焊接应力与变形
焊接应力与变形
焊接应力与变形学习目的：了解焊接应力与焊接变形产生的原因，掌握控制和消除焊接应力与焊接变形的方法。
第一节焊接应力与变形概述一、焊接应力与变形的概念在焊接过程中，焊接应力和与焊接变形的产生是不可避免的。
焊接过程结束，焊件冷却后残留在焊件上的内应力为焊接应力也叫焊接残应力。
焊接过程中焊接产生了不同程度的变形，焊接过程结束，焊接冷却后残留在焊件上的变形为焊接残余变形。
焊接残余应力是造成裂纹的直接原因，使承载能力和使用寿命降低。
二、焊接应力与变形产生的原因物体在某些外界条件下（如应力、温长等）的影响下，其形状和尺寸可能发生变化。
焊接是一种局部不均匀加热的工艺过程，加热温度高，加热冷却速度快。
焊件局部因为温度升高而膨胀，又因为温度升高，局部材料的强度降低，由于受到接头周围金属的限制而不能自由膨胀，当压应力大于材料的屈服强度时，产生压缩塑性变形。
当焊缝冷却后收缩，由于受到接头周围金属而限制而不能自由的收缩而受到拉伸，产生拉应力即焊接残余应力。
岬件上的温塩分■布总之，焊接时的局部不均匀加热与冷却是产生焊接应力和焊接变形的主要原因。
第二节焊接残余应力一、焊接残余应力的分类1. 按焊接残余应力产生的原因分类(1)温度应力(又称热应力)：它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且相互约束而产生的应力。
焊接过程中温度的应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服强度，因此产生塑性变形，焊接结束并冷却后产生残余应力保存下来。
(2)组织应力：焊接过程中，引起局部金属组织发生转变，随着金属组织的转变，其体积发生变化，而局部体积的变化受到皱纹金属的约束，同时，由于焊接过和中是不均匀的加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力（3）拘束应力：焊件结构往往是在拘束条件下焊接的，造成拘束状态的因素有结构的刚度、自重、焊缝的位置以及夹持卡具的松紧程度等。
这种在拘束条件下的焊接，由于受到外界或自身刚度的限制，不能自由变形就产生了拘束应力。
焊接应力与焊接变形
近缝区的构件在加热和随后冷却过程中发生了塑性变形,
• 受到焊接残余应力的焊缝金属的收缩变形有以下几种情况：
一 纵向焊接残余应力和变形二 横向焊接残余应力和变形
三 弯曲变形
四 角变形
五 波浪变形
六 扭曲变形
• 一 纵向焊接残余应力和变形
• 长板对接接头焊缝处受热温度较高,因此焊缝 金属有较大伸长,离焊缝金属较远的部位温度较 低,伸长则较小,钢板中间温度高的金属受到两边 温度低的金属限制,阻碍了它的自由伸长,因此这 部分产生压力,同时两边温度低的金属受到反作 用力而产生应力,这时钢板中存在压应力和拉应 力,并处于平衡,如有纵向微小缩短,数值都较小,
• 刚性固定法只适用塑性好的材料,特别是低碳钢,对于脆性较大的 和容易淬火而变硬脆的中碳钢等材料不宜采用刚性固定法进行结 构焊接,否则易导致焊缝产生裂缝,
• 4 散热法 • 散热法又称强迫冷却法,是将散热物体放置在焊接区域
的（ZHOU）围,使焊件迅速冷却借以减小焊接受热区域, 使变形减小,但是,这种方法对淬火倾向较大的材料易产 生冷淬而出现焊接裂纹, • 5 机械矫正法 • 机械矫正法就是对焊缝及其（ZHOU）围区域施加外力, 可以减小收缩应力和变形,其原理是利用焊缝及其 （ZHOU）围金属受外力后产生塑性变形,而将已产生收 缩的焊缝纤维伸长,从而减小了构件的可见变形和应力, • 机械矫正最好在热状态下进行,这时的金属具有较高的 塑性,对于低碳钢构件焊缝机械矫正的最佳温度在150～ ２00℃左右,
一、焊接应力与焊接变形的基本知识
• 我们已经知道,焊缝由于有内部结构上的缺陷 和内部应力的释放、焊件将产生焊缝裂缝,同时, 在焊接过程中,焊件受到不均匀的电弧加热,受热 区域的金属膨胀程度也就不同,此时产生的内应 力和变形是暂时的,但当焊接完毕待焊件完全冷 却后,剩余的内应力和变形称为残余内应力和变 形,
焊接变形和应力
预热法
对焊缝两侧进行预热，减小温差 引起的收缩，从而减小变形和应
力。
层间温度控制
保持焊接过程中的层间温度在一定 范围内，以减小热影响区的宽度， 从而减小变形和应力。
焊后热处理
对焊接后的压力容器进行热处理， 以消除残余应力，防止裂纹的产生。
案例三：船舶焊接变形和应力控制
工艺评定
在焊接前进行工艺评定，确保焊接工艺参数的合理性和可行性。
控制焊接应力的措施
01
02
03
04
预热法
在焊接前对焊件进行预热，减 小温差，降低焊接应力。
层间温度控制法
在焊接过程中控制层间温度， 减小温差，降低焊接应力。
锤击法
在焊接过程中对焊缝进行锤击 ，使其产生塑性变形，从而减
小焊接应力。
热处理法
通过加热和冷却的方法消除或 减小焊接应力。
05 实际应用案例
焊接应力的影响
变形
焊接应力会导致焊接结构产生变形， 影响结构的尺寸精度和形状精度， 严重时甚至会导致结构失效。
疲劳强度
焊接应力会降低焊接结构的疲 劳强度，缩短其使用寿命。
稳定性
焊接应力会影响结构的稳定性 ，使结构在受到外力作用时容 易发生屈曲或失稳。
安全性
