什么叫焊接残余应力

焊接残余应力是焊接过程中因局部不均匀加热和冷却，在焊件内部形成的、不随外部载荷去除而消失的内应力。它如同被“冻结”在结构中的隐形力量，深刻影响着焊接结构的承载能力、尺寸稳定性、疲劳寿命与抗脆断性能。理解其成因、分布规律、影响机制及调控方法，是确保焊接结构安全可靠的核心工程知识之一。

       当我们凝视一座宏伟的钢桥、一艘巨轮或一台精密的压力容器时，很少会想到，在那些坚固焊缝的内部，正悄然进行着一场静默的“角力”。这种力量并非来自外部负载，而是制造过程本身“馈赠”给结构的内部印记——它便是焊接残余应力。要深刻理解什么叫焊接残余应力，我们不能仅仅将其定义为“焊接后残存的应力”，而需深入其物理本质、形成舞台、具体形态、深远影响以及工程上的驯服之道。这不仅是冶金学与力学的交叉课题，更是连接理论与工程实践的关键桥梁。

       

一、 物理本质：不均匀热循环的“冻结”产物

       焊接残余应力的根源，在于焊接过程中高度局部化且急剧变化的热循环。想象一下，在室温的钢板上，用一道高温电弧（温度可达数千摄氏度）快速移动加热一条狭窄区域。这一区域（焊缝及其邻近母材）的材料会剧烈膨胀，试图向四周推开。然而，它被周围处于低温状态、刚性很大的冷金属所包围和约束，膨胀行为受到强烈抑制。其结果，高温区域产生了巨大的压缩塑性变形——材料被“挤扁”了。

       随后，电弧移开，该区域开始快速冷却收缩。此时，先前因受约束而产生的压缩塑性变形无法恢复，当它冷却收缩时，受到的约束依然存在，导致该区域从受压状态转为受拉状态。最终，当焊件整体冷却至室温，这种因不均匀加热冷却和外部约束而产生的内应力便“冻结”在了结构内部，形成了自平衡的内力系统。根据中国机械工程学会焊接学会编著的《焊接手册》，这种应力在无外力作用下存在于焊件内部，是典型的内应力。

       

二、 形成的三大核心要素：热、拘束与相变

       焊接残余应力的产生并非偶然，它由三个核心要素共同导演。首先是“不均匀温度场”，这是驱动力。焊接热源的集中性导致焊件上温度分布极不均匀，形成巨大的温度梯度。其次是“外部拘束条件”，这是约束力。焊件自身的结构刚度、夹具的夹持、以及与其他部件的连接，都限制了金属自由膨胀与收缩的“愿望”。最后，对于钢铁等材料，还存在“组织相变”的影响。例如，在冷却过程中，奥氏体转变为马氏体时伴随体积膨胀，这部分膨胀可能抵消部分收缩，从而改变残余应力的最终大小和分布，甚至在某些区域形成独特的压应力。这三者相互作用，共同决定了残余应力场的最终格局。

       

三、 主要类型：纵向应力与横向应力

       焊接残余应力是一个复杂的多维应力场，但通常可分解为两个主要方向进行考察。沿着焊缝长度方向的应力，称为纵向残余应力。在低碳钢和低合金钢的长焊缝中间段，焊缝和近缝区的纵向应力通常达到材料的屈服极限，表现为高值拉应力。这是因为它主要受焊缝收缩时受到母材的纵向约束所致。垂直于焊缝方向的应力，则称为横向残余应力。它的分布更为复杂，由焊缝的横向收缩和焊缝不同部位冷却先后顺序（产生“后焊部分对先焊部分的拉伸作用”）共同决定，在焊缝中部可能是拉应力，而在焊缝两端则可能呈现压应力。

       

四、 分布的基本规律：拉与压的平衡

       一个至关重要的规律是：焊接残余应力在焊件内部是自相平衡的。这意味着，在任何一个截面上，拉应力的总和必然等于压应力的总和。通常，高拉应力集中在焊缝中心线附近一个相对狭窄的区域。而为了平衡这些拉应力，在远离焊缝的母材区域则分布着较广泛的、数值较低的压应力。这种拉压共存的格局，构成了残余应力场的基本图景。理解这一自平衡特性，对于分析其对结构整体性能的影响至关重要。

       

