焊接残余应力
消除焊接残余应力的方法
消除焊接残余应力的方法一、背景介绍焊接是一种常见的金属连接方法，但是在焊接过程中会产生残余应力，这些应力可能会导致零件变形、裂纹和失效。
因此，消除焊接残余应力是非常重要的。
二、焊接残余应力的来源焊接残余应力主要来自两个方面：热应力和冷却应力。
1. 热应力在焊接过程中，由于高温作用下金属材料发生膨胀和收缩，导致产生热应力。
这种热应力会导致零件变形和内部裂纹。
2. 冷却应力当热源移开后，焊缝区域开始冷却，并且不同区域的冷却速度不同，导致产生冷却应力。
这种冷却应力会导致零件变形、裂纹和失效。
三、消除焊接残余应力的方法为了消除焊接残余应力，可以采用以下几种方法：1. 预热法预热法是指在进行实际的焊接之前，在工件上施加一定的加热处理。
这样做可以使材料温度均匀分布，减少热应力的产生。
2. 后热处理法后热处理法是指在焊接完毕后，对工件进行一定的加热或冷却处理。
这样做可以消除残余应力，并且提高材料的强度和韧性。
3. 机械加工法机械加工法是指在焊接完成后，对工件进行一定的机械加工。
这样做可以消除残余应力，并且提高材料的表面光洁度和精度。
4. 振动法振动法是指在焊接完成后，对工件进行一定的振动处理。
这样做可以消除残余应力，并且提高材料的强度和韧性。
5. 放电等离子体法放电等离子体法是指在焊接完成后，利用放电等离子体产生高温和高压作用于焊缝区域。
这样做可以消除残余应力，并且提高材料的表面硬度和耐腐蚀性。
四、总结以上就是消除焊接残余应力的几种方法，不同方法适用于不同情况。
在实际操作中需要根据具体情况选择合适的方法来消除焊接残余应力，以确保焊接工件的质量和可靠性。
残余应力
（二）内应力对疲劳强度的影响（见第五章） （三）内应力对机械加工精度的影响 机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在 着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应 力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡使工件产生 变形。加工精度也就受到了影响。 例1：如在焊接丁字形零件上(见图2—121a）加工一个平面，会 引起工件的挠曲变形。但这种变形由于工件在加工过程中受到夹 持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才 能充分地表现出来。这样，它就破坏了己加工平面的精度。 例2：焊接齿轮箱的轴孔(见图2—121b)，加工第二个轴孔所引起 的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。 保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然后再进行机 械加工。
2、圆筒上环形焊缝引起的纵向应力σx分布：与平板不同。 (对圆筒来讲就是切向应力) （1）当圆筒直径与厚度之比较大时, σx的分布和平扳上的情况 相似，见图2—100。 对低碳钢来说σx达到σs （2）当圆筒直径与厚度之比较小时，就有所降低。 原因:由于圆筒环焊缝的半径在焊后缩小，焊缝在长度上的收缩 比平板上的焊缝具有更大的自由度。因此纵向应力比平板小。 应力值的大小取决于圆筒的半径R、壁厚以及塑性变形区的宽度 bp。后者与焊接线能量和材质有关。 当壁厚不变，R↓-- σx ↓； bp ↓ -- σx ↑（？）
③直通焊的尾部是拉应力，中段是压应力，起焊段由于必须满足平衡条件的 原因仍为拉应力，应力分布情况与图2—l04a相似 ④用分段退焊和分段跳焊法。σy/ /的分布将出现多次交替的拉应力和压应力 区。值得注意的是分段跳焊法的σy/ /峰值较其他焊接顺序高。
焊接结构-焊接残余应力
焊接结构工程
焊接结构工程
在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的 σS，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面 （0-0截面）处σX=0。靠近自由端面的Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ 截面σX＜σS，随着截面离开自由端距离的增加σX逐 渐趋近于σS，通常把板条中部σX基本保持不变的区 域称为稳定区，把板件两端称为残余应力过渡区。
焊接结构工程
σr- 径向残余应力 σθ- 切向残余应力
焊接结构工程
（六）、相变应力
定义：相变过程中，由于比容变化引起的体积 变化受到未相变金属的限制而产生的应力
产生条件： 相变应力取决于相变温度与塑性温度Tp的关系 （1）T相>Tp，比容变化引起的体积变化不受阻 碍，相变不会导致残余应力； （2）T相<Tp，比容变化引起的体积变化部分受 阻，相变会导致残余应力。
焊接结构工程
（四）、拘束状态下焊接的应力
自由状态焊接：焊接时，除焊缝金属 自身的约束和限制外，没有任何外部拘束 的状态。
焊缝在拘束状态下的残余应力与自由 状态不同，拘束状态下的焊缝变形除了与 自由状态一样要受到焊缝金属自身的限制 外，还会受到结构本身产生的外部拘束阻 碍，使得焊缝残余应力发生了一些变化。
