大型或復雜鋼結構焊接殘余應力與變形研究進展

高占遠++郭彥林

摘要：綜述了大型或復雜鋼結構焊接殘余應力與變形的研究進展，給出了材料高溫性能、網格自適應技術、并行計算技術、子結構子模型技術及分解算法等焊接鋼結構模擬新技術的研究現狀，討論了厚板、節點、整體復雜結構焊接殘余應力的研究進展，總結了焊接殘余應力的測量方法及應用情況，給出了大型或復雜結構今后的研究方向。結果表明：大型或復雜結構焊接殘余應力在數值模擬方法、構件或整體結構性能、測量技術等方面都取得了一定的進展，隨著大型復雜鋼結構日益增多，研究焊接殘余應力和變形問題將對工程結構的設計、施工及結構安全有十分重要的意義。

關鍵詞：復雜鋼結構；焊接；殘余應力；殘余變形；數值模擬；測量技術

中圖分類號：TU392 文獻標志碼：A

0 引 言

焊接作為建筑結構的主要連接方法之一，得到了廣泛應用，與其他的連接方法相比，焊接具有節約材料、工序簡單、制作周期短及可制作復雜結構等優點。焊接是集電弧物理、傳熱、冶金和力學為一體的復雜過程，具有高溫、動態、瞬時等特征，是非平衡加熱冷卻導致的高動態應力應變過程，因此不可避免地會產生不可忽略的殘余變形，對于復雜結構會產生殘余應力。

焊接殘余變形和殘余應力的起因和分類最早可以追溯到1946年Osgood[1]的著作。1948年，國際焊接學會（IIW）成立，1963年中國開始參與國際焊接學會的活動，1996年國際焊接學會成立了專門從事焊接結構殘余應力和變形預測的工作小組，并舉行了多次有關焊接殘余應力和變形預測的學術會議。此后，許多學者對焊接殘余應力和殘余變形進行研究，以探索產生焊接殘余應力和殘余變形的機理和實質，為調整和控制焊接殘余應力與變形提供有效的方法與措施。

對于大型或復雜的建筑結構，減少和控制焊接殘余變形和殘余應力的要求越來越高，因此盡快掌握焊接殘余變形和應力的分布規律，將其作用和影響量化，對焊接結構的完整性設計、施工工藝的選擇及安全評定具有重要的理論和工程意義。

1 熱彈塑性有限元法及關鍵處理技術

焊接數值模擬技術模擬結構的整體力學行為時，可綜合考慮焊接過程的幾何非線性、材料非線性等，并可簡化為研究移動熱源作用下的瞬態溫度場、熱應力場。焊接溫度場分析是進行焊接力學分析的基礎，溫度對材料的力學性能有顯著影響，很多材料參數是溫度的非線性函數。焊接殘余應力分析是一個非常復雜的過程，現已發展成為一門學科——計算焊接力學[2]。

數值模擬技術主要有有限差分法、固有應變理論法和熱彈塑性有限元法等。有限差分法始于20世紀70年代，加拿大的Paley編制了可分析矩形截面及常用的單層、雙層U型和V型坡口的焊接傳熱差分法計算機程序，考慮了材料熱物理性能與溫度的關系，將熔化區內的單元作為加熱的熱源來處理。固有應變理論法[34]忽略了熱力耦合關系的影響，認為焊接產生的應變是彈性應變和固有應變，將塑性應變和相變稱為固有應變，不考慮熱力關系形成機理，只考慮最終的應變分布規律和影響，是一種靜態分析方法。熱彈塑性有限單元法（簡稱有限元法）是隨著計算機的發展而逐步發展起來的，已經成為最重要和適應性最強的方法。

1.1 基本流程

有限元法是建立在完全的熱分析和彈塑性分析的理論基礎上，從熱結構耦合的數學角度模擬殘余應力和變形，解決了非線性求解的問題，跟蹤整個焊接過程，引入時間變量，在時間積分上進行求解，具有很強的實用性和較高的準確性，圖1給出了有限元法的基本流程。

