纵向残余应力的分布华侨大学

纵向残余应力的分布
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纵向残余应力的分布
一般焊接结构制造所用材的厚度相对于长和宽部很小，在板厚 小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，厚度方向上的焊 接应力很小，残余应力基本上是双轴的，即为平面应力状态。 只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向上才有较大的残余 应力。通常，将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以σ x 表示；将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以σ y表 示；对厚度方向的残余应力以σ z表示。
图 平板对接焊时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布
纵向残余应力的分布
在焊缝的端部存在应力过渡区，纵 向应力σx逐渐减小，在板边σx =0 处。这是因为板的端面o-o截面处是 自由边界，端面之外没有材料，其 内应力值自然为零，因此端面处的 纵向应力σx=0。一般来说，当内应 力的方向垂直于材料边界时、则在 该边界处的与边界垂直的应力值必 然等于零。如果应力的方向与边界 不垂直，则在边界上就会存在一个 切应力分量，因而不等于零。当焊 缝长度比较短时，应力稳定区将消 失，仅存在过渡区，并且焊缝越短 纵向应力σy的数值就越小。图不同 焊缝长度σx值的变化给出了σx随焊 缝长度变化情况。
图 不同焊缝长度σx值的变化
纵向残余应力的分布
纵向应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力， 两边为压应力,拉应力和压应力在截面内平衡。图焊缝纵向应 力沿板材横向上的分布给出了不同材料的焊缝纵向应力沿横向 上的分布。
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图 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布 a） 低碳钢 b）铝合金
图 圆筒环焊缝纵向残余应力的分布
纵向残余应力的分布
铝合金和钛合金的σx分布规律与低碳钢基本相似，但焊缝中心 的纵向应力值比较低。对于铝合金来说，由于其热导率比较髙， 使其温度场近似于正圆形，与沿焊缝长度同时加热的模型相差 悬殊，造成了与平面变形假设的出入比较大。在焊接过程中， 铝合金受热膨胀，实际受到的限制比平面假设时的要小，因此 压缩塑性变形量降低，残余应力也因而降低，一般σx只能达到 0.6~0.8σs对于钛合金来说，由于其膨胀系数和弹性模量都比 较低，大约只有低碳钢的1/3，所以造成其σx比较低，只能达 到0.5~0.8σs。
纵向残余应力的分布
平板对接焊件中的焊缝及近缝区等经历过高温的区域中存在纵 向残余拉应力，其纵向残余应力沿焊缝长度方向的分布如图平 板对接焊时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布所示。当 焊缝比较长时，在焊缝中段会出现一个稳定区，对于低碳钢材 料来说，稳定区中的纵向残余应力σx将达到材料的屈服强度σs。
圆筒环焊缝上的纵向（圆筒的周向）应力分布如图圆筒环焊缝 纵向残余应力的分布所示。当圆筒直径与壁厚之比较大时，σx 分布与平板相似，对于低碳钢材料来说，σx可以达到当圆筒直 径与壁厚之比较小时，σx有所降低。
纵向残余应力的分布
对于圆筒上的环焊缝来说，由于其纵向收缩的自由度比平板的 收缩自由度大，因此其纵向应力比较小。纵向残余应力值的大 小取决于圆筒的半径、壁厚δ和塑性变形区的宽度bp。当壁厚 不变时，σx随着R的增加而增大。