若焊缝金属与近缝区金属相同，则冷却 时，两区都发生相变并承受压应力作用，此 时的相变应力如图d，最终的内应力是σmx和 σx的迭加。
焊接结构工程
2、横向相变应力 假设沿相变区（近缝区bm）的中心线将
焊件剖开，相变区的体积膨胀导致截下的两 块平板向内侧弯，为保持平直，必须在两端 施加拉应力，中部施加压应力，该应力是由 相变体积变化在平板横向引起的，因此称为 横向相变应力σmy 。
焊接结构工程
图2-24 纵向收缩引起横向残余应力
焊接接头的残余应力分析与消除技术
焊接接头的残余应力分析与消除技术焊接是一种常见的金属连接方式，广泛应用于工业生产和建筑领域。
然而，焊接过程中产生的残余应力可能会导致接头的变形、开裂和失效等问题。
因此，对焊接接头的残余应力进行分析和消除具有重要意义。
一、残余应力的形成原因焊接接头的残余应力主要来自于以下几个方面：1. 热应力：焊接过程中，焊缝周围的金属受到高温热源的加热，然后迅速冷却。
由于不同部位的金属冷却速度不同，会导致金属产生热应力。
2. 冷却收缩应力：焊接完成后，焊缝周围的金属在冷却过程中会发生收缩，由于焊缝两侧的金属受到约束，会产生冷却收缩应力。
3. 相变应力：某些金属在焊接过程中会发生相变，如奥氏体转变为马氏体，这种相变会引起金属的体积变化，从而产生相变应力。
二、残余应力的分析方法为了准确分析焊接接头的残余应力，可以采用以下几种方法：1. 数值模拟方法：利用有限元分析软件，对焊接接头进行模拟计算。
通过输入焊接过程中的热源参数、材料性能等数据，可以得到焊接接头在不同位置和方向上的残余应力分布情况。
2. 应力测量方法：利用应变计、应力计等仪器对焊接接头进行实时测量。
通过测量焊接接头的应变或应力，可以得到残余应力的大小和分布情况。
3. X射线衍射方法：通过对焊接接头进行X射线衍射分析，可以得到焊接接头中晶体的应变情况。
从而可以推导出残余应力的大小和分布情况。
三、残余应力的消除技术为了消除焊接接头的残余应力，可以采用以下几种技术：1. 预热与后热处理：通过在焊接前后对接头进行适当的预热和后热处理，可以改变接头的冷却速度，从而减小残余应力的大小。
2. 机械加工：通过对焊接接头进行机械加工，如磨削、切割等，可以改变接头的形状和尺寸，从而减小残余应力的大小。
3. 热处理：通过对焊接接头进行适当的热处理，如回火、退火等，可以改变接头的组织结构和性能，从而减小残余应力的大小。
4. 残余应力退火：通过对焊接接头进行退火处理，可以使接头中的残余应力得到释放，从而减小接头的变形和开裂风险。
焊接结构-焊接残余应力
应力：σZ）
焊接结构工程 （一）、纵向应力 1、σX的分布
在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，
其任意横截面上的应力性质均相同，即： 焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应 力，且数值一般达到材料的屈服极限σS，而稍 离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残
曲线3，则焊件不会产生裂纹。
焊接结构工程
3、圆筒上环焊缝引起的纵向应力 圆筒上环焊缝引起的纵向应力对于圆筒体就是 切向应力。 a. σx的分布规律： 在焊缝及其附近的区域内为拉伸应力，远离焊 缝则为压缩应力。 b. σx的特点 • 圆筒体环焊缝引起的σx比平板直缝小
圆筒体环焊缝在焊后要整体向内收缩，使半径
当焊缝位于平板中心，B较小时，σx分布在
整个宽度上，并随B↑，拉、压应力区交替出现， 应力区面积增大；若B很大，则σx只在焊缝附近
一定区域内分布。
当焊缝并非位于平板中心，σx在较宽一处 附近分布。
焊接结构工程 c.材质的影响 结构材质不同，其焊缝上σx的分布也不同，
随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应
余压应力。显然，沿整条焊缝分布的σX 都为
拉应力，但拉应力的分布并不完全相同。
焊接结构工程
焊接结构工程
在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的
σS，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面 （0-0截面）处σX=0。靠近自由端面的Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ
截面σX＜σS，随着截面离开自由端距离的增加σX逐
焊接结构工程
第三节
焊接残余应力
通常意义的焊接应力实际包括两类：
焊接瞬时应力： 焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。
消除焊接残余应力的方法
消除焊接残余应力的方法焊接是一种常见的连接方法，但往往会在焊接过程中产生焊接残余应力。
这些残余应力可以导致焊接材料的变形和裂纹，影响焊接结构的稳定性和强度。
因此，消除焊接残余应力对于确保焊接结构的质量和可靠性至关重要。
下面将介绍几种常见的消除焊接残余应力的方法：1. 预热和后焊热处理：预热是在焊接之前加热焊接材料的方法，可以提高焊接材料的可塑性，降低焊接残余应力的产生。
