第3章讲义焊接应力与变形
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焊 接 残 余 变 形 的 分 类
综上，焊接变形大致可以分为七类：
（1）纵向收缩变形
焊 接
（2）横向收缩变形
残 （3）挠曲变形
余
变 （4）角变形
形
的 （5）波浪变形
分 类
（6）错边变形
（7）螺旋形变形
（1）影响结构的尺寸准却和外形美观
（2）降低结构的承载能力
（3）变形矫正费时费力，增加成本
（4）有时，因为变形，需片面地多放余量，增加材料
横向应力(总的)在纵截面上平衡
横 向 应 力
拘束状态下焊接横向残余应力由f 和y组成
拘 束 状 态
拘束状态下焊接纵向残余应力由f和x组成
拘 束 状 态
封 闭 焊 缝
封 闭 焊 缝
相 变 应 力
相 变 应 力
相 变 应 力
相 变 应 力
相 变 应 力
焊接残余应力的影响
1、对静载强度的影响 2、对疲劳强度的影响 3、对加工精度的影响 4、对受压杆件稳定性的影响 5、对刚度的影响 6、对应力腐蚀开裂的影响
1、对静载强度的影响 （1）塑性好的材料
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
只要材料有足够 的塑性，能进行 塑性变形，内应 力的存在对构件 静载强度没有影 响
（2）脆性材料
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
当材料的塑性不 足时，内应力的 存在降低构件的 静载强度
（3）塑性变形产生的必要条件是切应力的存在
5、内应力对腐蚀开裂的影响
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
§3-4 焊接残余变形
1、纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
2、横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
3、挠曲变形：构件焊后发生挠曲
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
（5）杆件的长细比较大（大于150） 内应力对稳定性无影响
（6）杆件的长细比较小（小于30），相对偏心不大（小于0.1）内
应力对稳定性无影响
4、内应力对机械加工精度和尺寸稳定性的影响
原因：加工后应力重新分布 解决方式：
蠕变和应力松弛
消应力处理
不稳定组织的存在
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
分多次加工
纵向收缩量：
L 1.15 0.072Ah L 2 A
1.15 0.0723250002 8500
焊 接 残 余 应 力 的 影
响 许多材料处于单轴和双轴拉伸应力下表现为塑性 处于三轴应力下表现为脆性
2、对刚度的影响
tg P EF 刚度表征
L L
LF P E LBP LE
焊
接 残
LBPbLE
余
应 力
2
P
(Bb)
的
影
P 响 卸载后应力下降
B
B区卸载后内应力：
s
P
B
焊
接 焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，
纵 向 应 力
2）圆筒直径与厚度之比较小时，纵向应力峰值降低
纵 向 应 力
3）原因：焊缝收缩自由度更大
纵
4）应力大小影响因素：
圆筒半径
向
壁厚
应
塑性变形区宽度
力
组成： 纵向收缩引起的'y 横向收缩的不同时性引起的 "y
横 向 应 力
横 向 应 力
横 向 应 力
横向收缩的不同时性引起 后焊的部位受拉应力
此处加标题
第3章焊接应力与变形
眼镜小生制作
焊接残余应力的分布
表 1、厚度（15~20）不大的结构，残余应力基 本上是双轴的，厚度方向上的应力可以忽略。
示 2、焊缝方向的应力称为纵向应力，用x
符 3、垂直于焊缝方向的应力为横向应力，用y
号 4、厚度方向上的应力，用z
（1）特点：焊缝及其附近区域中的纵向应力为 拉应力，数值一般达到材料的屈服极限 纵 （2）纵截面和横截面上的分布：
4、角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
5、波浪变形：焊后构件呈波浪形
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
6、错边变形：在焊接过程中，两焊件的热膨胀不一致， 可能引起长度方向上的错边和厚度方向的错边。
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
7、螺旋形变形：焊后在结构上出现的扭曲
