焊接残余应力和焊接变形
焊接应力、焊接变形的产生和控制
力。 焊接变形 ， 即由于 焊接而引起 的焊件变形 。 焊 接变形 包括 焊接过 程 中的变 形 和焊接 残余 变形 。焊后焊件不 能消失 的变 形 ， 为焊接残 称 余 变形。我们将 主要讨 论焊接 残余应 力 、 接 焊 残余 变形 的产 生和控制 。 １焊 接残余 应力 与焊 接残余 变 形产 生 的
原 因
影响 焊接 应力与变形 的因素很多 ， 最根本 的原因是焊件受热不均匀， 其次是由于焊缝金 属 的收缩 、 金相组织 的变 化及焊件 刚性 的不 同 所致。 另外。 焊缝在焊接结构中的位置、 装配焊 接顺序、 焊接方法、 焊接电流及焊接方向等对 焊接应力与焊接变形的大小、 向、 方 分布等也 都有 一定影响 。 ２焊接残余应力和焊接残余变形的分类 ２ ． １焊接残余应力
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工 业 技 术
焊接应 力 、 接变形 的产 生和控制 焊
李 季
（ 齐齐哈 尔市 自来水集 团广源给水 工程有限公 司， 黑龙江 齐齐哈 尔 １ １０ ） ６ ０ ５
摘 要： 影响焊接 应 力与 变形 的 因素很 多 ， 最根本 的原 因是 焊件 受热 不均 匀， 其次 是 由于 焊缝金 属 的 收缩 、 相组 织 的 变化 及 焊件 刚 金 性 的 不 同所致 。本文 将主要 讨论 焊接 残余 应 力、 焊接 残余 变形 的产生 和控制 。
２ ． ４按焊接应力在焊接结构 中存在的情 况划 分 单向应力 （ 线应力） ；两向应力 （ 平面应 力 ） 向应力 （ ；三 体积应力 ） 。 ２ ． 内应力 的发生 和分 布范围划 分 ５按 第一类应力 ， 又称宏观应力 ； 第二类应力， 又称微观应力； 第三类应力 ， 它的平衡范围更 小， 其平衡范围只可用品格尺寸来比量。 焊接残余变形 ， 焊接变形分为六种基本变 形形式 ： 变形 ： 向收缩变 形 ； 向收缩变 收缩 纵 横 形； 弯曲变形 ； 角变形 ； 波浪变形 ； 曲变形； 扭 错 边变形 。 ３焊接残余应力、焊接残余变形的控制 措施 针对这些不同种类的焊接残余应力和焊
焊接残余应力与变形
焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力（welding residual stresses）简称焊接应力，有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
1、纵向焊接应力焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。
在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。
温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。
焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。
在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。
焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力2、横向焊接应力横向焊接应力产生的原因有二：一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。
二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。
当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。
焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。
3、厚度方向的焊接应力在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。
因此，除有纵向和横向焊接应力σx、σy外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。
在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。
3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响一、焊接应力的影响1、对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。
设轴心受拉构件在受荷前（N=0）截面上就存在纵向焊接应力。
在轴心力N作用下，截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy，应力不再增加，如果钢材具有一定的塑性，拉力N就仅由受压的弹性区承担。
焊接残余应力与变形的成因及控制措施研究
獬 辫
张 军 元 郭 睿 涵
（ 武威职 业学院 ７ ３ ３ ０ ０ ０ ）
焊接残 余应力 与变形 的成 因及控制 措施研 究
摘 要： 在焊接 过程中 ， 由于焊件 的局部加热 ， 同时 随着热 源的移动 ， 构件上各 处的温度是变化 的， 导致焊 件受热不均匀 、 焊缝金属 的收缩、 金相组 织 的变化及焊件 刚性拘 束等众多因素的影响， 致使影响焊接应力与变形 的因素， 使得焊后焊件 中存 在焊接残余应力和变 形。本文探 讨焊件残余应力 与变 形
