焊接应力对构件的危害及消除
焊接应力对构件的危害及消除
张幸
刘晓丽
（洛阳北方企业集团有限公司）
安珍仙（洛阳北方易初摩托车有限公司）
摘要：焊接残余应力在焊接构件中普遍存在，直接影响车架结构的承载能力，降低焊接接头及整个车架构件的疲劳强度，在遇到外力作用时会产生疲劳断裂或脆性断裂而引发事故。只有从结构设计、工Ｅ－＊＇Ｉ遣、焊后处理等阶段进行控制和消除，才能保证使用要求，提高焊接构件的强度，延长工作寿命。
关键词：摩托车车架焊接应力
疲劳断裂脆性断裂
Ｈａｒｍｏｆ
ＷｅｌｄｉｎｇＳｔｒｅｓｓ
ＬｉｕＸｉａｏｌｉ
ｔｏ
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在以前的文章中，笔者对车架焊接变形产生的原因及解决措施进行过分析探讨，其实在车架焊接变形过程中同时还伴随着焊接应力的产生，焊接应力的存在直接影响车架结构的承载能力、降低焊接接头及整个车架构件的疲劳强度，在遇到外力作用时会产生疲劳断裂或脆性断裂而引发事故。本文将针对焊接应力对焊接构件的影响及消除措施进行阐述，以供大家参考。
众所周知，在没有外力作用的情况下，平衡于物体内部的应力称为内应力，引起内应力的原因很多，由焊接加工产生的内应力称为焊接应力，按照应力存在的时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接残余应力就是构件焊接及冷却后残留在焊件内部的应力，它对焊接构件的强度、腐蚀性能、尺寸稳定性等使用性能有很大影响。
在世界焊接史上有很多因焊接应力引起大型构件发
然发生脆断事故，造成重大的经济损失，最后经专家调查分析确认，均是由于严重应力集中、残余应力高、钢材性能差，加上气温骤冷造成焊接裂纹扩展而脆断”】。在摩托车焊接构件上同样也存在因焊接应力引起构件破坏
的事例。
１焊接残余应力的形成机理
焊接应力的形成原因非常复杂，因为被焊接金属材料的力学性能和物理性能随温度变化，焊接过程又是一个不均匀的温度场在不断运动的过程，同时焊接温度场又随焊接接头的形状、尺寸、焊接工艺参数等不同而变化，因此分析起来千差万别。下面举个最简单的例子来说明焊接残余应力的产生，图ｌ为１根等截面的低碳钢杆件在３种不同固定状态下进行均匀加热时的变化示意图。
ａ）自由变形：将杆件一端固定，另一端不受任何约束，从兀均匀加热到兀，长度也由原来的厶伸长到Ｌ，，白
生断裂的事故，如１９３８年一１９４０年期间，比利时Ａｌｂｅ瞧
河上先后有十多座威廉德式桥梁在载荷不大的情况下突
４６摩托车技术２０１０．０２
万方数据
由变形量为△￡，，自由变形率为历。
△ＬＴ＝口厶（兀一Ｔｏ）
历＝Ａ厶／厶＝口（兀一Ｔｏ）
式中：口——金属线膨胀系数（１／Ｋ）
相反，杆件从温度乃均匀冷却到死时，长度也由￡，恢复到原来的厶。由于杆件在加热和冷却过程中能够自由伸缩变形，所以最后内部未产生应力。
（ａ）自由变形
（ｂ）不完全自由变形
Ｉ；
ｊ厶
咔
（ｃ）无任何自由变形
圈１等截面低碳钢杆件在３种不同状态下均匀加热时的变化
ｂ）不完全自由变形：当杆件从凡均匀加热到瓦时，自由伸长了△厶，因受拘束不能继续变形，这时就产生了压
应力和压缩弹性变形。随着温度的升高，当压应力超过材
料当前温度下的屈服点６。时，杆件就会发生压缩塑性变形，随着温度的不断升高，压缩塑变形也不断加大；随后温度开始降低，当降低到瓦时，压应力消失，压缩弹性变形也消失，当温度恢复到乃时，杆件长度小于￡ｏ，缩短量就是压缩塑性变形量，最后杆件内不存在应力。
ｃ）无任何自由变形：当杆件两头刚性固定，不能
产生任何伸缩变形时，重复。ｂ）”中同样的加热冷却过变形，当加热到瓦时，压应力超过屈服点６。，杆件产生压６．，总应变为Ｅ＋风。２）冷却过程：温度从死降低到某
一温度时，压应力和压缩弹性变形消失，继续冷却，杆件开始产生拉应力和拉伸弹性应变层，随着温度的降低，拉应力和拉伸弹性应变不断增加，当拉应力达到屈服点６。变形，继续冷却到原始温度乃时，拉伸塑性变形达到最大
万
方数据屏，这时杆件内部总应力为６。，总应变为丘＋晶。因此，杆件内部最终的残余应力为拉伸应力，最高可达６．【ｌ】。