后焊热处理是在焊接完成后对焊接区域进行加热处理，通过退火、正火或淬火等方法，使焊接结构的组织和性能得到调整和改善，从而减少焊接残余应力。
2. 堆焊：堆焊是在焊接接头上堆积焊条或焊丝，增加焊接材料的体积并形成一定的凸起。
通过堆焊，可以使焊接区域的残余应力分布更均匀，降低焊接接头的变形和残余应力。
3. 振动消除法：振动消除法是利用机械振动的力量来消除焊接残余应力。
通过在焊接过程中施加外力或机械振动，可以改变焊接材料的晶格结构和分子排列方式，使焊接结构中的残余应力得到释放，从而达到消除焊接残余应力的目的。
4. 加工消除法：加工消除法是通过机械或热加工来消除焊接残余应力。
例如，采用热冲压、磨削、切削等方法对焊接结构进行加工，可以改变其形状和尺寸，从而减小残余应力。
5. 冷却消除法：冷却消除法是利用焊接材料的热膨胀系数差异来消除焊接残余应力。
通过在焊接过程中控制焊接材料的冷却速度，可以使焊接结构在冷却过程中产生相应的热应力，从而消除焊接残余应力。
6. 松弛应力消除法：松弛应力消除法是通过施加外力来消除焊接残余应力。
通过对焊接结构施加拉伸、压缩、扭曲等外力，可以使焊接结构的应力场重新分布，降低焊接残余应力。
在实际应用中，常常会按照实际需要，结合不同的方法来消除焊接残余应力。
同时，选择合适的焊接方法、焊接参数和焊接材料也是消除焊接残余应力的重要因素，对于提高焊接质量和可靠性具有重要的影响。
总之，消除焊接残余应力是确保焊接结构质量和可靠性的重要措施之一。
3.5 焊接残余应力和焊接残余变形-精品文档
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二、.焊接残余应力对结构性能的影响
1.对结构构件静力强度的影响
2.对结构构件刚度的影响 3.对压杆稳定的影响 4.对低温冷脆的影响 5.对疲劳强度的影响
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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三、焊接残余变形的产生和防止 采用合理的焊接顺序和方向
施焊前使构件有一个与焊接残余变形相反的预变形
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
2Hale Waihona Puke 2.横向焊接残余应力横向残余应力的分布规律比纵向的更复杂，例如横向收缩引 起的横向残余应力与施焊方向和先后顺序有关，由于焊缝冷 却时间不同而产生不同的应力分布，另外焊缝的长短也会影 响温度场的变化。总之，横向残余应力的分布情况应针对具 体问题具体分析，才能得出准确合理的结论。
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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3.沿厚度方向的焊接残余应力
如果焊件在施焊时受到外界约束，焊接变形因受到约束的 限制会减小，但对残余应力会产生更为复杂的影响，有可 能产生更大的残余应力。因此，不能为了减小焊接变形而 在施焊时随意添加约束。
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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3.5 焊接残余应力和焊接残余变形
一、焊接残余应力的分类及产生的原因 焊接残余应力有纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和厚度 方向的残余应力，这些应力都是由焊接加热和冷却过程中不均 匀收缩变形引起的。 1.纵向焊接残余应力 纵向焊接残余应力的分布规律 是焊缝及其附近区域在高温时 发生塑性压缩变形，因而冷却 后产生残余拉应力；离焊缝较 远区域中则出现与之相平衡的 残余压应力。
焊接残余应力的定义
焊接残余应力的定义
焊接残余应力是指在焊接过程中产生的一种内部应力，残余应力会存在于焊接
接头及其周围的材料中。
焊接残余应力是由于焊接过程中的热膨胀和收缩所引起的。
焊接时，焊条或电弧熔化基材形成熔池，熔池中的金属液体在冷却过程中会发
生收缩。
然而，在焊接过程中，熔池周围的材料会受到高温的影响，而且冷却速度相对较快。
由于熔池收缩和材料冷却不均匀，就会导致焊接接头周围产生残余应力。
焊接残余应力具有一定的特征，包括大小、方向和分布。
残余应力的大小取决
于焊接过程中的热输入和热输出之间的平衡。
焊接过程中产生的高温引起的材料膨胀，而冷却过程中又收缩，这使得接头周围的材料发生变形，并产生应力。
方向上，焊接残余应力可能是拉应力、压应力或剪应力。
分布上，残余应力可能会在焊接接头附近产生最大值，并逐渐减小。
焊接残余应力对焊接接头性能和使用寿命的影响是不可忽视的。
高残余应力可
能导致焊接接头出现裂纹、变形和疲劳等问题。
因此，在焊接设计和焊接过程中，需要采取一些措施来减小焊接残余应力，如使用预热、后热、合适的焊接参数和材料等。
综上所述，焊接残余应力是指在焊接过程中产生的一种内部应力，其大小、方
向和分布都会对焊接接头的性能产生重要影响。