区外 ， 防止 应力叠加 ， 影 响结构 的承载 能力。 四是采用 局部 降低 刚度的方 法， 使焊缝 能比较 自由的收缩 。 五是采用合理 的接头形式 ， 尽量避免采用搭 接接头 。 （ ２ ） 工艺措施 。 一是合 理选择 装配顺 序和焊接顺序 ， 以调整焊接残余应 力 的分布 。二是缩小焊接区与结构整体之间的温差。三是 降低接头的拘束 度 。四是 采 取 锤 击 法 减 小 焊 接 残 余 应 力 。除此 之 外 ， 还 可 以采 取 热 处 理 法 、 机械拉伸法 、 温差拉伸法及振动法等 ， 来消除焊接残余应力。 总之 ， 在焊接 时， 一定要 了解结构 的焊接工 艺， 合 理的控制焊接残余应 力与变形 ， 不断地提高焊接产 品质量和 生产率 。一 参 考文 献 ：
件 刚性拘 束等因素。焊接残余应力不仅会直接导致各种 焊接残余变形 ， 影 响到焊接结构 的形状尺寸精 度， 而且 还会降低焊接 结构 的抗 拉强度、 疲 劳 强 度、 刚度及 受压件的稳 定性等 ， 严重 影响焊接 结构的力学性 能和安全 使 用 性能。而焊接 残余 变形与残余应力 同时残存于焊接结构中。焊接残余变 形会造成构件 形状和尺 寸的变化 ， 还 会影响后续机 械加工 ， 严 重的可 能会 影响其结构的承载能力 。由此 ， 探讨焊接残余 应力与变形 的成 因及控制 措 施， 从而保证焊接产品的质量和生产率 的提高 。
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。
焊接残余变形和残余应力
一、现象和及其产生的原因
1、现象 焊件局部弯曲或翘曲。
a)
b)
c)
d)
e)
2、应力分布 焊接残余应力是一组自平衡应力。
3、产生原因 不均匀降温。
二、对结构的影响
1、降低结构刚度 压应力存在降低结构刚度、降低屈曲应力。
2、导致脆性破坏 发生三向应力。
3、发生焊接残余变形 引起附加内力，降低屈曲强度。
③ 式（3-37）、（3-38）说明
NVb
nv
d 2
4
f
b v
（3-37）
N
b c
d
t
f
b c
（3-38）
a) 螺栓承载力是Nvb和Ncb中之最小值，Nbmin 。 b) ∑t 取 a+b+c和d+e 之间的最小值。
N/3
a
N/3
b
N/3
c
d
N/2
e
N/2
c ) Nvb和Ncb计算式中的受剪面数nv ，上图中nv =4。
3.6 普通螺栓连接
一、普通螺栓连接的构造
1、螺栓的规格
(1)普通螺栓的形式为六角 头型。其代号用M和公称直 径数表示。如M16、M20等。
(2)常用螺栓直径为 d=16，20，24mm
(3)分为A级、B级和C级三种
(3)A级和B级为精制螺栓， 螺杆、螺孔加工精度高，制 作安装复杂，螺栓等级为8.8 级。很少用，已被高强度螺 栓代替。
N1xT N1Nx
2
N1yT N1yV
2
N
b m
in
例题3.10 试验算一受斜向拉力设计值F＝120kN作用 的C级普通螺栓练的的强度。螺栓M20，钢材Q235。
浅谈钢结构焊接残余应力及焊接变形控制
浅谈钢结构焊接残余应力及焊接变形控制钢结构焊接在安装过程中较为常见，焊接连接在具有其独特的优点的同时，也存在着其不可避免的缺陷，即焊接残余应力及焊接变形。
本文就施工现场的工艺钢结构及炉壳焊接，结合连续退火炉结构安装工程实际，浅谈焊接的残余应力及焊接变形的原因，以及现场施工过程中如何控制及解决办法。
标签：钢结构;焊接;应力;变形;控制措施【Abstract】Steel structure welding is more common in the installation process，welding connection has its unique advantages，but at the same time it also has the inevitable defects，namely welding residual stress and deformation. This article is showing the reasons of residual stress of welding and welding deformation ，and also give methods to control and solve the problem what is said above in the process of the construction site ，according to the scene of the process steel structure and the furnace shell welding，combined with the engineering practice of the furnace structure installation of Continuous Annealing Line.【Key Words】steel structure，welding，stress，deformation ，control measures引言：焊接连接是钢结构主要的连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、密封性好、刚度大等特性。
浅谈焊接应力与焊接变形的关系
浅谈焊接应力与焊接变形的关系焊接技术对整个工艺流程起到决定性的作用，焊接质量是一个永恒的主题。
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。