20世紀70年代初，文獻[5]，[6]首先以有限元法為基礎，提出了考慮材料機械性能與溫度有關的焊接熱彈塑性分析理論，從而使復雜的動態焊接應力應變過程的分析成為可能。文獻[7]用有限元法建立了二維焊接溫度場的計算模型并考慮了相變潛熱的問題。由于焊接殘余應力數值模擬存在計算量大、自由度數目龐大、高度非線性導致收斂困難及三維模型導致計算時間冗長等困難，直到20世紀八九十年代才開始簡單的三維模擬[811]，可見焊接模擬發展之難。

大型復雜焊接結構的數值模擬面臨的挑戰主要有：①材料高溫性能參數低，導致非線性方程組奇異，解的收斂性和穩定性差；②自由度數目龐大，占用計算機資源多，影響求解效率；③材料的高度非線性導致求解的收斂困難。由于工程應用和科學研究的需要，許多學者對其進行了研究和探索。

1.2 材料高溫性能

材料高溫區間性能參數匱乏，數值模擬中常采用外推法確定[12]，對材料性能參數進行合理建模，一定程度上改善了收斂性和求解效率。文獻[13]在從資料獲得高溫段數據基礎上，建立了4種材料的高溫屈服假設，分別對不同溫度區間的性能進行了適當的修正，以考量其對計算效率和精度的影響。文獻[14]通過總結他人研究成果得出，溫度超過600 ℃后材料的應變對最終殘余應力不會造成太大影響，且材料的彈性模量在溫度超過600 ℃時降得很低，故將超過600 ℃部分的溫度均設定為600 ℃，以提高計算效率。

1.3 網格自適應技術

焊縫及其附近區域需要用很細的網格來描述才能達到必要的精度，但在移動熱源未達到的地方，或者溫度、應力應變梯度已變得較緩和的部位，不需要很密的網格。目前發展出網格自適應技術，1987年由McDill等[15]提出，并應用在焊接領域。該方法允許將焊縫及其附近的網格劃得較粗，隨著焊接熱源的移動，自動將熔池附近網格細分到必要的數目，在熱源過去后，當溫度、應力應變梯度減緩時，再用較粗的網格替代已細分的網格，從而始終保持網格劃分的合理分布，提高計算效率。文獻[16]使網格自適應技術應用于厚板試件焊接過程模擬，設定在熱源附近45 mm×25 mm×10 mm區域內為一個盒子，該盒子隨著焊接熱源移動而移動，設定進入盒內的單元自動在x，y，z方向上分別細分為22份，其他部分的單元保持不變，當已經細分的單元從盒子內移出時再復原。這種方法大幅度減少了單元數量，縮短了計算時間，為復雜結構焊接過程有限元計算創造了條件。文獻[17]利用動態可逆網格自動細分技術，實現減少單元和節點數目進而節約計算時間。

網格自適應技術關鍵問題之一就是網格細分的判據。文獻[18]提出以空間位置作為判據，設定一封閉區域作為判斷細分的空間位置，所有進入此區域的網格均自動進行細分。文獻[19]對不同的網格判據進行研究，給出綜合優化判據，使網格劃分更加合理。

1.4 并行計算技術

針對大型構件的焊接模擬，網格自適應技術減少了自由度數目，但新舊網格數據傳遞仍需占用較多計算機資源，提高計算效率有限，仍不能滿足進行實際構件數值模擬時大幅度縮短計算時間的需要。隨著計算機軟硬件的發展，可采用并行計算法來提高計算效率。文獻[20]為比較移動熱源分段處理的計算精度和效率，分別利用IBM公司的SP2工作站和SGI公司的ORIGIN 2000工作站多個CPU并行計算，對平板表面堆焊進行模擬，以提高計算效率。文獻[21]通過該方法對三峽工程用特大橋式起重機主梁的焊接進行數值模擬，得到主梁焊接應力的變化規律。

