焊接应力变形原理若干问题的探讨(9)

焊接应力变形原理若干问题的探讨（9）

王者昌

（中国科学院金属研究所 沈阳 110016）

摘要：低碳钢和钛合金焊接应力应变过程示意图表明：冷却过程中焊接应力与残余热收缩应变同时产生、同步发展，是伴生关系、不是因果关系；应力与压缩塑性应变、传统观点认为的残余压缩塑性应变发展不同步，它们之间不是伴生关系、也不是因果关系；自由热收缩应变、残余热收缩应变与压缩塑性应变、残余压缩塑性应变发展也不同步；预热焊时压缩塑性应变在数值上小于自由热收缩应变，传统观点认为的残余压缩塑性应变在数值上也小于残余热收缩应变；预热到力学熔点温度焊接时，不再产生压缩塑性应变，但仍存在残余热收缩应变和残余应力；残余热收缩应变与传统观点认为的残余压缩塑性应变不等价。

关健词：焊接残余应力 残余热收缩应变 残余压缩塑性应变 自由热收缩应变 压缩塑性应变

0 前言

文献[1]认为：“残余压缩塑性应变与残余热收缩应变两者是等价的”。文献[2、3]认为，在不预热焊时，传统观点认为的残余压缩塑性应变与残余热收缩应变具有相同的数学表达式。由于数学表达式相同，两者似乎是等价的，但在预热焊时则数学表达式不同，当预热到不低于“力学熔点”温度时，不再产生压缩塑性应变，因此传统观点认为的残余压缩塑性应变也不存在了，但残余热收缩应变和残余应力还存在，因此认为残余热收缩应变与传统观点认为的残余压缩塑性应变不等价。文献[2]和[3]的上述观点能否用图解证实，本文将分析研究这个问题。

1低碳钢焊接时的应力应变发展过程

t、拉伸弹性应变

εte皆为零。从“力学熔点”温

度降温时，残余热收缩应变（绝对值）与拉伸弹性应变、拉应力同步增长，冷却到室温时产生残余拉应力和最终的残余热收缩应变εrh 。可以看出εrh与εte、σt同步增加，它们之间是伴生关系，不是因果关系。

从图1还可看出，在熔点温度时，由于拉伸塑性应变εtp为零，压缩塑性应变εcp已达-α（Tm－Tp），其差值即εrc达到最大值。随着温度降低，拉伸塑性应变εtp的产生和增长，εrc在数值上逐渐减少，达到“力学熔点”Tmm时仍保有α（Tm－Tmm）。“力学熔点”以上温度，拉伸弹性应变εte和拉伸应力仍为零。从Tmm继续降温时，εte和σt逐渐增加，而εrc在数值上逐渐减少。冷却到室温后，在不预热焊时εrh与εrc具有相同的数值。从图1可以看出，拉伸弹性应变εte、拉应力σt，残余应力与传统观点认为的残余压缩塑性应变εrc发展不同步。

从图1还可以看出，残余热收缩应变εrh与传统观点认为的残余压缩塑性应变εrc发展也不同步。两者的不同步源于自由热收缩应变εfh与压缩塑性应变εcp不同步。自由热收缩应变在熔点温度Tm时为零，冷却到室温Tr时才为α（Tm－Tr），当焊件初始温度为室温Tr时，残余压缩塑性应变在熔点温度已达-α（Tm－Tr），冷却到室温时仍为-α（Tm－Tr），仅仅在这时εrh才与εrc相等。

低碳钢预热焊时应力应变发展过程如图2所示。图2与图1的主要区别在于：此时焊件初始温度高于终了温度，加热过程产生的压缩塑性应变在数值上小于冷却到室温时的自热收缩应变，传统观点认为的残余压缩塑性应变在数值上也小于残余热收缩应变。

文献[4]认为，焊接残余应力不是加热过程产生的压缩塑性应变引起的，而是由于不均匀冷却引起的，故研究焊接应力应变时只要研究冷却过程就可以了。

文献[5]认为，冷却时压缩塑性应变消失，因此在冷却过程中并不存在压缩塑性应变和残余压缩塑性应变。在本文的示意图中，压缩塑性应变和残余压缩塑性应变是按照传统观点画出的，实际上并不存在，只是为更直观地与自由热收缩应变和残余热收缩应变以及应力发展过程相对比才虚拟画出的。