虽然这种均匀加热引起的应力和应变与焊接过程有很大差别，但这是分析焊接应力和变形的基础，其产生机理是相同的，如图２中的摩托车车架，大部分杆件在组焊过程中的受热变化情形与。ｃ）”变化过程相同。
圈２摩托车车架
２焊接残余应力的产生原因和分布规律
理论和生产经验证明，焊接残余应力的产生原因主要有：焊接本身的特性确定了焊接变形和焊接应力的产生；焊接构件的接头形式及焊接工艺措施设计不合理，具体原因如下。
ａ）焊缝的尺寸和接头形式设计不合理：焊缝尺寸的大小直接影响焊接应力的大小，受热区越大，最后产生的残余应力也越大；焊接零件之间的搭接方式、焊接坡口型式、接头间隙、焊缝余高等，如果设计不合理都会影响焊
接残余应力的大小。
ｂ）焊缝的数量和位置分布不合理：如焊缝疏密相差很大，甚至相互交叉，封闭焊缝较多，均会产生较大的挠
曲变形和焊接残余应力。
ｃ）焊接方法和工艺参数设计不合理：不同的焊接方法具有不同的线能量和不同的温度场，产生的热变形和残余应力也不同。根据构件的材质、厚度、结构，选择合理的焊接方法和工艺参数，减少受热区和残余应力，同时尽量减少裂纹，气孔，夹渣，凹坑等焊接缺陷的生成，避免形成应力集中。
ｄ）焊接顺序和施焊方法设计不合理：对于焊缝较多的车架，焊接顺序不同，最后形成的应力大小也不相等。不同的焊接顺序会造成焊接拘束度不同，拘束度越大，焊
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程。１）加热过程：从开始加热就受到压应力和压缩弹性缩塑性变形丘；继续加热到最高温度死，压应力和压缩弹性变形保持不变，压缩塑性变形增加到瓦，这时总应力为
时，两者达到最大点６。、最，随后杆件开始产生拉伸塑性
接应力也越大。
焊接构件上的焊接残余应力可以通过理论分析、数值计算、实际测量及计算机有限元分析等手段加以确定，经焊接技术人员长期探索和研究，对特定条件下的焊接总结出一些规律，为解决焊接问题提供了依据。
图３是低碳钢薄钢板在自由状态下对焊后残余应力分
布示意图，其中与焊缝相同方向（即ｘ向）为纵向，纵向焊接残余应力分布是以焊缝及附近热影响区为拉应力，一般都达到６。；热影响区外的两侧都是压应力，垂直于石向的每个横断面上应力分布基本相同，两端部的数值会小一
点儿；横向（即ｙ方向）残余应力分布是中间受拉’ｊ两端
受压。
审青审串审串争斗十十十峭串串十书掣十书十
（ａ）纵向残余应力乱
十串串串十ｊ串串串串专Ｔ一
十‘串～乖母一．。审
幸串串串辛
态时，焊接残余拉应力和外载作用力相互叠加、共同作用，会使构件局部区域的应力达到抗拉强度并发生脆性断
裂，图６所示为发生脆性断裂的车架。
图３低碳钢薄钢板在自由状态下对焊后残余应力分布
同样的焊缝分别用手工焊和自动焊时，应力的大小也不相同；如果焊接方向不同，残余应力的分布状态也会不同，从中间往两边焊横向残余应力是中间受压、两端受拉；而从两端往中间焊应力分布正好相反【２ｌ。对于常见的Ｔ型梁、Ｈ型梁、箱型梁焊接及拘束条件下焊接的残余应力分布，技术人员现也都找到了规律可循。
在试验或生产中，可以用应力释放法测量焊接残余应力的大小和分布，钻孔法是目前较为成熟和可靠的方法。其操作原理是在待测应力点周围相隔４５。粘贴３个应变片，然后对准测试点钻孔，由于钻孔后该点应力释放引起线应变，用电阻应变仪测出３个应变片的变化值，换算
出该点原有的残余应力值。
随着计算机技术的快速发展，现在可以用ＡＮＳＹＳ、Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩｃＡＬ、ＣＯＳＭＯＳｗｏｒｋｓ等三维工具来模拟、测试、分析焊接构件上的焊接应力问题。图４是经过等效、约束及加载等处理后的某型号摩托车车架力学模型，
通过一系列的静力学分析后，得到如图５所示的应力强度
分布云图【３ｌ。从图中看到，车架横管上的４条焊缝有焊接残余应力，尖角处应力集中较为严重，在外力作用下容易开裂导致疲劳破坏。
３焊接残余应力对构件的影响
ａ）对静载强度的影响：低温下，当材料处于脆性状
柏摩托车技术２０１０．０２
万方数据
图６车栗发生脆性断裂