1.5 子結構子模型技術

子結構是將線性部分的單元用矩陣凝聚為超單元的方法，線性部分的單元矩陣不用在非線性迭代過程中重復計算。將問題分塊進行分析，節約存儲空間和計算時間。焊接問題產生塑性應變及相變應變的區域通常僅限于焊縫附近，其他部分均為彈性體。針對大型構件而言，焊縫區在整個構件中占比非常小，將彈性區域凝聚為子結構。子模型方法就是把模型的一部分截取出來作為一個子模型，重新劃分網格，作進一步分析。對大型結構的局部結構進行有限元分析時，常用網格劃分的疏密度往往不夠（如應力集中區域），可采用子模型方法解決該問題。文獻[22]運用子結構和子模型結合技術求解大型復雜結構焊接殘余應力和變形的有限元方法，給出了子結構子模型的計算流程，如圖2所示。對鋁合金筒型結構進行分析，計算時間為49.624 s，常規算法計算時間為72.192 s，大幅縮短了計算時間?？煽闯鲎咏Y構和子模型結合法提高了計算效率，縮短了計算時間。

文獻[23]采用動態子結構方法計算焊接殘余應力和變形，動態子結構在熱源移動過程中熱源前沿部分也作為子結構處理，子結構隨熱源移動不斷變化。以平板為例進行了計算，采用動態子結構方法和全模型法計算的焊接殘余應力相近，動態子結構方法用時2 h，全模型法用時8.5 h，可見動態子模型方法大幅提高了計算效率。文獻[24]，[25]分別給出了二維子結構法和迭代子結構法。

1.6 區域分解算法

針對大型復雜焊接結構整體模型數值模擬計算量大、計算時間冗長等困難，提出區域分解算法，將整體結構分解為多個簡單結構，先對簡單結構進行有限元模擬，而后根據簡單結構模擬結果及其在整體結構中的位置，運用疊加原理，研究整體結構焊接殘余應力的分布及大小。文獻[26]利用該算法計算了工字鋼端板組焊結構的焊接殘余應力，與整體模型的相對誤差在0.11%～16.67%范圍內，計算效率提高了5倍。2 大型復雜結構數值模擬

焊接的大型或復雜結構中板件較厚且焊縫復雜。在外荷載的壓應力與構件內殘余應力中的壓應力疊加后，達到材料的屈服強度，此時截面會喪失進一步承受外荷載的能力，繼續承載使桿件的有效截面面積減小，桿件剛度降低，穩定承載力也就降低，因此，大型復雜結構焊接殘余應力和變形對結構靜載強度、剛度及穩定性、疲勞強度等方面會產生一定的影響，不可忽略。目前，針對大型或復雜結構焊接殘余應力和變形的研究主要集中在厚板構件、節點、整體結構方面。

