焊接热应力和热疲劳的产生

焊接热应力和热疲劳的产生、特点及其对构件使用性能的影响传统的焊接技术是指金属间的焊接，其工艺方法一般是通过局部加热或加压、添加或不添加填充材料将金属构件不可拆除地连接在一起或在母材表面堆焊覆盖层。随着焊接技术的发展和各种新材料的不断出现及应用，现今焊接的概念早已不再局限于金属间的焊接，而是通过适当的方法，使两个分离的固体产生原子、分子晶间结合，形成焊接接头的一种连接方法。它可以是同种金属或是异种金属间的结合，也可以是非金属、金属与非金属间的各种连接。

焊接结构件虽具有诸多优点，但是还存在焊接件易变形，焊接接头易失效、焊缝处易存在焊接缺陷以及焊缝及其附近区域存在残余应力等问题，其中，焊接热应力和热疲劳是影响焊接质量的重要因素，对焊接件的尺寸精度、安全使用以及使用寿命等有着极大的影响。

一、焊接热应力的产生过程

焊接热应力是指焊接过程中,焊件内部由于温度差异所引起的应力，焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接热应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中存在瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后还有残余焊接应力和变形。例如：钢材焊接时，由于高度集中的瞬时热输入，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处可达1500℃以上，高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约束，从而在焊件内引起较高的热应力，在焊接过程中随时间和温度而不断变化，最终形成焊接热应力。

二、焊接热应力特点及对构件使用性能影响

焊接热应力也和其他原因引起的内应力一样，有一个基本特点，即在整个焊件内构成一个平衡力系，其内力与内力矩的总和都为零，在温度高处发生压缩，温度低处发生拉伸形变。焊接热应力随约束程度的增大而增大。由于材料的线膨胀系数、弹性模量与泊桑比随温度变化而变化，不仅与温度变化量有关，而且受初始温度的影响。焊接热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低。对于塑性材料，热应力不会导致构件断裂，但交变热应力有可能导致构件发生疲劳失效或塑性变形累积。

在构件的实际使用中，焊接热应力会影响构件承受静载能力、影响结构脆性断裂、影响结构的疲劳强度、影响结构的刚度和稳定性、易产生应力腐蚀开裂、影响构件精

度和尺度的稳定性等。

三、焊接热疲劳的产生过程

在焊接过程中，由于焊接时构件局部温度的反复变化而引起的疲劳现象称为焊接热疲劳。

焊接时的热疲劳会产生热疲劳裂纹，热疲劳裂纹是在焊接接头热应变最大区域形成，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿表面垂直受热方向扩展，并向表面内纵深方向发展。焊接热疲劳裂纹与循环温差、焊缝表面状态和材料有关。循环温差越大就越容易发生热疲劳。

四、焊接热疲劳的特点及其对构件使用性能影响

在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了焊接部位的热疲劳抗力；高温促使表面和焊接裂纹尖端氧化，甚至局部熔化，加速热疲劳破坏；焊接接头截面上存在温度梯度，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。金属材料的热疲劳抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性摸量E、屈服极限σs等力学性能有关。