不銹鋼焊接方管焊接殘余應力的產生及影響

不銹鋼焊接方管焊接殘余應力是在焊接完成并冷卻至室溫后仍然殘存在結構中的內應力，在沒有外力或者溫度變化等環境載荷的作用下，焊接殘余應力將長期存在于不銹鋼焊接方管中，是永久性應力。

焊接殘余應力出現的因素有很多，如不均勻加熱、不均勻塑性變形、不均勻相變等，其中不均勻加熱即焊接過程中溫度場的不均勻分布是導致殘余應力產生的主要因素。

在焊接過程中，焊接材料被焊接熱源熔化，焊縫附近區域的溫度隨著熱源的靠近快速上升，進而導致此處材料受熱膨脹，但在距離焊接熱源較遠的母材區域溫度變化較小，材料未進一步發生改變，從而限制了焊縫區域的體積膨脹，致使焊接中心區域被壓縮產生了壓應力。同時溫度的升高會導致鋼材屈服強度和彈性模量的降低，當溫度較高區域的屈服強度下降至低于此處的熱應力時，此區域就產生了不均勻、不可逆的壓縮塑性變形。在后續降溫過程中，焊縫金屬會受到周圍區域的束縛，導致在焊縫區形成較大的拉應力，同時焊縫附近已存在塑性變形的高溫區域會受到離焊縫較遠母材的限制，無法自由的冷卻收縮，進而也產生殘余拉應力。因此，在焊接完成并冷卻完成后，在焊縫和周圍區域生成了拉應力，而離焊縫較遠區域則生成了壓應力。如圖1.4為圓管環焊縫上的環向殘余應力分布，在焊縫和相鄰區域表現為拉應力，在兩側較遠區域表現為壓應力，對于低碳鋼而言，焊縫處的最大環向應力可以達到屈服極限。

焊接殘余應力會對不銹鋼焊接方管造成多方面的影響。在靜力強度方面，焊接殘余應力會使脆性材料的的承載力顯著降低，同時對于塑性材料，殘余拉應力會使不銹鋼焊接方管的塑性變形被阻礙，易發生脆性破環；在疲勞強度方面，殘余拉應力的存在會加速疲勞裂紋的延伸，降低了結構的疲勞強度；在結構剛度方面，焊接殘余應力與外力的疊加會使結構更快達到屈服極限，發生塑性變形，進而導致不銹鋼焊接方管的承載面積減小，使得不銹鋼焊接方管剛度下降；在壓桿穩定性方面，受壓桿件在外部壓應力和殘余壓應力的共同作用下，壓應力值會更快的超過屈服強度，桿件的承載能力下降；在應力腐蝕開裂方面，焊接殘余拉應力的存在會加速不銹鋼焊接方管腐蝕裂縫的擴展，殘余拉應力越大，腐蝕開裂的速度越快。