34焊接残余变形收集资料
1 试述焊接残余变形的种类
1 试述焊接残余变形的种类。
焊接过程中焊件产生的变形称为焊接变形。
焊后，焊件残留的变形称为焊接残余变形。
焊接残余变形有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等共六种，见图1，其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式，在不同的焊件上，由于焊缝的数量和位置分布不同，这两种变形又可表现为其它几种不同形式的变形。
2 焊件在什么情况下会产生纵向收缩变形？焊件焊后沿平行于焊缝长度方向上产生的收缩变形称为纵向收缩变形。
当焊缝位于焊件的中性轴上或数条焊缝分布在相对中性轴的对称位置上，焊后焊件将产生纵向收缩变形，其焊缝位置见表1。
焊缝的纵向收缩变形量随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积的增加而减少，其近似值见表2。
表2 焊缝纵向收缩变形量的近似值（mm/m）注：表中所表示的数据是在宽度大约为15倍板厚的焊缝区域中的纵向收缩变形量，适用于中等厚度的低碳钢板。
3 试述焊缝的横向收缩变形量及其计算。
焊件焊后在垂直于焊缝方向上发生的收缩变形称为横向收缩变形，横向收缩变形量随板厚的增加而增加。
低碳钢对接接头、T形接头和搭接接头的横向收缩变形量，见表3、表4。
对接接头横向收缩变形量的近似计算公式，见表5。
当两板自由对接、焊缝不长、横向没有约束时，横向收缩变形量要比纵向的大得多。
4 焊件在什么情况下会产生弯曲变形？如果焊件上的焊缝不位于焊件的中性轴上，并且相对于中性轴不对称（上下、左右），则焊后焊件将会产生弯曲变形。
如果焊缝集中在中性轴下方（或下方焊缝较多）则焊件焊后将产生上拱弯曲变形；相反如果焊缝集中在中性轴上方（或上方焊缝较多），则焊件焊后将产生下凹弯曲变形。
又如果焊件相对焊件中性轴左、右不对称，则焊后将产生旁弯，焊件产生弯曲变形的焊缝位置，见表6。
5 试述焊件产生角变形的原因及其数值。
焊接时，由于焊接区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形称为角变形见图1b。
焊接残余变形
焊接残余变形1 试述焊接残余变形的种类。
焊接过程中焊件产生的变形称为焊接变形。
焊后，焊件残留的变形称为焊接残余变形。
焊接残余变形有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等共六种，见图1，其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式，在不同的焊件上，由于焊缝的数量和位置分布不同，这两种变形又可表现为其它几种不同形式的变形。
2 焊件在什么情况下会产生纵向收缩变形？焊件焊后沿平行于焊缝长度方向上产生的收缩变形称为纵向收缩变形。
当焊缝位于焊件的中性轴上或数条焊缝分布在相对中性轴的对称位置上，焊后焊件将产生纵向收缩变形，其焊缝位置见表1。
焊缝的纵向收缩变形量随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积的增加而减少，其近似值见表2。
表2 焊缝纵向收缩变形量的近似值（mm/m）注：表中所表示的数据是在宽度大约为15倍板厚的焊缝区域中的纵向收缩变形量，适用于中等厚度的低碳钢板。
3 试述焊缝的横向收缩变形量及其计算。
焊件焊后在垂直于焊缝方向上发生的收缩变形称为横向收缩变形，横向收缩变形量随板厚的增加而增加。
低碳钢对接接头、T形接头和搭接接头的横向收缩变形量，见表3、表4。
表5 对接接头横向收缩变形量的近似计算公式①δ——板厚（mm）。
当两板自由对接、焊缝不长、横向没有约束时，横向收缩变形量要比纵向的大得多。
4 焊件在什么情况下会产生弯曲变形？如果焊件上的焊缝不位于焊件的中性轴上，并且相对于中性轴不对称（上下、左右），则焊后焊件将会产生弯曲变形。
如果焊缝集中在中性轴下方（或下方焊缝较多）则焊件焊后将产生上拱弯曲变形；相反如果焊缝集中在中性轴上方（或上方焊缝较多），则焊件焊后将产生下凹弯曲变形。
又如果焊件相对焊件中性轴左、右不对称，则焊后将产生旁弯，焊件产生弯曲变形的焊缝位置，见表6。
5 试述焊件产生角变形的原因及其数值。
焊接时，由于焊接区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形称为角变形见图1b。
焊接残余变形
1 180 K=6 2
6 180
3
6
150
K=6 150
4
6
题2图
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题3图
4. 横向收缩引起的挠曲变形 横向焊缝的中心与构件中心不重合时，焊缝的横向收缩也会引 起结构的挠曲变形
F----构件截面积，L----构件长度 因此，△L取决于F、L、∫fp εp · dF、 fp的大小：方法、焊接参数 εp的大小：材料性质
影响纵向收缩的因素：
