焊接残余应力的种类及其产生的原因是什么?

钢结构的焊接过程是不均匀的加热和冷却过程，在冷却时，焊缝和焊缝附近的钢材不能自由收縮，受到约束而产生焊接应力。

焊接应力有纵向焊接应力、横向焊接应力和厚度方向的焊接应力。纵向应力指沿焊缝长度方向的应力，横向焊接应力是垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力，厚度方向焊接应力则是垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。

(1)纵向焊接应力钢材焊接是一个先局部加热，然后再冷却的过程。局部热源就是焊条端产生电弧，在施焊过程中是移动的，因而在焊件上形成一个温度分布严重不均的温度场。焊縫及其附近钢材的高温常达1600C以上，而邻近区域温度则急剧下降(图5-23)，当温度超过600C时，钢材处于高温热塑性状态，这时变形模量为零，钢材可自由膨胀或收缩面完全不受临近钢材约束，而降温到600以下时，进一步冷缩将受临近温度较低钢材的限制，产生焊接残余拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力，如图5-23c所示。

(2)横向焊接应力垂直于焊缝的横向焊接应力由两部分组成:一部分是焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，实际上焊缝将两块板连成整体，在两块板中间产生横向拉应力，两端则产生压应力，如图5-24a所示;另一部分由于焊缝在施焊过程中冷却时间的不同，先焊的焊缝已经凝面，且具有一定强度,会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使它发生横向热态塑性压缩变形。先焊部分凝固后，中间焊缝部分逐渐冷却，后焊部分开始冷却，这三部分产生杠杆作用，结果后焊部分收缩而受拉，先焊部分因杠杆作用也受拉，中间部分受压，如图5-24b所示。这两种横向应力叠加成最后的横向焊接应力,如图5-24c所示。

横向收缩引起的横向焊接应力与施焊方向和先后次序有关，这是由于焊缝冷却时间不同而产生不同的应力分布，如图5-25所示。

(3)厚度方向的焊接应力较厚钢材焊接时,焊缝与钢板接触面和与空气接触面散热较快而先冷却结硬，中间后冷却而收缩受到阻碍，形成中间焊缝受拉，四周受压的状态。因而焊缝除了纵向和横向焊接应力σx、σy外，在厚度方向还出现焊接应力σx，如图5-26所示。此外，在厚板中的纵向和横向焊接应力沿板的厚度方向大小也是变化的。一般情况下在20 ~25mm以下时，基本上可把焊接应力看成是平面的，即不考虑厚度方向的焊接应力和不考虑沿厚度方向焊接应力的大小变化。厚度方向的焊接应力若与纵向和横向焊接应力同号，将大大降低钢材的塑性。