中国焊割设备网消息: 杨建国    张学秋   刘雪松  方洪渊
               (哈尔滨工业大学  焊接国家重点实验室  哈尔滨 150001）
 
摘要：传统的观点认为在焊缝及近缝区存在着残余压缩塑性应变，而近几年有学者提出焊缝不存在残余压缩塑性应变，只存在拉伸应力和应变，在焊后焊缝当中不可能存在残余压缩塑性变形，从而对消除残余应力的方法进行了重新论述，现根据这种新的观点及消除残余应力的若干问题，通过对接焊缝的数值模拟来验证这种新观点是否正确，并就消除残余应力应变问题针对一些矛盾的观点进行分析和讨论。
关键词：残余应力，应变，数值模拟
Analysis and Discussion About Forming Mechanism of Welding Residual Stress and Correlation Problem
Yang Jiangguo  Zhang Xueqiu   Liu Xuesong  Fang Hongyuan
(State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001)
Abstract: Residual compressive plastic strain presents in the weld and heat affected zone from traditional views，but some scholars put forward that no residual compressive plastic strain lies in the weld, only tensile stress and strain, therefore no compressive plastic distortion is produced and think  methods of removing the residual stress should be discussed renewedly. Basing  on the new viewpoint and some problem of  removing residual stress, numerical simulation of welding is adopted to analyse the inconsistent views.
0序言
    
 1965年，前苏联尼古拉也夫Г﹒А院士分析了焊接应力应变发展过程，其原理见图１，在钢板中心区为压应力和压应变区，而板的两侧为拉应力和拉应变区。在大约200 ℃以上的区域产生压缩塑性变形，在600 ℃以上的区域，压缩塑性变形为α·T ，式中α为线膨胀系数，T 为温度［１］；此外，前苏联的H. O. 奥凯尔勃洛姆和C. A 库兹米诺夫也认为焊接加热过程中焊缝和近缝区的金属热膨胀应变受到周围较冷金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。焊接冷却过程中该压缩塑性应变被拉
  图1 　低碳钢板焊接纵向应力应变分布
Fig. 1  Longitudinal stress and strain distribution patterns 
 
伸抵消一部分，但焊后仍残留部分压缩塑性应变，称为残余压缩塑性应变［２］［３］。并用来分析和预测焊接残余应力和变形。从而可以看出传统的观点，无论是尼古拉也夫Г﹒А院士还是H. O. 奥凯尔勃洛姆和C. A 库兹米诺夫，都认为焊缝存在压缩塑性变形。近几年，沈阳金属所的王者昌研究员提出了一种新的观点认为“对于焊缝金属来说，并不存在加热阶段。在冷却过程中除相变外，都受到拉伸，也就是说不存在压缩，更不会出现压缩塑性变形。”究竟是传统的残余压缩塑性应变理论正确还是王者昌研究员的观点正确，现以低碳钢对接焊缝的数值模拟来分析和验证焊缝的残余应力和残余压缩塑性应变的正确性。
1．对接焊缝的数值模拟
