焊接应力与变形
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• 纵向收缩 是两种基本变形形式，是二维收缩的结果！ • 横向收缩 • 角变形的本质是：横向收缩在厚度方向上
的不等量分布所致。 • 扭曲变形的本质是：角变形在焊缝长度方
向上的不等量分布与不对称焊接所致。 • 弯曲变形可能是：纵向收缩和/或横向收缩
2.1 焊2接焊应接力与应变力形的与基变本概形念机理分析
组织应力：金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力 热应 力：大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度
不一致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力 附加应力：刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形
不一致形成的内应力。 当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。
提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过
程热循环中的热变形与热应力循环 的分析， 使我们深刻理解焊接应力与变形的产生过程及
残余应力与变形的产生机理。
方法：利用应力、应变循环图直观分析。
基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。
基本符号： △ L T
△Le
△L
应变表示： ε T
εe
ε
三种基本变形的定义
三向应力的符号表示：σx , σy , σz 。 σx ——纵向应力，即平行焊缝方向的内应力； σy ——横向应力，即垂直焊缝方向的内应力； σz ——板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。
1.2 焊接变形的基本知识
（1）焊接变形的概念 —焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状的改变。
（2）焊接变形的分类：
比容变化所致。 拘束应力—由于工件自身或外加夹具的拘束作用产生的内应力。 凝缩应力—因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。 氢致集中应力—因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成
氢压所致的内应力。
④ 按应力状态分为： 单向应力—又称线应力，存在于窄板条结构； 双向应力—又称平面应力，存在于薄板结构； 三向应力—又称体积应力，存在于厚板结构。
自由变形 —在温度变化时试件的变形不受任何限制，
能够充分表现出来的变形 外观变形 —由于某种拘束作用的限制，使得试件的热
变形不能充分表现出来，把其中表现出来 的部分变形称为外观变形 内部变形
三种基本变形的图解
△LT
L0
△Le △L
可见， △L=| △ L T － △Le| 又有, △L= △Le － △ L T 即, △Le = △ L T + △L
奥氏体>铁素体>珠光体>上、下贝氏体>马氏体； ➢ 比容变化相反：
马氏体>铁素体>珠光体>奥氏体>碳化物 约3%的膨胀 →奥氏体－马氏体转变→体积？ ④ 不均匀化学反应
热胀冷缩 不均匀
例:高速钢
莱氏体钢，含有大量合金元素
过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢 从收缩状态逆转为膨胀状态，
焊接应力与变形
内容
1 内应力与变形的基本知识 2 焊接应力与变形机理分析 3 焊接残余应力 4 焊接残余变形 5 焊接残余应力与变形的测量和调控
1 内应力与变形的基本知识
1.1 焊接应力的基本知We识lding Stress and Deformation
（1）内应力的概念
内应力定义— 指在无外力作用下平衡于物体内部的应力。 内应力特点— 拉压共存；拉压平衡；在应力分 布图上至少有3块面 积。 内应力别名— 初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。 内应力举例—铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力
① 按产生时序分为：
瞬时变形—即指焊接过程中工件的动态变形； 残余变形—焊后，残留于工件中的变形。
瞬时变形是一个过程； 残余变形是最终结果。