过高的焊接应力可能导致结构 在使用过程中发生突然断裂，
焊接顺序规划
根据结构特点和焊缝分布情况，合理安排焊接顺序，以减小变形和 应力。
刚性固定和夹具使用
在焊接过程中使用刚性固定和夹具，限制结构的自由变形，减小焊 接应力。
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仍然存在的应力。
焊接应力的产生与焊接工艺、 材料、结构形式等多种因素有 关。
焊接应力与变形
焊接变形
ε ε 低碳钢应力应变关系 ε-变形率， εe-外观变形率，
σ= E·ε=E ( e － T)
εT-自由变形率
1)伸长受阻但可自由收缩 2)伸长受阻自由收缩
结论：
1)当ε﹤εs时，杆件可以 恢复到原来的长度，则 杆件中不存在应力；
2)当ε﹥εs时产生残余
变形
不均匀温度场作用下的变形和应力
s 0,T 600C
受拘束体在热循环中应力与变形
1. s E(e T )
弹性状态， 无残余应力
受拘束体在热循环中应力与变形
2. s ,TMAX 500C E(e T ) Ts s 100C
E
α-线膨胀系数
有塑性变形 及残余应力
残余应力等于材料屈服极限
3. s ,TMAX 600C
横向应力产生的原因
2) 由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力
焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位 的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力， 而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用， 因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果， 在焊缝的最末段也将产生压应力。 上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。
不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：M=P•Z 构件的挠度可由下式求得： f ML2 PZL2
8EI 8EI
式中：P-不对称纵向焊缝形成的偏心力 Z-塑性区中心到截面中性轴距离 L-构件长度；I-构件截面惯性矩
(四)横向收缩引起的挠曲变形
横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横 向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯 曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。
焊接结构中经常会出现多轴应力状态
焊工工艺学焊接应力与变形
2.工艺措施
1. 正确的确定装配、焊接顺序
• 不正确的装配次序：工字构件， 先丁字，然后在装另一块盖板， 焊后仍有较大的挠度
• 丁字
f1,2
P eL L2 8EJL
• 工字
f 3, 4
P eI L2 8EJI
• 正确应该是，先点固成工字， 然后焊接，注意次序
第16页/共64页
第33页/共64页
焊接残余应力的影响
3 对疲劳强度的影响（研究不够充 分）
4 对应力腐蚀的影响
原因：拉应力和介质、腐蚀共同作 用下产生裂纹的一种现象，拉应 力越大，发生应力腐蚀开裂的时 间越早。
5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次
加载，卸载后，以后再次加载， 只要其大小不超过前一次，残余 应力不再起作用，外载也不影响 焊件内部残余应力的分布
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刚性固定法
• 在无反变形的情况下，将 构件加以固定来限制焊接 变形，（在焊法兰盘上）， 防止角变形和波浪变形较 好
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合理的选择焊接的方法和焊接规范
• 选择线能量较低的焊 接方法，采用多层焊 代替单层焊
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（4）散热法 焊接时用强迫冷却的方法使焊 接区散热，由于受热面积减少而达到减少 变形的目的。散热法对减少薄板工件的焊 接变形比较有效，但散热法不适用于焊接 淬硬性较高的材料。
2.工艺措施
2.选择适当的施焊次序和方向 原则：
1.当结构形心轴两侧有焊 缝时，先焊少的一侧 2.先焊离构件形心轴近的 ，对构件变形影响大的 最后焊 3.截面对称的构件应对称 的交替焊，尽可能增加 翻转辅助时间
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反变形法
第二章 焊接应力与变形
图2-3 金属屈服极限与温度的关系 1－钛合金； 2－低碳钢； 3－铝合金
3. 构件中焊接应力与变形的产生
（1）长板条中心加热 （2）长板条非对称加热（一侧加热） （3）受拘束的杆件在均匀加热时的应力与变 形
