结构焊接应力与变形的控制
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项目二 典型结构焊接应力与变形的控制
项目简介
在本项目中我们通过完成几个任务，主要介绍 内容有：焊接应力与变形及其产生的原因；典型结 构中焊接应力分布的一般规律；焊接过程中如何降 低或消除焊接应力；预防焊接变形的方法和焊后矫 正焊接残余变形的措施；焊接结构的脆性断裂和疲 劳破坏。
项目二 典型结构焊接应力与变形的控制
【任务分析】
在焊接结构的制造过程中，焊接结构中不可避免地会产生焊接应力 与变形，这是焊接生产所特有的问题。焊接应力与变形会直接影响焊接 结构的生产质量和使用性能，其中应力的存在可能导致焊接裂纹、脆性 断裂和疲劳破坏，焊接变形则影响焊接结构的加工精度。因此，我们应 该了解焊接应力与变形的基本知识，尤其是熟悉典型焊接结构中的应力 与变形，以便采取有效措施来控制这些焊接问题，从而提高焊接结构的 生产质量，保证焊接结构的使用安全性。
①弹性变形和塑性变形
②自由变形与非自由变形
当外力或其它因素去除后变形 也随之消失，物体可恢复原状， 这样的变形称为弹性变形。当 外力或其它因素去除后变形仍 然存在，物体不能恢复原状的 这种变形称为塑性变形。
物体的变形不受外界任何阻碍 自由地进行，这种变形称为自 由变形。如果金属杆件在均匀 加热时变形局部受阻，则变形 量不能完全表现出来，就是非 自由变形。
（2）角变形 焊后，构件的平面围绕焊缝产生的角位移。中厚板堆焊、
搭接焊、对接焊及T形接头焊接时，都可能产生角变形。
焊接角变形示意图
任务1 典型结构焊接应力与变形
（3）弯曲变形 弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不
重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀而 引起的。
焊接弯曲变形示意图
应力应变关系的假设：材料呈理想弹-塑性状态，即材料屈服后不发生强化。
任务1 典型结构焊接应力与变形
4.构件中焊接应力与变形产生的原因 产生的原因
焊
件 的 受 热 不 均 匀
焊 缝 金 属 的 收 缩
其
焊
他
金
件
影
属
的
响
组
刚
因
织
性
素
的
和
变
拘
化
束
任务1 典型结构焊接应力与变形
5.典型焊接结构中的残余应力分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
图a是由两块平板条对接而成的构件，如果假想沿 焊缝中心将构件一分为二，即两块板条都相当于板边堆 焊，它们将分别向外侧弯曲，如图b，焊缝上必然存在 着两端部分为压应力，中心部分为拉应力的横向内应力 σy′,如图c。
纵向收缩引起的σ’y的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
（4）波浪变形 波浪变形是一种失稳变形，在焊接薄板结构时，离焊
③残余应力σz
厚板对接焊缝中的残余
应力 厚板接头焊缝中除了纵
向残余应力和横向残余应力
外，还存在厚度方向上的残
余应力σz。
80mm厚板V形坡口多层焊焊缝残余应力的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
（2）焊接粱柱中的残余应力
焊接梁柱的纵向残余应力分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
（3）拘束条件下焊接的残余应力
6.典型结构中的焊接残余变形
焊接残余变形在焊接结构中的分布是很复杂的。通常， 按照变形的外观形态来分以下为五种基本变形形式：
收缩变形
角变形
弯曲变形
波浪变形
扭曲变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
（1）收缩变形 焊后，焊件尺寸缩短的现象称为收缩变形，它分为纵 向收缩变形和横向收缩变形。
焊接收缩变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
任务1 典型结构焊接应力与变形 任务2 焊接残余应力的控制 任务3 焊接残余变形的控制 任务4 焊接结构的脆性断裂 任务5 焊接结构的疲劳破坏
任务1 典型结构焊接应力与变形
【任务目标】
了解焊接应力与变形的基本概念，熟悉焊接应力与变 形的影响因素，掌握焊接应力与变形产生的原因，为控制 焊接结构中的焊接应力与变形提供理论依据。
（1）平板对接直焊缝中的残余应力 ①纵向应力σx
图2-7 焊缝各截面中的σx分布
不同长度焊缝纵截面上纵向残余 应力σx的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
②横向应力σy 垂直于焊缝的横向应力σy的分部情况比较复杂。 它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近 的塑性变形区的纵向收缩所引起的，用σ′y来表示；另 一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时 性所引起的，用σ″y来表示。
