焊接残余应力的产生
残余应力是指在去除所有外载后残存在构件内部的应力。其一般是由加工过程引起的，如对构件进行弯曲、切削、轧制及焊接等操作时所引起的应力。构件在焊接完成后往往具有肉眼可见的变形,这说明在焊接不均匀加热和冷却作用下，由焊接过程产生的应力与应变起着重要的作用。
焊接残余应力是指构件在焊接过程结束去除外载后，残存在其内部的自平衡内应力。从计算尺度上，可以把焊接残余应力分为3个层次:宏观残余应力、细观残余应力及微观残余应力。宏观残余应力也称一阶残余应力，是指可用宏观热力学和应力-应变关系描述的应力层次，它的应力一般表现为几个品粒的均值，尺度通常在1mm量级及以上;细观残余应力着眼于晶粒尺度，着重晶粒与周围其他晶粒之间在形成、长大及晶粒拓扑关系上产生的应力，尺度通常在10um~1mm范围内;微观残余应力考察原子间关系，通过位错、晶体缺陷等角度来描述力学关系，尺度通常在 10um 以下[22。本书提到的残余应力主要指宏观残余应力。人们往往通过 Satoh 实验或三棒模型来近似说明宏观焊接残余应力的产生原理。
在图 2-4 所示的三棒模型中，固定左右两根钢棒，并保持温度不变，对中间钢棒进行加热，在经历由室温加热至873K并冷却至室温的热循环后，中间钢棒产生了约 250MPa 的拉伸残余应力。由分析可知，在中间钢棒的升温过程中，其伸长膨胀受到旁边两根钢棒的制约而产生压缩热应力(AB段)，当热应力的大小超过材料当时的屈服极限(B点)时，就会产生压缩塑性变形。另外，随着温度的升高，材料的承载能力进一步降低(BC段)。在随后的冷却过程中，中间钢棒的收缩同样会受到约束而产生拉伸应力(CD段)，在拉伸应力达到材料当前屈服极限(D点)时，将产生拉伸塑性变形(DE段)。最终，当温度恢复到室温时，有部分拉伸应力残存在中间钢棒中，也就是残余应力。
焊接残余应力的产生与此模型类似,焊接同样是一个局部的不均匀加热过程焊缝及近缝区材料在焊接热源的加热及随后的冷却过程中变形，其受到周围冷金属的制约而产生焊接残余应力。值得注意的是，一个实际的焊接过程要远比三棒模型复杂得多，其温度变化范围往往从室温到材料熔点以上，部分材料经历了固液态转变，变化温度下材料复杂的本构关系、甚至材料中的微观组织相变都会影响最终构件的应力与变形。因此，精确地模拟焊接条件下材料的应力-应变行为是比较困难的，需要进行一定程度的简化。
图2-4 三棒模型示意图
目前，许多研究者采用简化的方法来计算焊接过程的力学问题。其中，热弹塑性法仅考虑材料与温度相关的弹塑性本构，在固体力学范畴内对力学行为进行模拟。它不考虑焊接微观组织变化，也不考虑焊缝材料经历的固/液态转变，把待焊材料看作一个连续的固体，并且忽略率相关塑性等。
（内容、图片来源：《焊接过程数值模拟》一书，侵删）
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