（1）长板条中心加热
（1）长板条中心加热
图2-4 长板条中心受热
图 2-5 板条中心加热的应力与变形
1. 对焊接结构强度的影响
• 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，焊接内应力并不影响结构的 静载强度。但是，当材料处于脆性状态时，拉伸 内应力和外载引起的拉应力叠加就有可能使局部 区域的应力首先达到断裂强度，降低结构的静载 强度，使之在远低于屈服点的外应力作用下就发 生脆性断裂。因此，焊接残余应力的存在将明显 降低脆性材料结构的静载强度。工程中有很多低 碳钢和低合金钢结构的焊接结构发生过低应力脆 断事故。
图2-17 横向拘束下焊接的内应力
图2-18 纵向拘束状态下焊接的内应力
5. 封闭焊缝中的残余应力
• 在容器、船舶等板壳结构中经常会遇到如 图2—19所示的接管、人孔接头和镶块之类 的结构，这些构造上都有封闭焊缝，都是 在较大的拘束下焊接而成的。图2—20中圆 盘中焊入镶块的残余应力，径向内应力σr为 拉应力，切向应力σθ在焊缝附近最大为拉 应力。由焊缝向外侧逐渐下降为压应力由 焊缝向中心达到一均匀值。拘束度越大， 镶块中的内应力也越大。
图2-12 纵向收缩引起的横向残余应力σy′的分布
图2-13 不同长度平板对接焊时σy′的分布
（2）横向收缩所引起的横向残余应力 σy ″
• 在焊接结构上一条焊缝不可能同时完成，总有先 焊和后焊之分，先焊的先冷却，后焊的后冷却， 先冷却的部分又限制后冷却的部分的横向收缩， 就引起了横向残余应力σy ″。σy ″的分布与焊接方 向、分段方法及焊接顺序有关。总之，横向残余 应力的两个部分σy′、σy ″同时存在，焊件中的横 向残余应力是由σy 合成的，它的大小要受σs的限 制，见图2—14。 • 横向应力与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊 缝截面上相似，但是离开焊缝的距离越大应力值 越低，到边缘上σy等于零。从图2—15中可以看 出，离开焊缝σy就迅速衰减。
焊接应力与变形
喷水冷却；紫铜散热板
如图示
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圆筒体对接焊缝焊接顺序 返 回
散热法示意图 返 回
不对称焊缝的焊接 先焊
后焊 返 回
长焊缝（1m以上）焊接 总体的焊接方向
２
分段退焊示意图
５
返 回
反变形法
焊接之前
焊接后 返 回
将焊件固定在刚性平台上。 薄板拼接时的刚性固定
将焊件组合成刚性更大或对称的结构 T形梁的刚性固定和反变形
工字梁的扭曲变形
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焊接残余应力基本知识
一、焊接残余应力的分类
1. 按产生应力的原因分 （1）热应力 （2）组织应力（相变应力） （3）凝缩应力应力 （4）拘束应力 （5）氢致应力
2. 按应力存在的时间分 （1）焊接瞬时应力 （2）焊接残余应力
二、焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力 x的分布
利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。 对接拼板时的刚性固定
利用临时支撑增加结构的拘束。
防护罩焊接时的临时支撑
返
回
控制残余应力的措施
1. 设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。 2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够 的 距离。
3）采用刚性较小的接头形式。 减小接头的刚性措施
2.工艺措施
交叉焊缝的焊接 返 回
受力最大的焊缝应先焊 返 回
加热“减应区”法
黄色的区域代表焊缝
返
红色的区域代表加热区域
回
焊接残余变形的矫正
1）机械矫正法：平板机、千斤顶（5-300吨手动液压千 斤顶顶起的最大高度是160-180mm）
卷板机（最多可4辊）
如图示
2）火焰矫正法：将伸长的部分加热 500℃-800℃（褐 红色）然后自然或强冷
焊接应力与变形
●焊接应力与变形1.焊接应力与变形产生的原因焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。
焊接加热时，图F-4(a)中虚线既表示接头横截面的温度分布，也表示金属能自由膨胀时的伸长量分布。
实际上接头是个整体，由于受工件未加热部分的冷金属产生的约束，无法进行自由膨胀，平板只能在整个宽度上伸长ΔL,因此焊缝区中心部分因膨胀受阻而产生压应力(用符号“-”表示)，两侧则形成拉应力(用符号“+”表示)。
焊缝区中心部分的压应力超过屈服强度时，产生压缩塑性变形，其变形量为图F-4(a)中被虚线包围的无阴影部分。
焊后冷却时，金属若能自由收缩，则焊件中将无残余应力，也不会产生焊接变形，但由于焊缝区中心部分已经产生的压缩塑性变形，不能再恢复，冷却到室温将缩短至图F-4(b)中的虚线位置，两侧则缩短到焊前的原长L。