(a)拘束状态下焊件
(b)拘束横向残余应力 (c)焊接横向残余应力
(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)合成横向残余应力
拘束状态下对接接头的横向残余应力的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
（4）封闭焊缝中的残余应力
圆形键块封闭焊缝的残余应力
任务1 典型结构焊接应力与变形
（5）环形焊缝中的残余应力
圆筒环焊缝的纵向残余应力分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
【相关知识】 1.应力与变形的基本概念
（1）应力
工作应力
内应力
物体由于受到外力的作 用而在其内部单位截面上 出现的内力称为工作应力。
物体在没有受到外力作 用的情况下而形成的，且 在物体内自身构成一个平 衡力系的的应力称为内应 力。
任务1 典型结构焊接应力与变形
（2）变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
（2）焊接变形 焊接变形是由焊接而引起焊件的尺寸改变。其中
焊接过程中的变形称为焊接瞬时变形；焊后残存于焊 件中的变形称为焊接残余变形。
任务1 典型结构焊接应力与变形
3.研究焊接应力与变形的基本假定
平截面假定：假定构件在焊前所取的横截面焊后仍保持为平面，即构件变形时截 面本身并不变形。 金属性能不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些物理性能如线胀系数(α )、 比容（C）、热导率(λ)等均不随温度的变化而变化。 金属屈服强度的假定：在500℃以下，下屈服强度与常温下相同，不随温度变化， 500℃至600℃之间，下屈服强度迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态 。
任务1 典型结构焊接应力与变形
2.焊接应力与变形
（1）焊接应力 焊接应力属于内应力，它是由于焊接的不均匀加 热和冷却而引起并存在于焊件中。按作用时间分为： 焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬 时存在于焊件中的内应力称为焊接瞬时应力，它随时 间而变化；待焊件冷却后，残留于焊件中的内应力称 为焊接残余应力。
项目简介
在本项目中我们通过完成几个任务，主要介绍 内容有：焊接应力与变形及其产生的原因；典型结 构中焊接应力分布的一般规律；焊接过程中如何降 低或消除焊接应力；预防焊接变形的方法和焊后矫 正焊接残余变形的措施；焊接结构的脆性断裂和疲 劳破坏。
项目二 典型结构焊接应力与变形的控制
【任务分析】
在焊接结构的制造过程中，焊接结构中不可避免地会产生焊接应力 与变形，这是焊接生产所特有的问题。焊接应力与变形会直接影响焊接 结构的生产质量和使用性能，其中应力的存在可能导致焊接裂纹、脆性 断裂和疲劳破坏，焊接变形则影响焊接结构的加工精度。因此，我们应 该了解焊接应力与变形的基本知识，尤其是熟悉典型焊接结构中的应力 与变形，以便采取有效措施来控制这些焊接问题，从而提高焊接结构的 生产质量，保证焊接结构的使用安全性。
①弹性变形和塑性变形
②自由变形与非自由变形
当外力或其它因素去除后变形 也随之消失，物体可恢复原状， 这样的变形称为弹性变形。当 外力或其它因素去除后变形仍 然存在，物体不能恢复原状的 这种变形称为塑性变形。
物体的变形不受外界任何阻碍 自由地进行，这种变形称为自 由变形。如果金属杆件在均匀 加热时变形局部受阻，则变形 量不能完全表现出来，就是非 自由变形。
（2）角变形 焊后，构件的平面围绕焊缝产生的角位移。中厚板堆焊、
搭接焊、对接焊及T形接头焊接时，都可能产生角变形。
焊接角变形示意图
任务1 典型结构焊接应力与变形
（3）弯曲变形 弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不
重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀而 引起的。
焊接弯曲变形示意图
应力应变关系的假设：材料呈理想弹-塑性状态，即材料屈服后不发生强化。
任务1 典型结构焊接应力与变形
4.构件中焊接应力与变形产生的原因 产生的原因
焊
件 的 受 热 不 均 匀
焊 缝 金 属 的 收 缩
其
焊
他
金
件
影
属
的
响
组
刚
因
织
性
素
的
和
变
拘
化
束
任务1 典型结构焊接应力与变形
5.典型焊接结构中的残余应力分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
