu res, 1995, 8: 3852406.60 中

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of residua l st ress relaxa t ion, residua l st ress and the app lied load under va riab le am p litude cyclic load ing is revea led.T h rough quan t ita t ive ana lysis of residua l st ress relaxa t ion, the veracity and reliab ility of fa t igue st reng th a ssessm en t a re im p roved, and som e fa t igue behavio rs of these k ind s of w eld jo in t s in exp erim en t s cou ld be exp la ined rea sonab ly.St ructu ra l m em bers of FPSO ′ hu ll often undergo fa irly la rge sta t ic load ing befo re they en ter s service o r va riab le am p litude cyclic load ing w hen they a re in service.T he com b ined effect of app lied st ress and h igh in it ia l residua l st ress is exp ected to cau se the residua l st ress relaxa t ion.H ence, the effect of residua l st ress relaxa t ion m u st be con sidered fo r fa t igue st reng th a ssessm en t of th is k ind of st ructu re.In th is p ap er, residua l st ress relaxa t ion of som e typ ica l w eld connect ion s in sh ip 2shap ed st ructu res is invest iga ted w ith 32 ela st ic2 la st ic fin ite elem en t m ethod.T he rela t ion of the m agn itude D p Key words: sh ip eng ineering;FPSO;w eld jo in t s;residua l st ress relaxa t ion;fa t igue;fin ite elem en t m ethod [ 10 ] HA YAM A T.Effect of residua l stress on fa tigue strength of induction 2ha rdened steel [J ].B u lletin of J SM E, [ 14 ] H yunda i H eavy Indu stries Co., L td..Fa tigue test of typ ica l w eld jo in ts[R ].Ko rea, 202_.Jou rna l of Engineering M a teria l and T echno logy, 202_, 118(4): 2292234.[15 ] YU AN M G and U EDA Y.P rediction of residua l stresses in w elded T 2 and I2 in ts u sing inheren t stra in s [J ].Jo [ 16 ] LO T SB ER G I A ssessm en t of fa tigue cap acity in the new bu lk ca rrier and tanker ru les [A ]..Conference on Com p u ter M ethods in M a rine Engineering [C ], B a rcelona, Sp an ish, 202_.Conference [C ], K itakyu shu, J ap an, M ay 26231, 202_.FPSO [C ].Hono lu lu, U SA , 202_.and Po la r Engineering Conference [C ].Tou lon, F rance, M ay 23228, 202_.1975, 18: 119421120.residua l stress relaxa tion [ A ].[ 11 ] L EE T K, NAM Y Y, SEU N G H H and SH I B C.A new m odel fo r the fa tigue life p rediction con sidering N P roceedings of the Tw elfth In terna tiona l O ffsho re and Po la r Engineering [ 12 ] HAN J W , SEU N G H H , SH I B C and K I J H.Eva lua tion of fa tigue life ba sed on a m odified no tch stra in N M app roach con sidering w elding residua l stress relaxa tion [A ].P roceedings of the Fou rteen th In terna tiona l O ffsho re 作 者 简 介

李良碧 女, 1971 年生, 硕士, 博士研究生, 讲师。主要从事船舶与海洋工程结构响应方面的研究工作。王自力 男, 1964 年生, 博士, 教授。主要从事船舶与海洋工程结构响应方面的研究工作。

[ 13 ] K I W S, LO T SB ER G I Fa tigue test da ta fo r w elded connection s in sh ip 2shap ed [A ].P roceedings of OM A E 2.M In terna tiona l Jou rna l of Fa tigue, 202_, 29: 5912602.Residua l Stress Relaxa tion in Typ ica l W eld Jo in ts of FPSO s and Its Effect on Fa tigue Strength L I L iang 2b i, AN G Zi2li W Abstract(Schoo l of N ava l A rch itectu re and O cean Eng ineering, J iang su U n iversity of Science and T echno logy, Zhen jiang J iang su 212003, Ch ina)