这种自由收缩同样是无法实现的，平板各部分收缩会互相牵制，焊缝区两侧将阻碍中心部分的收缩，因此焊缝区中心部分产生拉应力，两侧则形成压应力。
在平板的整个宽度上缩短ΔL′，即产生了焊接变形。
图F-4 平板对焊的应力与分布(a)焊接过程中；(b)冷却后2.焊接变形的几种基本形式图F-5 焊接变形的基本形式(a)收缩变形；(b)角变形；(c)弯曲变形；(d)扭曲变形；(e)波浪变形1)收缩变形：收缩变形是工件整体尺寸的减小，它包括焊缝的纵向和横向收缩变形。
2)角变形：当焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向收缩上下不均匀，引起角变形。
V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。
3)弯曲变形：由于焊缝在结构上不对称分布，焊缝的纵向收缩不对称，引起工件向一侧弯曲，形成弯曲变形。
4)扭曲变形：对多焊缝和长焊缝结构，因焊缝在横截面上的分布不对称或焊接顺序和焊接方向不合理等，工件易出现扭曲变形。
5)波浪变形：焊接薄板结构时，焊接应力使薄板失去稳定性，引起不规则的波浪变形。
实际焊接结构的真正变形往往很复杂，可同时存在几种变形形式。
焊接应力与变形
薄板拼接时的刚性固定 30
焊接教学
焊接残余变形
2）将焊件组合成刚性更大或对称的结构。
T形梁的刚性固定和反变形
31
焊接教学
焊接残余变形
• 3）利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。
对接拼板时的刚性固定
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焊接教学
焊接残余变形
• 4）利用临时支撑增加结构的拘束。
防护罩焊接时的临时支撑
• 如果压应力小于金属材料的屈服点，则当 杆件温度从T1恢复到T0时，若允许杆件自 由收缩，则杆件将恢复到原来长度L0，杆 件中不存在应力。
• 如果杆件温度很高，产生的压应力大于材 料的屈服点，则杆件产生塑性变形”，在 杆件温度恢复到了。的自由收缩结束后， 将比原来缩短，产生了压缩塑性变形。
9
焊接教学 焊接应力与变形的产生
➢ 焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向缩短 。
➢ 焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向缩短。
18
焊接教学
焊接残余变形
2．角变形
• 角变形产生的根本原因：由于焊缝的横向收缩沿 板厚分布不均匀所致。角变形的大小以变形角α 进行度量。
几种接头的角变形
T形接头的角变形
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焊接教学
焊接残余变形
3. 弯曲变形
• 3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应 先焊焊缝少的一侧。
压力机压型上模的焊接顺序
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焊接教学
焊接残余变形
4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊 。
圆筒体对接焊缝焊接顺序
36焊接教学焊接来自余变形• 5）长焊缝（1m以上）焊接时，可采用下图所示 的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变 形。
焊接变形和焊接应力
焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊接是一种局部加热的加工方法，热源集中在焊缝处加热，因而造成焊件上温分布不均匀，最终导致在焊接结构内部产生了焊接变形与焊接应力。
一、焊接变形1. 焊接变形的概念由焊接而引起的焊件尺寸和形状的改变称为焊接变形。
焊接过程结束后，残国在焊接结构中的变形，称为焊接残余变形。
本书中提到的焊接变形指的是焊接残余变形。
2. 焊接变形的类型及产生原因焊接变形可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等几种形式焊件局部（焊缝和焊缝附近的金属）不均匀加热和冷却是产生焊接变形的根本用因。
焊接时，加热是通过移动的高温电弧热源进行的，焊缝和焊缝附近的金属温度很高，受热金属要膨胀，其余大部分金属不受热，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，生了压缩塑性变形。
焊完冷却后，焊缝和附近的金属因收缩而变短，却又受到周围受热金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形。
各类焊接变形的具体原因各不相同，与焊缝在焊件中的位置、加热方法、焊接序等因素密切相关。
焊接变形的类型及产生原因见表2-3-7。
3. 预防和矫正焊接变形的方法及措施（1）预防焊接变形的方法及措施预防焊接变形可以从焊接结构设计和焊接工艺两方面进行。