② 按焊接变形的形貌分为： 纵向收缩ᅀL—工件在焊缝方向的尺寸缩短行为； 横向收缩ᅀB—在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为； 角变形β —工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移； 波浪变形—薄板工件在板平面上产生的凸凹不平； 弯曲变形—工件轴线产生的挠曲变形； 扭曲变形—工件整体产生的螺旋变形； 焊接错边—工件的坡口两侧母材产生局部不平。
收缩变形——纵向、横向
角变形
波浪变形——失稳变形
弯曲变形
扭曲变形
错边变形
（3）焊接变形的几点说明
a. 区别伪波浪变形与真正波浪变形的本质不同； b. 注意焊接错边与装配错边的本质不同； c. 注意分析各种变形的产生原因及相互关系。 解释与提示： 伪波浪变形的本质是：角变形的连续 表象； 真正波浪变形本质是：薄板受压失稳 行为；
（3）内应力分类
① 按分布范围分：
• 宏观内应力：平衡范围整个结构 第一类内应力 √ • 微观内应力：平衡范围晶粒之间 第二类内应力
②• 按超微应观力内变应化力与：平时衡间范的围关晶系格之分间：第三类内应力
• 瞬时应力：应力随时间变化 √ • 残余应力：应力不随时间变化 √
③ 按产生原因分为:
热应力(又称温度应力)—由于焊件经受了不协调的热变形所致。 相变应力—由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的
考虑到拉压关系 应力分析的重要公式
三种变形的应变形式
• 只要将公式 △Le = △ L T + △L
两边同除以试件 的原始长度L0，即得到各 自的应变形式：
εe ＝ εT ＋ε 其中， △ L T ＝ L0·α·Τ
△ Le 可测量
可计算
——它们都是构件 刚性不足 的表现形式。 装配错边是机械装配精度不足所为；
——是铆工的责任！
d) 焊接错边的本质原因是： 焊接件坡口两侧母材热变形不一致或受
热状态不同所致。具体原因可能是： 1）电弧偏吹； 2）异质接头； 3）不等厚接头； 4）散热条件不同； 5）拘束条件不同。
（4）各种变形的相互联系
受
铆钉
拉
区
工件
x
x
受
内应力
压
区
中心区域受拉 两边区域受压
x y
内应力是一种普遍存在的现象
内应力作用的可能结果：
① 菜板为什么会裂？
② 熟好的西瓜为什么容易裂开？
③ 腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？
④ 钢筋混凝土预制构件中有无内应力？
⑤ 铸件、焊件为什么会开裂？
（2）产生原因
① 不均匀塑性变形：冷轧、冷弯 ② 不均匀温度场：焊接 ③ 不均匀相变：如奥氏体－马氏体ห้องสมุดไป่ตู้变 ➢ 钢中膨胀系数由大到小的顺序为：
的不等量分布所致。 • 扭曲变形的本质是：角变形在焊缝长度方
向上的不等量分布与不对称焊接所致。 • 弯曲变形可能是：纵向收缩和/或横向收缩
2.1 焊2接焊应接力与应变力形的与基变本概形念机理分析
组织应力：金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力 热应 力：大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度
不一致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力 附加应力：刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形
不一致形成的内应力。 当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。
提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过
程热循环中的热变形与热应力循环 的分析， 使我们深刻理解焊接应力与变形的产生过程及
残余应力与变形的产生机理。
方法：利用应力、应变循环图直观分析。
基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。
基本符号： △ L T
△Le
△L
应变表示： ε T
εe
ε
三种基本变形的定义
三向应力的符号表示：σx , σy , σz 。 σx ——纵向应力，即平行焊缝方向的内应力； σy ——横向应力，即垂直焊缝方向的内应力； σz ——板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。
1.2 焊接变形的基本知识
（1）焊接变形的概念 —焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状的改变。
（2）焊接变形的分类：
比容变化所致。 拘束应力—由于工件自身或外加夹具的拘束作用产生的内应力。 凝缩应力—因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。 氢致集中应力—因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成