2.1 厚 板

大型或復雜結構由于構件尺寸大或受力較大等原因，需采用厚板件。厚板件與普通板件相比，焊道數增多、層數增多，如圖3所示。熱膨脹區受到周圍較冷區域約束，先焊的焊層也會產生一定的約束作用，故自身約束增大。在構件或結構中，厚板的變形受到其他板件的限制，在厚板中產生焊接殘余應力，較普通板件復雜。因此，厚板焊接殘余應力的數值模擬應考慮三維模型，文獻[27]提出了厚板多道焊的殘余應力沿厚度分布的模型，該模型分兩步：第1步是在厚板二維橫截面上的熱流分析模型，使用傾斜熱輸入模型，防止數值不穩定；第2步開發了一個結構分析模型，應力分析中使用了平截面假定，每一層焊道被認為是整體焊道，以減少計算時間。該模型通過試驗進行了驗證。文獻[28]考慮了三維加熱模型下厚板的殘余應力分布，并考慮了顯微組織的變化和晶體生長等情況。文獻[29]給出了大厚度深坡口的多道焊接接頭的殘余應力分布形態，特別是對極厚板多道焊接接頭殘余應力的分析表明最大殘余應力出現在最后一層焊道表面之下。在研究厚板多層焊各種簡化模型時，得出可通過只分析最后幾條焊道來獲得比較精確的殘余應力數值和分布區域。文獻[30]采用Quiet和Inactive兩種有限元單元模擬0.2 m厚的厚板對接多道焊殘余應力分布，均與實際結果相符。文獻[31]對80 mm特厚鋼板對接焊焊接過程進行了三維動態模擬分析，對多層、多道焊的溫度場進行加熱模擬，實現焊縫的動態生成，跟蹤應力場的變化情況。從模擬結果可知，打底焊處出現應力集中現象，甚至超過鋼材的屈服強度。厚板焊接殘余應力分布數值模擬結果需通過試驗檢驗，文獻[32]對多層多道焊的20 mm厚的結構鋼進行了試驗研究，試驗測定結果與數值模擬的殘余應力結果一致。

除采用有限元方法分析厚板焊接殘余應力分布外，采用多元非線性回歸方法建立厚板對接多道焊的最高溫度與焊接線能量、層間溫度、環境溫度及測點到熱源中心距離之間的數學模型。通過相關性檢驗、線性回歸的顯著性檢驗以及回歸系數的顯著性檢驗，證明模型可行[33]。

影響厚板焊接殘余應力的參數很多，如焊接順序、施工工藝、焊接層數與道數、約束條件等。文獻[34]利用ABAQUS軟件模擬了厚板埋弧焊的焊接過程，分析了不同焊接工藝參數和焊接接頭的幾何形狀對結果的影響，并與試驗結果相比較。文獻[35]計算了不同的換熱邊界、結構約束方式及約束位置等條件下厚板高強鋼焊接殘余應力的大小及分布，約束位置對殘余應力影響較小，結構位移約束方式對殘余應力影響較大，換熱邊界條件對厚板焊接殘余應力有一定影響，實際施工中可采取一定的緩冷處理來適當減小殘余應力。文獻[36]分析了板件邊界約束、焊接層數與道數、板件厚度、焊接順序及施工工藝對計算結果的影響。板件的約束強弱、不同的焊接順序和施工工藝對焊接殘余變形和殘余應力的大小均有影響，焊接完成后的保溫處理可明顯減小殘余變形和殘余應力的幅值。

厚板受焊接工藝和約束條件的影響，容易在構件中產生初始裂紋和缺陷。文獻[37]分析三維板殼聯合的焊接模型，提出了采用輔助熱源模型防止單面焊終端裂紋的有效方法。文獻[38]對厚板的表面堆焊、多次補焊和多層焊實例進行了計算分析，結果表明表面下8～10 mm及離開中央截面5～7 mm范圍的區域可能引起冷裂紋及斷裂韌性的降低，因此對熱應變脆化傾向的材料應考慮此因素。

2.2 節 點

節點是建筑結構中的主要構件之一，建筑結構中要求“強節點，弱構件”。因此，節點的性能決定整個結構的安全度。焊接的節點形式主要有相貫節點、梁柱節點等。焊接也在節點加固中得到應用。

2.2.1 相貫節點

相貫節點是焊接節點的常見形式之一，形式眾多，可分為平面和空間兩大類。相貫節點力學性能和破壞形態與焊接殘余應力和變形有關。

針對T型相貫節點，文獻[39]對其焊接過程進行了三維數值模擬，得到其焊接溫度場、應力場及殘余應力分布，指出焊接殘余應力離開焊縫區后迅速減小。主管徑厚比γ對焊接殘余應力影響不大，隨著支管與主管直徑比β增大，其對節點焊接殘余應力的影響增加。