在焊接结构设计时要在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸;对称布置焊缝;必要时预先留出收缩余量;采用冲压结构代替焊接结构;将焊缝布置在最大工作应力之外等。
预防焊接残余变形的工艺措施主要有∶1）选择合理的装配焊接顺序。
装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。
对称焊接、不对称焊缝先焊焊缝少的一侧和减少长道直焊缝等都可以很大程度上减少焊接变形量。
如图2-3-13所示的工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然结构的焊缝对称，焊后仍将产生较大的上拱弯曲变形，但如果改为将工字梁1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的60%～70%，然后将工字果翻转180°焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完。
焊接应力与变形
第二章焊接应力与变形本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接应力的分布规律；焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力；焊接变形的种类，焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。
第一节焊接应力与变形的产生一、应力与变形的基本知识1．应力物体在单位截面上表现的内力称为应力。
根据引起内力的原因不同，应力可分为：工作应力：物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。
内应力：物体在无外力作用下而存在于内部的应力。
内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。
2．变形物体在外力或温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。
按变形性质可分为：弹性变形和塑性变形；按变形的拘束条件可分为：自由变形和非自由变形。
二、研究焊接应力与变形的基本假定（1）平截面假定（2）金属性能不变的假定（3）金属屈服点的假定三、焊接应力与变形的产生原因影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其最根本的原因是焊件受热不均匀。
为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。
1．均匀加热时引起应力与变形的原因（1）不受约束的杆件，均匀加热属于自由变形，无残余应力，无残余变形。
（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力与残余变形。
如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。
当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。
①若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。
焊接应力与变形
焊接应力与变形1、内应力：在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。
第一类内应力：宏观内应力（主要）、第二类：微观内应力、第三类：超微观内应力。
2、变形是温度变化的唯一反映。
热应力是由于构件不均匀受热引起的。
3、自由变形：金属物体的温度发生变化或发生相变时，它的形状和尺寸就要发生变化，若该变化没有受到外界的任何阻碍而自由进行，这种变形就是自由变形。
若变形受阻，表现出来的变形叫外观变形，未表现出来的叫内部变形。
4、简单杆件的应力与变形：如果金属杆件在T1温度下所产生的内部变形率ε1小于材料屈服时的变形率εs，则杆件中的应力值也小于材料的屈服强度，σ<σs 。
若使杆件温度恢复到T，并允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度L，并且杆中不存在应力。
如果使杆件的温度升高到T2，是杆件中的内部变形率ε2大于材料屈服时的变形率εs，则杆件中的应力会达到材料的屈服强度，即σ=σs，同时还会产生压缩塑性变形εp 。
当杆件的温度恢复到T时，若允许其自由收缩，杆件中也不存在内应力，但杆件的最终长度将比初始长度缩短△Lp。
5、长板条中心加热：当截面上的最大应力小于材料的屈服极限εs时，取消加热使板条恢复到初始温度，则板条会恢复到初始长度，应力和应变全部消失。
如果加热温度较高，使中心部位产生较大的内部变形并导致其变形率ε大于金属屈服时的变形率εs，则在中心部位会产生塑性变形。
此时停止加热，使板条恢复到初始温度，并允许板条自由收缩，则最终板条长度将缩短，其缩短量为残余变形量，并且在板条中形成一个中心受拉，两侧受压的残余应力分布。
弹性阶段：①加热时，中间受压，两边受拉；②冷却时，不受力，不变。