ｂ）对疲劳强度的影响：试验和研究表明，构件存在残余拉应力时，在交变载荷作用下会很快达到疲劳极限，说明焊接残余拉应力会降低构件的疲劳强度；但残余压应力有利于提高疲劳强度。图７所示为正在使用中的车架，焊缝及热影响区正在产生疲劳裂纹。
图７车架焊缝区产生疲劳裂纹
ｃ）对刚度的影响：当外载产生的内应力与焊接残余
应力叠加之和达到材料的屈服点时，构件局部区域会发生
塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构有效
面积减小和刚度降低。
ｄ）对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响：焊件上的内应力在机械加工时，因部分金属从焊件上被切除下来而破坏了原有的平衡，因此内应力要重新分布以达到新的平衡，同时也产生了变形，使加工精度受到影响。
ｅ）对应力腐蚀的影响：构件在受到内外拉应力时，如果遇到腐蚀介质环境，构件会很快腐蚀开裂，拉应力越大，腐蚀开裂的时间越短。图８所示的车架底部Ｃ形连接管上有４条环焊缝，焊后内部拉应力很大，因长期受到雨水腐蚀而产生腐蚀破坏。
４焊接残余应力的控制与消除４．１焊接残余应力的控制措施
万
方数据焊接内应力可以通过结构设计和焊接工艺等措施进行调节和控制，如降低残余应力的峰值、避免在大面积内产生较大拉内应力等。
ａ）在保证车架等构件承载能力的前提下，应尽量减少焊缝数量、设计合理的焊缝尺寸和形式，也就减少了焊接应力源。对于一般结构的焊缝尺寸，可根据国家标准
ＧＢ／Ｔ
９８５—１９８８《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡
口的基本形式与尺寸》、ＧＢ／Ｔ９８６一１９８８《埋弧焊焊缝坡
口的基本形式与尺寸》来确定；对于比较重要的焊缝，需要进行焊接接头的静载强度计算，根据构件材料、焊接方法，搭接方式、材料厚度、受载情况等，对焊缝进行强度校核，确定焊缝的尺寸大小。
ｂ）布置合理的焊缝位置：在焊接构件时，焊缝不宜过分集中，焊缝间要保留足够的距离，尽量避免焊缝相互交叉。焊缝集中不仅使应力分布更不均匀，而且会出现更
加复杂的双向或三向应力状态；焊接部位要圆滑过渡、避免尖角和尺寸突变・设计焊缝时尽量避免一些设计禁忌，如焊缝设在结构拐角处的应力集中区，在弯曲部位焊接，焊缝垂直交叉等。要尽量使焊缝不受力、将工作焊缝变为连接焊缝、将焊缝区域受力变为构件整体受力等。
ｃ）采用刚性较小及避免应力集中的接头形式：对于刚性大的焊接接头，焊后残余应力较大，很容易产生裂纹。设计焊接接头时要尽量采用焊接手册上推荐的形式，最大限度地减小接头拘束度，让零件有受热变形的空间，否则应力将更大。在实际生产中，采用空心管材代替实心棒料、法兰翻边式焊接取代插入式焊接、圆盘类零件焊接前边缘适当翻边等措施，均可有效降低接头刚性、减小
应力。
ｄ）采用合理的焊接顺序：焊接应力是焊缝区金属收拘束、尽量使每条焊缝能自由收缩的原则，这样才能最大限度地降低焊接残余应力。构件上有多种形式的焊缝
２０１
０．０２摩托车技术４９
缩不自由引起的，所以在确定焊接顺序时，要遵循减少
时，先焊收缩量大的焊缝（如对接焊缝），再焊收缩量小的焊缝（如角焊缝）。长焊缝从中间向两端焊可以降
低拘束度。
ｃ１抛丸处理法：焊后将焊接件进行抛丸处理，能有效降低内应力，使表层产生压应力，可提高构件的疲劳
强度。
ｅ）加热减应区：焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使其与焊接区同时热胀冷缩，能起到减小焊接应力的作用。该方法在框架式结构、轮盘式结构、铸铁件的焊接修补中应用最广泛，效果也最突出。
ｆ）锤击焊缝：大型结构件在焊接过程中利用圆头小锤锤击焊缝，使焊缝金属延展抵消一部分收缩，以降低内应力，温度控制在５００～８００＂Ｃ为宜，锤击力度和次数要适当；多层焊时，打底层和覆盖层焊缝时，不要敲击，避免
产生破坏和表面缺陷。