图a是由两块平板条对接而成的构件，如果假想沿 焊缝中心将构件一分为二，即两块板条都相当于板边堆 焊，它们将分别向外侧弯曲，如图b，焊缝上必然存在 着两端部分为压应力，中心部分为拉应力的横向内应力 σy′,如图c。
纵向收缩引起的σ’y的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
（4）波浪变形 波浪变形是一种失稳变形，在焊接薄板结构时，离焊
③残余应力σz
厚板对接焊缝中的残余
应力 厚板接头焊缝中除了纵
向残余应力和横向残余应力
外，还存在厚度方向上的残
余应力σz。
80mm厚板V形坡口多层焊焊缝残余应力的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
（2）焊接粱柱中的残余应力
焊接梁柱的纵向残余应力分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
（3）拘束条件下焊接的残余应力
6.典型结构中的焊接残余变形
焊接残余变形在焊接结构中的分布是很复杂的。通常， 按照变形的外观形态来分以下为五种基本变形形式：
收缩变形
角变形
弯曲变形
波浪变形
扭曲变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
（1）收缩变形 焊后，焊件尺寸缩短的现象称为收缩变形，它分为纵 向收缩变形和横向收缩变形。
焊接收缩变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
任务1 典型结构焊接应力与变形 任务2 焊接残余应力的控制 任务3 焊接残余变形的控制 任务4 焊接结构的脆性断裂 任务5 焊接结构的疲劳破坏
任务1 典型结构焊接应力与变形
【任务目标】
了解焊接应力与变形的基本概念，熟悉焊接应力与变 形的影响因素，掌握焊接应力与变形产生的原因，为控制 焊接结构中的焊接应力与变形提供理论依据。
（1）平板对接直焊缝中的残余应力 ①纵向应力σx
图2-7 焊缝各截面中的σx分布
不同长度焊缝纵截面上纵向残余 应力σx的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
②横向应力σy 垂直于焊缝的横向应力σy的分部情况比较复杂。 它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近 的塑性变形区的纵向收缩所引起的，用σ′y来表示；另 一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时 性所引起的，用σ″y来表示。
(a)拘束状态下焊件
(b)拘束横向残余应力 (c)焊接横向残余应力
(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ)合成横向残余应力
拘束状态下对接接头的横向残余应力的分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
（4）封闭焊缝中的残余应力
圆形键块封闭焊缝的残余应力
任务1 典型结构焊接应力与变形
（5）环形焊缝中的残余应力
圆筒环焊缝的纵向残余应力分布
任务1 典型结构焊接应力与变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
【相关知识】 1.应力与变形的基本概念
（1）应力
工作应力
内应力
物体由于受到外力的作 用而在其内部单位截面上 出现的内力称为工作应力。
物体在没有受到外力作 用的情况下而形成的，且 在物体内自身构成一个平 衡力系的的应力称为内应 力。
任务1 典型结构焊接应力与变形
（2）变形
任务1 典型结构焊接应力与变形
（2）焊接变形 焊接变形是由焊接而引起焊件的尺寸改变。其中
焊接过程中的变形称为焊接瞬时变形；焊后残存于焊 件中的变形称为焊接残余变形。
任务1 典型结构焊接应力与变形
3.研究焊接应力与变形的基本假定
平截面假定：假定构件在焊前所取的横截面焊后仍保持为平面，即构件变形时截 面本身并不变形。 金属性能不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些物理性能如线胀系数(α )、 比容（C）、热导率(λ)等均不随温度的变化而变化。 金属屈服强度的假定：在500℃以下，下屈服强度与常温下相同，不随温度变化， 500℃至600℃之间，下屈服强度迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态 。
任务1 典型结构焊接应力与变形
2.焊接应力与变形
（1）焊接应力 焊接应力属于内应力，它是由于焊接的不均匀加 热和冷却而引起并存在于焊件中。按作用时间分为： 焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬 时存在于焊件中的内应力称为焊接瞬时应力，它随时 间而变化；待焊件冷却后，残留于焊件中的内应力称 为焊接残余应力。