塑性阶段：①加热时，中间受压，两边受拉；②冷却时，中间受拉，两边受压。
6、长板条单侧加热：①当加热温度较低时，在板条的任何区域内均不发生塑性变形的前提下，内部变形小于金属屈服强度的变形率则，温度恢复后，板条中不存在参与应力与参与变形；②当加热温度较高时，板条在靠近高温一侧的局部范围内产生塑性变形；③加热温度很高时，造成板边一段内的σs=0，，即变形抗力为零，发生完全塑性变形。
焊接应力与变形
焊接应力与变形一、什么叫应力：物体在受到外力作用发生变形的同时，其内部会出现抵抗变形的力，这个力叫内力，而这个物体单位截面所受的内力叫应力。
在焊接时，当没有外力的存在，由构件不均匀受热或不均匀冷却产生的内应力叫焊接应力。
焊后残余在焊缝内部的应力叫焊接残余应力。
当焊件的内应力突破其屈服点就会产生的变形叫焊接变形。
二、焊接应力和变形产生的原因：假设一根钢筋，在无拘束的情下均匀加热，因受热膨胀它会变长、变粗，然后让其自然冷却，它会变回原来的尺寸和大小，这时它不会产生应力与变形。
如果把它二头进行钢性拘束固定，然后对其进行均匀加热，这时它因为热膨胀会要变长，但由于二头钢性固定阻挡而不能伸长，这时它可能会变弯，由于二头被刚性拘束固定，被自己的内应力压短或弯了，这时让它自然冷却，它会变短、变弯。
在焊接过程中，由于焊件是不均匀加热，我们可以把焊件的加热分为二部份，一部份是焊缝和离焊缝很近的高温区，还有一部份是离焊缝较远的低温区，而高温区就是上面所说的钢筋，而低温区就是刚性拘束固定的点，当高温区受热时要膨胀、伸长，而低温区会阻碍其自由膨胀、伸长，这时就会产生一个内应力，这个力就是焊接内应力，当焊接内应力突破其屈服点就会产生焊接变形。
三、影响焊接应力与变形的因素：1、焊接工艺，采用不同的焊接工艺，它产生的应力与变形的情况也不同。
2、焊缝的位置，3、装配和焊接的顺序4、焊缝尺寸和坡口的形式5、焊件的形状与尺寸6、焊接参数和施焊的方法四、控制焊接应力与变形的措施：1、设计阶段：①、焊缝尽量不要集中，焊缝间保持足够的距离。
②、尽可能减少焊缝的数量和尺寸。
③、选用填充金属少的坡口形式。
④、尽量不把焊缝布置在工作应力最大的区域。
⑤、在残余应力集中在拉应力区域时，应避免几何不连续性，以免内应力进一步增大。
2、焊接阶段：①采用合理的装配和焊接顺序。
②焊前预热，焊后缓冷。
③焊接时采用小线能量，多层多道焊，焊件刚性大时采用冷焊法。
五、消除应力与变形的方法：①整体或局部高温回火。
焊接应力与焊接变形
焊接应力与焊接变形焊接变形：钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。
焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。
∙焊接应力的形成和对钢结构的影响∙ 1. 焊接应力的形成和对钢结构的影响∙（1）形成∙两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600︒C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。
冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。
∙（2）焊接应力的分类∙✍纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力∙✍横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力∙✍厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。
∙（3）焊接应力的影响∙✍对常温下承受静力荷载结构的强度没有影响，但刚度降低；∙✍由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态，阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展；∙✍降低疲劳强度；∙✍降低压杆的稳定性；∙✍使构件提前进入弹塑性工作阶段。
∙焊接变形的产生和防止∙ 2. 焊接变形的产生和防止∙焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。
∙表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。
如图∙∙减少焊接应力和焊接变形的方法∙ 3. 减少焊接应力和焊接变形的方法：∙（1）采用适当的焊接程序，如分段焊、分层焊；∙（2）尽可能采用对称焊缝，使其变形相反而抵消；∙（3）施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形；∙（4）对于小构件焊前预热、焊后回火，然后慢慢冷却，以消除焊接应力。
∙合理的焊缝设计∙ 4. 合理的焊缝设计：∙（1）避免焊缝集中、三向交叉焊缝；∙（2）焊缝尺寸不宜太大；∙（3）焊缝尽可能对称布置，连接过渡平滑，避免应力集中现象；∙（4）避免仰焊。
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焊接应力和变形.
