第二章焊接应力及变形
焊接应力与变形及措施
焊接应力与变形：4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响：焊接变形{1.影响工件形状、尺寸精度2.影响组装质量3.增大制造成本———矫正变形费工、费时4.降低承载能力———变形产生了附加应力焊接应力{1.降低承载能力2.引起焊接裂纹，甚至脆断3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹4.引起变形4.2.2 焊接变形和应力的产生原因：根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8焊接应力{焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示）远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示）焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力焊接变形：当焊接应力超过金属σｓ时，焊件将产生变形焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。
4.2.3 焊接变形的控制和矫正：4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型1、2---纵向收缩量 3---横向收缩量 4、5---角变形量 f---挠度（1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。
如图5-2-9 a（2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。
如图5-2-9b（3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。
通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。
如图5-2-9c（4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。
如图5-2-9d（5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。
如图5-2-9e4.2.3.2 控制焊接变形的措施（1）设计措施（详见焊接结构设计）尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。
如图6-2-10图6-2-10 焊缝位置安排（2）工艺措施①反变形法：即焊前使构件产生与焊接残余变形方向相反的变形，使焊后变形相互抵消。
焊接应力与变形
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。
• （6）预热法 • 焊件在焊前加热能减小焊件的温度差，并降低焊后的冷却速度， 从而减小焊接应力。焊件焊前预热可根据焊件的大小和施工条件， 采取局部预热或整体预热。预热温度的大小主要根据焊件的材料 性质，厚度以及周围环境的温度等综合来考虑。 • （7）回火法 • 焊件焊好后，将焊件整体放入加热炉中，并以≤25～60℃的升温 速度进行加热。低碳钢焊件加热在600～650℃左右，并保温一定 时间，然后与炉子一起冷至50～60℃，焊件才出炉。当焊件尺寸 大而不能进行整体回火时，可局部回火，此时，回火后应缓慢地 冷却。此法是用氧—乙炔火焰喷嘴加热在焊缝两侧，构件表面加 热至200℃左右。在火焰嘴后面一定距离，喷水冷却，造成加热 区与焊缝区之间一定温度差，使焊缝区金属被拉长，而达到部分 消除焊缝拉伸内应力的目的。
• （六）扭曲变形 • 装配质量不好，工件搁置不当以及焊接程序和 焊接方向不合理，都可能引起扭曲变形。产生这 种变形的根本原因就是焊后焊缝的纵向和横向缩 短引起各种形式的变形和焊接残余应力。
• 在焊接结构中，焊接残余应力与变形之间的关系 是一个矛盾的两个方面。如果在焊接过程中焊件 能够自由地收缩，则焊后焊件的变形较大而焊接 应力较小，如果焊接过程中焊件受外界约束或自 身刚性较大而不能自由收缩，则焊后焊件变形小， 但其内部存在较大的焊接残余应力。我们在实际 生产中要善于掌握和应用结构焊接残余应力和变 形的基本理论，在实际生产中采取有效的工艺措 施，以利于控制船体结构的焊接变形和焊接残余 应力状态，从而提高船舶的建造质量。
浅谈焊接应力与变形
浅谈焊接应⼒与变形浅谈焊接应⼒与变形在焊接⼯程中，由于焊接过程中多⽅⾯的原因，产⽣了焊接应⼒与焊接变形，⼀直是⽐较常见的现象，给⼯程质量和⼯程成本带来了不利的因素。
如何防⽌和减少焊接应⼒，将焊接变形控制在最⼩范围内，是每个焊接⼯程技术⼈员和⾼级焊⼯应该考虑的⼀个现实问题。
⼀、焊接应⼒产⽣的原因我们说存在于焊接结构中的应⼒，是在焊接过程中，焊体中产⽣的随时间（实际上是随温度）⽽变化的变形和应⼒分别称为焊接瞬时变形和焊接瞬时应⼒，焊后（冷却到⾃然温度）焊件中残留的变形和应⼒分别称为焊接残余变形和焊接残余应⼒。
这些应⼒和由于应⼒产⽣的焊体变形对焊件的质量是有很⼤影响的，它直接影响了焊接结构的制造外观尺⼨和内在质量，也影响到焊接结构的使⽤性能，并且减少使⽤寿命。
焊接应⼒和焊接变形产⽣的原因是多⽅⾯因素造成的。
如果概括为⼀句话就是在焊接过程中不均匀的加热和冷却作⽤在各种材料和结构上，表现出的受⼒状态和形状的效应。