1)规范： q / v↑, ∫fp↑,→Pf↑, △L 2)焊接方法： 不同的焊接方法，热源集中度不同，则HAZ大小不同， 也即 Fp不同 3)材料性质： α,λ↑, → ∫fp ↑, △L↑ α不锈钢＞α低碳钢 λ铝＞λ低碳钢
2.角焊缝
丁字接头和搭接接头角焊缝的横向收缩，其实质与堆焊类似，其数值 取决于加热该构件的那部分热量及板厚 线能量应取输入到横板上的热量：
q 2δ H • v 2δ H + δ V
δH──横板厚度 δV──立板厚度
立板越厚，横板上的热量越小，横向变形也越小。
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1 M2 = ρ E⋅I
ε =
E I---构件抗弯刚度
∆B2 l
f
δ2
h
L-△B2
则 ：P =
= ∫ σ ⋅ dF
F2
∆ B2 ⋅ E ∆ B2 ⋅ E ⋅ F2 ⋅ dF = l l F2
∫
h δ M 2 = Pf ( − 1 ) 2 2 1 F ⋅ ∆ B2 h δ 1 ∆B2 ⋅ S 2 ( − )= 则： = 2 ρ I ⋅l 2 2 I ⋅l l ∆ B1 ⋅ S1 φ1 = = ρ I S1 = h1 ⋅ δ 1 ⋅ e 1 l f0 = ⋅ϕ ⋅ 2 2 f = 5 ⋅ φ ⋅ l + 4 ⋅ φ ⋅ l + 3φl + 2φ l + φl φ = φ1 + φ 2
焊接残余变形的基本形式
焊接残余变形的基本形式
(一)收缩变形
这种变形又可具体分为纵向缩短和横向缩短，如图8—1a所示的两块对接钢板，经焊接后。
长度和宽度方向的尺寸都比原来变短。
这种变形是由于焊缝
的纵向收缩和横向收缩引起的。
(二)角变形
这种变形是由于焊缝横截面形状不对称或施焊层次不合理，致使焊缝在板厚度方向上横向收缩量不一致所产生的。
如图8—1b所示V形坡口对接焊后发生了角变形，主要是由于焊缝截面上宽下窄使焊缝的横向收缩量上大下小而引起的。
(三)弯曲变形
这种变形是由于焊件上焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称，焊缝的纵向收缩所引起的。
如图8—1c所示，T型梁的焊缝位置位于梁的中心线下方，
焊后由于焊缝纵向收缩，造成了弯曲变形。
(四)波浪变形
薄板气焊时最容易产生波浪变形，如图8—1d所示。
其产生的原因是焊缝的纵向收缩和横向收缩共同作用的结果。
一方面由于焊缝的纵向收缩，使薄板边缘产生压应力，当压应力超过一定数值时，便在薄板边缘出现了波浪形的变形；另一方面由于焊缝的横向收缩引起角变形，这些角变形连贯起来就形成了波浪变形。
(五)扭曲变形
如图8—1e所示，这种变形产生的原因主要是因装配质量不好、工件搁置不当，焊接顺序和焊接方向不合理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩不一致所造成的。
一般这种变形在气焊件中很少碰到。
综上所述，焊后焊缝的纵向收缩和横向收缩是引起各种焊接残余变形和焊接残余应力的重要原因。
同时还说明，焊缝的收缩能否转变成各种形式的变形还和焊缝在结构上的位置、焊接顺序和焊接方向以及结构的刚性大小等因素有直接的关系。
34焊接残余变形
焊接残余变形的分类：分七类
㈠纵向收缩变形 ㈡横向收缩变形
㈢挠曲变形
㈣角变形 ㈤波浪变形：薄板易发生
㈥错边变形：长度方向和厚度方向 ㈦螺旋形变形
焊接变形影响结构尺寸的准确、美观 可能降低结构承载能力（附加弯曲应力）
焊接变形可能降低结构承载能力 举例二
二、纵向收缩变形以及它引起的挠曲变形
对接多层焊防止角变形方法
先在一面少焊几层，然后翻转过来焊满另一面，使其产生的角 变形稍大于先焊的一面，最后再翻转过来焊满第一面，这样就 能以最少的翻转次数来获得最小的角变形。 或：应先焊焊接量少的一面，后焊焊接量多的一面，并且注意 每一层的焊接方向应相反。
图2-10 角变形与焊接顺序的关系
a)对称坡口非对称焊 b)对称坡口对称交替焊 c)对称坡口非对称焊 d)非对称坡口非对称焊
• 坡口角度越大，焊缝横向收缩沿板厚分布越不均匀， 角变形越大。
• 同样板厚和坡口形式下，多层焊比单层焊角变形大， 多层多道焊比多层焊角变形大。
• 另外，坡口截面对称，采用不同的焊接顺序，产生的 角变形大小也不相同，X形坡口对接接头，先焊完一 面后翻转再焊另一面，焊第二面时，焊件刚性增加， 焊接时所产生的角变形小于第一面产生的角变形，最 终产生一定的残余角变形。
沿焊缝纵向热变形对横向变形的影响
四、角变形
产生原因：横向收缩在厚度方向上的不均匀分布
（1）平板堆焊的角变形
平板堆焊时，在钢板厚度方向上的温度分布是不均匀的:温度高 的一面受热膨胀较大，另一面膨胀小甚至不膨胀。
由于焊接面膨胀受阻， 出现较大的压缩塑性 变形，这样，冷却时 在钢板厚度方向上产 生收缩不均匀的现象， 焊接一面收缩大，另 一面收缩小，所以产 生角变形。
焊接残余变形和残余应力
一、现象和及其产生的原因
1、现象 焊件局部弯曲或翘曲。
a)
b)
c)
d)
e)
2、应力分布 焊接残余应力是一组自平衡应力。
3、产生原因 不均匀降温。
二、对结构的影响
1、降低结构刚度 压应力存在降低结构刚度、降低屈曲应力。
2、导致脆性破坏 发生三向应力。
