第1章 焊接应力变形及其有限元计算过程
1.1 焊接应力变形
焊接应力变形是由多种因素交互作用而形成的。在不考虑外部约束的条件下，传统的焊接应力变形产生机理可表述为［1］：焊接热源引起材料不均匀的局部热过程，局部加热使焊接区熔化形成熔池，而与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（如长焊缝的两侧）又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩时也产生相应的应力与变形。由此在焊接区产生了不协调应变（有资料称为残余塑性应变、初始应变、固有应变等）。与焊接区产生的不协调应变相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接应力。
焊接区金属在冷却到较低温度时，材料回复到弹性状态；此时若有组织转变（如奥氏体转变为马氏体），则伴随体积变化而出现相变应力。随焊接热过程而变化的内应力和变形称为焊接瞬态应力与瞬态变形。而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力与变形称为焊接残余应力与焊接残余变形［1］。在不混淆的情况下，焊接应力与变形通常是指焊接残余应力与焊接残余变形。
1.1.1 焊接应力分布特征
焊接应力的分布和大小随焊接方法、工艺参数、焊接结构、焊接材料、坡口形式、拘束条件、厚度、修补、焊接前后处理等变化，因而影响焊接应力的因素众多，分布复杂。国内外众多学者对焊接残余应力的诸多形式、影响因素和形成机理进行了总结和深入分析［2—5］。Ueda等［6］认为焊缝中的固有应变是产生焊接残余应力的源，并可用于测试和预测焊接残余应力。Dong［7］和Brickstad等［8］采用有限元方法深入研究了环焊缝的残余应力分布，重点研究了残余应力沿厚度分布特征。焊接过程常涉及焊缝打磨和修补焊接等工艺，这些工艺会显著影响焊后残余应力的分布［9］。Teng等［10］及Wu等［11］分别研究了焊接条件对T形接头和对接接头的影响规律。随着搅拌摩擦焊、线性摩擦焊和惯性摩擦焊这类半固态焊接方法的发展，其应力分布特征和相关测试方法也日益受到人们的关注［12—15］。激光、电子束等高能束焊接方法形成的焊缝窄小，其焊后残余应力分布在窄小的焊缝区域，应力变化梯度比电弧焊形成的应力梯度大，并且沿厚度分布特征有所不同。张建勋等［16—18］采用小孔法试验测试和有限元计算方法研究了大厚度钛合金电子束焊接的表层和内部应力分布特征，并研究了焊后去除材料对电子束焊接残余应力的影响。此外，张建勋等［19—22］还深入分析了激光焊接的应力分布特征，并和氩弧焊接形成的残余应力进行比较。
焊接应力根据分类方法不同可有多种分类，根据焊接应力的存在方式可以分为瞬态焊接应力和残余焊接应力；按相对于焊缝方向可分为纵向应力σx（平行焊缝方向）、横向应力σy（垂直焊缝方向）和厚度方向应力σz。
本书以单道对接电弧熔化焊有限元计算为例，分析焊接残余应力特征。计算试板尺寸为300 mm×120 mm×6 mm，材料为16Mn钢。由于试板相对焊缝对称，取一半试板建立有限元模型如图1—1所示，其中焊缝区域的单元尺寸为5 mm×3.6 mm×1.2 mm。焊接方法为二氧化碳气保焊，单层焊接，焊接电流为280 A，电压为28 V，焊接速度为6 mm/s。焊缝中心线所在的纵向截面施加对称约束，对称面上的节点只能在此平面内移动，不能沿板宽方向（y方向）移动；焊接起始所在横向截面的远离焊缝端限制了纵向（x方向）移动；远离焊缝端下表面两个节点约束z向的位移。
1. 纵向残余应力纵向残余应力是指焊接结构中平行焊缝方向的残余应力。图1—2表示了上下表面的纵向残余应力分布。由图可见，焊缝中部区域的纵向残余应力为高的拉伸应力，其峰值达到材料的屈服强度，引弧和熄弧端区域的纵向残余应力下降为较小的压缩应力；由于纵向残余应力沿横向（y方向）应是自相平衡的，所以在中部远离焊缝的区域出现压缩应力。由图也可以看出，该焊接试板的厚度不大，且为单道焊接，故上下表面纵向应力变化不大。