⼆、焊接应⼒的种类存在于焊接结构中的应⼒，按其产⽣的原因和性质可简单分为五类。
1、热应⼒焊接过程中不均匀加热和不均匀冷却⽽产⽣的热应⼒，它是焊接中最常见的焊接应⼒。
2、拘束应⼒焊接过程中主要是结构本⾝或外加拘束作⽤⽽产⽣的应⼒。
3、相变应⼒焊接过程中在焊缝接头及热影响区产⽣不均匀的⾦属组织转变⽽引起的应⼒。
这种应⼒产⽣于碳当量较多或焊接⼯艺不当时。
4、氢应⼒焊接后，在焊接接头区域由于扩散氢聚集在显微缺陷处⽽引起的局部应⼒。
例如，空⽓湿度较⼤或焊条烘烤温度不够等原因⽽引起含氢量⼤量产⽣时。
5、焊接残余应⼒焊接以后存在于结构内的应⼒，尤其在焊接压⼒容器、球形储罐等⼯程中，焊接后会产⽣⼤量的焊接残余应⼒。
各种焊接应⼒的⼤⼩和分布都与焊接材料、钢材的性质、焊接⼯艺⽅法、热输⼊、焊接⼯艺参数、焊接装配顺序及焊⼯的操作⽅法有密切的关系，同时结构本⾝的形状及外加拘束度、焊接环境等条件也是有关的。
焊接应⼒往往综合叠加出现。
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
19
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
35
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2
5.合理的焊接次序
在相同的焊接规范条件下，塑性变形区宽度将按直 通焊法、退焊法、跳焊法顺序减小。由焊缝长度中 心向二端施焊的逐步退焊法，因为塑性变形区宽度 较小，产生的焊接变形将大大小于直通焊所引起的 变形。船体分段施焊过程中，广泛采用这种程序。
5.合理的焊接次序
甲板分段焊接程序通常先焊接边接缝，再 焊接端接缝。
焊缝横向收缩引起的垂直焊缝长度方向上 的缩短就是横向收缩变形。它与线能量、板 厚、坡口形式、焊缝截面积等因素有关。 横向收缩量可用下式进行估算：
B 5 103 E /
式中，△B——横向收缩量(mm) E——线能量(kJ/mm) δ——板厚(mm)
横向收缩变形与线能量和板厚的关系
横向变形的大小与焊接线能量和板厚有关， 随线能量增加，横向收缩增大，随板厚增加， 横向收缩减小。
余应力如图(c)所示，焊缝中间为压应力，焊缝两端为
拉应力。
焊接残余应力
这是由于一条焊缝不是在同一时内完成，而总是要一段一 段地逐步焊完，焊缝全长上的加热时间不一致，同一时间内各 段受热温度不均匀，膨胀与收缩也不一致，因此这段与那段之 间就形成了对自由变形的互相限制。先焊部分受到后焊焊缝横 向收缩的作用，而它又限制了后焊焊缝的横向收缩，因此后焊 焊缝末端受到拉应力作用，先焊部位受到压应力作用。总的横 向应力是由上述两部分应力合成的结果。
焊接残余应力
对接接头纵向残余应力在 板边堆焊时的纵向 焊缝横截面上的分布情况 残余应力与变形
不同长度焊缝纵截面上纵 向残余应力σχ 的分布
焊接残余应力
（二）横向焊接残余应力 根据实际生产中知，构件焊后不仅会产生纵向焊接残 余应力和变形，同时还会产生横向残余应力和变形。 在与焊缝轴线垂直的方向上，焊缝和热影响区金属在 加热过程中也要受到压应力，并发生塑性变形，而冷 却后则存在焊接残余应力和变形，这叫做焊接横向残 余应力和变形。 当两块钢板在对接焊时，沿焊缝中心线向两焊缝边缘 焊缝区将产生纵向压缩，这种收缩的结果将使钢板产 生变形。但是，焊接接头是由焊缝连接成一个不可分 离的整体，结果在焊缝中部产生横向拉应力，而焊缝 两端出现横向压应力。
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。
焊接应力及焊接变形预防措施
钢结构工程焊接应力与变形差生的危害及采取的措施随着“绿色建筑”理念的推广，以钢结构件为主体框架结构结合复合砌筑体结构已成为一种必然趋势，因为以钢结构为主的框架结构的回收利用性有效避免钢筋混凝土结构建筑垃圾的产生，具有可持续性。
由于钢结构工程的特有型，焊接作业时钢结构工程最重要的工序之一，而焊接应力及焊接变形产生是影响钢结构安全性及可靠性的重要因素。
本文着重对焊接应力及焊接变形的危害及所采取的对应措施进行分析。
一、焊接应力与变形产生机理焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化，而熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形。
在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围材料的制约，不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载，与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生了相应的收缩拉应力和变形。
这种随焊接热过程而变化的内应力场和构件变形，称为瞬态应力与变形。
而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形称为焊接残余应力与焊接残余变形。
焊接残余应力和变形，严重影响焊接构件的承载力和构件的加工精度，应从设计、焊接工艺、焊接方法、装配工艺着手降低焊接残余应力和减小焊接残余变形。
二、焊接残余应力的危害及降低焊接应力的措施1.焊接残余应力的危害影响构件承受静载能力；影响结构脆性断裂；影响结构的疲劳强度；影响结构的刚度和稳定性；易产生应力腐蚀开裂；影响构件精度和尺寸的稳定性。