針對K型相貫節點，文獻[40]考慮了其焊接時的熱作用特點和鋼材熱物理力學參數隨溫度變化的非線性性能，采用相對的熱傳導數學和物理模型進行了溫度場和應力場的耦合計算，給出焊縫殘余應力的分布規律與殘余變形，結果與理想節點試驗的破壞模式相吻合。同時得到K型相貫節點焊縫區及其附近存在較大的焊接殘余應力，但只出現在局部區域，殘余應力最大值受焊接工藝的影響。文獻[41]對兩支管等寬的矩形管K型搭接節點在軸向力作用下的連接焊縫進行了分析。得到了焊縫群及其相連管壁的受力狀態、應力分布及其變化規律，指出焊縫群的可能失效形式，并提出了該類節點焊縫群的簡化計算模型、計算內容及方法。因中國規范未對搭接矩形管的焊縫內容作出規定，該研究成果可為工程實踐提供有價值的參考。文獻[42]針對K型插板節點分析了焊接殘余應力對其極限承載力的影響，給出承載力建議計算方法。為掌握復雜受力裝修節點的破壞機理和構造措施提供建議。

針對空間KX型節點，文獻[43]模擬分析了焊接溫度場、應力場的分布，焊接殘余應力甚至可達材料的屈服極限，呈周期性變化，影響范圍比較小。指出焊接殘余應力對極限承載力都有一定的降低作用。支管與主管的管徑比越大、主管與支管軸線夾角越小、主管的徑厚比越小，極限承載力降低越多。

2.2.2 梁柱節點

梁柱焊接節點比較復雜，焊接殘余應力的影響分析以二維計算為主，也進行了三維有限元模擬探索。文獻[44]采用二維有限元及簡化試驗，分析了栓焊混接節點中梁柱翼緣對接焊焊縫中的殘余應力分布，文獻[45]在此基礎上采用二維有限元分析了存在焊接殘余應力時梁柱對接焊焊縫在靜力及循環荷載下的力學性能。文獻[46]模擬了工字鋼對接焊的腹板和翼緣位置處的焊接過程，結果表明：在焊縫影響區內存在三向殘余應力，而且縱向殘余應力比橫向殘余應力對結構的影響更大。文獻[47]分析了超高強度鋼材焊接的工字形、箱形和十字形3種截面的殘余壓應力與板件寬厚比的關系，提出了這3種焊接截面超高強度鋼材構件殘余應力的分布模型和具體計算公式。

2.2.3 加固節點

梁柱剛性節點容易發生脆性破壞，對結構的安全造成影響，經常需對鋼框架節點進行加固。文獻[48]模擬了蓋板加固梁剛節點中蓋板與柱翼緣之間對接焊的焊接過程，分析指出焊接殘余應力對整體性能影響較小。采用荷載響應指標判斷脆性斷裂的可能性，當考慮焊接殘余應力時荷載響應指標明顯增大，表明焊接熱影響區發生脆性斷裂的可能性增加，因此在焊接過程中需采取措施盡量減小焊接殘余應力。文獻[49]研究了翼緣板加強式和蓋板加強式2種加強型節點，焊接殘余應力對蓋板加強型節點的脆性斷裂影響大于翼緣板加強型節點，蓋板加強型節點在梁端對接焊縫邊緣容易發生脆性斷裂。

2.2.4 實際工程節點

結合實際工程，針對焊接節點也做了許多探討。文獻[50]利用ANSYS有限元分析軟件分析了上海嘉定蘊藻浜大橋桁架桁拱結合節點的焊接殘余應力，為結構設計和鋼結構加工提供建議。文獻[51]對同時考慮角焊縫與對接焊縫連接的鐵路鋼橋節點焊接殘余應力進行研究，對接焊使焊縫處箱梁橫截面縱向焊接殘余應力由拉—壓—拉的分布規律改變為以拉應力為主的分布規律。文獻[52]對鋼橋面板頂板與U肋接頭采用熱結構直接耦合法分析了焊接溫度場及應力場，得到構件中心截面母板縱向、橫向、U肋縱向及焊接中心豎向的殘余應力分布曲線。文獻[53]對包頭體育場鋼結構罩棚鋼管相貫節點建立三維有限元模型，研究其焊接過程的溫度場和等效殘余應力、應變場的分布規律，比較不同施工方案，指出相貫線側面中間位置作為引弧點且以6 mm·s-1的焊接速度施焊可使焊接殘余應力降低。