本文分析了电力焊接生产中的应力与变形控制措施，旨在指导电力工程焊接技术人员在施工中提高焊接水平，保证焊接质量。
引言：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，因此是电力焊接生产中进行控制。
1.焊接应力的控制措施电力构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。
焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制变形，与此同时实际上增大了焊后的残余应力。
对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。
因此，对于一些构件截面厚大，焊接节点复杂，拘束度大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。
控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种：（1）减小焊缝尺寸：焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。
（2）减小焊接拘束度：拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。
（3）采取合理的焊接顺序：在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝;先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施作者：李廷凯李玉振来源：《世界家苑》2018年第02期摘要：随着焊接技术也已经发展的越来越普及，但是焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响非常大，必须加强对焊接质量研究。
本文对焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整进行了探讨分析。
关键词：焊接残余应力；焊接变形；钢结构；消除和调整1 焊接残余应力产生的原因1.1 塑性压缩造成的纵向残余应力在焊接的过程中，由于温度上的差距，焊缝及其周围都会受到因热膨胀和周围温度较低的金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。
当焊接完成之后，温度骤减，母性材料就会制约着焊缝和近缝区域之间的收缩，这就在很大程度上导致了残余应力的存在。
并且残余应力的范围将会和高温环境下造成的塑性范围相一致，弹性拉伸区域和残余拉应力也是相对应的。
从这些都可以看出来，塑性压缩就是造成焊接过程中纵向残余应力的主要原因。
1.2 塑性压缩的应变导致的横向残余应力塑性压缩的应变，除了能够说成是造成纵向残余应力的主要原因，同时也能理解为造成横向残余应力的原因之一，但是造成横向残余应力的主要原因是母材的收缩。
当对母材进行焊接时，母材会出现膨胀现象，并且当焊接缝的金属材料逐渐形成固体时，膨胀中的母材必定会受到压缩，这种塑性压缩是横向收缩中的重要的一部分，焊缝自身那一小部分收缩仅仅只占到横向收缩的十分之一左右。
主要的横向收缩那部分存在于焊接缝沿着焊缝轴线进行切割后的中心区域，那才是拉应力中的横向应力。
2消除残余应力的方法2.1 热处理的方法这种方法对于焊件的性能有着至关重要的作用，它不仅可以消除残余应力，还能够改进焊接接头的性能。
热处理方法就是在焊件还处在高温条件下的时候，去降低屈服点和蠕变现象，从而实现去除残余应力的一种方法。
这种方法分为两个步骤，首先就是总体热处理，其次是局部热处理。
在总体热处理的过程中，加热的温度和保温时间和加热以及冷却速度都会影响到去除焊接残余应力的效果。
焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施
浅析焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施摘要：随着社会不断地进步，对于高新科技的精密性要求越来越严格，焊接也慢慢被逐步要求现代化、大型化等多种趋势发展，而传统意义的焊接中会产生多种很难规避的质量问题，如何发展采取措施减小金属在焊接过程中不产生焊接应力和焊接变形，在现实中具有非常重要的意义。
关键词：焊接应力；变形：原因；控制中图分类号：tg404 文献标识码：a1焊接应力与焊接变形产生的原因1.1焊接应力产生的原因焊接应力产生的主要原因是因为在焊接过程中局部会产生高温引起形状或尺寸的变化，焊缝的内应力和母材压应力数值平衡，焊接口也冷却到原始温度后，这时候应力状态就叫做焊接应力。
1.2焊接的不均匀受热焊接过程中是向母材焊口之间加热，目的是为了让焊材局部产生高温使得母材部分融化粘合在一起，从而完成焊接的过程。
所以让焊材局部产生高温，使得其不均匀受热是焊接的第一步。
对母材进行不均匀加热，在其持续加热的过程中，只要达到母材的熔点温度，就会构件就会产生可塑性变形，一般情况下，粘合冷却后就会产生一定的焊接残余应力。
而在其中个别过程中，由于不均匀受热，焊件的变形方向和焊后的变形方向是相反的，在其中焊件的应力一般分布是不均匀的，一旦完成整个焊接后，焊口附近的残余应力一般是属于拉应力。
1.3焊接变形产生的原因在焊接过程中是把母材的焊口局部加热到高温状态，导致焊材材质上温度不均匀，并且焊接热循环的过程中会使得组织内部发生转变，体积变化的过程中会受到体积并未发生变化时的阻碍，这样焊接口就会产生变形，这就是焊接变形产生的主要原因。