2 .降低焊接应力的措施(1)设计措施尽量减少焊缝的数量和尺寸，在减小变形量的同时降低焊接应力；防止焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加；要求较高的容器接管口，宜将插入式改为翻边式。
(2)工艺措施采用较小的焊接线能量，减小焊缝热塑变的范围，从而降低焊接应力；合理安排装配焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力；层间进行锤击，使焊缝得到延展，从而降低焊接应力；焊接高强钢时，选用塑性较好的焊条；预热拉伸补偿焊缝收缩(机械拉伸或加热拉伸)；采用整体预热；降低焊缝中的含氢量及焊后进行消氢处理，减小氢致集中应力。
哈工大《焊接结构学》方洪渊 第二章 课件
6.激光全息散斑干涉法
激光全息散斑干涉法：一次全息图
激光全息散斑干涉法： 反映应变场的干涉云纹图
激光全息散斑干涉法： 测试结果
4）超声波测量法 测量原理：
应力水平不同导致超声波传播速度的差异 适用范围：测量大尺寸构件内部的三维平均应力
目前尚处于实验室研究阶段，精度低
三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力
• 研究的前提条件：平面假设原理 • ㈠长板条中心加热
截取板条的单位长度研究
温度低，无塑性变形,应力平衡：
B/2
Y ..dx B / 2
B/2
E [ e f (x)]dx 0 B / 2
温度高，产生塑性变形，残余应力：B NhomakorabeaB
2
2
Y dx E (‘e p )dx
㈢焊接应力应 变的演变过程
㈣焊接热应变循环
近缝区的两种情况a)无相变；b)有相变
（焊缝）金属在高温时的延性和断裂
①脆性温度区 ②热裂纹产生
条件 ③热应变脆化
㈤焊接瞬态应力变形研究的新发展
有限元法和计算机技术的应用取代简单计算
§2－2 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
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
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。
焊接应力与变形
焊接应力与变形焊接应力和变形主要与焊接热循环及拘束度有关，其分布大小取决于：线膨胀系数、弹性模量、屈服点、形状、尺寸和温度场。
温度场又与导热系数、比热、密度及工艺参数和条件相关。
一、T 型梁焊接变形及控制1、焊接变形产生的原因在构件焊接过程中，焊缝中心及周围母材被加热到各种不同的温度，远离电弧区，温度越低，形成极大温度梯度的温度场（电弧区的温度达1500℃以上，热影响区为450℃左右）。
在加热过程中产生了压缩塑性应变，随后冷却到原来温度过程中，构件中便产生了残余应力，并且构件的形状尺寸发生了变形。
2、T型梁焊接变形解决思路。
（1）合理的设计接头T型梁为主要承载部位，为了保证接头的强度，接头设计为全熔透坡口。
为了尽量减少填充金属且保证T型接头的强度，同时要求焊后的变形尽量小布置腹板两侧焊道数量相同。
最终，此T接头采用K型坡口，接头设计要求如图1示。
（2）合理的焊接工艺严格控制热输入，焊前将接头烘干，并将焊件加热至要求最低温度66℃，且将焊接过程中最大层间温度控制为200℃。
由于板厚较大，填充量大，所以采用埋弧焊（横焊）。
焊接时，按接头长度分为四段，分段进行焊接。
并且在施焊过程中，图1 接头设计（K型坡口）从接头腹板的两侧同时焊接，可以防止或减少因先单面焊接而引起的变形。
（3）采用刚性固定从翼缘板一侧施焊，若没有刚性约束，焊后翼缘板将产生如图2所示的变形。
因此在焊前将T型梁的翼缘板焊接于基准胎架的临时定位板之上，并在翼缘板的同侧焊上临时防变形板，可防止或减少焊后翘起变形，如图3所示。
焊接前焊接后侧视图俯视图图2 焊接变形图3 刚性固定当T型接头焊接完后根据标准要求，对腹板的弧度进行测量、矫正。
构件在焊接完毕后产生变形是必然的，矫正可以火焰矫正，也可以机械矫正。
火焰矫正对焊后构件变形的矫正能够起到明显的效果。
3、与理论的联系焊前可根据变形趋势和大小，对构件进行合理的接头设计和工艺设计来控制变形，采用合适的焊接参数、焊接方向、焊接顺序能够改善变形程度，刚性固定可以抵消部分焊接应力。
焊接结构变形应力变形
角变形的影响因素 1）温度场分布：板厚的温差，高温区大小 2）焊接热输入 3）板厚 4）焊接方法 B/H
5）坡口、焊接层数 焊接顺序
对接接头的角变形
对接接头的角变形
对接接头的角变形
对接接头的角变形
角焊缝接头的角变形
角焊缝接头的角变形
角变形的分布
2.2 焊接残余变形
5波浪变形
波浪变形的产生原因
薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临界 数值时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力， 这种现象称为失稳。
波浪变形
角变形引起的波浪变形
2.2 焊接残余变形
6错边变形
2.2 焊接残余变形
6错边变形
2.2 焊接残余变形
6错边变形
2.2 焊接残余变形 7扭曲变形
2.2 焊接残余变形 7扭曲变形
纵向收缩变形的估算
单道焊K2=1，多（n）道焊
σs MPa
纵向收缩变形的估算
2.2 焊接残余变形
2 横向收缩变形
横向收缩变形Biblioteka 产生原因热源附近的金属膨胀变形受到板厚深 处及前后温度较低金属的约束，在焊 缝的横向产生压缩塑性变形。
横向收缩变形的影响因素
