第3章讲义焊接应力与变形
《焊接应力与变形》课件
焊接应力与变形
焊接引言
焊接的定义
焊接是将两个或多个工件通 过加热或压力相互连接的工 艺。
焊接的分类
焊接可以按照不同的连接方 式进行分类，如电弧焊、气 体保护焊、激光焊等。
焊接的应用范围
焊接广泛应用于制造业和建 筑业，用于连接金属和非金 属材料。
焊接基础
1
焊接的原理和机理
减少焊接应力和变形的方法
1
焊接前准备
准确评估焊接件的材料和形状，选择合
焊接参数控制
2
适的焊接工艺。
控制焊接过程中的温度、速度和压力等
参数，以减少应力和变形。
3
焊接残余应力消除
使用热处理、冷却剂和机械加工等方法 消除焊接产生的残余应力。
焊接失效的原因及预防
焊接失效的原因
焊接失效可能由于疲劳、腐蚀、 裂纹和变形等原因导致。
焊接应力的计算方法
可以使用有限元分析、力学模 型和经验公式等方法计算焊接 应力。
焊接变形
1 焊接变形的概念
焊接过程中由于热膨胀和冷却引起的材料形状和尺寸的改变。
2 焊接变形的类型和特点
焊接变形可以分为弯曲、收缩和扭曲等。每种类型都会对焊接件的性能产生影响。
3 焊接变形的计算方法
可以使用有限元分析、弹性力学理论和实验测量等方法计算焊接变形。
焊接失效的分类
焊接失效可以分为静态失效、 动态失效和环境失效等。
焊接失效的预防和控 制
通过合理设计、材料选择和工 艺控制等方法预防和控制焊接 失效。
焊接的质量控制
1
焊接质量控制的目的和意义
确保焊接工艺和产品符合设计和规范要求，提高产品质量。
2
焊接质量控制的方法
焊接应力与焊接变形
近缝区的构件在加热和随后冷却过程中发生了塑性变形,
• 受到焊接残余应力的焊缝金属的收缩变形有以下几种情况：
一 纵向焊接残余应力和变形二 横向焊接残余应力和变形
三 弯曲变形
四 角变形
五 波浪变形
六 扭曲变形
• 一 纵向焊接残余应力和变形
• 长板对接接头焊缝处受热温度较高,因此焊缝 金属有较大伸长,离焊缝金属较远的部位温度较 低,伸长则较小,钢板中间温度高的金属受到两边 温度低的金属限制,阻碍了它的自由伸长,因此这 部分产生压力,同时两边温度低的金属受到反作 用力而产生应力,这时钢板中存在压应力和拉应 力,并处于平衡,如有纵向微小缩短,数值都较小,
• 刚性固定法只适用塑性好的材料,特别是低碳钢,对于脆性较大的 和容易淬火而变硬脆的中碳钢等材料不宜采用刚性固定法进行结 构焊接,否则易导致焊缝产生裂缝,
• 4 散热法 • 散热法又称强迫冷却法,是将散热物体放置在焊接区域
的（ZHOU）围,使焊件迅速冷却借以减小焊接受热区域, 使变形减小,但是,这种方法对淬火倾向较大的材料易产 生冷淬而出现焊接裂纹, • 5 机械矫正法 • 机械矫正法就是对焊缝及其（ZHOU）围区域施加外力, 可以减小收缩应力和变形,其原理是利用焊缝及其 （ZHOU）围金属受外力后产生塑性变形,而将已产生收 缩的焊缝纤维伸长,从而减小了构件的可见变形和应力, • 机械矫正最好在热状态下进行,这时的金属具有较高的 塑性,对于低碳钢构件焊缝机械矫正的最佳温度在150～ ２00℃左右,
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,
第3章 焊接应力与变形
第3章焊接应力与变形焊接应力与变形的概念是焊接领域的一个非常重要的概念，也是本课的重点与难点，他有较强的系统性和逻辑性。
我们讲课时的思路与书上的差别也比较大，因此要求大家上课注意听讲，做好课堂笔记。
§3-1 基本概念一、内应力及其性质1、何为内应力？在没有外载荷作用时，平衡于物体内部的应力叫内应力。
2、内应力的性质（1）自身平衡满足静力平衡条件，即所有应力的合力等于零，∑F=0；对任意点的合力矩等于零，∑M=0。
（2）不稳定性受到外界因数作用时，如外载荷、温度变化时，自身平衡被打破，当外界作用消失后，内应力数值发生变化，但仍保持自身平衡。
（3）由此可以得出一个推论；内应力的波形图至少应该是三波形的，因为单波形，两波形都不能满足合力为零，合力矩为零。
3、内应力的分类按内应力平衡的范围分第一类内应力：在较大的范围内平衡，其范围可与物体尺寸相比，故称之为宏观内应力。
第二类内应力：它的平衡范围大小可与晶粒尺寸相比，称为微观内应力。
第三类内应力：它的平衡范围更小，只能与晶格尺寸相比，也叫超微观内应力。
焊接应力的平衡范围较大，属于宏观内应力，因此我们以后重点研究宏观内应力。
按内应力产生的原因来分：有热应力和组织应力（1）热应力热应力也叫温度应力，是由于构件受热不均匀而引起的应力，我觉得叫温度应力是不准确的，叫温差应力比较合适，因为并不是任何物体有温度就有应力的，只有物体上的温度分布不均匀，有温度梯度时才有应力。