2. 横向残余应力通常认为，焊接横向残余应力是由焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩所引起的焊接残余应力以及焊缝及其附近塑性变形区横向收缩的不同时性所引起的残余应力的综合［1］。
图1—3所示为计算得到的低碳钢单道焊接试板上表面横向残余应力分布。由图可见，拉伸横向残余应力出现在试板的中部，压缩应力出现在焊缝引弧和熄弧端，而且压缩应力幅值超出了拉伸应力幅值，最大压缩应力幅值达到屈服强度。
3. 厚度方向残余应力通常来说，当板厚超过一定厚度或采用多层焊接时，由于焊接时沿厚度方向内部比表面冷却缓慢或经过多次的焊接热过程，会引起厚度方向的残余应力。图1—4 所示为本计算的上表面厚度方向应力分布。由于是单层焊接，从图中看出，相比纵向应力和横向应力，厚度方向残余应力幅值较小。
焊接试板的中截面位置（图1—1中A-A截面）上表面沿宽度变化的各方向应力如图1—5所示。由图可见，计算得到的纵向拉应力分布区域宽度约为20 mm，远离焊缝区域为较小的压缩应力与焊缝区域的拉伸应力平衡；横向残余应力峰值出现在离焊缝金属边界8～10 mm的地方，这可能是由焊缝金属和母材金属在熔合线处存在很大温度梯度造成的；厚度方向残余应力相对纵向和横向应力幅值较小。
1.1.2 焊接残余应力的影响焊接残余应力是焊接过程的固有产物。焊接残余应力对焊接结构服役性能和安全性的影响一直受到关注，并获得了丰富的研究成果［23—26］。Bussu等［27］研究认为，残余应力对2024—T351铝合金搅拌摩擦焊接接头的疲劳裂纹扩展速率及疲劳裂纹扩展门槛值的影响比局部区域硬度和组织变化的影响显著。瞿伟廉等［28］研究认为，焊接残余应力影响疲劳裂纹扩展速率，但裂纹扩展过程中残余应力会重新分布，不考虑残余应力的重分布将会对构件的疲劳寿命评估给出保守结果。王东坡等［29］指出，采用应力释放后的小尺寸试样疲劳试验结果进行大型结构的设计和安全评定是不合适的。薛小龙等［30］研究认为，焊接残余应力对在线焊接正交接管结构的强度性能产生了较大影响，故应尽量消除残余应力以减小其产生的不良影响，因此在进行强度性能研究时，应充分考虑残余应力的影响。众多研究表明，焊接残余应力会加速焊接结构的应力腐蚀和疲劳破坏，最终引起脆性断裂［31］；焊接残余应力还是导致氢在焊接接头聚集的主要原因之一［32］，也是影响焊接结构蠕变性能的重要因素［33］，并影响CTOD设计曲线［34］。当以启裂作为管道失效准则时，必须考虑焊接残余应力的影响；另外，对管道进行晶间应力腐蚀裂纹分析时，必须计入焊接残余应力的影响［35］。
总体来说，焊接残余应力的影响可以分为以下几个方面［1］。
（1） 对构件承受静载能力的影响。在一般焊接构件中，焊缝区的纵向拉伸残余应力的峰值较高，在某些材料上可接近材料的屈服强度。当外载工作应力和它的方向一致而相叠加时，在这一区域会发生局部塑形变形，这部分材料就会丧失继续承受外载的能力，因而减少接构件的有效承载截面，降低结构的承载能力。
（2） 对结构断裂行为的影响。在实际构件中，当使用温度低于材料的脆性转变温度，或结构钢韧性较低时，焊接缺陷（如裂纹、未熔透、未熔合等）会导致焊接结构的低应力脆性断裂。因此，在断裂评定中必须考虑拉伸残余应力与工作应力共同作用的影响，在结构设计中应引入应力强度修正系数。如果裂纹尖端处于焊接残余拉应力范围内，则缺陷尖端的应力强度增大，裂纹扩展的可能性增大；当裂纹类缺陷扩展至残余压应力范围时，裂纹扩展的驱动力减小，裂纹扩展也变缓。随后，裂纹有可能继续扩展或停止扩展，这取决于裂纹长度、应力强度和结构运行环境温度。虽然焊接残余应力分布于焊接局部区域，但对焊接结构的断裂影响是全局的。
（3） 对疲劳强度的影响。焊接拉伸残余应力阻碍裂纹闭合，它会提高疲劳载荷的应力平均值，改变应力循环特征，从而加剧应力循环损伤。当焊缝区的拉应力使应力循环的平均值增高时，疲劳强度会降低。焊接接头是应力集中区，残余拉应力对疲劳的不利影响也会更明显。在工作应力作用下，在疲劳载荷的应力循环中，残余应力的峰值有可能降低，循环次数越多，降低的幅度越大。
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