3、发生焊接残余变形 引起附加内力，降低屈曲强度。
③ 式（3-37）、（3-38）说明
NVb
nv
d 2
4
f
b v
（3-37）
N
b c
d
t
f
b c
（3-38）
a) 螺栓承载力是Nvb和Ncb中之最小值，Nbmin 。 b) ∑t 取 a+b+c和d+e 之间的最小值。
N/3
a
N/3
b
N/3
c
d
N/2
e
N/2
c ) Nvb和Ncb计算式中的受剪面数nv ，上图中nv =4。
3.6 普通螺栓连接
一、普通螺栓连接的构造
1、螺栓的规格
(1)普通螺栓的形式为六角 头型。其代号用M和公称直 径数表示。如M16、M20等。
(2)常用螺栓直径为 d=16，20，24mm
(3)分为A级、B级和C级三种
(3)A级和B级为精制螺栓， 螺杆、螺孔加工精度高，制 作安装复杂，螺栓等级为8.8 级。很少用，已被高强度螺 栓代替。
N1xT N1Nx
2
N1yT N1yV
2
N
b m
in
例题3.10 试验算一受斜向拉力设计值F＝120kN作用 的C级普通螺栓练的的强度。螺栓M20，钢材Q235。
焊接技术培训中焊接变形与残余应力的实验研究
焊接技术培训中焊接变形与残余应力的实验研究焊接是一种将两个或多个金属部件通过熔融、热加工和冷却等工艺连接在一起的方法。
然而，在焊接过程中，焊接件会发生变形和产生残余应力，这对于焊接接头的工程质量和性能产生了重要影响。
本文将介绍焊接技术培训中焊接变形与残余应力的实验研究，并探讨其影响因素和控制方法。
1. 实验目的研究焊接过程中焊接变形与残余应力的形成机制，为焊接技术培训提供理论依据和实验指导。
2. 实验方法2.1 实验材料与设备选择常见的金属材料作为实验材料，如碳钢、不锈钢、铝合金等。
使用焊接设备，如电弧焊机、气保焊机等进行焊接实验。
2.2 实验流程根据设计要求，制备焊接试件，并对试件进行预处理，例如表面除油、去毛刺等。
确定焊接参数，如焊接电流、电压、焊接速度等。
进行焊接过程中的实时数据采集，如温度、位移等。
完成焊接后，使用适当的测试方法对焊接接头的变形和残余应力进行分析和测试。
3. 实验结果与分析根据实验数据和测试结果，综合分析焊接变形与残余应力的影响因素。
通过实验可以发现，焊接过程中的热效应是主要原因之一。
焊接过程中的高温会导致材料的热膨胀，随后的冷却过程会导致收缩，从而产生变形和残余应力。
此外，材料的热导率、焊接顺序、环境温度等因素也会对焊接变形和残余应力产生影响。
通过分析这些影响因素，可以采取一系列的控制措施，如优化焊接工艺参数、采用预热和后热处理等，以减少焊接变形和残余应力的产生。
4. 实验结论通过实验研究，我们可以得出以下结论：(1) 焊接过程中的热效应是引起焊接变形和残余应力的主要原因之一。
(2) 焊接顺序、材料热导率等因素也会对焊接变形和残余应力产生影响。
(3) 通过优化焊接工艺参数和采取适当的控制措施，可以有效减少焊接变形和残余应力的产生。
5. 实验意义研究焊接变形与残余应力的实验对于焊接技术的培训和应用具有重要意义。
通过实验研究可以深入了解焊接过程中的变形和残余应力形成机制，帮助焊接工程师准确判断焊接质量，优化焊接工艺参数，提高焊接接头的工程质量和性能。
焊接残余变形
焊接残余变形
焊接残余变形的分类 研究焊接残余变形的意义 引起变形的原因 预防焊接变形的措施 矫正焊接变形的方法
焊接残余变形的分类
1、纵向收缩变形：结构焊后在焊缝方向发生的收缩。 2、横向收缩变形：结构焊后在垂直焊缝方向发生的 收缩。 3、饶曲变形：焊件焊后发生饶曲，饶曲是由焊缝纵 向收缩引起和焊缝横向收缩共同引起的。 4、角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角拉移。 5、波浪变形：焊后构件呈波浪形状，这种变形在薄 板焊接中最容易发生。 6、错边变形：在焊接过程中，两焊接件的膨胀系数 不一致。可能引起长度方向的错边和厚度方向 上的错位。 7、螺旋变形：焊后结构件上呈现扭曲。
矫正焊接变形的方法
（1） 机械矫正方法： 利用外力使机构件产生于焊接变形向相反的 塑性变形使两者相互抵消，当薄板结构的焊缝比 较规则时，采用滚压法消除焊接变形效率高，质 量好，具有极大的优越性。 (2) 火焰加热矫正法： 利用热量相对集中的火源对变形结构件反弹 或突出的部分加热至红，然后用冷水冷却使其晶 体结构紧密，从而消除了延伸出的部分，并与机 械矫形方法同时用来达到矫正的效果。
预防焊接变形的措施
（1）设计措施
1. 合理的选择焊缝的尺寸和形式； 2. 尽可能减少不必要的形法：这是生产中最常见常用 的方法，事先估计好结构变形的尺寸和方 向，然后在装配时给予反方向的变形和焊 接变形抵消，使焊后结构件保持设计要求。 2. 刚性固定法：用焊接夹具来限制焊 接变形，这种方法在一定程度上可以减少 焊接变形，但不可消除焊接变形。 3. 合理的选择焊接方法和规范：先用 焊接能源相对集中焊接线能量小的焊接方 法。 4. 选择合理的装配焊接顺序。
引起变形的原因