五、 对静载强度的影响：双向性

       焊接残余应力对结构静载强度的影响具有双向性。对于塑性良好的材料（如低碳钢），在常温下承受静力拉伸载荷时，残余应力的存在通常不会降低结构的极限承载能力。因为当外载增加时，应力高的区域先进入塑性状态，应力不再增加，应力低的部分继续承担增加的载荷，最终整个截面达到屈服，残余应力被“重分布”掉。然而，对于脆性材料或在低温环境下，残余拉应力与工作拉应力叠加，可能使局部总应力提前达到材料的断裂强度，从而诱发低应力脆性破坏，危险性极大。

       

六、 对疲劳强度的显著危害

       焊接残余应力是焊接结构疲劳性能的“头号杀手”之一。在循环载荷作用下，残余拉应力会直接与交变的工作应力叠加，提高局部的应力幅值。根据疲劳损伤累积理论，这会使疲劳裂纹更早萌生，并显著加速裂纹的扩展速率。许多焊接结构的疲劳裂纹都起源于焊缝趾部或焊根等残余拉应力极高的区域。因此，在桥梁、起重机、海洋平台等承受交变载荷的结构中，控制和消除有害的焊接残余拉应力是提升疲劳寿命的核心措施。

       

七、 对结构稳定性的威胁

       对于薄板焊接结构或细长焊接杆件（如柱、梁），焊接残余应力会降低其稳定性临界载荷，即容易导致结构在较低的外压下发生失稳屈曲。这是因为残余应力场中存在的压应力区域，会提前使该部分截面进入屈服或降低其有效刚度，从而削弱构件整体的抗弯或抗压能力。在船舶甲板、大型储罐壁板、航空航天器的蒙皮等结构的制造中，焊接变形与残余应力共同作用引起的失稳波浪变形，是一个常见且棘手的问题。

       

八、 对尺寸精度与加工变形的影响

       焊接残余应力是一种不稳定的内应力状态。当焊件在进行机械加工（如铣削、切割、钻孔）时，部分承载残余应力的材料被去除，原有的自平衡体系被破坏，内应力会重新分布以达到新的平衡，从而导致工件发生新的变形。这使得精密焊接结构在后续加工中难以保证尺寸精度，往往需要增加矫正工序或预留加工余量，增加了制造成本和复杂性。

       

九、 对应力腐蚀开裂的促进作用

       在特定的腐蚀性介质环境中（如海水、硫化氢环境），焊接残余拉应力会与腐蚀介质协同作用，诱发和加速应力腐蚀开裂。这是一种在静态拉应力和腐蚀共同作用下发生的脆性断裂，其应力门槛值远低于材料的屈服强度。残余拉应力的存在，使得即使在没有工作载荷的情况下，结构也处于“受载”状态，从而为应力腐蚀开裂提供了必要条件。这在化工设备、油气管道和海洋工程中是需要极端警惕的失效模式。

       

十、 测量与评估方法

       要管理焊接残余应力，首先需要“看见”它。测量方法主要分为有损和无损两大类。有损法以“盲孔法”最为常用，通过在被测点钻一个小孔，释放局部应力，测量由此产生的应变变化来反算原始应力，操作相对简便。无损法则包括X射线衍射法（利用晶体衍射角变化测应力）、超声法（利用声弹性效应）和中子衍射法等。其中，X射线衍射法应用较广，但测量深度较浅；中子衍射则可探测内部深层应力，但设备昂贵。根据国家标准《焊接残余应力测量方法》等，选择合适的测量方法是准确评估的前提。

       

十一、 设计阶段的预先控制策略

       控制焊接残余应力，最高效的方式是从设计源头入手。这包括：合理设计接头形式，尽可能采用对接接头而非搭接接头，以减小应力集中；优化结构布局和焊缝布置，使焊缝尽量对称分布，以利用焊缝收缩的相互抵消作用来减小变形和应力；在满足强度的前提下，适当减小焊缝尺寸（如焊脚高度），因为残余应力水平通常与焊接热输入量正相关；以及避免焊缝过于密集交叉，防止形成复杂的多轴高应力区。

       

十二、 焊接工艺参数的精准调控

       焊接工艺是影响残余应力的直接手段。核心原则是“减少热输入，降低拘束度”。具体措施包括：选用能量密度高的焊接方法（如激光焊、电子束焊），其热输入小，热影响区窄，残余应力也相应较小；在传统电弧焊中，采用较小的焊接电流、较快的焊接速度；对于长焊缝，采用分段退焊、跳焊等能够分散热输入的焊接顺序；以及进行适度的预热，以降低焊件整体的温度梯度和冷却速度，这对中高碳钢和合金钢尤为重要。