2.3 整體結構

大型或復雜結構由于構件數多、尺寸大、焊縫多且復雜，對整體結構的焊接殘余應力模擬還很困難，但其影響不可忽略。許多學者對其作了大量有益的探究，為后續研究奠定了基礎。

文獻[54]基于等收縮量原則在施工模擬分析中考慮焊縫收縮，建立了結構、胎架和焊縫單元的一體化模型，評估焊縫收縮對屋蓋合龍過程中胎架承受荷載的影響，并應用在深圳大運中心主體育場屋蓋結構合龍分析中，研究表明對于采用胎架支承、逐步拼裝施工的大跨度屋蓋鋼結構，由于合龍時焊縫收縮造成的結構變形對胎架的內力分布影響較大，將結構一次成型計算得到的胎架反力作為胎架設計的依據存在安全隱患，對此類問題可通過該方法予以解決。文獻[55]研究了深圳灣體育場焊接合龍過程，通過等收縮量原則將H型鋼焊接模擬結果應用到該體育場的合龍中，合龍縫附近桿件內力的增加不容忽視，而支座反力的影響微乎其微，可忽略不計。文獻[56]，[57]針對大型焊接結構開展了三維熱彈塑性有限元分析，建立了有限元分析的數學模型，該模型有助于更簡單地認識焊接變形產生機理，并較準確地預測焊接結構的焊接變形。文獻[58]運用有限元焊接模擬程序對一簡支梁焊接過程進行了模擬，分析材料與溫度有關的各力學性能對焊接殘余應力和變形的影響。文獻[59]應用力學和有限元方法，探討了基于模塊荷載有限元預測復雜結構焊接變形的力學原理及特性，分析了模塊荷載中殘余應力和殘余應變的荷載特性和有限元分析的收斂性，提出將殘余應力荷載等效為節點應力荷載的方法。該方法有效地解決了模塊荷載有限元法焊接變形彈性分析中結構易畸變、不收斂的問題。文獻[60]應用該方法對復雜結構焊接變形進行了預測，以焊接熱過程產生的廣義固有應變作為等效荷載，經過一次彈性有限元計算得出焊接變形。采用該方法預測雙層底的船舶底板，并與實測結果進行對比分析，結果基本吻合。文獻[61]以天津春意橋為研究背景，建立了三維有限元模型，考慮不同方向板件之間的相互影響，分析了鋼橋箱梁在現場施工中整體對接焊焊接殘余應力和變形分布。建議采取焊前整體預熱、焊后延長冷卻時間和對焊后的焊縫進行碾壓或錘擊等措施對構件在加工和安裝過程中的殘余應力和變形進行有效控制。3 測量技術

測量技術是驗證數值模擬結果正確性的重要途徑之一，也可研究焊接殘余應力分布，有效地測量構件或結構的殘余應力也對其研究和工程實踐有重大意義?，F有的測量焊接殘余應力的方法雖然得到了較大發展，但針對大型或復雜鋼結構工程，由于構件尺寸較大，厚度較大，現有的測量技術很難測得構件內部的殘余應力。殘余應力測量技術的研究始于20世紀30年代，分為機械測量法、物理測量法及其他測量法。