应力在横截面中平衡
向
应
力
（3） 不同长度焊缝中的分布
1）存在内应力过渡区
纵
2）长焊缝：存在应力稳定区
3）短焊缝：最大应力小于屈服应力
向
应
力
纵 向 应 力
（4） 钛和铝的应力分布
纵
1）分布规律与低碳钢相似
向
2）但应力较小
3）钛：0.5~0.8s 铝： 0.6~0.8s
应
力
（5） 圆筒上环缝引起的纵向应力 1）圆筒直径与厚度之比较大时
焊接电压
热效率
缩
屈服强度
短 变
（ 2）材料的热物理特性值
弹性模量
形
热膨胀系数
区 影
（ 3）纵向刚度
响
因
（Baidu Nhomakorabea4）焊接接头的热流
素
对于低碳钢：
Ff 170qw
纵 向 收
Bp
170 qw
s
缩 力
qw kAw
模
型
kn n2/3
纵
向
收
缩
变
形
LFf
L L
AppdA
EA
A
单层焊：
L1
k1
AH A
L
多层焊：Lnk2L1k1k2A AHL
纵 向
k2 185s n
收
缩 变 形
丁字接头：
LT
k1k2k3AHL A
k31.15~1.40
例题：低碳钢工字形构件，长5m,腹板高250mm , 腹板厚10mm,翼板宽250mm,厚12mm，四条角焊缝， 每条均用埋弧自动焊一次焊成，焊脚K=8mm
例
题
解 每条角焊缝的截面积： Ah128832(mm 2) 构件截面积：A 2 2 5 1 0 2 2 5 10 0 85 (m 0 2 )
研
究 成本和加工成本
焊 接 残 余 变 形 的 意 义
纵
向
收
缩
力
模 型
Ff E App dA
纵
向
收
图3-57 板边无拘束的带有中心纵向焊缝的板条的简化应力分布
缩
力 模 型
c
trBB pBp
s
Bp BBp
Ff (sc)Bp Ff cB
Ff sBp
收
缩
（1）焊接过程参数
力
和
热输入量
焊接速度
焊接电流
残
余 只要其大小不超过前一次，内应力不再起作用，
应
力 外载也不影响内应力的分布（指静载）
的 影 响
3、对受压杆件稳定性的影响
Ix 2B3b/12
Ix 2B3b/12
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
cr
2EI
l2F
cr
2E 2
l 长细比 r
r I F
焊 （1）焊接H型受压构件，焊后不热处理的比焊后高温回火消除内 接 应力的低20~30% 残 余 （2）焊后又在边缘堆焊，可提高临界应力 应 （3）翼缘采用气割加工，可提高临界应力 力 的 （4）若拉应力离中性轴较远，则消除应力对提高临界应力的效果 影 不显著。 响
综上，焊接变形大致可以分为七类：
（1）纵向收缩变形
焊 接
（2）横向收缩变形
残 （3）挠曲变形
余
变 （4）角变形
形
的 （5）波浪变形
分 类
（6）错边变形
（7）螺旋形变形
（1）影响结构的尺寸准却和外形美观
（2）降低结构的承载能力
（3）变形矫正费时费力，增加成本
（4）有时，因为变形，需片面地多放余量，增加材料
横向应力(总的)在纵截面上平衡
横 向 应 力
拘束状态下焊接横向残余应力由f 和y组成
拘 束 状 态
拘束状态下焊接纵向残余应力由f和x组成
拘 束 状 态
封 闭 焊 缝
封 闭 焊 缝
相 变 应 力
相 变 应 力
相 变 应 力
相 变 应 力
相 变 应 力
焊接残余应力的影响
1、对静载强度的影响 2、对疲劳强度的影响 3、对加工精度的影响 4、对受压杆件稳定性的影响 5、对刚度的影响 6、对应力腐蚀开裂的影响
1、对静载强度的影响 （1）塑性好的材料
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
只要材料有足够 的塑性，能进行 塑性变形，内应 力的存在对构件 静载强度没有影 响
（2）脆性材料
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
当材料的塑性不 足时，内应力的 存在降低构件的 静载强度
（3）塑性变形产生的必要条件是切应力的存在
5、内应力对腐蚀开裂的影响
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
§3-4 焊接残余变形
1、纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
2、横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
3、挠曲变形：构件焊后发生挠曲
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
（5）杆件的长细比较大（大于150） 内应力对稳定性无影响
（6）杆件的长细比较小（小于30），相对偏心不大（小于0.1）内