氢压所致的内应力。
④ 按应力状态分为： 单向应力—又称线应力，存在于窄板条结构； 双向应力—又称平面应力，存在于薄板结构； 三向应力—又称体积应力，存在于厚板结构。
自由变形 —在温度变化时试件的变形不受任何限制，
能够充分表现出来的变形 外观变形 —由于某种拘束作用的限制，使得试件的热
变形不能充分表现出来，把其中表现出来 的部分变形称为外观变形 内部变形
三种基本变形的图解
△LT
L0
△Le △L
可见， △L=| △ L T － △Le| 又有, △L= △Le － △ L T 即, △Le = △ L T + △L
奥氏体>铁素体>珠光体>上、下贝氏体>马氏体； ➢ 比容变化相反：
马氏体>铁素体>珠光体>奥氏体>碳化物 约3%的膨胀 →奥氏体－马氏体转变→体积？ ④ 不均匀化学反应
热胀冷缩 不均匀
例:高速钢
莱氏体钢，含有大量合金元素
过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢 从收缩状态逆转为膨胀状态，
焊接应力与变形
内容
1 内应力与变形的基本知识 2 焊接应力与变形机理分析 3 焊接残余应力 4 焊接残余变形 5 焊接残余应力与变形的测量和调控
1 内应力与变形的基本知识
1.1 焊接应力的基本知We识lding Stress and Deformation
（1）内应力的概念
内应力定义— 指在无外力作用下平衡于物体内部的应力。 内应力特点— 拉压共存；拉压平衡；在应力分 布图上至少有3块面 积。 内应力别名— 初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。 内应力举例—铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力
① 按产生时序分为：
瞬时变形—即指焊接过程中工件的动态变形； 残余变形—焊后，残留于工件中的变形。
瞬时变形是一个过程； 残余变形是最终结果。
② 按焊接变形的形貌分为： 纵向收缩ᅀL—工件在焊缝方向的尺寸缩短行为； 横向收缩ᅀB—在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为； 角变形β —工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移； 波浪变形—薄板工件在板平面上产生的凸凹不平； 弯曲变形—工件轴线产生的挠曲变形； 扭曲变形—工件整体产生的螺旋变形； 焊接错边—工件的坡口两侧母材产生局部不平。
收缩变形——纵向、横向
角变形
波浪变形——失稳变形
弯曲变形
扭曲变形
错边变形
（3）焊接变形的几点说明
a. 区别伪波浪变形与真正波浪变形的本质不同； b. 注意焊接错边与装配错边的本质不同； c. 注意分析各种变形的产生原因及相互关系。 解释与提示： 伪波浪变形的本质是：角变形的连续 表象； 真正波浪变形本质是：薄板受压失稳 行为；
（3）内应力分类
① 按分布范围分：
• 宏观内应力：平衡范围整个结构 第一类内应力 √ • 微观内应力：平衡范围晶粒之间 第二类内应力
②• 按超微应观力内变应化力与：平时衡间范的围关晶系格之分间：第三类内应力
• 瞬时应力：应力随时间变化 √ • 残余应力：应力不随时间变化 √
③ 按产生原因分为:
热应力(又称温度应力)—由于焊件经受了不协调的热变形所致。 相变应力—由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的
考虑到拉压关系 应力分析的重要公式
三种变形的应变形式
• 只要将公式 △Le = △ L T + △L
两边同除以试件 的原始长度L0，即得到各 自的应变形式：
εe ＝ εT ＋ε 其中， △ L T ＝ L0·α·Τ
△ Le 可测量
可计算
——它们都是构件 刚性不足 的表现形式。 装配错边是机械装配精度不足所为；
——是铆工的责任！
d) 焊接错边的本质原因是： 焊接件坡口两侧母材热变形不一致或受
热状态不同所致。具体原因可能是： 1）电弧偏吹； 2）异质接头； 3）不等厚接头； 4）散热条件不同； 5）拘束条件不同。
（4）各种变形的相互联系
受
铆钉
拉
区
工件
x
x
受
内应力
压
区
中心区域受拉 两边区域受压
x y
内应力是一种普遍存在的现象
内应力作用的可能结果：
① 菜板为什么会裂？
② 熟好的西瓜为什么容易裂开？
③ 腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？
④ 钢筋混凝土预制构件中有无内应力？
⑤ 铸件、焊件为什么会开裂？
（2）产生原因
① 不均匀塑性变形：冷轧、冷弯 ② 不均匀温度场：焊接 ③ 不均匀相变：如奥氏体－马氏体ห้องสมุดไป่ตู้变 ➢ 钢中膨胀系数由大到小的顺序为：