在焊接中焊缝以及附近的金属由于在高温下的自由变 形受到阻碍，产生了压缩塑性变形，这个区域称之塑性变 形区（长度，截面积）与焊接参数，焊接方法，焊接顺序， 以及材料的物理参数有关，在诸多工艺因素中，焊接线能 量是主要的。在一般情况下焊接变形与焊接线能量成正比。 同样截面的焊缝可以一次焊成，也可以分几次焊成， 多层焊每次所用的线能量比单层焊小的多。因此每层焊缝 所产生的塑性变形区的面积比单层焊小，但多层焊所引起 的变形量，并不等于各层焊缝的总和。因为各层所产生的 塑性变形区的面积相互叠加的。 从以上分析可以看出多层焊所引起的纵向收缩比单 层焊小，变形也就更小。
浅析焊接残余应力变形及消除调整措施
浅析焊接残余应力变形及消除调整措施前言随着钢结构的广泛应用，对钢结构的要求也越来越高。
如钢结构需满足跨度大、稳定性好、刚度大、抗弯性能好等要求。
焊接作为钢结构最主要的连接方式，对焊接工艺和焊接质量的要求也在不断地提高。
研究焊接残余应力和焊接变形对钢构件的影响，通过合理的设计和制造以及相应的措施减小焊接残余应力和焊接变形对构件的影响，将有效的提高钢结构的性能，满足建设的需求。
一、残余应力产生原因及影响分析钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。
在施焊时，焊缝及其附近区域的温度很高，而临近区域温度则急剧的下降，导致不均匀的温度场。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。
当焊接温度场消失后，构件内部产生应力，这种应力称为焊接残余应力。
构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。
一般我们在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时所增加的瞬时应力与焊接残余应力。
但是刚性大、板材厚的构件，虽然残余变形相对较小，但同时会产生巨大的拉应力，甚至导致裂纹。
在未产生裂纹的情况下，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中往往导致构件失稳、变形甚至破坏。
因此焊接应力的控制与消除在钢结构制作过程中显得十分重要，应优先于构件的残余变形给予考虑。
1、对钢结构刚度的影响。
焊接残余应力使构件的有效截面减小，丧失进一步承受外载的能力。
焊接残余应力的存在还会增大结构的变形，降低结构的刚度。
2、对静力强度的影响。
由于焊接应力的自相平衡，使受压区和受拉区的面积相等。
构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等，因此不影响静力强度。
3、对疲劳强度的影响。
残余应力的存在使应力循环发生偏移。
这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。
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。
焊接残余应力和焊接残余变形
3 焊接残余变形 • 残余变形形式
图8 焊接变形的基本形式
4 减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法 • 采取合理的施焊次 序 • 施焊前加相反的预 变形 • 焊前预热，焊后回 火
图9 合理的施焊次序
图10 反变形 及局部加热
5 合理的焊缝设计
• 焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心 • 焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸
焊接残余应力和焊接残余变形
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 纵向残余应力
图1 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 横向残余应力
图2 横向残余应力产生的原因
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 厚度方向的残余应力
• 约束状态下的焊接应力
图3 厚度方向的焊接应力
图4 约构静力强度的影响
图5 残余应力对静力强度的影响
2 焊接残余应力的影响 • 对结构刚度的影响
图6 有残余应力时的应力与应变
2 焊接残余应力的影响 • 对压杆稳定的影响 • 对低温冷脆的影响 • 对疲劳强度的影响
图7 三轴焊接残余应力
• 焊缝不宜过分集中
• 应尽量避免三向焊缝交叉 • 考虑钢板分层问题 • 焊条易达到 • 避免仰焊
5 合理的焊缝设计
图61 合理的焊缝设计
焊接残余变形
焊接残余变形一、焊接残余变形的分类1．纵向和横向收缩变形a)纵向收缩：焊件在焊后沿焊缝长度方向上的收缩。
纵向收缩变形随焊缝长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加。
b)横向收缩：焊件在焊后沿焊缝宽度方向上的收缩。
横向收缩变形随焊接热输入、焊缝宽度、焊脚尺寸的增加而增加。
2．角变形是焊接时，由于焊缝区沿厚度方向产生的横向收缩不均匀引起的弯曲变形。
角变形的大小与焊接方法、焊接道数及坡口形式有关。