3.1 機械測量法

機械測量法是將需要測試部分通過機械方式從構件中分離或切割出來，使應力得到釋放，通過測量得到應變的變化，從而求出殘余應力。機械測量法包括小孔法、切條法、剝層法、切環法、RIN切割法及Gunert切環槽法等[6264]，較常用的有小孔法、切條法和剝層法等。小孔法是由德國學者Mathar[65]提出，經Soete等[66]發展而成，根據孔是否穿透，分通孔法和盲孔法，其基本原理為：孔周圍預先粘貼好應變花，在應變花圓心位置鉆小孔，鉆孔會使應力釋放、產生變形，通過應變片來測量材料應力釋放前后的應變數值，運用應力應變關系換算出材料在焊接過程中產生的殘余應力。盲孔法測量結果反映了表層及其附近區域約2 mm范圍內的殘余應力。小孔法因對構件損傷較小，已經成為工程上最常用的殘余應力測量方法，美國材料與試驗協會（ASTM）和中國船舶行業已經將其納入行業標準[62]。

文獻[67]采用輪廓法測試低碳鋼堆焊件和T型焊接結構的內部縱向殘余應力，將焊接件沿垂直焊縫平面切割開，精確測試切割面的變形輪廓，擬合測試輪廓，將擬合結果作為有限元模型的邊界條件進行彈性計算從而獲得結構內部垂直切割平面的應力分布。文獻[68]采用分割法對Q550GJ高強鋼焊接箱形結構面構件的殘余應力進行了試驗研究，分析了板件寬厚比、板件厚度等幾何尺寸對殘余應力的影響。

3.2 物理測量法

物理測量法是利用材料的物理特性采取一定的方法直接測量構件的殘余應力，包括X射線衍射法[69]、超聲波法[70]、磁測法[71]、掃描電子聲顯微鏡法[72]、中子衍射法[73]及激光全息法[74]等。物理測量法中X射線衍射法相對比較成熟，是根據布拉格方程和彈性力學理論，用X射線無損地檢測出零件材料因殘余應力存在導致的衍射峰位移偏移，計算出晶面間距的變化值進而計算出殘余應力值，幾何示意如圖4所示。日本材料學會和美國汽車工程

圖4 X射線衍射幾何示意

Fig.4 Geometry Sketch of XRay Diffraction師學會已經將X射線衍射法作為材料應力測量標準。X射線衍射法的缺點是只能測表面應力，探測深度為10 μm級，對被測表面的加工要求較高，避免局部塑性引起的干擾，測試設備比較昂貴。文獻[75]采用X射線衍射測量法對焊接板殘余應力進行了測量，將焊接殘余應力的計算結果與試驗結果進行對比。

中子衍射法原理與X射線衍射法類似，根據衍射峰位置的變化，求出殘余應力。由于中子不帶電，當與原子核碰撞時才改變運動方向，故該方法可測量較深的位置，深度可達幾十毫米，比X射線衍射法精度高。中子衍射法存在明顯的不足就是中子源比較難獲得，中子衍射區域較大，測定較小試件時誤差較大。

超聲波法是利用聲的雙折射現象，超聲在材料內部的傳播有一定的特性，即在各向同性彈性體和有應力的彈性體內傳播速度不同，可利用超聲波波速與應力之間的關系來測量殘余應力。超聲波法探測深度可達幾十毫米，適用的材料多，但波速變化微小，其測量并不容易，且材料結構對其影響很大。雖然該方法的研究處于起步階段，但該方法可應用于大型構件的三維殘余應力測量，具有廣闊的應用前景。

磁測法利用鐵磁物質的磁致伸縮效應，該方法主要有磁記憶檢測法、磁應力法、磁聲發射法和巴克豪森效應法等，目前巴克豪森效應法用于鐵磁類結構構件應力檢測技術相對成熟。磁測法僅能測量表面應力，如低碳鋼只能測出深度為1.5 mm左右的應力，測量表面的凸凹程度也對測量結果有很大影響。