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第二篇：焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结

焊接残余应力的产生原因及控制方法的总结

摘要：焊接应力是焊接构件产生裂纹和变形的主要因素，对焊接质量影响较大。因此，理解和掌握焊接残余应力的产生原因及控制方法，就显的非常重要。本文对焊接残余应力的产生对结构的影响、焊接残余应力的预防及焊接残余应力的消除方法，进行了全面的归纳和总结，为学生能更好地理解和掌握焊接残余应力的相关知识，起到了一定的帮助作用

关键词：焊接应力产生原因控制方法 焊件在焊接过程中，由于受到了不均匀的局部加热和冷却，使焊件产生了不均匀的体积膨胀和收缩，导致焊件内部产生了焊接残余应力，而焊接残余应力又是产生裂纹和变形的主要因素。因此，为让学生能够真正理解和掌握焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力对焊件产生的影响及如何减少和消除焊接残余应力等内容，帮助学生为今后从事焊接工作打下良好的理论基础。下面就焊接残余应力的相关知识，进行归纳和总结。

一、焊接残余应力的产生

1、焊件在焊接过程中，其焊缝高温区的膨胀受到了周边低温区的限制与挤压，使高温区域产生局部压缩塑性变形，当焊件在冷却过程中，受到局部压缩产生塑性变形的金属由于不能自由收缩，而受到低温区的拉伸，这时，焊件中就产生了一个与焊件加热时产生的应力方向相反的应力，即焊接残余应力，又称温度应力。

2、焊缝在高温向低温的冷却过程中，焊缝金属会发生二次相变，这种二次相变，会引起金属材料组织的变化，从而产生体积的变化，在焊接接头区域产生了应力，又称相变应力。

3、在焊接过程中，如对焊件采用刚性固定，那么，焊接后焊件变形减少，但应力却增加。反之，要使焊件残余应力减少，其变形量就要有一定的增加。但焊接应力与变形在一定条件下，都将影响到焊件的质量。所以，应力和变形要合理控制好。

4、焊接材料的屈服强度、导热系数、线膨胀系数、密度、比热容、焊件的形状与尺寸、焊接方法和焊接工艺等因素，对焊接残余应力的分布和大小都将产生较大的影响。

二、焊接残余应力对焊件结构产生的影响

1、对焊件结构刚度产生的影响当焊件某个区域所受的应力达到屈服点时，这一区域部分的金属材料就会产生局部塑性变形，无法再承受外载荷，从而导致焊接结构的有效截面减少，使焊接结构的刚度降低。

1）焊件中的拉伸应力区域越大，对焊接结构刚度的影响也越大。当卸载后，焊件残余变形也就越大。

2）焊件的结构受到弯曲时，如果焊缝所在区域的弯曲应力越大，则对焊件的刚度影响也越大。

3）当焊件的结构上，同时存在纵向焊缝和横向焊缝，或对焊件进行火焰校正时，都有可能在相当大的截面上产生拉伸应力，会对焊件的尺寸精度和焊件的稳定性产生较大的影响。

2、对焊件静载强度产生的影响对焊件静载强度的影响，主要取决于焊件材料。如焊接材料具有一定的塑性变形能力，则焊接残余应力并不会影响焊接结构的静载强度。当焊接材料处于脆性状态时，则有可能会使焊件局部区域在应力作用下，产生断裂现象，导致焊件结构的破坏。

3、对疲劳强度产生的影响。焊接构件的疲劳强度在焊件的应力集中处受到拉伸应力时会降低，因此，我们要从焊件的设计和工艺两方面来考虑降低应力集中系数，从而降低焊接残余应力对疲劳强度的影响程度。

4、对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响。随着机械加工中残余应力的平衡状态被破坏，将会使焊件产生新的变形，最终导致加工精度下降。另外，焊后组织的不稳定及稳定组织在温度升高时，都会使焊接残余应力产生较大的变化，导致焊件尺寸稳定性的下降。