3．弯曲变形是结构上焊缝分布不时称，焊缝收缩引起的变形，用挠度f表示。
挠度是指焊件的中心轴线偏离原中心轴线的最大距离。
4．扭曲变形是焊件的施焊顺序不合理、组装不良或纵向有错边，焊接时角变形量长度方向不均匀，焊缝的纵向和横向收缩没有限一定的规律，引起的变形。
5．波浪变形由于结构件的刚性较小，在焊缝的纵向和横向收缩共同作用下造成较大的压应力而引起波浪变形。
二、控制焊接残余变形的工艺措施1．设计方面在保证构件有足够承载能力的前提下，尽量减少焊缝尺寸，焊缝的数量，合理安排焊缝的位置，焊缝尽可能对称分布避免局部焊缝过分集中。
2．工艺方面选择合理的组装焊接顺序a)大型复杂的焊接结构，在条件允许的情况下，分成若干个分别焊接，然后将各单元总体拼装成整体后再进行整体焊接。
b)对称结构上的对称焊缝，这样可以使两侧产生的焊接变形相互抵消。
c)非对称布置的焊缝。
3．反变形法焊前使焊件具有一个与焊后变形方向相反、大小相当的变形，以便恰好能抵消焊接后产生的变形。
这种方法的关键在于反变形量大小的设置，反变形量的大小应依据在自由状态下施焊测得的焊接变形，并结合弹性变形作适当的调整。
4．刚性固定法焊前对焊件要用外加刚性拘束，使其在不能自由变形的条件下焊接，强制焊接在焊接时不能自由变形，这样可减小焊接变形。
应指出，当外加刚性拘束去除后，由于残余应力的作用，焊件上会残留一定的变形，但比起自由变形来小得多，另外采用刚性固定法，使焊接接头中产生较大的残余应力，对于一些焊后容易裂的材料应慎用。
3.4焊接残余应力和焊接变形
三、焊接变形 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、 角变形和扭曲变形等 通常是几种变形的组合。 角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。
自学） 四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施（自学）
1、设计上的措施； 设计上的措施； （1）焊接位置的合理安排 （2）焊缝尺寸要适当 焊缝数量要少， （3）焊缝数量要少，且不宜过分集中 （4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉 （5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力 2、加工工艺上的措施 （1）采用合理的施焊顺序 （2）采用反变形处理 小尺寸焊件， （3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理
当板件全截面达到f 当板件全截面达到 y，即N=Ny时：
N =N +(B b ⋅t⋅ fy =B t⋅ fy −) ⋅ y t
2、对结构刚度的影响
t fy B
N
f
f
N N
fy b
+
N
b
+
-
-
A、当焊接残余应力存在时，因截面的 部分拉应 、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应 故该部分刚度为零（屈服）， ），这时 力已经达到f 力已经达到 y ，故该部分刚度为零（屈服），这时 作用下应变增量为： 在N作用下应变增量为： 作用下应变增量为
6.为什么采用钢材的屈服点fy作为设计强度标 准值?无明显屈服点的钢材，其设计强度值 如何确定?
• 选择屈服点作为结构钢材设计强度标准值是因为：(1)它是 钢材开始塑性工作的特征点，钢材屈服后，塑性变形很大， 极易为人们察觉，可及时处理，避免发生破坏；(2)从屈服 到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域约大200 倍，且抗拉强度与屈服点之比(强屈比)较大，是钢结构的 极大后备强度，使钢材不会发生真正的塑性破坏，十分安 全可靠。对无明显屈服点的钢材，以卸载后试件的残余应 变为0.2%所对应的应力作为屈服点。
焊接残余变形
第三节焊接残余变形一、焊接残余变形的分类1．纵向和横向收缩变形a)纵向收缩：焊件在焊后沿焊缝长度方向上的收缩。
纵向收缩变形随焊缝长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加。
b)横向收缩：焊件在焊后沿焊缝宽度方向上的收缩。
横向收缩变形随焊接热输入、焊缝宽度、焊脚尺寸的增加而增加。
2．角变形是焊接时，由于焊缝区沿厚度方向产生的横向收缩不均匀引起的弯曲变形。
角变形的大小与焊接方法、焊接道数及坡口形式有关。
3．弯曲变形是结构上焊缝分布不时称，焊缝收缩引起的变形，用挠度f 表示。
挠度是指焊件的中心轴线偏离原中心轴线的最大距离。
4．扭曲变形是焊件的施焊顺序不合理、组装不良或纵向有错边，焊接时角变形量长度方向不均匀，焊缝的纵向和横向收缩没有限一定的规律，引起的变形。
．5．波浪变形由于结构件的刚性较小，在焊缝的纵向和横向收缩共同作用下造成较大的压应力而引起波浪变形。
二、控制焊接残余变形的工艺措施1．设计方面在保证构件有足够承载能力的前提下，尽量减少焊缝尺寸，焊缝的数量，合理安排焊缝的位置，焊缝尽可能对称分布避免局部焊缝过分集中。