激光全息法是通過對被測物體施加外加荷載，利用有缺陷部位的形變量與其他部位不同的特點，通過加載前后所形成全息圖像的疊加來反映材料、結構內部是否存在缺陷。激光全息法必須采用相干光，感光材料必須具有高分辨率，照相條件要求嚴格，且除部分全息圖外，一般衍射效率均較低。

掃描電子聲顯微鏡法是基于熱波成像原理，利用熱波在試樣中的傳播對材料熱學或熱彈性質的微小變化進行成像，它能反映出光學和電子顯微鏡不能反映的材料表面及亞表面特征，該方法從電子聲信號的產生到接受是一個復雜的物理過程，對應的殘余應力分布對電子聲信號作用的機理及其理論模型需進一步探討。

文獻[76]利用應變電測技術，采用鉆孔和超聲沖擊相結合的方法，對自制錳鋼鋼板焊接件焊縫附近多個測點的殘余應力進行了試驗研究，得出超聲前后測點3個方向的應變變化值，計算出測點主應力變化情況，再利用第三強度理論得出等效應力。

3.3 其他測量方法

除機械測量法和物理測量法之外，還有壓痕法[77]、多孔差方法[78]、TERSA熱評估測定法[79]、反向疊加應力法[80]、數字散斑法[81]、無損電測法[82]及位移場重建計測法[83]等方法。壓痕法是采用一定形狀的壓頭對材料表面加載，通過測量壓痕區域、荷載位移曲線等來評價材料的性能。壓痕法簡單易行、成本低、可信度高，可彌補傳統試驗方法的不足且不具破壞性，標距小，適用于應力梯度變化大的場合，是殘余應力測量研究領域值得關注的方向。裂紋柔度法是在被測物體表面引入一條深度組件增加的裂紋來釋放殘余應力，從而測定響應的應變、位移或轉角等量值，用來分析計算殘余應力。裂紋柔度法能夠測量構件內部厚度方向的殘余應力，但作為新的測試技術還需進一步研究。4 展 望

（1）大型或復雜結構焊縫多且復雜，焊接過程模擬難且效率低，雖然取得了許多有意義的成果，但距離工程應用還有一定距離。發展能大幅度減小計算工作量、極大提高計算效率的焊接模擬技術，使其能應用于實際工程。

（2）在數值模擬方法并不十分完善的情況下，模型試驗在焊接殘余應力模擬中充當重要角色。大型或復雜結構做足尺試驗不現實，如何從模型試驗定量反映大型或復雜結構焊接應力和變形的分布規律仍然是一個難題。

（3）發展適合大型復雜結構的焊接殘余應力測量方法。殘余應力有很多測量方法，但只能滿足小型構件或試驗的要求，對大型構件還沒有好的測量方法。焊接殘余應力對大型復雜結構影響更為突出，通過測試大型復雜結構焊接殘余應力的分布有助于工程結構的施工。

（4）建立焊接殘余應力和變形對結構影響的評價標準。焊接問題研究目的之一就是能預測結構中的殘余應力和最終殘余變形，通過建立評價標準，評定焊接殘余應力和殘余變形對結構性能影響的大小，為工程結構的設計提供參考和焊接施工方案的優劣提供判據。

（5）大型復雜結構節點的應力與焊縫成形、相變、組織、失效等相關問題有關，焊接殘余應力對節點的性能及極限承載力的影響等問題都值得進一步深入研究。5 結 語

焊接殘余應力和變形的研究一直以來都是難題，特別是對大型或復雜結構而言，各國學者對其進行了大量研究工作，取得了一定進展，為后續的研究奠定了堅實的基礎?，F有的研究主要是針對板件和節點的研究，針對大型復雜整體結構，由于構件尺寸大、焊縫多且復雜，研究成果相對較少，能夠指導工程設計與施工的就更少。隨著國家鼓勵發展鋼結構，大型復雜結構會越來越多，深入研究焊接殘余應力和變形，對工程的設計和施工提供必要的參考，是十分有意義的課題。

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