不锈钢焊接方管焊接残余应力的产生及影响

不锈钢焊接方管焊接残余应力是在焊接完成并冷却至室温后仍然残存在结构中的内应力，在没有外力或者温度变化等环境载荷的作用下，焊接残余应力将长期存在于不锈钢焊接方管中，是永久性应力。

焊接残余应力出现的因素有很多，如不均匀加热、不均匀塑性变形、不均匀相变等，其中不均匀加热即焊接过程中温度场的不均匀分布是导致残余应力产生的主要因素。

在焊接过程中，焊接材料被焊接热源熔化，焊缝附近区域的温度随着热源的靠近快速上升，进而导致此处材料受热膨胀，但在距离焊接热源较远的母材区域温度变化较小，材料未进一步发生改变，从而限制了焊缝区域的体积膨胀，致使焊接中心区域被压缩产生了压应力。同时温度的升高会导致钢材屈服强度和弹性模量的降低，当温度较高区域的屈服强度下降至低于此处的热应力时，此区域就产生了不均匀、不可逆的压缩塑性变形。在后续降温过程中，焊缝金属会受到周围区域的束缚，导致在焊缝区形成较大的拉应力，同时焊缝附近已存在塑性变形的高温区域会受到离焊缝较远母材的限制，无法自由的冷却收缩，进而也产生残余拉应力。因此，在焊接完成并冷却完成后，在焊缝和周围区域生成了拉应力，而离焊缝较远区域则生成了压应力。如图1.4为圆管环焊缝上的环向残余应力分布，在焊缝和相邻区域表现为拉应力，在两侧较远区域表现为压应力，对于低碳钢而言，焊缝处的最大环向应力可以达到屈服极限。

焊接残余应力会对不锈钢焊接方管造成多方面的影响。在静力强度方面，焊接残余应力会使脆性材料的的承载力显著降低，同时对于塑性材料，残余拉应力会使不锈钢焊接方管的塑性变形被阻碍，易发生脆性破环；在疲劳强度方面，残余拉应力的存在会加速疲劳裂纹的延伸，降低了结构的疲劳强度；在结构刚度方面，焊接残余应力与外力的叠加会使结构更快达到屈服极限，发生塑性变形，进而导致不锈钢焊接方管的承载面积减小，使得不锈钢焊接方管刚度下降；在压杆稳定性方面，受压杆件在外部压应力和残余压应力的共同作用下，压应力值会更快的超过屈服强度，杆件的承载能力下降；在应力腐蚀开裂方面，焊接残余拉应力的存在会加速不锈钢焊接方管腐蚀裂缝的扩展，残余拉应力越大，腐蚀开裂的速度越快。