5、对应力腐蚀开裂产生的影响。焊接残余应力的大小，直接影响应力腐蚀开裂的时间，焊接残余应力越大，焊件发生应力腐蚀的时间就越短。

三、焊接残余应力的减小和消除

1、焊接残余应力的减小措施。减少焊接残余应力和改善残余应力分布可以从设计和工艺两个方面来考虑解决。并且，要采取设计优先的原则，使减小焊接应力的措施，达到事半功倍的作用。

1）设计措施。（1）在保证焊件结构强度的前提下，可适量采用冲压结构，以减少焊接结构。尽量减少焊件焊缝的数量和截面尺寸。同时，焊缝不要过于集中，以防局部区域的热输入过大，尽量减少焊接残余应力的产生。（2）焊缝要尽量布置在最大工作应力区以外，防止焊接残余应力与外部载荷产生的应力叠加，影响结构的承载能力。并尽量防止焊缝过于集中、交叉，保持较好的焊接操作性。（3）采用降低局部刚度的方法和合理的接头形式，使焊缝能较自由的收缩，减少焊接接头产生应力集中现象。（4）采取热输入较小和能量密度集中的焊接方法来减小焊接残余应力。如氩弧焊与离子弧焊等。

2）工艺措施（1）在焊接过程中，要先焊错开的短焊缝、收缩量较大的焊缝和受力较大的焊缝。同时，根据不同的焊件结构采取相应的焊接顺序，这样才能使焊缝有较大的收缩自由，保证焊缝中的残余应力尽可能减少，并要保证焊件的焊接残余应力的分布要合理。（2）在焊接拘束度较大的焊缝时，要注意降低焊缝的拘束度。例如，可采用反变形法来降低焊件的局部刚度，减少了焊缝拘束应力。（3）采用合理的焊接工艺参数及合适的加工方法。如选用小直径焊丝、采用较小的焊接电流及提高焊接速度等方法来控制焊接热输入，也可采用预热、加热减应区及捶击等方法，来减少焊缝的焊接残余应力。

2、焊接残余应力的消除措施对易发生脆性断裂危险的截面、重要的压力容器和要保证尺寸精度、加工精度及刚度的结构，一定要进行消除应力处理。具体方法如下：

1）焊件热处理热处理包括焊件整体高温回火和焊件局部高温回火。它是把焊件整体或局部加热至600~650℃，保温后缓慢冷却，因加热温度在相变点以下，金属组织末发生变化，只是其屈服点降低了，使内部在残余应力作用下产生一定的塑性变形，使应力得以消除。值的注意的是，整体加热要注意保温时间，局部加热要保证有足够的加热宽度。

2）机械拉伸法对焊件施加载荷，使焊件压缩变形区域被拉伸，这样，可减少由焊接引起的局部压缩塑性变形的量，使焊接残余应力降低。值的注意的是对焊件施加载荷的方向要确定。

3）温差拉伸法对较规则焊缝和厚度不大的板壳结构，可采用温差拉伸法。目的是对有压应力的焊缝进行拉伸，从而消除或降低焊接残余应力。

4）振动法对一些重要的结构简单的焊件，可对其在固有频率下进行振动处理，以消除焊件内的残余应力。此种方法应用较广。

四、结束语：焊接残余应力在焊接过程中极易产生，它对焊件的质量危害较大，造成焊件疲劳强度降低，加工精度和稳定性降低，减少了焊件的使用寿命。所以，预防和控制焊接残余应力非常重要，相信通过对焊接残余应力的产生原因、控制方法和消除方法进行分析和总结，一定会对学生理解和掌握本章内容，起到了积极的帮助作用，为学生今后从事焊接工作打下良好的理论基础。参考文献

[1]吴金杰焊接工程师专业技能入门与精通[M]北京：机械工业出版社 202_.6