过去人们在研究焊接应力与应变方面大多采用解析法，但是由于该方法是基于平截面假设的前提下，并简化了诸多条件和因素，进行了多种假设后而进行的计算，掩盖了许多现象，伴随着计算机技术在焊接研究中的广泛应用，以数值模拟的方法来分析焊接应力应变及预测焊接变形已经成为了一种主要手段，虽然焊接数值模拟技术是从解析法发展起来的，但其可以定量地分析焊接行为的整个动态变化，能够近于准确地演示热弹塑性应力和应变非线性变化的复杂变化过程，由于数值模拟技术在近30年来取得的进展及在研究焊接问题上受到的认可，现在就采用数值模拟的方法来分析一下熔化焊焊缝及近缝区应力和应变情况。
传统的残余压缩塑性应变的观点一直假设是线热源对焊缝一起加热或认为焊缝本身作为待熔化金属的一部分，焊接不过是在已存在的焊缝上面加热而并不熔化来研究焊缝的应力和应变问题，从而使得出的残余压缩塑性应变理论受到了质疑，新观点认为加热了却不熔化，这种过程不能称为焊接，即提出了必须考虑实际焊接情况，因此有了焊接应力与应变问题上的争议，问题的提出很有实际意义，为了验证熔化焊焊缝及近缝区在焊接过程中应力和应变情况，对薄板熔焊对接接头进行了数值模拟，模拟试件材料采用Q235钢作为焊接母材，尺寸为500×160×3mm，应用的模拟软件为MSC.Marc，因焊接接头的几何对称性，取宽度方向一半建立有限元模型。焊缝及近缝区网格划分较密，而远离焊缝的母材边缘网格变疏，共24743个节点，16000个单元，模型见图2。力学分析中，由于结构的对称性，不允许垂直于对称平面的位移，其它约束的施加防止刚体转动即可。因为焊接过程的复杂性，采用小位移、小应变的弹塑性增量理论进行焊接残余应力的计算。材料的物性参数与力学参数随温度而变，属于材料非线性。材料的屈服判据用Von Mises屈服准则，塑性区上的行为服从流变法则，同时假设:材料各向同性;不考虑粘性和蠕变的影响。材料遵循线性硬化模式[4]。从图3可以
图2 有限元模型
Fig2. finite element model of welding joint
图3. 冷却后焊接接头的纵向塑性应变
Fig3. longitudinal plastic strain of weld joint after cooling 
看出，薄板熔焊对接接头冷却后，焊缝及近缝区纵向存在着残余压缩塑性应变，验证了传统观点的正确性。
2焊接残余应力与应变问题分析与讨论
2．1焊缝的残余压缩塑性应变与加热过程的联系
文献5在讨论应力和应变的分布时指出：“焊缝一直承受拉伸应变,在温度降到力学熔点以前,这种应变一直是拉伸塑性应变。当温度降到力学熔点以后,焊缝开始出现弹性拉伸应变和拉应力。可以看出,焊缝从凝固温度降到室温的全过程中不存在压应力和压应变,更不存在压缩塑性变形。至于熔池前沿升温膨胀产生的压缩塑性应变和变形,因为焊缝尚未形成,故不能算作焊缝的压缩塑性变形。”提出了与传统观点不同的说法，文献作者认为：传统的观点忽略了一个最基本的事实，即板中心区(焊缝及近缝区) 处于冷却过程，而不是加热过程，在这两个过程中，应力应变发展过程是不同的， 并提出了另一种观点，因而认为焊接时焊缝是否存在压缩塑性变形以及随之而来的消除应力原理问题尚待研究。文献5认为焊缝的形成仅与冷却过程有关，而与加热过程没有关系，而没有考虑加热阶段，但是焊缝的形成是有多种因素综合作用的结果， 加热过程是焊缝形成的一个必要条件。是焊接行为的整个过程才积淀了最后的残余压塑塑性应变，残余压缩塑性应变是这一过程中的最终结果，如果只而不是Tm →0形成的才是焊缝，而要考证这一结果就要考虑势必有些片面。热影响区内金属所产生的压缩塑性变形是始终存在的，其对焊接应力与变形的形成同样有重要的贡献。为了验证加热过程对残余压缩塑性应变是否有影响，利用图2所示有限元模型，只改变材料的加
  
热温度，计算热影响区塑性应变的瞬态变化过程，用以模拟近缝区应变演化历程。从图4中可以看出焊缝中心的峰值温度为957℃，虽然高于600℃，但远没有达到熔点，而由此温度场在加热阶段引起了压缩塑性应变，而在冷却的过程中产生了拉伸塑性应变，纵向塑性应变经历了由压缩塑性应变到拉伸塑性应变的转变过程。因此加热过程是不能忽略的。
2.2焊件纵向变形讨论