应力对稳定性无影响
4、内应力对机械加工精度和尺寸稳定性的影响
原因：加工后应力重新分布 解决方式：
蠕变和应力松弛
消应力处理
不稳定组织的存在
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
分多次加工
纵向收缩量：
L 1.15 0.072Ah L 2 A
1.15 0.0723250002 8500
焊 接 残 余 应 力 的 影
响 许多材料处于单轴和双轴拉伸应力下表现为塑性 处于三轴应力下表现为脆性
2、对刚度的影响
tg P EF 刚度表征
L L
LF P E LBP LE
焊
接 残
LBPbLE
余
应 力
2
P
(Bb)
的
影
P 响 卸载后应力下降
B
B区卸载后内应力：
s
P
B
焊
接 焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，
纵 向 应 力
2）圆筒直径与厚度之比较小时，纵向应力峰值降低
纵 向 应 力
3）原因：焊缝收缩自由度更大
纵
4）应力大小影响因素：
圆筒半径
向
壁厚
应
塑性变形区宽度
力
组成： 纵向收缩引起的'y 横向收缩的不同时性引起的 "y
横 向 应 力
横 向 应 力
横 向 应 力
横向收缩的不同时性引起 后焊的部位受拉应力
此处加标题
第3章焊接应力与变形
眼镜小生制作
焊接残余应力的分布
表 1、厚度（15~20）不大的结构，残余应力基 本上是双轴的，厚度方向上的应力可以忽略。
示 2、焊缝方向的应力称为纵向应力，用x
符 3、垂直于焊缝方向的应力为横向应力，用y
号 4、厚度方向上的应力，用z
（1）特点：焊缝及其附近区域中的纵向应力为 拉应力，数值一般达到材料的屈服极限 纵 （2）纵截面和横截面上的分布：
4、角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
5、波浪变形：焊后构件呈波浪形
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
6、错边变形：在焊接过程中，两焊件的热膨胀不一致， 可能引起长度方向上的错边和厚度方向的错边。
焊 接 残 余 变 形 的 分 类
7、螺旋形变形：焊后在结构上出现的扭曲
应力在横截面中平衡
向
应
力
（3） 不同长度焊缝中的分布
1）存在内应力过渡区
纵
2）长焊缝：存在应力稳定区
3）短焊缝：最大应力小于屈服应力
向
应
力
纵 向 应 力
（4） 钛和铝的应力分布
纵
1）分布规律与低碳钢相似
向
2）但应力较小
3）钛：0.5~0.8s 铝： 0.6~0.8s
应
力
（5） 圆筒上环缝引起的纵向应力 1）圆筒直径与厚度之比较大时
焊接电压
热效率
缩
屈服强度
短 变
（ 2）材料的热物理特性值
弹性模量
形
热膨胀系数
区 影
（ 3）纵向刚度
响
因
（Baidu Nhomakorabea4）焊接接头的热流
素
对于低碳钢：
Ff 170qw
纵 向 收
Bp
170 qw
s
缩 力
qw kAw
模
型
kn n2/3
纵
向
收
缩
变
形
LFf
L L
AppdA
EA
A
单层焊：
L1
k1
AH A
L
多层焊：Lnk2L1k1k2A AHL
纵 向
k2 185s n
收
缩 变 形
丁字接头：
LT
k1k2k3AHL A
k31.15~1.40
例题：低碳钢工字形构件，长5m,腹板高250mm , 腹板厚10mm,翼板宽250mm,厚12mm，四条角焊缝， 每条均用埋弧自动焊一次焊成，焊脚K=8mm
例
题
解 每条角焊缝的截面积： Ah128832(mm 2) 构件截面积：A 2 2 5 1 0 2 2 5 10 0 85 (m 0 2 )
研
究 成本和加工成本
焊 接 残 余 变 形 的 意 义
纵
向
收
缩
力
模 型
Ff E App dA
纵
向
收
图3-57 板边无拘束的带有中心纵向焊缝的板条的简化应力分布
缩
力 模 型
c
trBB pBp
s
Bp BBp
Ff (sc)Bp Ff cB
Ff sBp
收
缩
（1）焊接过程参数
力
和
热输入量
焊接速度
焊接电流
残
余 只要其大小不超过前一次，内应力不再起作用，
应
力 外载也不影响内应力的分布（指静载）
的 影 响
3、对受压杆件稳定性的影响
Ix 2B3b/12
Ix 2B3b/12
焊 接 残 余 应 力 的 影 响
cr
2EI
l2F
cr
2E 2
l 长细比 r
r I F
焊 （1）焊接H型受压构件，焊后不热处理的比焊后高温回火消除内 接 应力的低20~30% 残 余 （2）焊后又在边缘堆焊，可提高临界应力 应 （3）翼缘采用气割加工，可提高临界应力 力 的 （4）若拉应力离中性轴较远，则消除应力对提高临界应力的效果 影 不显著。 响