为什么温度分布不均匀会引起应力呢？举个简单的例子来说明：有一个金属的框架结构，如果让框架的中心杆件受热，而两侧杆件的温度保持不变，则中心杆件由于温度上升而伸长，而两侧由于温度不变保持原来的长度，这样中间杆件的伸长就会受到两侧杆件的阻碍，不能自由的进行，因此中间杆件就会受到压缩，产生压应力，而两侧杆件在阻碍中心杆件膨胀伸长的同时受到中心杆件的反作用而产生拉应力，这些应力是由于中心杆件与两则杆件的温度不同即中心杆件的温度高于两则杆件造成的，换句话说，就是构件内温度分布不均匀造成的。
焊接应力与变形 幻灯片讲解
图5-1 疲劳断裂示意
25பைடு நூலகம்
§5-1 金属材料的疲劳破坏及其影响因素
一、疲劳强度
引言: 材料构件在变动应力和应变的长期
静强失效：是由于在构件 作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现
的危险截面中，产生过大 象——疲劳。
的残余变形或最终断裂。
疲劳属低应力循环延时断裂，其断裂
18
19
— 缺口效应 在缺口处产生应力集中，其数值为平均应力的几倍。
图4-15 试件的缺口尺寸
缺口的存在导致缺口 效应的存在
键槽、油孔、螺纹、 焊缝、毛刺等
对于焊接接头的缺口状态，人们常用应力线分布，来 清楚地进行表示。
图4-16 有无缺口应力曲线分布对比
图4-17 对接和角焊缝的应力集中
36
焊缝布置要有利于减少焊接应力与变形
尽量减少焊缝数量及长度，缩小不必要的焊缝截面尺寸
图5-13 减少焊缝数量
37
焊缝布置应避免密集或交叉
图5-14 焊缝布置应避免密集和交叉
38
15
同一种材料在不同条件下可以显示出不同的破坏 形式。最重要的影响因素是温度、应力状态和加载速 度。温度越低，加载速度越大、材料应力状态越严重， 则产生脆性断裂的倾向就越大。
（一）应力状态的影响 当材料处于三向拉应力下，呈现脆性。在实际结构中，
三向拉应力应该由三向载荷产生，但更多的情况下是由于 几何不连续性引起的。虽然整个结构处于单轴双向拉应力 状态下，但其局部区域由于设计不佳，工艺不当，往往出 现形成局部三轴应力状态的缺口效应。因此，脆断事故一 般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。
断裂机制
焊接应力与变形
焊接应力与变形学习目的：了解焊接应力与焊接变形产生的原因，掌握控制和消除焊接应力与焊接变形的方法。
第一节焊接应力与变形概述一、焊接应力与变形的概念在焊接过程中，焊接应力和与焊接变形的产生是不可避免的。
焊接过程结束，焊件冷却后残留在焊件上的内应力为焊接应力也叫焊接残应力。
焊接过程中焊接产生了不同程度的变形，焊接过程结束，焊接冷却后残留在焊件上的变形为焊接残余变形。
焊接残余应力是造成裂纹的直接原因，使承载能力和使用寿命降低。
二、焊接应力与变形产生的原因物体在某些外界条件下（如应力、温长等）的影响下，其形状和尺寸可能发生变化。
焊接是一种局部不均匀加热的工艺过程，加热温度高，加热冷却速度快。
焊件局部因为温度升高而膨胀，又因为温度升高，局部材料的强度降低，由于受到接头周围金属的限制而不能自由膨胀，当压应力大于材料的屈服强度时，产生压缩塑性变形。
当焊缝冷却后收缩，由于受到接头周围金属而限制而不能自由的收缩而受到拉伸，产生拉应力即焊接残余应力。
总之，焊接时的局部不均匀加热与冷却是产生焊接应力和焊接变形的主要原因。
第二节焊接残余应力一、焊接残余应力的分类1．按焊接残余应力产生的原因分类（1）温度应力（又称热应力）：它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且相互约束而产生的应力。
焊接过程中温度的应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服强度，因此产生塑性变形，焊接结束并冷却后产生残余应力保存下来。
（2）组织应力：焊接过程中，引起局部金属组织发生转变，随着金属组织的转变，其体积发生变化，而局部体积的变化受到皱纹金属的约束，同时，由于焊接过和中是不均匀的加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力。
（3）拘束应力：焊件结构往往是在拘束条件下焊接的，造成拘束状态的因素有结构的刚度、自重、焊缝的位置以及夹持卡具的松紧程度等。
这种在拘束条件下的焊接，由于受到外界或自身刚度的限制，不能自由变形就产生了拘束应力。
（4）氢致应力：焊缝局部产生显微缺陷，扩散氢向显微缺陷处聚集，局部氢的压力增大，产生氢致应力。
焊工工艺学焊接应力与变形课件
焊接过程控制
01
02
03
严格控制焊接参数
按照工艺要求选择合适的 焊接电流、电压、速度等 参数。
注重焊接操作技巧
提高焊接技能水平、加强 焊接操作规范化、避免焊 接缺陷等措施。
加强焊接质量检测
采用无损检测技术、对焊 缝进行外观检查、对重要 部位进行应力检测等措施 。
05 焊接应力与变形的矫正
CHAPTER
焊接变形对结构的影响
03
焊接变形会降低结构的精度和强度，影响结构的外观和使用性
能。
焊接应力与变形的影响因素
01
02
03
04
材料性质
材料的热膨胀系数、弹性模量 、屈服强度等都会影响焊接应