合理的焊接设计和控制焊接过程是减小焊接残余应力的关键。
焊接残余应力
（3）X射线法
X射线衍射法是目前最为成熟而且应用范围也最为广 泛的测量结构表面残余应力方法，其优点如下：
（1）理论成熟，测量精度高，测量结果准确、可靠。 （2）由于X射线对材料的透射深度十分小，测定的
表面层深度仅为10-35um，因此测定的是材料表面 的应力状态，不会改变材料的状态，属于无损测量。
1
13
4A
1 4B
(1 3 )2 (22 1 3)2
2
13
4A
1 4B
(1 3)2 (22 1 3)2
tan 2 22 1 3 3 1
通孔应变释放系数A、B可由Kirsch理论解得到下面的公式；盲 孔法应变释放系数则需由标定试验确定。
1 d2
A 2E 4r1r2
B
在加载方向的径向应力 分布左图所示。若在钻孔前 将一应变片粘贴在受有应力 的板上，距孔边0.5到1.5d （为孔径）处，钻孔时应变 片将感受出因应力降低产生 的应变（图2中阴影所示）， 这个应变显然和孔边的应力 释放有关。
钻孔引起的弹性径向释放应力
盲孔法测试残余应力应变片示意图
释放应力计算公式
2、变形 定义：物体在外力或温度等因素作用下，其形状与
尺寸发生变化的现象。
3、焊接残余应力的影响因素
热输入
材料因素
制造因素
结构因素
材料特性，热物理 常数，力学性能
工艺措施 预热，缓冷
热膨胀系数
温
弹性模量
度
场
屈服强度
相变
焊接应力
边界条件， 夹持状态
内 拘 束 度
外 拘 束 度 构件形状尺寸 厚度及刚度
一、残余应力的基本概念
1、定义 内应力：当产生应力的因素不存在时（如外力去除、
焊接残余应力课件
焊接残余应力焊接残余应力是影响焊接结构或焊接部件疲劳强度、弯曲强度、脆性断裂强度和抗腐蚀性等性能的重要因素。
同时，残余应力还会严重影响结构的机加工质量和尺寸的稳定性。
因此，在前面学习内应力和焊接应力产生原因的基础上，将介绍焊接后残存在焊接结构中的应力分布情况，以及降低和消除焊接应力的措施。
一、焊接残余应力的分布在焊件厚度不大（一般小于20mm）的常规焊接结构中，残余应力基本是纵、横双向的，如图2-5所示。
厚度方向的残余应力很小，只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的残余应力才有较高数值。
为了便于分析，通常将平行于焊缝轴线方向的应力称为纵向残余应力，用бx表示。
将垂直于焊缝轴线方向的残余应力称为横向残余应力，用бy表示。
厚度方向的应力残余应力，用бz表示。
下面分别加以讨论。
图2-5板材的空间坐标位置（一）非拘束状态下焊接残余应力的分布1．纵向残余应力бx的分布在低碳钢和普通低合金钢焊接结构中，焊缝及其附近的压缩塑性变形区内的纵向应力бx为拉应力，其数值一般达到材料的屈服点（焊件尺寸过小时除外），稍离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残余压应力。
如图2-6所示为中心有一条焊缝的低碳钢长板条在不同横截面上的纵向应力бx的分布情况。
从图中可以看出，焊缝及其附近为拉应力，并达到材料的屈服极限，而远离焊缝区为压应力。
在长条板中部（Ⅲ-Ⅲ截面所在的区域），纵向残余应力的大小基本保持不变，一般称该区域为稳定区。
在焊缝两端O-O截面，、因为边界条件与中部有所不同，拘束度和热循环特性也不尽相同，使纵向残余应力由恒定逐渐降至零而出现过渡区。
另外，纵向应力在过渡区分布不同于中段，且бx小于材料的屈服限бs。
图2-6焊缝横截面纵向应力的分布随着焊缝长度的缩短，稳定区降逐渐减小，直至消失。
如图2-7所示为不同焊缝长度的纵向应力бx的分布情况示意图。
由图可以发现，当焊板较短时，不存在稳定区，并且焊板越短，短焊缝中的纵向应力比长焊缝中的纵向应力要小。
焊接残余应力分析及消除方法
焊接残余应力分析及消除方法一、什么是焊接应力焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。
焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。
焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。
当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。
在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。
焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观。
二、焊接应力的危害焊接残余应力对焊件有 6个方面的影响：①对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。
在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。
焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数应力循环特征系数和循环应力的最大值有关其影响随应力集中系数的降低而减弱，随的降低而加剧，随的增加而减弱。