       

十三、 焊后热处理：整体消除应力

       焊后热处理是目前工程上应用最广泛、效果最彻底的消除焊接残余应力方法。其原理是将焊件整体加热到材料的再结晶温度以下（对于钢，通常在550摄氏度至650摄氏度），保温足够时间，利用材料在高温下的蠕变和应力松驰效应，使残余应力得以大幅释放，然后均匀缓慢冷却。这种方法不仅能降低残余应力峰值（通常可消除80%以上），还能改善焊接接头的显微组织和韧性。在压力容器、锅炉、重要管道等标准中，焊后热处理通常是强制性要求。

       

十四、 机械法调整应力：锤击与过载处理

       对于无法进行整体热处理的巨型结构或局部区域，机械法是有效的选择。“锤击法”是在焊缝表面进行锤击，使其产生塑性延伸，从而在表层引入有益的压应力，以抵消部分残余拉应力，同时也能缓解应力集中。另一种方法是“过载处理”或“振动时效”，对结构施加一个低于屈服强度的静态或动态载荷，通过使高应力区发生微观塑性变形，促使残余应力均匀化和降低。振动时效技术因其能耗低、无氧化、便于现场操作等特点，在大型焊接结构如机床床身、风机底座上得到广泛应用。

       

十五、 温差拉伸法（低温应力消除）

       这是一种利用反向温度场来抵消原有应力的方法。通常在焊缝两侧用火焰或感应加热器加热出一个较宽的温度场（约200至300摄氏度），同时用水冷喷头跟踪加热带后对焊缝区域进行急冷。这样，焊缝区域在冷却收缩时，受到两侧热态金属的拉伸，从而产生与原始焊接残余拉应力方向相反的塑性变形，达到降低甚至消除拉应力的目的。该方法适用于规则的长直焊缝，如板壳结构的拼接焊缝。

       

十六、 残余应力的“利用”与“容忍”

       在工程实践中，并非所有残余应力都必须被消除。有时，我们可以主动“利用”它。例如，通过喷丸、滚压等表面强化工艺，在零件表面引入压应力层，这本身就是一种有益的残余应力，可以提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。更多的时候，是基于“合于使用”原则进行“容忍”。通过精确的力学分析和实验验证，评估在特定服役条件下，残余应力与工作载荷叠加后是否仍在安全范围内。只要满足安全准则，且不会引发不可接受的变形或失效，保留一定的残余应力是可以接受的，这避免了不必要的处理成本。

       

十七、 数值模拟技术的强大助力

       随着计算机技术的发展，焊接热-力耦合数值模拟已成为预测和控制焊接残余应力的强大工具。通过建立焊件和热源的有限元模型，可以动态模拟焊接过程中的温度场、熔池流动、相变过程以及随之产生的应力应变场。这使得工程师能够在产品制造之前，虚拟地测试不同焊接工艺、顺序和结构设计对残余应力和变形的影响，从而优化方案，降低试错成本。这代表了焊接制造从“经验依赖”向“预测驱动”的深刻转变。

       

十八、 与“隐形力量”的共处智慧

       总而言之，焊接残余应力是焊接这种高效连接技术无法完全剥离的“副产品”。它如同一把双刃剑，处理不当便是安全隐患，认识并驾驭得当则可将其影响控制在安全边际之内。从理解其源于不均匀热循环的物理本质开始，到掌握其在结构中的分布与演化规律，再到综合运用设计、工艺、后处理等多种手段进行预测、测量、控制与利用，构成了现代焊接工程学的核心内容之一。对于每一位从事设计、制造、检验和维护焊接结构的技术人员而言，建立对焊接残余应力全面而深刻的认知，不再是选修课，而是确保结构全生命周期安全、可靠、经济的必修课。与这种“隐形力量”共处的智慧，最终体现在我们能否通过精准的科学与工程手段，将其置于可控的牢笼之中。

       

       （本文在撰写过程中，参考了中国机械工程学会焊接学会《焊接手册》、国家标准《金属材料残余应力测定 钻孔应变法》以及《焊接结构学》等相关权威著作与标准中的核心理论与定义，旨在提供系统、专业的工程知识解读。）