1.4金属组织的变化一般焊接过程中持续把母材局部温度加热，金属内部的体积组织状态也就会发生变化，金属为固体状态时成键作用是金属阳离子与其他自由电子之间会有相互作用，并无分子间的作用力，所以其物理属性和化学属性均取决于金属键，在焊接过程中局部持续加热，焊口部分金属熔化，金属键产生断裂。
当焊缝金属重新冷却后，由于它与母材金属之间是紧密联系的，而焊缝金属并不能自由重新收缩成熔化前的形状，由此也会产生焊接应力和变形。
焊接应力与焊接变形
焊接应力与焊接变形一、焊接应力与焊接变形的基本知识二、焊接残余应力与分布三、减少与消除残余应力和措施一、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。
焊接内应力的种类焊接后产生的内应力简称焊接应力,根据其空间位置和相互关系可分以下几种:单向应力焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时,焊件存在的应力是单方向的。
双向应力在焊接较厚板的对接焊缝时,焊件存在的应力虽不同向,但均在一个平面内,即应力是双向的。
三向应力当焊接厚大焊件的对接焊缝时,焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。
当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。
根据焊接应力相对于焊缝的方向不同,可分为平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力。
单向应力对焊件的强度影响不大,有时不必采取特殊的方法消除它们。
但当焊缝中存在双向应力和三向应力时,焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降,容易产生裂缝。
因此,在焊接厚件≥25mm时,焊后一般应对焊件进行热处理,以消除三向应力。
三个方向焊缝的,焊缝不应焊到交角的顶点,以避免三向应力的产生。
焊接应力按其产生的原因,也可以分为焊接热应力和组织应力。
在船体焊接时,一般只考虑焊接热应力。
焊接变形的种类焊接变形的种类,按其对结构影响的大小可分为下面两种:整体变形整体变形是指整个结构的形状或尺寸发生变化。
整体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。
它包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等。
如图所示。
直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变,按其方向又可分为纵向变形和横向变形。
纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。
横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。
局部变形局部变形是指结构的某种部分发生变形。
它包括角变形和波浪变形两种。
焊接应力与焊接变形
焊接变形的种类 • 焊接变形的种类，按其对结构影响的大小可分为下面两种： • 整体变形 整体变形是指整个结构的形状或尺寸发括直线变形、 弯曲变形、扭曲变形等。如图所示。 • 直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变，按其方向又可 分为纵向变形和横向变形。纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。 横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。 • 局部变形 局部变形是指结构的某种部分发生变形。它包括角 变形和波浪变形两种。 • 焊后变形将严重影响到结构的外形和它的承载能力，其中整体变 形对结构的影响较大，而局部变形的影响则较小。
二、焊接残余应力与分布 • 焊接残余应力和变形产生的主要原因是焊接时的不均匀加热， 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
焊接内应力的种类 焊接后产生的内应力简称焊接应力，根据其空间位置和相互关系可分以下几种： • 单向应力 焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时，焊件存在的应力 是单方向的。 • 双向应力 在焊接较厚板的对接焊缝时，焊件存在的应力虽不同向，但均在 一个平面内，即应力是双向的。 • 三向应力 当焊接厚大焊件的对接焊缝时，焊件存在的应力是沿空间三个方 向作用的。当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。 • 根据焊接应力相对于焊缝的方向不同，可分为平行于焊缝的纵向应力和垂 直于焊缝的横向应力。 • 单向应力对焊件的强度影响不大，有时不必采取特殊的方法消除它们。但 当焊缝中存在双向应力和三向应力时，焊缝金属的强度和冲击值都要显著下 降，容易产生裂缝。因此，在焊接厚件≥25mm时，焊后一般应对焊件进行热 处理，以消除三向应力。三个方向焊缝的 ，焊缝不应焊到交角的顶点，以避 免三向应力的产生。焊接应力按其产生的原因，也可以分为焊接热应力和组 织应力。在船体焊接时，一般只考虑焊接热应力。
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施摘要：焊接残余应力和焊接变形是钢结构产生变形和开裂的主要原因。