当接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。
②对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。
焊件的刚度会因此而降低。
③对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。
残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。
残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。
④对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。
焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。
⑤对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。
焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。
⑥对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。
焊接残余应力产生的原因
焊接残余应力产生的原因焊接残余应力是指焊接工艺过程中产生的残留应力。
焊接残余应力的产生原因主要有以下几个方面：1. 热应力：焊接过程中，焊缝和母材受到高温的加热，使其发生热膨胀。
而焊接完成后，焊缝和母材冷却收缩，由于收缩系数不同，会产生热应力。
这种应力主要分布在焊缝附近和热影响区域，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
2. 冷却应力：焊接过程中，焊缝和母材在高温下形成了熔池，当焊接完成后，熔池快速冷却，由于冷却速度不均匀，会导致焊缝和母材产生冷却收缩应力。
这种应力主要分布在焊缝附近和热影响区域，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
3. 弹性应力：焊接过程中，焊接材料受到局部变形，使焊缝和母材产生弹性应力。
这种应力主要是由于焊接过程中焊接材料的热胀冷缩引起的，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
4. 形状变化引起的应力：焊接过程中，焊接结构可能会发生形状变化，如变形、扭曲等。
这种形状变化会引起焊缝和母材的应力，对焊接结构的强度和稳定性产生影响。
焊接残余应力对焊接结构的影响主要体现在以下几个方面：1. 引起裂纹：焊接残余应力是焊接结构内部的应力，当应力超过了材料的承受能力时，会引起裂纹的产生。
裂纹的产生会降低焊接结构的强度和稳定性。
2. 引起变形：焊接残余应力会引起焊接结构的变形，如翘曲、扭曲等。
这些变形会影响焊接结构的几何形状和尺寸，使其失去设计要求的精度和稳定性。
3. 影响力学性能：焊接残余应力会改变焊接结构的力学性能，如强度、韧性等。
这些改变可能导致焊接结构在受力时发生变形或破坏，影响其使用寿命和安全性能。
为了减小焊接残余应力的影响，可以采取以下措施：1. 优化焊接工艺：合理选择焊接方法和参数，控制焊接过程中的温度和变形，减小焊接残余应力的产生。
可以采用预热、缓冷等措施，促使焊接结构的温度和变形均匀分布，减小应力集中。
2. 采用适当的焊接顺序：根据焊接结构的特点，采用合理的焊接顺序，避免焊接过程中应力的积累和集中。
名词解释焊接的残余应力
名词解释焊接的残余应力焊接的残余应力是指在焊接过程中，由于热量集中和冷却速度快导致的焊接件内部材料发生塑性变形后，产生的应力。
这种应力会存在于焊接接头的表面和内部，对焊接结构的强度和耐久性产生一定的影响。
焊接是一种常见的金属连接方法，通过加热和冷却使金属材料相互熔合，形成结构性的连接。
然而，在焊接过程中，由于焊接电弧和焊接区域的高温，焊接接头会发生瞬时的热膨胀。
而当焊接接头冷却时，由于冷却速度较快，金属迅速由高温状态转变为低温状态，导致焊接区域内部的塑性变形。
这种塑性变形会引起焊接接头内部的材料变形，产生残余应力。
焊接过程中的残余应力主要来源于两个方面：热应力和变形应力。
热应力是由于焊接过程中瞬时的热膨胀和冷却引起的，而变形应力则是由于塑性变形引起的。
焊接接头的残余应力对焊接结构的强度和耐久性有一定的影响。
首先，残余应力会导致焊接接头的变形，使接头出现翘曲、弯曲等形变。
这种形变会降低焊接接头的强度和刚度，甚至可能导致焊接接头的破裂。
其次，焊接接头内部的残余应力可能导致应力集中，使接头易于发生应力腐蚀开裂和断裂。
此外，焊接接头存在残余应力也会影响其耐腐蚀性和耐疲劳性能，加速接头的老化和失效。
为了解决焊接接头的残余应力问题，可以采取一些措施。
首先，可以通过合理的焊接工艺控制热输入和冷却速度，减轻残余应力的产生。
其次，可以通过退火处理来消除焊接接头内部的残余应力。
退火处理是将焊接接头加热到一定温度，然后缓慢冷却的过程，以促使焊接接头内部的应力得到释放和松弛。
此外，还可以使用其他方式，如预应力技术、辅助加热和机械挤压等来减轻焊接接头的残余应力。
总之，焊接的残余应力是由于焊接过程中产生的材料塑性变形引起的。
