摘 要：随着厚板焊接技术在我国的大力推广，厚板焊接残余应力的发展问题不断的在厚板焊接技术中出现，而在这其中新形势下厚板焊接残余应力的试验发展的效果，是直接关系到厚板焊接残余应力的试验的最后效果的关键因素之一。因此，本文主要就厚板焊接残余应力的试验研究进行分析。
关键词：厚板 焊接 残余应力
一、前言
如何做好新形势下厚板焊接残余应力的试验研究发展工作，为厚板焊接残余应力的试验研究实现可持续发展提供坚实的安全保障，是现在厚板焊接残余应力的试验研究面临的迫在眉睫、函需解决的头等课题。
二、焊接残余应力的产生机理
残余应力是在无外力作用时，以平衡状态存在于物体内部的应力。焊接构件由焊接而产生的内应力成为焊接应力。按作用时间可分为瞬时应力和焊接残余应力。在某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它随时问变化而变化，焊后残留在焊件内的焊接应力成为焊接残余应力。焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度引起的。焊接时的温度变化大，在焊缝区最高温度可达到材料的沸腾点，而离开热源急剧下降直至室温，所以焊件中都是有焊接残余应力存在的。
在焊接过程中，焊接区以远远高于周围区域的温度被急剧加热，并被局部熔化，在加热过程中，焊接区受热膨胀，并受到周围较冷区域的约束，使焊接区形成了塑性的拉压缩；冷却过程中焊接区的冷却收缩受到周围区域的约束，最终，焊接区域呈现拉伸残余应力，相邻区域则呈现压缩残余应力。
焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：
1.直接应力：这是进行不均匀加热和冷却的结果，他取决于加热和冷却的温度梯变，是形成焊接残余应力的主要原因。
2.间接应力 这是由焊前加工状况所造成的应力。构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另外焊件受外界约束产生的约束力也属于此类应力。
3.组织应力这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。他虽然因含碳量和材料其他成分不同而异，但一般情况下，这种影响必须到加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。
残余应力一般主要是由直接应力所造成的。在此有必要的这种温度梯度所造成的影响做更进一步的探讨。在加热过程中，一般在物体内，如果其各部分呈不均匀的温度状态时，各部分的热膨胀数量就不同，由于彼此间相互制约就产生热应力。
三、 焊接残余应力的研究现状
焊接作为钢结构中的重要工艺，是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接结构广泛用于航天、桥梁、压力容器等工业中，焊接过程中的加热和冷却循环不可避免地导致残余应力的产生。残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能，同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响，对结构的强度造成很大危害。
1.焊接残余应力的研究现状
首先以有限元法为基础，对焊接残余应力应变过程进行分析的是在20世纪70年代，日本大阪大学的上田幸雄教授等人，此后，有限元模拟技术得到了迅速发展，通过建立有限元模型使得复杂的动态焊接应力分析过程得以简化。我国虽然在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但是发展速度不慢，已经取得了相当大的成就。
2.现有研究存在的问题
虽然现阶段对焊接残余应力的研究取得了长足的发展，但是仍然不能满足实际工程的需要。要用数值分析的方法使得复杂焊接结构的残余应力得以控制尚存在很多问题，主要表现在：首先，材料的热物理性能存在数据不足的问题，比如比热容、导热系数、密度等这些都是非常重要的数据。其次，在热源分布参数的数据方面也存在资料匮乏的问题，对于开坡口焊缝、多层焊缝等的热源分布形式也须进一步研究。第三，存在不足的问题还表现在对焊接热源的热效率选取上，这方面资料分散，出入较大。最后，对于焊接熔池的处理也存在问题，典型的就是没有考虑焊接熔池内部液态金属的对流传热特点。
3.焊接应力和变形的分析理论
温度场是模拟焊接应力、应变的基础，而屈服准则、流动准则、强化准则和热弹塑性基本理论则是进行应力、应变的主要计算依据。流动准则从几何方面解释成与屈服面的法向与塑性应变增量向量的方向一致。要想弄清楚初始屈服准则是怎样随着塑性应变的增加而发展的就应该运用强化准则。想要了解整个焊接过程动态应力、应变的变化过程和最终的残余应力和变形的状态就应该正确运用热弹塑性基本原理来进行科学计算。
四、厚板焊接结构的残余应力对构件的影响
1.焊接结构的残余应力对构件疲劳强度的影响
一个构件的疲劳强度与焊接的应力循环有关，当一个构件的焊接的应力循环的平均值增加时，它的极限就会有所降低，所以说如果在构件的应力上存在着焊接结构的残余应力，那么这个构件的疲劳强度则会大大地降低。实际条件下，如果一个构件的焊接结构残余应力过大，有时达到材料的最大承受能力，那么就会对构件的疲劳强度产生极其之大的影响，最终会影响到一个构件的质量以及后续的使用。所以我们如果想使焊件的构件达到一定的疲劳强度，我们就不仅仅只是应该关注构件的前期制作，更应该注意在焊接时的残余应力问题。