低碳钢不预热焊接时，“力学熔点”以上温度的区域应力应变过程示意图如图1所示。图1纵坐标中标注的熔点温度也可以是“力学熔点”以上的任何温度。从图1可以看出，在“力学熔点”以上温度，残余热收缩应变εrh ，拉应力σ

图1 低碳钢常规焊接时焊缝应力应变发展历史 Fig 1Stress-strain history for low carbon steel conventional welding

图2 低碳钢预热焊时焊缝应力应变发展历史 Fig 2 Stress-strain history for low carbon steel preheat welding

随焊预热到金属“力学熔点”以上温度焊接时应力应变发展过程示意图如图3所示。从图3可看出，σt、εtp、εrh、εfh的发展趋势与图1相同，只是εtp发展比图1快些，σt、εrh比图1缓慢些，εfh不变。也就是说由于预热的作用，拉伸塑性应变发展较快，使σt、εte和εrh降低。从图3还可看出，由于预热到“力学熔点”以上

温度，加热过程中的拘束没有了，故不存在压缩塑性应变和传统观点认为的残余压缩性应变，但冷却过程中的拉伸塑性应变和残余热收缩应变照样存在，拉应力和残余应力照样存在。从图3还可看出，残余应力与残余热收缩应变发展同步，而与传统观点认为的残余压缩塑性应变的发展不同步。

焊接时，稍低于力学“熔点温度”的区域应力应变发展过程如图4所示。从图4可看出，开始时有少许压应力和压缩弹性应变存在，其大小等于该处所处温度的屈服应力和屈服应变，随温度降低，压应力和压缩弹性应变逐渐减少、消失，随之产生拉应力和拉伸弹性应变，随温度继续降低，拉应力和拉伸弹性应变不断增加。图4中，在拉应力增加到相应温度的屈服应力前不会产生拉伸塑性应变。在产生拉伸塑性应变前，残余热收缩应变等于自由热收缩应变，产生拉伸塑性应变后，残余热收缩应变在数值上小于自由热收缩应变。从图4还可看出，由于有加热过程产生的残余压缩弹性应变存在，压缩塑性应变在数值上小于冷却到室温时的自由热收缩应变，残余压缩塑性应变在数值上也小于残余热收缩应变

图3低碳预热温度不低于“力学熔点”温度焊接时焊缝

应力应变发展历史

Fig3Stress-strain history for low carbon steel preheat

welding at lowest mechanical melting-point

图4 低碳钢焊接时最高温度稍低于“力学熔点”处应力

应变发展历史

Fig4Stress-strain history for low carbon steel welding in point of little low mechanical melting-point

图4与图1明显不同，（1）由于处于稍低于“力学熔点”温度，加热时产生压缩弹性应变和压应力，因此压缩塑性应变在数值上小于自由热收缩应变；（2）在降温过程中，金属收缩受阻使压应力和压缩弹性应变降低，达到零值后开始产生拉应力和拉伸弹性应变，随温度降低屈服应力和屈服应变不断增加，拉应力和拉伸弹性应变也不断增加；（3）当拉应力达到相应温度的屈服应力时，开始产生拉伸塑性应变；（4）在开始产生拉伸塑性应变前，自由热收缩应变与残余热收缩应变曲线重合，在此之后，残余热收缩应变在数值上小于自由热收缩应变，压缩塑性应变与传统观点认为的残余压缩塑性应变之间的关系亦如此。

2钛合金焊接应力应变发展过程

文献[2、6、7]指出，在“力学熔点”以下温度，低碳钢会产生拉伸塑性应变，而钛合金则不会产生拉伸塑性应变，因此钛合金的焊接应力应变发展过程有别于低碳钢。

钛合金焊接应力应变发展过程如图5所示。由于“力学熔点”Tmm以下温度不再产生新的拉伸塑性应变[2]，故Tmm以下温度残余热收缩应变增加速度要比图1大些，应力发展速度快些，拉

伸弹性应变和残余应力比钢大些。与图1相比，

εtp和εrc有很大不同，在“力学熔点”以下温

度为常量，而在图1中则是变量。在熔点到“力学熔点”温度范围内εrc在数值上逐渐减少，但σt、εte为常量（皆为零），εrh也为零。而在“力学熔点”以下温度εrc为常量，但拉伸弹性应变εte和拉应力σt不断增长，εrh在数值上也不断增加。从图5可以看出，残余应力与传统观点认为的残余压缩塑性应变的发展不同步，而与残余热收缩应变发展同步。从图5还可看出，在初始温度与终了温度相同时，冷却到室温后自由热收缩应变εfh与压缩塑性应变εcp相等，残余热收缩应变εrh与传统观点认为的残余压缩塑性应变εrc相等。