（1）焊接热输入 （2）焊缝截面积 （3）板厚 （4）坡口形式 （5）焊接层数
横向收缩变形的影响因素
（1）焊接热输入 （2）焊缝截面积 （3）板厚 （4）坡口形式 （5）焊接层数
横向收缩变形沿焊缝长度的分布
平板表面火焰加热产生变形的动态过程
表面堆焊横向收缩变形的估算
用200X200mm 厚度为6，10，15，20mm 低碳钢进行表面堆焊试验
T形接头横向收缩变形的估算
试验测定
2.2 焊接残余变形 3 弯曲变形
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第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
(1) 合理安排焊缝位置
第二章 焊接应力与变形
2．工艺措施 （1）反变形法； （2） 预留收缩变形余量； （3） 刚性固定法； （4） 合理选择焊接方法和规范； （5）选择合理的装焊顺序和焊接
方向。
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
1 2
（（
温 度 应 力
第二章 焊接应力与变形
§2.1 内应力及变形的一些基本概念
不均匀变形引起的残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形 一、基本概念 1.自由变形率 2.外观变形率 3.内部变形率
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
件两 端 刚 性 拘 束 杆
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
收膨 缩胀 自拘 由束 杆， 件
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
有 自 由 伸 长 间 隙 的 杆 件
§2.5 焊接残余变形
④ 角变形
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
④ 角变形
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
④ 角 变 形
第二章 焊接应力与变形
八、控制焊接残余变形的措施 1．设计措施 (1) 合理安排焊缝位置。 (2) 合理选择焊缝尺寸和坡口形式。 (3) 尽量减小不必要的焊缝。
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
1．采用合理的焊接顺序
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
4．机械拉伸法降低残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形 残余变形可分为：①纵向收 缩变形； ②横向收缩变形； ③弯曲变形； ④角变形； ⑤回转变形； ⑥波浪变形； ⑦错边变形；⑧螺旋型变形。
学参量的变化。 (4) 焊接热源移动，焊件各截面上温度分
布是时间的函数。
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
2．焊接应力和变形的简化方法 (1) 除屈服极限外，金属的物理性能和力
学性能都是常数，与温度无关。 (2) 小于500℃，σs不变；500~600℃，
σs直线下降到零；600℃以上，低碳 钢失去抗力，处于完全塑性状态。 (3) 不考虑相变产生的应力。 (4) 服从平面假设原则。
（
） 残钢 余的 应相 力变 的对 影纵 响向
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
2．横向残余应力分布及影响因素
横 向 残 余 应 力 的 产 生
理横 向 残 余 应 力 的 产 生 机
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
(2) 影响横向残余应力的因素 焊缝长度对横向残余应力的影响
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
二、杆件在热循环中应力与变形的 演变过程
1.两端刚性拘束杆件 2.膨胀拘束，收缩自由杆件 3.有自由伸长间隙的杆件 4.弹性拘束状态下杆件的应力和变
形演变过程
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
两 端 刚 性 拘 束 杆 件
件两 端 刚 性 拘 束 杆
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形第二章 焊接应力变形第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
(2) 影响横向残余应力的因素 焊接方向和顺序的影响
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
3．厚板中的残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
4．封闭焊缝产生的内应力
． 内封 应闭 力焊
缝 产 生 的
4
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
）） 刚反 性变 固形 定法 法