力与变形。
焊接工艺
焊接电流、电压、焊接速度、 预热温度等都会影响焊接应力
与变形。
结构形式
结构形式和尺寸对焊接应力与 变形也有很大影响。
焊接速度
选择合适的焊接速度，以控制热输入和冷却速度，从而影响变形 和应力。
预热和层间温度控制
预热和层间温度控制可以减少材料各区域的温度差异，从而减少 变形和应力。
采用合理的装焊顺序和方向
焊接顺序
在焊接过程中，合理安排焊接顺序可 以减少变形和应力。先焊接对变形影 响较小的焊缝，再焊接对变形影响较 大的焊缝。
变形主要由于热胀冷 缩和材料内部应力分 布的变化引起。
焊接变形的分类
收缩变形
由于材料在焊接过程中的热胀 冷缩，导致构件尺寸缩短。
弯曲变形
由于焊缝位置和焊接顺序不当 ，导致构件整体或局部弯曲。
扭曲变形
由于焊缝的角变形或弯曲变形 ，导致构件扭曲。
波浪变形
由于薄板焊接后，母材产生压 应力而产生的失稳变形。
第三章 焊接应力与变形
焊接残余应力的分布 1.纵向残余应力σx的分布: 2.横向残余应力σy的分布 3.特殊情况下的残余应力分布
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纵向残余应力σx的分布
作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应 力。 在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为 拉应力，一般可达到材料的屈服点，随着离焊缝距离 的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。如图1-5、图 1-6、图1-7
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焊件的不均匀受热
（1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：冷却后不会有任何残 ）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形： 余应力与变形。 （2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形： ）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形： 1）当加热温度T<Ts时，冷却后即不存在残余变形也不存在残余应力。 2）当加热温度T>Ts时，可能出现以下三种情况： a)如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形面无残余应力。 b)如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应 力。 c)如果杆件收缩 不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。 （3）长板条中心加热引起的应力与变形：如图1-3。 ）长板条中心加热引起的应力与变形： （4）长板条一侧加热引起的应力与变形：如图1-4。 ）长板条一侧加热引起的应力与变形：
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焊接应力与变形的基本知识
1. 变形：物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸 变形： 发生变化，这种变化称为物体的变形。变形可分为弹性和塑 性变形。 按拘束条件分为自由变形和非自由变形;而非自由变形中有外 观变形和内部变形两种，如图1-1。 2.应力：物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用 应力： 应力 力。 按引起内力原因的不同，可分为工作应力和内应力。 内应力的显著特点：在物体内部，内应力是自成平衡的，形 成一个平衡力系。 3.焊接应力与焊接变形： 焊接应力与焊接变形： 焊接应力与焊接变形 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的 内应力。 焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。 返回
焊接应力与变形知识讲解
焊接接头
用焊条电弧焊焊接板厚在6mm以下的对接焊缝时， 一般可用I型坡口直接焊接，但当焊接厚度大于3mm的构 件时，需开坡口；板厚在6mm－26mm时，常开单面坡口； 板厚在12mm－60mm时，常开双面坡口。单面坡口的可焊 性较好，但焊条消耗量大，且焊后易产生角变形；双面 坡口受热均匀，变形较小，焊条消耗量也小，但必须两 面施焊，有时受构件结构限制，不易实施。
大型立式储罐的罐底板等一般采用搭接结构
3.角接接头及T字接头