这种应力会对焊接结构的强度和耐久性产生一定的影响。
为了解决焊接接头的残余应力问题，可以采取一些措施来减轻残余应力的产生和消除已经存在的残余应力。
通过合理的焊接工艺和退火处理等方法，可以有效地解决焊接接头的残余应力问题，提高焊接结构的质量和可靠性。
焊接残余应力产生原因分析及消除方法
焊接残余应力产生原因分析及消除方法摘要：焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。
关键词：焊接残余应力；原因；消除方法1产生焊接残余应力的原因之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。
按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。
（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。
（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。
焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。
间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。
而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。
（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。
虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。
2焊接残余应力控制方法2.1焊接结构焊接是产生焊接残余应力的根本原因，减少焊缝数量和尺寸能有效减少焊接量，通过控制焊接量可有效减少应力。
在同等焊接强度下，焊缝尺寸较小的，其焊接残余应力较小。
应尽量避免多条焊缝在同一部位集中，焊缝距离过近时，焊缝间会产生耦合，形成复杂残余应力场，焊缝间距离一般应大于3倍板厚且不小于100mm。
应尽量采用刚度较小的焊接接头形式，其结构拘束度小，能够通过变形释放焊接应力，残余应力较小。
2.2焊接工艺结构组件拆分、焊前预热、焊接参数设置、焊接顺序等对焊接应力影响较大。
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。
焊接残余应力
三、焊接残余应力的分类
1.按应力的分布范围
1.宏观应力：在整个焊接 范围平衡的应力 2.微观应力：在晶粒范围 内相互平衡的应力 3.超微观应力：在晶格范 围平衡的应力
2.根据结构中的空间位置
1.单向应力：应力沿构件 的一个方向作用 x 2.双向应力：应力沿构件 的两个方向作用 x、y 3.三向应力：应力沿构件 的三个方向作用 x、y、z
四、焊接残余应力的测量方法
在现有的焊接残余应力测量方法中， 按照其对被测构件的损伤程度可分为 有损（机械法）和无损（物理法）这 两大类。
（1）钻孔法（小孔释放法）
• 小孔释放法测量焊接残余应力是由德国学者 J.Mathar于1934年提出的，现已得到广泛应用，具 有操作简单、测量方便、对构件损伤程度小等特点。 根据钻孔是否钻通，小孔释放法又可分为通孔法和 盲孔法。
将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变 片或加工机械引伸计的标距孔，然后测原始读数，再切 断，然后在读数。
（3）X射线法
X射线衍射法是目前最为成熟而且应用范围也最为广 泛的测量结构表面残余应力方法，其优点如下：
热源周围的 金属运动
• 焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化； • 而与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，已发生塑性变形的这部分材料(如长焊缝的
两侧)又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程 度上被拉伸形成拉应力； • 与此同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将 产生相应的拉应力。 • 这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变，与其相对应， 在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应力。 • 而焊后，在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊接残余 应力。
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二、焊接残余应力与变形的产生
1、焊接残余应力 定义：构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力， 焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。焊 接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的。