另外还有机械拉伸法、温差拉伸法等方法，通过对焊接构件整体或局部加载，使焊接压缩塑性变形区得到拉伸，从而减小由焊接引起的局部压缩塑性变形量，达到内应力减小的目的。近几年还出现了超声冲击处理法，在消除焊接应力的同时还能改善焊趾几何形状、熔渣缺陷、表面强化等，因而能大幅度提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命，在军品焊接结构件的生产和产品修复中得到越来越广泛的应用。
综上所述，焊接残余应力在焊接构件中普遍存在，并且对构件的危害较大，只有从结构设计、工艺制造、焊后处理等阶段进行控制和消除，才能保证使用要求，提高焊接构件的强度，延长工作寿命。面
参考文献
［１】【２】２【３】
田锡唐．焊接结构爿匕京：机械工业出版社，１９９１陈祝年．焊接工程师手册．ｊ匕京：机械工业出版社，２００２李维良．在摩托车车架设计中Ｐｒｏ／ＭＥｃＨＡＮＩｃＡＬ应用的体验．ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化．２００９（ＺＩ）
（收稿日期２００９．１２．０３）
４．２消除焊接残余应力的措施
ａ）热处理法：在实际生产中，对于需要焊后加工的零件或需要完全消除焊接残余应力的重要构件，一般都要采取调质处理加高温回火的方法进行去应力退火，以达到去除应力和防止变形的目的。
ｂ）振动法：对于要求不高的一般焊接件，可以通过敲击、振动等手段来释放应力，使残余应力降低并均匀化。该方法简单、操作方便、费用低，但不能完全消除
应力。
摩托车化油器标准研讨会在常熟召开
摩托车分标委秘书处２００９年１１月４臼－－６日在江苏省常熟市组织召开了“摩托车和轻便摩托车化油器”标准研讨会。参加会议的有上海机动车检测中心，上海摩托车质量监督检验所、国家摩托车质量监督检验中心（天津）、南昌摩托车质量监督检验所、大长江集团有限公司、新大洲本田摩托有限公司、五羊一本田摩托（广州）有限公司、建设雅马哈摩托车有限公司、湛江德利化油器有限公司、三国（中国）开发中心，重庆平山泰凯化油器有限公司、福建省化油器协会等企业的１９位代表。
会议由摩托车分标委副秘书长赵丽娜主持，首先通报了本标准前期工作情况，对大长江集团、湛江德利化油器有限公司、三国（中国）开发中心、建设雅马哈摩托车有限公司等单位根据首次会议要求进行的整车、发动机、化油器匹配试验工作表示感谢，并提出了下个阶段工作进度的要求。上海摩托车质量监督检验所黄文东介绍了各企业提出修改意见的采纳情
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况，姜勇副所长作了补充说明。
与会代表认真讨论了本标准的征求意见稿，对标准的耐久性能试验、综合流量检测设备的精度、电控化油器等特殊要求提出了修改意见，起草单位根据与会代表提出的意见和建议修改征求意见讨论稿，提交会议再次讨论。最后，会议形成标准征求意见稿，并要求与会代表对征求意见稿中温度范围（４．１．６条），综合流量试验台的精度要求；倾斜试验的倾斜角度（５．３．６．１条）；出厂检验项目的确认（表５）等４项条款内容进一步斟酌，将修改意见固复标准制定小组。
会议最后由摩托车分标委秘书长缪文泉传达实施摩托车“国Ⅲ”排放标准的技术路线和摩托车生产一致性检查等企业关注的重点问题，介绍了ＧＢ７２５８标准中与摩托车相关的修订内容和相关政策及有关电动摩托车的政策和信息。
万方数据
焊接应力对构件的危害及消除
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
张幸， 刘晓丽， 安珍仙， Zhang Xing， Liu Xiaoli， An Zhenxian
张幸,刘晓丽,Zhang Xing,Liu Xiaoli(洛阳北方企业集团有限公司)， 安珍仙,AnZhenxian(洛阳北方易初摩托车有限公司)摩托车技术
MOTORCYCLE TECHNOLOGY2010(2)
参考文献(3条)
1. 李维良 在摩托车车架设计中Pro/MECHANICAL应用的体验 2009(z1)2. 陈祝年 焊接工程师手册 20023. 田锡唐 焊接结构 1991
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_mtcjs201002010.aspx