钛合金预热焊时应力应变发展过程如图6所示。图6与图5不同之处主要在于：预热焊时由于焊件初始温度高于终了温度，加热过程产生的压缩塑性应变在数值上小于冷却到室温时产生的自由热收缩应变。传统观点认为的残余压缩塑性应变在数值上也小于残余热收缩应变。

图5 钛合金常规焊时焊缝应力应变发展历史 Fig 6 Stress-strain history for TC4 titanium alloy

conventional welding

图6 钛合金预热焊接时焊缝应力应变发展历史 Fig5 Stress-strain for TC4 titanium alloy preheat welding

钛合金预热温度不低于“力学熔点”温度焊接时的应力应变发展过程如图7所示。从图7可看出，由于预热温度高于“力学熔点”，材料失去变形抗力，拘束不存在了，因此压缩塑性应变也不能产生了，从而也不会有残余压缩塑性应变。但是由于焊缝温度仍高于两侧金属，焊件冷却到室温后仍会产生残余应力和残余热收缩应变。

图7钛合金预热温度不低于“力学熔点”温度焊接时焊

缝应力应变发展历史

Fig7 Stress-strain history for titanium alloy preheat

welding at lowest mechanical melting-point

图8钛合金焊接时最高温度稍低于“力学熔点”

温度处应力应变发展历史

Fig8 Stress-strain history for titanium alloy weldingin point

of little low mechanical melting-point

焊接时温度稍低于钛合金“力学熔点”温度的区域冷却时应力应变发展过程如图8所示。 在开始时存在少许压应力和压缩弹性应变。降温过程中压应力和压缩弹性应变减少、消失，继之产生拉应力、拉伸弹性应变和拉应力拉伸弹性应变逐渐增加。由于不产生拉伸塑性应变，故残余热收缩应变与自由热收缩应变相等，压缩塑性应变与残余压缩塑性应变相等。

图8与图5明显不同，（1）由于处于稍低于“力学熔点”温度，加热时产生压缩弹性应变和压应力，因此压缩塑性应变在数值上小于自由热收缩应变；（2）在降温过程中，金属收缩受阻使压应力和压缩弹性应变降低，达到零值后开始产生拉应力和拉伸弹性应变，随温度降低屈服应力和屈服应变不断增加，拉应力和拉伸弹性应变也不断增加；（3）由于不产生拉伸塑性应变，因此自由热收缩应变与残余热收缩应变曲线重合，压缩塑性应变与传统观点认为的残余压缩塑性应变曲线重合。

图8与图4的不同在于：钛合金在“力学熔点”以下温度不再产生拉伸塑性应变，残余热收缩应变曲线与自由热收缩应变曲线重合，压缩塑性应变曲线与传统观点认为的残余压缩塑性应变曲线重合。

从上述分析可看出，焊缝应力与残余热收缩

应变发展同步，与传统观点认为的残余压缩塑性应变发展不同步；预热焊时，残余压缩塑性应变在数值上小于残余热收缩应变。另外，根据文献[4]，焊缝应力对残余热收缩应变、残余压缩塑性应变的依存关系不同。根据以上分析可以认为，残余热收缩应变与残余压缩塑性应变不等价。

3 结论

（1）冷却过程中焊接应力与残余热收缩应变发展同步，与传统观点认为的残余压缩塑性应变发展不同步。

（2）不预热焊接时，高于“力学熔点”温度的区域，压缩塑性应变与自由热收缩应变相等，残余热收缩应变与传统观点认为的残余压缩塑性应变相等，预热焊接时它们则没有相等关系。

(3)当预热到不低于“力学熔点”温度焊接时，加热过程不再产生压缩塑性应变，也没有残余压缩塑性应变，但残余热收缩应变和残余应力仍然存在。

(4)残余热收缩应变与传统观点认为的残余

压缩塑性应变发展不同步，这源于压缩塑性应变与自由热收缩应变发展不同步。

(5)残余热收缩应变与传统观点认为的残余压缩塑性应变不等价。

参考文献：

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5 王者昌.焊接应力变形原理若干问题的探讨（3）. 6 李菊，关桥，史耀武，等.钛合金带热沉钨极氩弧

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