3.4.11-12焊接内应力及变形ⅠⅡ

1、导论

焊接的热效应导致焊件内产生焊接内应力，不同的焊接工艺在焊接部位产生不同形状的温度场。该温度场的温度变化区间为从金属的熔点（钢的为1500℃）至室温（约为20℃）。

图1 为气焊和电弧焊温度场的分布情况。

图1 a ）气焊和b ）电弧焊温度场的分布（板厚为5mm ）

在不同的温度，不同的位置及不同的时间下，将产生不同的热变形，延伸及收缩。由此而导致产生塑性变形及内应力，同样的过程也存在于板材及型材轧制时的冷却过程中，如图2所示。

图2 箭头所示位置将产生塑性变形及内应力

图3是在自由状态下，钢棒被加热而延伸，而在冷却时又恢复到原始长度，在整个过程中不存在延伸和收缩阻力，因此在钢棒内不存在内应力。

t

l k l t t t ∆⋅⋅=∆-=∆001;

冷态

加热 冷却

图4是在自由延伸—限制收缩的状态下，钢棒在被加热时自由延伸，而在冷却时其收缩却受到限制，这样冷却后在钢棒内将产生拉应力，当拉应力大于该材料的抗位强度时，导致钢棒断裂。

图4 自由延伸—限制收缩

图5是在限制延伸—自由收缩状态下，钢棒受热时不能自由延伸而产生压应力，随着加热温度的提高，屈服极限随之下降，并导致“锻粗”，随之压应力下降。在冷却时对收缩没有限制，而“锻粗”部位又不能恢复原态，故钢棒将缩短，但不存在残余应力。

图5 限制延伸—自由收缩

图6是在限制延伸—限制收缩状态下，加热时钢棒的延伸受到限制，产生压应力，随着温度的增加，钢棒的屈服极限下降，直至产生“锻粗”，随之压应力减小。在冷却时，钢棒的收缩受到限制，导致在钢棒内产生拉应力（收缩应力）。

冷态

加热

冷却 冷态

加热

冷却

冷态

加热 冷却

2、拉伸试验与温度的关系

图7中表示了碳钢在不同温度下进行拉伸试验的特征曲线变化趋势。

图7 不同温度下钢的屈服极限和延伸率

3、焊接内应力的产生及分布

3.1典型钢棒内应力的分析

将一钢棒固定在刚性结构上后加热如图8所示，由于钢棒的延伸受到限制，则在钢棒内将产生压应力。

图8 固定钢棒所产生的压应力

钢棒：材料St37（Re=235N/㎜2）

长度=100㎜

Δt=60℃/80℃/100℃/120℃ E

l l t l l σ

εελ=

∆=

∆⋅⋅=∆,

,

t=60℃

σ=151N/㎜2

t=80℃ σ=201N/㎜2

t=100℃

σ=252N/㎜2

t=120℃ σ=302N/㎜2

11

.0%100210000

235

=⋅=

=

E σ

ε

图9为一端固定的钢棒。将钢棒加热到1500℃（理论上），随着温度的升高，钢棒的抗变形能力下降，出现延伸及墩粗。当冷却到室温时，钢棒缩短了≈2%，该2%即为铸造时所考虑的收缩量。

图10为二端固定的钢棒。加热及冷却过程如上述一样，当冷却至室温时，钢棒将被拉长大约2%（其中一部分为塑性的，一部分为弹性的），由弹性部分导致了残余应力，即拉应力。根据平衡原理，在固定钢棒的刚性结构中也有应力存在。

图10 二端固定钢棒

3.2焊件内应力的产生和分布

单面堆焊和平板对接中与焊缝焊接过程中的温度分布见图11。

图11 单面焊和平板对接焊温度分布图

从图7可分析到钢的屈服极限在0~500℃时，金属

σ基本是一个常数，当温度升至500℃以上时，sσ发

s

生陡降，当温度达到600℃时，

σ接近于零。说明此金属几乎处于完全塑性状态，在很小的外力作用下既可

s

以产生塑性变形。

3.2.1纵向应力产生的原因

金属在加热时的伸长量与温度成正比（自由状态下）。我们假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成，在焊接过程中，它们由于各自受热情况不同，将按温度分布情况伸长，同时在冷却时，各小板条又将收缩回原处，这样就不会有内应力出现。然而我们假设的小板条之间是互相联系的，互相牵制的，因此，焊接时，温度高伸长大的板条就受到温度低伸长小的板条压缩（产生压缩塑性变形），而温度低伸长小的板条却受到温度高伸长大的板条位伸。因此，温度高部分产生压应力，温度低的部分产生拉应力。

当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区压缩塑性变形的存在。因此收缩量也较大，其余部分逐次减少，根据平面假设原理，这部分压缩塑性变形区被拉伸，产生拉应力，焊件温度低的部分产生压应力。

3.2.2横向应力产生的原因

焊接结构横向应力比较复杂，它是由下面原因产生的。

1）由纵向收缩变形引起的横向应力

单边堆焊焊后焊件变形如图，如果焊缝位于焊件中心，此时我们可以假设沿焊缝中心将焊件切开，这时切开的焊件便成了单边堆焊焊件，焊后焊缝边缘区发生纵向收缩，如图12。

图12 单边堆焊和焊缝中心切开后的横向应力分布

但实际上焊缝是将这假设的两块板连接在一起的，因此在焊缝中部产生了横向拉应力，焊缝的两端出现了横向压应力。

2）由焊缝冷却先后不同形成的横向应力

在生产实践中，同样焊接一条直缝，如果在焊接次序和方向上不同，会出现不同的横向焊接内应力。

由于一条焊缝不是同时完成的，各部分有先焊后焊之分，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分又限制后冷却部分的横向收缩，这种限制与反限制就构成了横向应力。

不同焊接顺序产生的横向应力如图13。

图13 不同焊接顺序产生的横向应力分布

上述两种原因产生的横向应力是同时存在的，最终的横向应力是它们两者的合成。

3.2.3应力分布状态

（1）纵向、横向应力分布状态见图14