两构件成直角或一定角度，而在 其连接边缘焊接的接头称角接接 头。 两构件成T字形焊接在一起的接头， 叫T字接头。
角接接头和T字接头，常用于特种 设备接管、法兰、夹套、管板、管 子和凸缘等焊接。
二.焊接接头的组成
熔焊热源的高温集中熔化焊缝区金属， 并向工件金属传导热量，必然引起焊缝及附 近区域金属的组织和性能发生变化。 ➢ 焊缝区——在焊接接头横截面上测量的焊缝 金属的区域。 ➢ 熔合区——熔合线两侧有一个很窄的焊缝与 热影响区的过渡区。 ➢ 热影响区---受焊接热循环的影响，焊缝附近 的母材因焊接热作用发生组织或性能变化的 区域。
焊接接头
焊二接.特热源点特点：
➢ 加热温度高（热处理加热温度以上100-200℃） ➢ 加热速度快(是热处理加热速度的几十倍甚至几百倍) ➢ 高温停留时间短(手工焊停留时间最大20秒,埋弧自动焊
时30-100秒) ➢ 自然冷却（热处理可根据要求控制冷却速度或在冷却过
程中不同阶段进行保温) ➢ 局部加热(随热源的移动,局部加热地区的范围也移动)
2.易淬火钢热影响区
易淬火钢，如高强钢，耐热钢，此类钢热影响区的组织分 布与母材焊前热处理有关焊前热处理.退火,正火,调质(淬 火+高回火) ➢ 熔合区：同不易淬火钢 ➢ （完全）淬火区：加热温度AC3至熔点间，相当于不易淬火 钢过热区加正火区，组织从粗大马氏体过渡到;铁素体组织 ➢ 回火区：焊前退火，不发生组织变化；焊前调质处理，获 得回火组织
焊接应力与焊接变形PPT课件
23..1焊加接强应师力资和队变伍形建产设生，的保原障因本科教学质量
2.1 焊接瞬时应力的产生 焊接瞬时应力来源于焊接热源对工件的局部加
热而引起的不均匀温度场，从焊接开始到工件温度 恢复到初始温度以前，焊件中的内应力始终随温度 场的变化而变化。温度场的变化分为两种情况。 2.1.1 加热温度较低不产生塑性变形。 (低碳钢不超过500℃，一般结构钢不超过600℃)
1.3.3 按内应力随时间变化的关系分 类瞬时内应力 应力值的大小和分布随时间而变化
的内应力 残余内应力 应力值和分布不随时间变化，是去除 外力或（和）温差后仍留存在物体内部的应力。
焊接过程产生的内应力属瞬时内应力，焊接结 束后产生的内应力属残余内应力。
111
23..1焊加接强应师力资和队变伍形建产设生，的保原障因本科教学质量
第二类内应力 在金属晶粒尺寸范围内平衡和存 在的内应力，故又称为微观内应力，这是由于相 邻晶粒（或晶块）之间的位相差或各向异向引起 的不均匀塑性变形，在几个晶粒（或晶块）之间 平衡形成的内应力。如图2-2
变图 形 的 三发 个生 晶不 粒均
匀
9
2-2
13..1内加应强力师及资其队分伍类建设，保障本科教学质量
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23..1焊加接强应师力资和队变伍形建产设生，保原障因本科教学质量
2.2.焊接残余应力和变形的产生
假如构件是均匀加热并能自由收缩，则不产生 残余应力和变形；若均匀加热，由于约束作用，而 产生压缩变形，但能自由收缩，则产生残余变形而 无残余应力；若不均匀加热，同时，不能自由收缩， 则产生残余应力，又产生残余变形，焊接属于最后 一种。
因此，焊接质量在一定程度上决定了工程 质量。
4
概3.述1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量
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ppt课件
焊接残余变形
+ 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
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焊接残余变形
+ 弯曲变形主要是结构上的焊缝布置不对称或焊 件断面形状不对称，焊缝收缩引起的变形。
+ 弯曲变形的大小用挠度ｆ进行度量．挠度ｆ是 指焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距 离。
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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
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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
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焊接残余变形
+ （4） 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。