2．工艺方面选择合理的组装焊接顺序a)大型复杂的焊接结构，在条件允许的情况下，分成若干个分别焊接，然后将各单元总体拼装成整体后再进行整体焊接。
b)对称结构上的对称焊缝，这样可以使两侧产生的焊接变形相互抵消。
c)非对称布置的焊缝。
3．反变形法焊前使焊件具有一个与焊后变形方向相反、大小相当的变形，以便恰好能抵消焊接后产生的变形。
这种方法的关键在于反变形量大小的设置，反变形量的大小应依据在自由状态下施焊测得的焊接变形，并结合弹性变形作适当的调整。
．4．刚性固定法焊前对焊件要用外加刚性拘束，使其在不能自由变形的条件下焊接，强制焊接在焊接时不能自由变形，这样可减小焊接变形。
应指出，当外加刚性拘束去除后，由于残余应力的作用，焊件上会残留一定的变形，但比起自由变形来小得多，另外采用刚性固定法，使焊接接头中产生较大的残余应力，对于一些焊后容易裂的材料应慎用。
焊接残余应力和焊接变形
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
一个抗剪普通螺栓的承载力设计值Nvbmin应按抗剪承载 力设计值Nvb和承压承载力设计值Ncb的较小值采用，即： 受剪承载力设计值：
N nv ( d ) f 4
钢结构基本原理及设计
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
3.4.1 焊接残余应力和变形的成因
一. 焊接残余应力的成因
焊接残余应力简称焊接应力 1. 现象
2. 成因
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
（1）焊缝出现不均匀温度场
焊缝附近温度最高，可高达1600度以上 在焊缝区以外，温度则急剧下降
b v 2
b v
承压承载力设计值：
N d t f
b c
b c
N
b v min
min( N , N )
b v b c
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
其中螺栓抗剪强度设计值 fvb只取决于螺栓钢材，一般 用Q235钢 孔壁承压强度设计值 fcb只取决于构件钢材，其值按螺 栓端距等于2倍孔径(构造要求最小值)控制确定
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
4. 对低温冷脆的影响 焊接残余应力对低温冷脆影响 厚板和具有严重缺陷的焊缝中， 以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形 的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
5. 对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材 屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。 因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。 多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.
35焊接残余应力和残余变形
§3.5 焊接残余应力和残余变形热变形和热应力——焊接构件在施焊过程中，由于受到不均匀的电弧高温作用，在焊件中将产生变形和应力（有约束）。
残余应力和残余变形——冷却后，焊件产生反向的应力和变形。
一．成因及特点1．基本假设1) 假定焊件由纤维组成，但各纤维之间相互约束（变形时保持平面）。
2) 当温度t≤500℃时，弹性模量E =const.t>600℃时，E →0；500℃＜t ＜600℃时，E 按线性变化。
1． 残余应力1) 纵向焊接应力2) 横向焊接应力3) 厚度方向的焊接应力2． 成因：不均匀分布的温度场，同时存在局部高温，加上纤维间的相互约束，便产生了焊接残余应力。
由于约束程度不同，一部分残余应力会以残余变形的形式释放出来。
3． 特点：自相平衡力系。
二．焊接残余应力对构件工作的影响1．对强度无影响2．降低构件的刚度3．降低构件的稳定承载力由于刚度降低，有效截面减小，过早地进入弹塑性区,弹性模量降低，所以稳定承载力降低（因为22cr /πλσE =）fy 0.3yyyf yyf 0.54．降低构件的疲劳强度残余应力的存在，加快了疲劳裂纹的开展速度（双向或三向拉力场），因此，疲劳强度降低。
5．加剧低温冷脆材料在低温下呈脆性，焊接残余应力的同号拉力场会阻碍材料塑性的发展，加重了脆性因素。
三．焊接残余变形对构件工作的影响1．构件不平整，安装困难，且产生附加应力；2．变轴心受压构件为偏心受压构件。
四．保证焊接质量及减小焊接残余应力的措施1．设计方面（1）采用细长，不采用短粗的焊缝；（2）对称布置焊缝，减小变形；（3）不等高连接加不大于1:2.5(直接承受动力荷载且需验算疲劳的结构不大于1:4)的斜坡，减小应力集中；≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.5（4）尽量防止锐角连接；（5）焊缝不宜过于集中，不要出现三向交叉焊缝；（6）注意施焊方便，以保证焊接质量。