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
接（
4
）
方合
法理
和 规
选 择
范焊
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
（ ） 顺选 序择 和合 焊理 接的 方装 向焊 。
5
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
（ ） 顺选 序择 和合 焊理 接的 方装 向焊 。
§2.4
力 焊 接 残 余 应
§2.4 焊接残余应力
焊 缝 长 度 的 影 响
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
3
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
①纵向收缩变形； ②横向收缩变形
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
③弯曲变形
第二章 焊接应力与变形
§2.5 焊接残余变形
③ 弯 曲 变 形
第二章 焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
§2.1 内应力及变形的一些基本概念 一、内应力的概念 二、应力分类 1．按内应力涉及范围分 第一类内应力，又称宏观内应力 第二类内应力，又称微观内应力 第三类内应力，又称超微观内应力 2．按内应力产生原因分
温度应力、残余应力
第二章 焊接应力与变形
§2.1 内应力及变形的一些基本概念
第二章 焊接应力与变形
本章思考题 • 简述焊后消除残余应力的方法？ • 讨论机械拉伸法降低焊接残余应力的原理？ • 控制焊接残余变形的措施有哪些？ • 焊接薄板易产生波浪变形的原因？ • 试述弯曲变形产生的原因？ • 对比分析不同装焊顺序对工字梁弯曲变形
的影响?
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
有 自 由 伸 长 间 隙 的 杆 件
程的弹 应性 力拘 和束 变状 形态 演下 变杆 过件
第二章 焊接应力与变形
§2.2 均匀受热杆件的应力和变形
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形 一.板条中心加热 二.长板条边缘加热 三.焊接过程产生的应力和变形
1．焊接应力及变形的复杂性 2．焊接应力和变形的简化方法
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
一 板 条 中 心 加 热
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
一 板 条 中 心 加 热
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
二. 长板条边缘加热
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
二. 长板条边缘加热
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
1．焊接应力及变形的复杂性 (1) 温度场极不均匀，温度梯度大。 (2) 金属的力学性能和热物理参数随温度
不同而发生变化。 (3 )焊接过程中发生相变，引起物理和力
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
程焊 接 应 力 及 变 形 的 演 变 过
焊 接 应 力 及 变 形 的 演 变 过 程
第二章 焊接应力与变形
§2.3 板条不均匀加热的应力和变形
焊 接 热 应 变 循 环
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力 一、焊接残余应力分布 1、纵向焊接残余应力分布及影响因素 （1）焊缝长度的影响 （2）材质的影响 （3）钢的相变对纵向残余应力的影响
5
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
． 焊 接 梁 、 拄 的 残 余 应 力
第二章 焊接应力与变形
二、焊接残余应力对性能的影响 1．残余应力对静载强度的影响 2．残余应力对机加工精度和构件尺寸
稳定性的影响 3．残余应力对受压杆件稳定性的影响 4．焊接残余应力对刚度的影响 5．残余应力对应力腐蚀开裂的影响
5
第二章 焊接应力与变形
本章思考题 • 焊接应力及变形的复杂性？ • 分析横向残余应力产生机理？ • 试述纵向焊接残余应力分布及影响因素？ • 试分析钢的相变对焊接残余应力分布有何
影响？ • 试分析残余应力对受压杆件稳定性影响？ • 焊接残余应力对结构静载强度有和影响？ • 如何减少焊接残余应力？
1
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
． 残 余 应 力 对 静 载 强 度 的 响
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
3．残余应力对受压杆件稳定性的影响
4.
第二章 焊接应力与变形
§2.4 焊接残余应力
焊 接 残 余 应 力 对 刚 度 的 影 响
第二章 焊接应力与变形
三、减小残余应力的措施 1．采用合理的焊接顺序 2．减小接头刚度 3．采用加热减应区法 4．机械拉伸法降低残余应力 5．焊后热处理 6．振动法