教学目的：了解应力和变形的概念、产生原因；了解焊接变形的种类；掌握预防和减小焊接应力和变形的措施。
教学重点：预防和减小焊接应力和变形的措施
教学难点：应力和变形的概念、产生原因
教学课时：16课时
第一节应力和变形的概念
一、变形
钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。
二、应力
焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。
三、应力形成
两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600 C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。
冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。
四、焊接应力的分类
1.根据焊接应力在空间的位置
单向应力、双向应力、三向应力。
2.根据焊接应力发生和互相平衡所在的范围大小
第一类应力、第二类应力、第三类应力。
3.根据焊接应力在焊缝中的方向不同
纵向应力、横向应力、厚度方向应力
第二节焊接应力和变形的产生原因
焊件进行局部的、不均匀的加热是产生焊接应力和变形的原因。
一、金属棒的均匀加热和冷却
金属棒在均匀加热时，产生过压缩塑性变形，则冷却后必定产生缩短变形。
二、纵向焊接应力和变形
焊接时，在电弧热的作用下，使金属局部达到熔化温度，但离电弧较远处的金属温度则较低，这样焊件就出现了不均匀的膨胀。
沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。
三、横向焊接应力和变形
焊件在于海峰轴线垂直的方向上，焊缝及热影响区金属在加热过程中也受到压应力，发生压缩塑性变形，在冷却后则存在着残余应力和变形，称为横向焊接应力和变形。
四、影响焊接应力和变形的因素
影响焊接应力和变形的因素主要包括以下几点：焊接规范、焊缝尺寸、焊缝在结构中位置的布置、焊缝分段和焊接方向、焊接程序、焊接结构的刚性以及层数。
第三节焊接变形的种类
一、纵向变形
指平行于焊缝方向的变形。
多层焊比单层焊的变形量小。
二、横向变形
指垂直于焊缝方向的变形。
角焊缝和对接焊缝焊后都会引起横向变形，同时，与焊接方法有关。
三、弯曲变形
T型梁焊接后，由于焊缝布置不对称，焊缝多的一面收缩量大，引起的工件弯曲。
四、角变形
由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起的变形。
五、扭曲变形
由于焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又称为螺旋形变形，多出现在工字梁的焊接加工过程中。
六、波浪变形
这种变形易发生在波板焊接过程中。
是由于焊缝收缩使薄板局部引起较大的压应力而失去稳定性，焊后使构件成波浪形。
第四节预防和减小焊接应力和变形的措施
一、从结构设计方面的预防措施
1、尽量减少焊缝数量。
2、合理地选择焊缝的尺寸和形式。
3、合理设计结构形式及合理安排焊缝位置。
二、减小焊接应力和变形的方法
1.反变形法是根据预测的焊接变形大小和方向,在焊件装配时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量(反变形量),焊后焊接残余变形抵消了预变形量,使构件恢复到设计要求的几何形状和尺寸。
这种预制的反变形可以是弹性的，塑性的或弹塑性的。
采用加裕量的办法控制焊接变形时，在工件下料尺寸上所加的焊接裕量通常为0.1%～0.2%,以弥补焊后变形。