由于文献5的作者始终认为焊缝不存在加热过程，所以为了解释焊件缩短指出了：“焊缝受拉伸，不等于此处的金属一直受拉伸，在熔池前沿的金属受热产生明显的压缩塑性变形。这种压缩塑性变形量与焊缝冷却拉伸变形量相当。此外，熔池凝固还会产生大约3 %收缩。三项合在一起，总的结果是产生了收缩变形，焊件变短了。可以说焊件变短主要是由于金属局部熔化随后凝固收缩造成的。”现在来分析一下这个问题，焊缝受拉伸不等于此处的金属一直受拉伸，也就是说还存在着压缩，那么又提出这种压缩塑性变形量与焊缝冷却拉伸的变形量相当，这个“相当”意思也就是基本上相互抵消，可是理论依据和实验依据不清楚，为什么会变形量相当没有给出解释和说明，从传统的观点来看压缩的变形量和拉伸的变形量是不可能相等的，传统观点始终认为焊缝存在残余压缩塑性应变，而对接焊缝的数值模拟的结果也显示焊缝在完成整个焊接过程后，纵向只存在着压缩塑性应变，这也说明由于加热过程中产生的压缩塑性应变大于冷却过程中产生的拉伸塑性应变，与传统的残余压缩塑性应变的观点是相吻合的，文献5作者最后将熔池凝固产生的近3 %归结为焊件纵向缩短着实值得商榷，而相关文献对这3%的收缩给予了合理的解释：“熔池凝固大约3 %的收缩，甚至材料在弹性丧失温度以上冷却时的收缩对最终的残余应力和变形影响是不大的。因为此时材料处于热塑性状态，热收缩应变受到周围较冷金属的约束被拉伸塑性应变所抵消。文献作者忽略了一个最重要的因素，也就是焊缝金属从高温，特别从弹性丧失温度冷却至室温时的热收缩应变，正是该应变起着与压缩塑性应变同样的作用。可以说一系列质疑都是由此而引起的[7]。”这里面的分析很符合逻辑和热弹塑性分析的基本规律，从而可以判定熔池凝固还会产生大约3 %收缩不是主要原因，其主要原因是其产生的拉伸塑性应变小于压缩塑性应变，所以产生了残余压缩塑性应变， 这是主要原因，而由于从液态到固态的转变也产生的大约3%左右的收缩也是因素之一，但只是次要原因。
2.3液化裂纹形成机理讨论
文献6指出：“在熔合线两侧，随离熔合线的距离增加，纵向拉伸应变急剧减小，这就很容易解释如图6 所示的液化裂纹分布在熔合线两侧和裂纹很短的现象。如果按照焊缝存在压缩塑性变形的观点，这种裂纹就不会出现了。因为焊缝一直处在冷却过程中，它冷却收缩受阻，承受拉伸应变。因此除相变外，焊缝不可能出现压应变和压缩塑性变形。”在熔合线两侧，随离熔合线的距离增加，纵向拉伸应变急剧减小， 从而来解释液化裂纹很短的现象，是合理的和正确的，但是对于焊缝存在压缩塑性变形裂纹就不会出现了，这种观点在逻辑上不能完全成立，首先焊缝产不产生裂纹和压缩塑性变形不存在直接的逻辑推理关系，因为产生的塑性变形本身是不可逆的，在加热过程中产生的塑性变形，在冷却过程中已经保留了下来，在这一过程中不会产生液化裂纹，这是肯定的，而在冷却过程中产生了拉伸塑性变形，而液化裂纹就是在冷却拉伸的过程中产生的，关于这个问题，文献7的给出了时间上的解释：“在加热过程中产生了压缩塑性应变，而在高温冷却下来时，这时产生的是拉伸塑性应变，也是熔合线处产生液化裂纹等热裂纹的原因之一，它与加热过程中产生的是压缩塑性应变无关。拉伸与压缩塑性应变是在不同时刻发生的，并不矛盾。”这是符合逻辑的解释，而关于液化裂纹很短的现象文献8又进一步给出了细致的解释，值得借鉴。
 
 
                      图6 　液化裂纹示意图
Fig.6　Schematic illustration of liquation cracks
2.4 残余应力和塑性变形的因果关系讨论
传统的观点始终认为由于焊后塑性分布的不均匀性分布是产生残余应力的根源，也就是由于有了塑性变形才产生了残余应力，多年以来持这一观点一直得到了界内很多学者的认可，但是经典力学的观点因为有了力才有可能产生变形，当外力超过了材料的屈服极限才会产生塑性变形，而在屈服极限以下理想的弹塑性体将恢复到原始状态，就焊接过程而言，在熔池前沿由于移动热源的作用，低温区的金属对高温区有一个阻碍作用，在焊缝及其附近区域产生了压缩塑性应变，而在进入熔池以后，应力趋于零点，而在冷却的过程中，由于平衡焊缝金属的热收缩作用而产生了拉应力，进而产生了拉伸塑性变形，当焊缝金属冷却至弹性温度以内产生了弹性拉伸应变和拉伸应力，因此作者认为：第一，应力与变形的关系为：应力是变形产生的原因或“推动力”，变形是应力作用或存在的表现，弹性变形是应力存在的表征，关系为虎克定律，塑性变形是应力达到极限状态（屈服）表征或证据，塑性变形量不反映应力的变化情况。第二，残余应力作为内应力在构件内自身平衡。残余应力是构件应力分布的不均匀性的反映，这种不均衡可以使构件发生变形（即残余变形）。第三，塑性变形是材料曾经发生屈服这一历史经历的记录，不应将塑性变形看成是一种持续存在，因此塑性变形不会影响残余应力的分布，只与弹性变形相互关联，同时存在；第四，塑性变形量可用来描述和计算残余应力，但不能由此认为塑性变形是残余应力存在的原因。
 