1）大型而复杂的焊接结构， 只要条件允许，把它分成若 干个结构简单的部件，单独 进行焊接，然后再总装成整 体。
25焊接Βιβλιοθήκη 余变形（2）合理选择焊缝长度和 数量
只要允许，多采用型材、 冲压件；焊缝多且密集处，可 以采用铸—焊联合结构，就可 以减少焊缝数量。此外，适当 增加壁板厚度，以减少肋板数 量，或者采用压型结构代替肋 板结构，都对防止薄板结构的 变形有利。
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焊接残余变形
（3）合理地安排焊缝 的位置
+ 安排焊缝尽可能 对称与截面中性轴, 或使焊缝接近中性轴, 这对减少梁柱的挠曲 变形有良好的效果。
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2.工艺措施 （1）反变形法 ( 如图)
+
焊接应力与焊接变形-课件
焊接应力与焊接变形-课件学习要点：·焊接应力·焊接变形·降低焊接应力的措施·焊接变形的危害性及预防焊接变形的措施一、什么是焊接应力？被焊工件内，由焊接引起的内应力称为焊接应力。
根据焊接应力产生时期的不同，可把焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
焊接瞬时应力是焊接时随温度变化而变化的应力；焊接残余应力则是被焊工件冷却到初始温度后所残留的应力。
根据焊接应力在被焊工件中的方位不同，可将焊接应力分为纵向应力、横向应力和厚向应力。
实际上，焊接应力都是三维应力，但对于薄板，厚向应力相对较小，可按二维应力处理。
二、什么是焊接变形？焊接过程中被焊工件受到不均匀温度场的作用而产生的形状、尺寸变化称为焊接变形。
随温度变化而变化的称为焊接瞬时变形；被焊工件完全冷却到初始温度时的改变，称为焊接残余变形。
三、降低焊接应力的措施（一）设计措施1.减少焊接量减少焊缝的数量和尺寸，可减小变形量，同时降低焊接应力。
2.改变焊缝分布避免焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加。
3.优化接头形式优化设计结构，如将容器的接管口设计成翻边式，少用承插式。
（二）工艺措施1.采用较小的焊接线能量较小的焊接线能量的输入能有效地减小焊缝热塑变的范围和温度梯度的幅度，从而降低焊接应力。
2.合理安排装配焊接顺序合理的焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力。
例如，在大型储罐底板的焊接中，先进行短焊缝的焊接，所有短焊缝焊接完后再焊接长焊缝。
焊接过程中不要加外力约束，使其能够自由收缩，可以有效地降低短焊缝中的残余应力。
3.层间进行锤击焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属晶粒间的应力得以释放，能有效地减少焊接残余应力从而降低焊接应力。
例如，在进行铸铁部件的焊接时，不及时进行敲击以释放应力，焊缝周边的母材会出现明显的裂纹。
4.预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）对于那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，采用预热或机械方式，使之与焊接区同时拉伸（膨胀）和同时压缩（收缩），就能减小焊接应力，这种方法称为预热拉伸补偿法。
3焊接应力与变形
2011-11-23
2011-11-23
（2）焊接温度场的演变过程 ）
2011-11-23
焊接应力变形的演变过程
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（3）焊接热应变循环组织应力 ）
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（4）焊接瞬态应力变形 ）
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（5）金属在高温时的延性和断裂 ）
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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
1.按应力的 按应力的 分布范围
2.根据结构中 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 2.双向应力：应力沿构件的两个方向作用 3.三向应力：应力沿构件的三个方向作用
第3章 焊接应力与变形
3.1 焊接应力与变形 内力----物体受到外力作用或加热引起物体 内力 物体受到外力作用或加热引起物体 内部之间相互作用的力，称内力。 内部之间相互作用的力，称内力。 应力。 单位截面积上的内力称为应力 单位截面积上的内力称为应力。 内应力----在没有外力的条件下平衡于物 内应力 在没有外力的条件下平衡于物 体内部的应力。 体内部的应力。 按产生原因分类有： 按产生原因分类有： 热应力、相变应力、塑变应力。 热应力、相变应力、塑变应力。