2、焊接结构的残余应力对构件的稳定性的影响
众所周知，当一个构件受到各种压力、弯压时，构件就会出现各种不稳定的现象，比如说受压杆件会不稳定、焊件加工精度和尺寸会不稳定等。而当焊件产生焊接结构的残余应力时，构件的不稳定问题会更加的严重。当外面的压力与焊接结构的殘余应力同时作用于构件时，会出现更加严重的问题，焊件会出现由于有效截面积严重不足而导致的受压杆件不稳定以及由于焊接结构的残余应力之前的平衡状态被破坏而导致的焊件加工精度和尺寸不稳定等等一些严重的问题。而这些都是使一个构件使用强度不高以及稳定性不够的主要因素。因此，如果我们想使构件的加工精度和尺寸达到一定的稳定程度，那么我们就应该解决焊接结构的残余应力的问题。
3、焊接结构的残余应力对构件变形以及刚度的影响
可想而知，当一个构件的外部压力与焊接结构的残余应力进行同时施压时，那个构件会出现极其影响构件质量的问题，那就是我们常见的构件变形问题。我们知道，当一个构件受到外部压力时，如果这一外部压力达到了一定的强度，这个构件就会很难维持其固有的形状，若再加之焊接结构的残余应力对构件的施压，那就极有可能会达到构件的最大屈服程度，从而使得构件发生很大的变形，同时也会使构件的刚度发生极大的变化。这个问题会大大地影响构件的质量。焊接结构的残余应力对构件变形以及刚度的影响也是影响构件强度的重要因素之一。因此，如果想使构件不易变形的话，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。
4.焊接结构的残余应力对构件静力强度的影响
如果没有一种严重集中的焊接结构，焊接结构的残余应力将不会对构件的静力强度产生很大的影响，但是如果构件有着一种比较集中的焊接结构，并且构件处于比较脆弱的状态，那么焊接结构的残余应力则会对构件的静力强度产生极大的影响。焊接结构的残余应力对构件静力强度的影响也是构件质量的重大影响因素之一。所以，如果我们想保证构件的静力强度，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。
5.焊接结构的残余应力对构件开裂的影响
如果构件接触到了一定量的腐蚀化学药剂，那么焊接结构的残余应力再加上腐蚀化学药剂的作用，构件则会出现开裂的现象，如果加入的腐蚀化学药剂比较多，那么构件会在比较小的焊接结构的残余应力作用下短时间内发生开裂。焊接结构的残余应力对构件开裂的影响极大地影响了构件的后期使用。所以，如果我们想保证构件不发生开裂现象，我们应该积极地解决焊接结构的残余应力的问题。
五、消除或减小焊接残余应力和变形的措施
结构复杂的板材结构，如果在焊接时不采取一定的措施，便容易产生变形，变形影响结构外表美观，降低结构强度。
1.减小焊接变形的措施
1.1设计措施减小焊接变形。一是尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸，二是避免焊缝过分集中，三是采用刚度较小的接头形式。
1.2采用合理的装配焊接顺序和方向减小焊接变形。一是尽可能考虑焊缝的自由收缩，对于大型结构的焊接应从中间向四周对称进行。二是收缩量大的焊缝先焊，因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，残余应力就比较小。三是采取对称焊接，对于刚性大而断面对称的构件，在施焊时可采用对称的焊接程序，这对于保证构件得到最小的弯曲变形是十分有利的。四是采用焊缝的不同焊接法，在焊接长焊缝（≥1m）时，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊法；对中等长度（0.5～1m）的焊缝可采用分段对称焊法。
2.消除或减小焊接残余应力的措施
2.1减小焊缝尺寸。在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。
2.2减小焊接拘束度。拘束度越大，焊接应力越大，所以尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。
2.3采取合理的焊接顺序。在焊缝较多的组装条件下，应根据构件外形和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。
2.4降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。
2.5锤击法减小焊接残余应力。在每层焊道焊完后立即用圆头小錘敲渣或用电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。
六、结束语
综上所述，本文所提到的厚板焊接残余应力的试验的研究工作，希望可以对厚板焊接残余应力的试验研究的发展提供参考价值。随着厚板焊接残余应力的试验研究的不断开展， 对厚板焊接残余应力的试验研究工作也将成为保障厚板焊接残余应力的试验研究的重要工作。
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