3          关于消除残余应力原理的论述
首先，“消除”残余应力的提法有些欠妥，因为在焊缝及其附近区域产生的拉应力被远离焊缝的母材边缘的压应力所平衡，其焊后总的内应力为0，所谓消除残余应力，只是改变了残余应力的分布特征，使其分布趋于“均匀”，而应该叙述为调整，而不是“消除”。《焊接手册》（3）在消除残余应力方法的叙述中多次提到焊缝存在压缩塑性变形。例如，采用温差拉伸法时，“两侧的金属受热膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸，使之产生拉伸塑性变形以抵消原来的压缩塑性变形”。采用机械拉伸法时，“ 焊缝压缩塑性变形得到拉伸并屈服，从而减小由焊接引起的局部压缩塑性变形量，使内应力降低”。采用滚压法时，“焊后用窄轮滚压焊缝和近缝区，可达到补偿焊接所造成的压缩塑性变形的目的[9]。”而在文献5中，由于作者没有考虑加热阶段，所以在这样一个基础上提出了“例如，对于薄板单道焊而言，机械拉伸法消除应力为通过加载拉伸，使焊缝和近缝区产生拉伸塑性变形，从而使弹性拉伸应变和拉伸应力减少。温差拉伸法:两侧的金属因受热膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸，使之产生拉伸塑性变形，从而使弹性拉伸应变和拉伸应力减少。滚压法则为用窄轮滚压焊缝和近缝区，产生拉伸塑性变形，使弹性拉伸应变和拉应力减小。”两种论述虽然不同，但是两者表达的意思却都是怎样来消除残余应力，而焊接的残余应力本身就为0，谈不到消除的问题，所谓的消除中只是改变了内应力的分布特征。
4结论
1．焊接行为的整个过程才积淀了最后的残余压塑塑性应变，所以焊接残余应力的研究应该考虑加热过程。
2.应力与变形的关系为：应力是变形产生的原因或“推动力”，变形是应力作用或存在的表现，弹性变形是应力存在的表征，关系为虎克定律，塑性变形是应力达到极限状态（屈服）表征或证据，塑性变形量不反映应力的变化情况，残余应力作为内应力在构件内自身平衡。残余应力是构件应力分布的不均匀性的反映，这种不均衡可以使构件发生变形（即残余变形）。
3.塑性变形是材料曾经发生屈服这一历史经历的记录，不应将塑性变形看成是一种持续存在，因此塑性变形不会影响残余应力的分布，只与弹性变形相互关联，同时存在，塑性变形量可用来描述和计算残余应力，但不能由此认为塑性变形是残余应力存在的原因。
4. “消除”残余应力的提法欠妥，在焊缝及其附近产生的拉应力被远离焊缝的母材边缘的压应力所平衡，其焊后总的内应力为0，所谓消除残余应力，只是改变了残余应力的分布特征，使其分布趋于“均匀”，而不是“消除”。
参考文献:
1．НикопаевГА.  Расчет  сварных  соединеии ипрочностьсварных конструкции[М] . ИЗДАТЕЛЬСТВО，1965. 155～158.
2.奥凯尔勃洛姆H O. 焊接应力与变形[M] . 雷原译. 北京:中国工业出版社，1958.
3.库兹米偌夫C A. 船体结构的焊接变形[M] . 北京:国防工业出版社，1978.
4.李菊. 钛合金低应力无变形焊接过程机理研究.北京工业大学博士学位论文， 55～56.
5.王者昌. 关于焊接残余应力消除原理的探讨[J].焊接学报，2000，21 (2):55～58.
6.王者昌，陈怀宁．关于焊接应力变形两个问题的进一步探讨[J].焊接学报，2002，23 (5):69~72.
7.汪建华．焊接残余应力形成机制与消除原理若干问题的讨论[J].焊接学报，2002，23（3）：75～79.
8.王者昌．关于焊接应力应变问题的再探讨[J].焊接学报，2006，27（8）：107～112.
9.中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(3) (第二版) [M] . 北京:机械工业出版社，2001.