2、变形 定义：物体在外力或温度等因素作用下，其形状与 尺寸发生变化的现象。
3、焊接残余应力的影响因素
热输入
钻孔法原理
• 在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应 力将重新调整，测得小孔附近的弹性应变增量，就可以用弹 性力学原理推算出小孔处的残余应力。 • 对于厚度大的板或体型构件，可采用盲孔法测定残余应力， 其操作方法与通孔法一致，只是盲孔深度要稍大于盲孔直径， 求得的残余应力是盲孔深度上的平均值，当钻孔深度达到某 一尺寸时，继续增加钻孔深度就不在影响表面应力状态了。 国外Bathgate、Kelsey等人都用实验证明了当钻孔深度等于孔 径时，在表面上得到最大的释放值，此时释放系数与其后钻 孔深度就没有关系了。
应力计算公式
X射线法测试设备
MGR40P残余应力仪
DJP-Ⅱ型电解抛光机
五、焊接残余应力对焊接结构的影响
1、对结构静强度的影响：
塑性材料：材料有足够的塑性，能进行塑性变 形，使应力均匀化，无影响。 脆性材料：材料不能够发生塑性变形使应力均 匀化，因而应力峰值不断增加，一直达到材料 抗拉强度，材料发生局部破坏。
降低、消除焊接残余应力的方法
（1）焊后热处理法（PWHT） 常用的PWHT有两种方法：一种是整体热处理， 即将焊件整体放入炉中进行热处理，这种方法一般 可消除80%～90%的焊接残余应力；另一种方法是局 部热处理，即对焊缝周围局部区域进行加热，它只 能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。
（2）机械拉伸法
（5）振动法（超声振动、机械冲击）
即以振动产生的交变应力对工件施加附加应力，当附加应 力与焊接残余应力叠加后达到或超过金属材料的屈服点时， 在工件内部就会产生一定塑性变形，从而使焊接残余降低或 均匀化。这种方法设备简单、操作方便、经济性好，但振动 参数不易选择。
2.对构件加工尺寸精度的影响：
焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当 进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则 焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡， 焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证。
3.对受压杆件稳定性的影响： 当杆件长细比介于30~150时，会影响到杆件的稳定。
5
6
一、残余应力的基本概念
1、定义 内应力：当产生应力的因素不存在时（如外力去除、 温度已均匀、相变结束等），由于材料内部不均匀塑性 变形（包括由温度及相变等引起的不均匀体积变化）， 致使材料内部依然存在并且自身保持平衡的弹性应力称 为残余应力，或者内应力。简单说就是没有外力或外力 矩作用而在物体内部存在并自身保持平衡的应力。 2、内应力分类 1973年 Macherauch提出了新的内应力模型 ，将内 应力分为三类，即第一类内应力、第二类内应力和第三 类内应力。
衍射晶面方位角和应力方向平面
即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相 邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是 波长的整数倍。通过测量衍射角变化Δθ从而 得到晶格间距变化Δd，根据虎克定律和弹性 力学原理，计算出材料的残余应力。 假定被测材料为晶粒不粗大、无织构的多晶 体，在一束X射线照射范围内应该有足够多 的晶粒，而且所选定的（h k l）晶面的法线 在空间呈均匀连续分布。
3、什么是残余应力
国内科技文献习惯将于第一类内应力称为残余应力 一般英、美文献中把第一类内应力称为“宏观应力” （Macrostress）；把第二类和第三类内应力合称为“微 观应力”（Microstress） 残余应力可以认为是第一类内应力的工程名称。 至于通常所说的“热处理应力”，“焊接应力”，“铸 造应力”等则是实施这些工艺的过程中产生并最终残留的 残余应力（即第一类内应力）的简称。
a.先焊大后焊小
b.先焊短，后焊长
C.交叉焊缝
（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差
常用的方法有预热法和冷焊法两种。
（3）降低接头局部拘束度 （4）加热“减应区”法
焊接时，加热阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区 同时膨胀和同时收缩，就可以减小焊接应力，这种方法称 为加热“减应区”法，被加热的部位称为“减应区”。
材料因素
制造因素
结构因素
材料特性，热物理 常数，力学性能
工艺措施 预热，缓冷
边界条件， 夹持状态
外 拘 束 度 构件形状尺寸 厚度及刚度
热膨胀系数 温 度 场 弹性模量 屈服强度 相变 焊接应力 内 拘 束 度
热源周围的 金属运动