2．制造方面（1）焊件预热法；（2）锤击法；减小残余应力（3）退火法；（4）反变形法；（5）合理施焊次序；减小残余变形（6）局部加热法。
焊接残余变形的矫正及残余应力的消除
焊接残余变形的矫正及残余应力的消除1.焊接残余变形的矫正方法（1）机械矫正法机械矫正法是利用机械力的作用来矫正变形。
图3—136 所示为工字梁焊后的机械矫正。
低碳钢结构可在焊后直接应用此法矫正。
对于一般合金结构钢的焊接结构，焊后先行消除应力处理，才能进行机械矫正。
否则，不仅矫正困难，而且容易产生断裂。
薄板波浪变形的机械矫正应锤打焊缝区的拉应力段。
因为拉伸应力区的金属经过锤打被延伸了，即产生了塑性变形，从而减小了对薄板边缘的压缩压力，矫正了波浪变形。
在锤打时，必须垫上平锤，以免出现明显的锤痕。
（2）火焰矫正法火焰矫正法是用氧—乙炔火焰或其他气体火焰（一般采用中性焰），以不均匀加热方式引起结构的某部位变形，来矫正原有的残余变形。
具体方法是∶将变形构件的局部（变形处伸长的部分）加热到600~800℃，此时钢板呈褐红色（适宜低碳钢），然后让其自然冷却或强制冷却，使之冷却后产生收缩变形，从而抵消原有的变形。
火焰加热的方式有以下3种∶1）点状加热矫正图3—137 所示为点状加热矫正钢板和钢管的实例。
图3—137a 所示为钢板（厚度在8 mm 以下）波浪变形的点状加热矫正，其加热点直径d一般不小于15 mm。
点间距离L随变形量的大小而变，残余变形越大，/越小，一般在50～100 mm 范围内变动。
为提高矫正速度和避免冷却后在加热处出现小泡突起，往往在加热完1个点后，立即用木锤敲打加热点及其周围，然后浇水冷却。
图3—137b 所示为钢管弯曲的点状加热矫正。
加热温度为800℃，加热速度要快，加热一点后迅速移到另一点加热。
采用同样方法加热并自然冷却1~2次，即能校直。
2）线状加热矫正火焰沿着直线方向移动同时在宽度方向上进行横向摆动，形成带状加热，称为线状加热。
图3—138 所示为线状加热的几种形式。
在线状加热矫正时，加热线的横向收缩大于纵向收缩，加热线的宽度越大，横向收缩也越大。
所以，在线状加热矫正时要尽可能发挥加热线横向收缩的作用。
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㈠堆焊及角焊缝
对接多层焊防止角变形方法
先在一面少焊几层，然后翻转过来焊满另一面，使其产生的角 变形稍大于先焊的一面，最后再翻转过来焊满第一面，这样就 能以最少的翻转次数来获得最小的角变形。 或：应先焊焊接量少的一面，后焊焊接量多的一面，并且注意 每一层的焊接方向应相反。
图2-10 角变形与焊接顺序的关系
a)对称坡口非对称焊 b)对称坡口对称交替焊 c)对称坡口非对称焊 d)非对称坡口非对称焊
• 热输入、板厚和坡口角度增大，横向收缩量也 增加，但是板厚的增大会使接头的刚度增大， 可以限制焊缝的横向收缩，使横向收缩量减少。
• 多层焊时，先焊的焊道引起的横向收缩较明显， 后焊焊道引起的横向收缩量逐层减小。
• 焊接方法对横向收缩量也有影响：如相同尺寸 的构件，采用埋弧自动焊比采用焊条电弧焊时 横向收缩量小；气焊的横向收缩量比电弧焊的 大。
• 但热输入增大到一定程度，堆焊面与背面的温差 减小，角变形反而减小。
㈡对接接头的角变形
对接焊层数与角变形的关系
（2）对接接头的角变形
• 对接接头的角变形主要与坡口形式、坡口角度、焊接 层数、焊接顺序等有关。
• 坡口截面不对称的焊缝，其角变形大，因而用X形坡 口代替V形坡口，有利于减小角变形；
但多层焊所引起的 总变形量并不等于 各层焊缝之和，因 为各层所产生的塑 性变形区面积是相 互重叠的。
原始温度对焊件纵向收缩的影响
• 一般来说，焊件的原始温度提高，相当于热输 入增大，焊后纵向收缩量增大。
• 但是，当原始温度高到某一程度，可能会出现 相反的情况：因为随着原始温度的提高，焊件 上的温差减小，温度趋于均匀化，压缩塑性变 形率下降，可使压缩塑性变形量减小，从而使 纵向收缩量减小。
3.4 焊接残余变形
焊接残余变形的分类：分七类
㈠纵向收缩变形 ㈡横向收缩变形
㈢挠曲变形
㈣角变形 ㈤波浪变形：薄板易发生
㈥错边变形：长度方向和厚度方向 ㈦螺旋形变形
焊接变形影响结构尺寸的准确、美观 可能降低结构承载能力（附加弯曲应力）
焊接变形可能降低结构承载能力 举例二
二、纵向收缩变形以及它引起的挠曲变形
薄板焊接时，正反面的温差小，且薄板的刚度小，焊接过程 中，在压应力作用下易产生失稳，使角变形方向不定，没有 明显规律性。
（3）T形接头角变形
• T形接头的角变形: • 可以看成是由立板相对于水平板的回转， • 与水平板本身的角变形两部分组成，
• T形接头不开坡口焊接时，其立板相对于水 平板的回转相当于坡口角度为90º的对接接 头角变形β′，如图2-11 b所示；
性变形区的面积和压缩塑性变形量等。
影响压缩塑性变形量的因素？ • 压缩塑性变形量与纵向收缩变形量成正比； • 其大小与焊接方法、焊接参数、焊接顺序以及母材的
