焊缝金属是由焊接填充金属材料及部分母材金属熔化结晶后形成的。其组织和化学成分都不同于母材。热影响区受焊接热循环的影响组织和性能都发生变化，特别是熔合区的组织和性能更为明显，因此焊接接头是个成分组织和性能都不一样的均匀体。此外，焊接接头因形状和布置不同将会产生不同程度的应力集中。

在焊接过程中，随时间而变化的内应力为焊接瞬时应力，焊后当焊件温度降至常温时，残存于焊件中的内应力则为焊接残余应力。残余应力在一定条件下，还会影响焊件的强度、刚度，受压时的稳定性，加工精度和尺寸的稳定性等。

焊接应力的分布和大小取决于：材料的线膨胀系数、弹性模量、屈服点，焊件的形状尺寸和温度场，而温度场又与材料的导热系数、比热、密度以及焊接工艺参量和条件密切相关。由于焊接过程的温度变化范围大，上述材料的各种系数有很大的起伏，特别是牵涉到材料的相变时，可能引起焊接应力的反复。这种情况使焊接应力变形问题十分复杂，因此实践中往往采用理论和数值分析与实验相结合的方法来掌握焊接应力变形的规律和影响因素，最终达到预测、控制和调整它们的目的。

焊接应力和种类根据其空间位置和相互关系可以分为以下几种：

1、 单向应力：焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面堆焊时，焊件存在的应力是单向应力。

2、 双向应力：在焊接较厚的对接焊缝时，焊件存在的应力虽不同向，但均在一个平面内，即是双向的。

3、 三向应力：当焊接厚大焊件的对接焊缝时，焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。此外在三个方向焊缝交叉处亦有三向应力存在。

根据焊接应力相对于焊缝的方向不同可分为平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力。单向应力对焊件的强度影响不大，有时不必采用特别的方法消除它们，但当焊缝中存在双向应力和三向应力时，焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降，容易产生裂缝。下面谈谈残余应力的影响：

（一） 对结构刚度的影响

当外载产生的应力与结构中某区域的内应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。受弯曲时，内应力对刚度的影响，与焊缝的位置有关，焊缝所在部位的弯曲应力越大，则其影响也越大。结构上有纵向和横向焊缝时，或经过火焰校正，都有可能在相当大的截面上产生拉应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

（二） 对受压杆件稳定性的影响

当外载引起的压应力与内应力中压应力叠加之和达到屈服点，这部分截面就丧失进一步承受外载的能力。这样就削弱了杆件的有效面积。并改变了有效面积的分布，使稳定性有所改变。内应力对受压杆件稳定性的影响大小，与内应力的分布有关。

（三） 对静载强度的影响

没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一定的塑性变形能力，内应力并不影响结构的静载强度。反之，如材料处于脆性状态，则拉伸内应力与外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度，导致结构早期破坏。

（四） 对疲劳强度的影响

内应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。这种偏移只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关。当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉伸内应力，疲劳强度将降低。因内应力在外力作用下有可能部分消除，外载应力越高，循环次数越多，内应力消除得也越多，内应力作用也就减弱。应力集中系数越高，内应力的影响也就越显著。

（五） 对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响

机械加工把一部分材料从焊件上割除时，此处的内应力也被释放。内应力的原来平衡状态被破坏，焊件产生变形，加工精度受影响。

（六） 对应力腐蚀开裂的影响

应力腐蚀开裂是拉应力和化学腐蚀共同作用下产生裂缝的现象，在一定的材料和介质的组合下发生。应力腐蚀开裂所需的时间与应力大小有关，拉应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。

通常焊缝残余应力对使用焊接性能良好的材料制造的结构影响不大，但有些结构刚度大，而且加工制造的焊接的顺序和方法不当，导致结构中残余应力过大和分布不合理。在低温腐蚀介质等特殊条件下工作，导致船体结构产生裂纹等缺陷，缺陷在使用过程中不断扩大和发展，致使船体结构和焊缝脆性断裂，同时也易使船体结构产生较大的变形，增加了其矫正的工作量。焊接过程中可采用一些简单方法调节内应力，降低焊接残余应力的峰值，消除和减少残余应力的影响。

（一） 采用合理的焊接顺序和方法

（1）  保证钢板和焊缝一端有自由收缩的可能性。

（2）  先焊接对其它焊缝不起刚性拘束的焊缝。

（3）  在构架和板接缝相交的情况下，既有对接缝也有角接缝，此时应先焊接对接缝然后再焊接角接缝。

（4）  当分段总段焊接时，尽可能由双数焊工从分段中部逐渐向左右，前后对称施焊以保证结构均匀的收缩。

（5）  处在大接头同一断面的各种构件，应先焊大接头的对接焊缝，再焊其它构件的对接缝，后焊其它构件的角焊缝，以利于大接头产生残余应力（至少可以减少大接头的残余拉应力）。

（6）  靠近大接头的肋骨和隔舱壁的角接缝，一般应在大接头施焊后进行施焊。

（二） 选择合理的焊接工艺参数

根据焊接结构的情况，在允许条件下尽可能采用小焊接线能量，如手工电弧焊，采用小直径焊条下限值焊接电流；或中等焊接电流，较快焊速，这样可以将少焊件的受热，从而减少焊接残余应力。

（三） 预留变形余量

船舶与海洋工程结构的建造中，在最后装焊补板和嵌补分段时，由于不能自由收缩产生很大应力，在过大应力作用下可能产生裂纹。预留余量焊接 时由于焊缝收缩把板拉平，这样可以起到了减小焊接残余应力的作用。

（四）拉伸法

（1） 机械拉伸

对具有焊缝的构件施以拉伸外载，由于应力叠加，焊缝中心区域应力不能增加，只能继续产生拉伸塑性变形，拉伸塑性变形方向与焊接时产生的压缩塑性变形方向相反。焊接残余应力正是由于焊接时近缝高温区受压缩产生局部压缩塑性变形引起的，加载应力越大，压缩塑性变形抵消越多，焊接残余内应力消除就越彻底。

（2） 温差拉伸

温差拉伸法是利用局部加热的温差产生不同变形来拉伸焊缝区。在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧—乙炔焰炬后一定距离外有一个带排孔的水冷喷头，焰炬和水冷喷头同步向前移动，这样形成一个焊缝两侧温度高、焊缝区温度低的温度场，两侧受热膨胀的金属对温度较低区域的焊缝金属进行拉伸。

（3） 辗压焊缝

辗压焊缝金属，使其得以伸长，从而降低焊接残余应力。其消除或减小焊接残余应力的原理与拉伸法相同。

（五）锤击法

可用头部带小圆弧的工具锤击焊缝，使焊缝得到延展，降低内应力，锤击应保持均匀适度，避免锤击过分，以防止产生裂缝，一般不锤击第一层和表面层。

（六）焊后热处理

（1） 整体高温回火

将整个焊件加热至AC1以下某温度，保温一段时间，然后再冷却，对于同种材料焊件，回火温度越高，保温时间越长，焊接残余应力消除的越彻底。

（2） 局部高温回火

对于简单焊接接头，可对焊缝周围的一个局部区域加热，以降低焊接残余应力的峰值。局部高温回火可用电阻、火焰和感应加热，消除应力的效果与加热的温度和加热区的范围有关。

（七）振动法

试验表明，变载荷达到一定数值，经多次循环加载后，结构中的内应力逐渐降低。

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