2．选择合理的焊接顺序
（1）尽量使焊缝能自由收缩，这样产生的残余应力较小。
（2）结构中同时存在对接缝和角接缝时，必须先焊对接缝，后焊角接缝。
（3）采用分散对称焊工艺，长焊缝尽可能采用分段退焊或跳焊的方法进行焊接，这样加热时间短、温度低且分布均匀，可减小焊接应力和变形。
（4）合理选用各种焊接程序
3. 刚性固定法
利用夹具、胎具等强制手段，以外力固定被焊工件来减小焊接变形。
该法能有效地减小焊接变形，但会产生较大的焊接应力，所以一般只用于塑性较好的低碳钢结构。
4.锤击焊缝法
焊后用圆头小锤对红热状态下的焊缝进行锤击，可以延展焊缝，从而使焊接应力得到一定的释放。
5.焊前预热法
在补焊前可对铸件上的适当部位进行加热，以减少焊接时对焊接部位伸长的约束，焊后冷却时，加热部位与焊接处一起收缩，从而减小焊接应力。
被加热的部位称为减应区，这种方法叫做加热减应区法，如图3-7所示。
利用这个原理也可以焊接一些刚度比较大的焊缝。
6.冷却法
利用容易散热的物体把焊接处的热量迅速散去，时焊缝附近的金属受热面大大减小，达到减小焊接变形的目的。
三、消除焊接残余应力的方法
1.概述
焊接结构件焊后在焊件内会产生大小不同的残余应力。
当焊件受到外力影响时，由于残余应力的作用，会使焊件变形，甚至产生裂纹。
因此，焊件焊后是否要消除焊接残余应力，应从构件的用途、尺寸（特别是厚度）、所用材料的性能及工作条件综合考虑。
2.整体高温回火
是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法,可用以消除较大的形状偏差。
但是焊后整体加热容易引起冶金方面的副作用,限制了该方法的进一步推广及应用。
3. 局部高温回火
采用火焰对焊接构件局部加热,在高温处,材料的热膨胀受到构件本身刚性制约,
产生局部压缩塑性变形,冷却后收缩,抵消了焊后部位的伸长变形,达到矫正目的, 局部加热矫正方法简便灵活,因此在生产上广为应用。
在实际使用时应控制加热的温度与位置，对于低碳钢和普通低合金钢，常采用600～800℃的加热温度。
4. 机械拉伸法
对焊件进行加载，使焊缝区产生微量塑性拉伸，可以使残余应力降低。
例如，压力容器在进行水压试验时，将试验压力加到工作压力的1.2～1.5倍，这时焊缝区发生微量塑性变形，应力被释放。
5.温度拉伸法
对焊后的焊件沿焊缝两侧加热，然后再快速冷却形成一个焊缝两侧温度高、焊缝区温度低的温度场，从而使原焊缝区受到的压缩塑性变形进行拉伸，以抵消原来的压缩塑性变形，消除部分应力。
6.振动时效处理
利用一种严格受控的振动能量，对结构件进行处理，以解决结构件内部因残余应力导致抗载荷能力变化的问题。
7.电物理处理
采用电物理处理装置对焊缝进行处理，替代传统的焊后热处理。
四、焊接变形和矫正方法
1.机械矫正
利用机械力产生塑性变形来矫正焊接变形，如图3-10所示。
这种方法适用于塑性较好、厚度不大的焊件。
2.火焰矫正
利用金属局部受热后的冷却收缩来抵消已发生的焊接变形。
这种方法主要用于低碳钢和低淬硬倾向的低合金钢。
火焰矫正一般采用气焊焊炬，不需专门设备，其效果主要取决于火焰加热的位置和加热温度。
加热温度范围通常在600℃～800℃。
图3-11为T形梁上拱变形的火焰矫正方法。
加热方法有以下几种：
（1）点状加热法
多用于薄板结构，加热点直径d≥15mm,加热点中心距a为50～100mm。
（2）线状加热法
多用于矫正角变形、扭曲变形及筒体直径过大或椭圆度。
（3）三角形加热法
多用于矫正弯曲变形。
（4）水火矫正法
多用于双曲面板材的加工成形。
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