热物理性质有关， • 其中以热输入影响最大。 • 一般情况下，压缩塑性变形量与热输入成正比。
线能量对焊接纵向变形的影响:多层焊与单层焊
多层焊时每层焊 缝所产生的压缩 塑性变形区面积 比单层焊时小。
焊件材料的线膨胀系数的影响
• 线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大， 如不锈钢和铝比碳钢焊件的收缩量大等。
细长构件纵向收缩量的经验公式估算:
单层焊的纵向收缩量
L k1 FH L F
其中k1取值见表 2－1，FH为焊缝截面积
多层焊的纵向收缩量
L
k2
k1
FH L F
其中k2 1 85 s n, n为多层焊层数
两面角焊缝丁字接头 再乘以系数1.15~1.40
钢制构件的挠度估算
单道焊缝引起的挠度:
f k1 FH e L2 (cm) 8I
k1见表2 -1,e为焊缝到构件中性轴的距离
多层焊和双面角焊缝引起的挠度:
f
k2
k1
FH 8I
e
L2
(cm)
三、横向收缩变形及其产生的挠曲变形
（1）平板堆焊的角变形
（1）平板堆焊的角变形的影响因素
• 角变形的大小与焊接热输入、板厚等因素有关， 当然也与焊件的刚性有关。
• 当热输入一定，板厚越大，厚度方向上的温差越 大，角变形增加；
• 但当板厚增大到一定程度，此时构件的刚性增大， 抵抗变形的能力增强，角变形反而减小。
• 板厚一定时，热输入增大，压缩塑性变形量增加， 角变形增加；
• 坡口角度越大，焊缝横向收缩沿板厚分布越不均匀， 角变形越大。
• 同样板厚和坡口形式下，多层焊比单层焊角变形大， 多层多道焊比多层焊角变形大。
• 另外，坡口截面对称，采用不同的焊接顺序，产生的 角变形大小也不相同，X形坡口对接接头，先焊完一 面后翻转再焊另一面，焊第二面时，焊件刚性增加， 焊接时所产生的角变形小于第一面产生的角变形，最 终产生一定的残余角变形。
九、矫正焊接变形的方法
㈠机械矫正法
㈡火焰加热矫正法
焊接角变形的利用－火焰成型(水火弯板)
沿焊缝纵向热变形对横向变形的影响
四、角变形
产生原因：横向收缩在厚度方向上的不均匀分布
（1）平板堆焊的角变形
平板堆焊时，在钢板厚度方向上的温度分布是不均匀的:温度高 的一面受热膨胀较大，另一面膨胀小甚至不膨胀。
由于焊接面膨胀受阻， 出现较大的压缩塑性 变形，这样，冷却时 在钢板厚度方向上产 生收缩不均匀的现象， 焊接一面收缩大，另 一面收缩小，所以产 生角变形。
产生原因：焊缝及 其附近区域在焊接 高温的作用下产生 纵向的压缩塑性变 形，焊件冷却后这 个区域要收缩，于 是引起纵向收缩变 形。
假想力Pf p dF
Fp
纵向收缩量
L p dF
L Pf L Fp
EF
F
假想力作用在塑性变形区上
焊件纵向收缩的影响因素
• 纵向收缩变形量一般随长度的增加而增加； • 焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小； • 纵向收缩变形量还取决于材料的弹性模量、压缩塑
• 水平板本身的角变形相当于水平板上堆焊 引起的角变形β″，如图2-11 c所示。
• 这两种角变形综合的结果，使T形接头两板 间的角度发生如图2-11 d所示的变化。
如何减小T形接头角变形
• 为了减小T形接头角变形： • 一方面可以通过开坡口来减小立板与水
平板间的焊缝夹角，减小β′值； • 另一方面还可以通过减小焊脚尺寸来减
• 横向收缩的大小还与装配后定位焊和装夹情况有关：定 位焊焊缝越长，装夹的拘束程度越大，横向收缩变形量 就越小。
横向收缩变形与线能量和板厚的关系
横向收缩在焊缝长度方向上的分布
㈡对接接头
留有间隙的平板对 接焊的横向变形
不留间隙的平板对 接焊的横向变形
对接接头的横向收缩量
• 对接接头的横向收缩量随焊缝金属量的增加而 增大；
㈡工艺措施
1.反变形法
2.刚性固定法
3.合理选择焊接方法和焊接规范
4.选择合理的装配焊接次序
方案一
焊接次序3 1 2 挠度f1 f2 f3
方案二
焊接次序1 2 3
挠度f1
f2
f' 3
方案三*
焊接次序2 1 3 挠度f1 f2 f3 f1 f3
• 另外，横向收缩量沿焊缝长度方向分布是不均匀的：因 为先焊的焊缝冷却收缩对后焊的焊缝有一定挤压作用， 使后焊的焊缝横向收缩量更大——一般来说，焊缝的横 向收缩沿焊接方向是由小到大，逐渐增大到一定长度后 便趋于稳定;由于这个原因，生产中常将一条焊缝的两 端头间隙取不同值，后半部分比前半部分要大1～3mm。
少焊缝金属量，降低β″值。
丁字接头的角变形
五、波浪变形
产生原因：受压部位失稳
螺旋形变形
八、预防焊接变形的措施
㈠设计措施 1.合理选择焊缝尺寸和形式
开坡口的好处: 减小变形 节省人力物力
减小焊接变形措施:坡口选取
设计措施之二 2.减少不必要的焊缝
设计措施之三 3.合理安排焊缝位置 焊缝尽量对称于中性轴或靠近中性轴
角焊缝的横向收缩
角焊缝的横向收缩要比对接焊缝的横向收缩小得多。 同样的焊缝尺寸，板越厚，横向收缩变形越小。
横向收缩变形的影响因素
• 不管何种接头形式，其横向收缩变形量总是随焊接热输 入增大而增加。
• 装配间隙对横向收缩变形量的影响也比较大，且情况复 杂：一般来说，随着装配间隙的增大，横向收缩也增加。