• 焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化； • 而与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，已发生塑性变形的这部分材料(如长焊缝的 两侧)又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程 度上被拉伸形成拉应力； • 与此同时，熔池凝固，形成的焊缝金属冷却收缩受阻时也将 产生相应的拉应力。 • 这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变，与其相对应， 在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接瞬态应力。 • 而焊后，在室温条件下残留于焊件中的内应力称为焊接残余 应力。
3.根据应力与焊缝的相对位置
向与焊缝平行 1.纵向应力：应力作用方 向与焊缝垂直 2.横向应力：应力作用方
4.根据应力产生、作用的时间
一瞬时出现的应力 1.瞬时应力：焊接过程某 焊件内的应力 2.残余应力：焊后残留在
5.根据应力形成的原因
1.温度应力：由于焊件不 均匀加热引起的应力 2.拘束应力：由于焊件热 变形受到拘束引起的应 力 3.组织应力：由于接头金 属组织转变时体积变化 引起的应力
2.工艺措施
（1）采用合理的装配焊接顺序 基本原则：焊接平面上的焊缝时，应使纵、横向收 缩都比较自由。 具体方法是：先焊结构中收缩量最大的焊缝，后焊 收缩量小的角焊缝；先焊错开的短焊缝，后焊直通长 焊缝；先焊在工作时受力大的焊缝，后焊受力小的焊 缝；焊接交叉焊缝时，应保证交叉点部位不易产生缺 陷，且刚性较小。 简单归纳为：先焊大，后焊小；先焊短，后焊长。
通孔应变释放系数A、B可由Kirsch理论解得到下面的公式；盲 孔法应变释放系数则需由标定试验确定。
1 d 2 A 2 E 4r1r2
2 2 2 d r r r r d 1 1 1 2 2 1 B 2 2 2 Er1r2 4 4r1 r2 2
三、焊接残余应力的分类
1.按应力的分布范围
范围平衡的应力 1.宏观应力：在整个焊接 内相互平衡的应力 2.微观应力：在晶粒范围 3.超微观应力：在晶格范 围平衡的应力
2.根据结构中的空间位置
的一个方向作用 x 1.单向应力：应力沿构件 的两个方向作用 x、y 2.双向应力：应力沿构件 3.三向应力：应力沿构件 的三个方向作用 x、y、z
焊接残余应力无损检测技术
西南交通大学轨道交通关键材料及工艺研究中心 西南交通大学焊接研究所
— Monday, September 18, 2017—
目录
1
残余应力的基本概念 焊接残余应力与变形的产生 焊接残余应力的分类及分布
2
3
4
焊接残余应力的测量方法
焊接残余应力对焊接结构的影响 减少焊接残余应力的措施
X射线法的局限性
由于X射线的穿透能力有限，所测得的仅仅是表层应 力，而垂直于表层的应力分量为零，所以它测得的 总是二维应力。 X射线法对表面状态敏感。
X衍射应力分析的基本原理
布拉格定律： 2dSinθ = nλ 通过X射线衍射得到衍射角2θ 依据布拉格定律可以求出晶面间距 d
选定的晶面法线方向与晶面间距
每条法线 N0,N1……N4 确定若干个衍射晶面法线 多晶体 分别对应的晶面间距为d0,d1……d4 晶粒细小，在一束 X光照射范围内有 它们分别对应于许多晶粒 如果测得晶面间距从 d 到 d 大体相等 0 4 许许多多晶粒； 如果测得晶面间距从 dd dd 依次增大 0到 4 如果测得晶面间距从 到 0 4依次减小 可以推断材料中基本无应力； 可以推断材料中存在拉应力； 无织构，结晶学方向充分紊乱。 可以推断材料中存在压应力；
4.对结构刚度、疲劳强度和应力腐蚀开裂的影响： 应力腐蚀原因：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。
六、减小焊接残余应力的措施
减少焊接残余应力的措施主要有：设计措施 和工艺措施。
消除残余应力的措施主要有：焊后热处理法 （ PWHT ）、机械拉伸法、温差拉伸法、锤 击焊缝法、振动法。
通过机械拉伸，使焊接接头拉伸残余应力区域产 生拉伸塑性变形，卸载后降低焊接残余应力，一 般适用于屈服比较小的塑性材料。
（3）温差拉伸法
其基本原理与机械拉伸法相同。
Hale Waihona Puke （4）锤击焊缝采用带有小圆弧面的手锤或风枪锤击焊缝，使焊缝金属延 展，从而降低内应力。锤击时力量要适中，使2mm范围内受 到影响，避免因锤击过重而产生裂纹，同时要注意避免在 0 ～ 300 400 C之间锤击，以免出现蓝脆。一般根部焊道不锤击 以免产生裂纹，盖面焊道不锤击以免影响焊缝美观。
1 1 (1 3 ) 2 (2 2 1 3 ) 2 4 A 4B
1 3
1 2 (1 3 ) 2 (2 2 1 3 ) 2 4 A 4B
1 3
2 2 1 3 tan 2 3 1
1.设计措施
其核心是合理、正确地布置焊缝。 （1）减少焊缝数量 在保证结构强度的前提下，应尽量减少焊缝的数量 和尺寸，采用填充金属少的坡口形式 。
（2）合理布置焊缝 焊缝布置应尽量避免过分集中、交叉以及出现三向 复杂应力等，焊缝与焊缝之间应保持足够的距离。