思考题
1.焊接残余应力与焊接瞬态应力的区别？ 焊接残余应力与焊接瞬态应力的区别？ 焊接残余应力与焊接瞬态应力的区别 2.试分析板中心堆焊及板边缘堆焊的焊接 2.试分析板中心堆焊及板边缘堆焊的焊接 应力的形成过程。 应力的形成过程。并用图表示其形成过 程。 3.举例说明焊接应力在生产中主要危害。 举例说明焊接应力在生产中主要危害。 举例说明焊接应力在生产中主要危害 4.除加热不均匀引起焊接应力外，还有什 4.除加热不均匀引起焊接应力外 除加热不均匀引起焊接应力外， 么因素会引起焊接应力？ 么因素会引起焊接应力？
第3讲 焊接应力与变形
第3讲焊接应力与变形金属结构在焊接过程产生各式各样的焊接变形和大小不同的焊接应力。
若焊件在焊接时能自由收缩，则焊后焊件的变形较大，而应力较小，如果由于外力的限制或自身刚性较大，焊件不能自由收缩，则焊后焊件的变形较小而应力较大。
在实际生产中，焊后总会产生一定的变形，并存在一定的焊接残余应力，变形和应力两者在焊接时同时产生。
3.1 焊接应力及变形产生的原因和影响因素3.1.1 焊接应力与焊接变形的概念物体受到外力作用时，在其单位截面积上所受的力称为应力。
当没有外力存在时，物体内部所出现的应力称为内应力。
内应力在物体内部是相互平衡的，如物体内有拉伸内应力，就必然有压缩内应力，这是内应力的重要特征。
在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，使焊件内部产生的应力，称为焊接内应力，又名焊接残余应力，过大的焊接应力能引起焊件或焊缝产生裂纹，降低结构承载能力，并使结构在腐蚀介质中产生应力腐蚀。
当物体受到外力作用时，它的形状发生变化，这种形状变化称为变形。
当外力消失后，物体形状恢复原样，这种变形称为弹性变形；如果物体所产生变形在外力消失后不能恢复原状，这种变形称为塑性变形。
在焊接应力的作用下，结构所产生的形状和尺寸的变化称为焊接变形，它造成下一道工序施工困难，为矫正焊接变形往往要消耗很多人力和物力，严重的焊接变形，会影响结构承受外力的能力和使用性能，甚至因变形严重无法矫正而报废。
因此焊工必须了解焊接应力、变形的规律，掌握减少焊接应力和控制焊接变形的措施，以保证结构的焊接质量。
3.1.2 焊接应力与焊接变形的形成产生焊接应力和变形的原因很多，下面分析一下其中的主要原因。
1. 焊接时焊件不均匀加热由于焊接时局部加热到熔化状态，形成焊件上温度不均匀分布。
下面来看看由手工电弧焊温度不均匀分布而引起的焊接应力和变形的过程。
设有一块钢板，沿边缘进行堆焊，见图3-1。
如果钢板是由无数块互相能自由滑动的板条组成，板条受热而伸长，伸长的多少与温度的高低成正比。
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（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
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
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：
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
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
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
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
（ 4）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 )
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
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 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，
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
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
பைடு நூலகம்接速度
焊接电流
纵向收缩量：
L 1.15 0.072Ah L 2 A
1.15 0.0723250002 8500
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