本文以焊接残余应力和焊接变形为对象，分别讨论了残余应力对钢结构刚度、静力强度、疲劳强度、应力腐蚀等的影响，促使结构发生脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀开裂、低温变脆等以及造成的焊接变形的种类。
应采取措施对焊接残余应力和焊接变形加以消除和调整。
关键词：钢结构焊接残余应力焊接变形钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件，构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。
连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。
焊接连接是目前钢结构最主要的连接方式。
但在焊接过程中，在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部的裂缝一旦发生，就容易扩展到整体。
一、焊接残余应力钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。
在施焊时，焊缝及其附近区域的温度很高，而临近区域温度则急剧的下降，导致不均匀的温度场。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。
当焊接温度场消失后，构件内部产生应力，这种应力称为焊接残余应力。
（一）焊接残余应力对钢结构的影响1.对钢结构刚度的影响焊接残余应力使构件的有效截面减小，丧失进一步承受外载的能力。
焊接残余应力的存在还会增大结构的变形，降低结构的刚度。
2.对静力强度的影响由于焊接应力的自相平衡，使受压区和受拉区的面积相等。
构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等，因此不影响静力强度。
3.对疲劳强度的影响残余应力的存在使应力循环发生偏移。
这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。
当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。
4.对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。
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一、焊接应力与焊接变形的基本知识二、焊接残余应力与分布三、减少与消除残余应力和措施一、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。
焊接内应力的种类焊接后产生的内应力简称焊接应力,根据其空间位置和相互关系可分以下几种:单向应力焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时,焊件存在的应力是单方向的。
双向应力在焊接较厚板的对接焊缝时,焊件存在的应力虽不同向,但均在一个平面内,即应力是双向的。
三向应力当焊接厚大焊件的对接焊缝时,焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。
当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。
根据焊接应力相对于焊缝的方向不同,可分为平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力。
单向应力对焊件的强度影响不大,有时不必采取特殊的方法消除它们。
但当焊缝中存在双向应力和三向应力时,焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降,容易产生裂缝。
因此,在焊接厚件≥25mm时,焊后一般应对焊件进行热处理,以消除三向应力。
三个方向焊缝的,焊缝不应焊到交角的顶点,以避免三向应力的产生。
焊接应力按其产生的原因,也可以分为焊接热应力和组织应力。
在船体焊接时,一般只考虑焊接热应力。
焊接变形的种类焊接变形的种类,按其对结构影响的大小可分为下面两种:整体变形整体变形是指整个结构的形状或尺寸发生变化。
整体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。
它包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等。
如图所示。
直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变,按其方向又可分为纵向变形和横向变形。
纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。
横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。
局部变形局部变形是指结构的某种部分发生变形。
第五节 焊接结构中的应力与变形
第五节焊接结构中的应力与变形在焊接生产中，焊接应力与变形的产生是不可避免的。
焊接过程结束，焊件冷却后残余在焊件的内应力即焊接残余应力往往是造成裂纹的直接原因，同时也降低了结构的承载能力和使用寿命。
焊接后产生的变形即焊接残余变形造成了焊件尺寸、形状的变化，这给正常的焊接生产带来一定困难。
因此，在焊接生产中的一项重要任务就是控制焊接残余应力和焊接残余变形。
一、焊接残余应力1．焊接残余应力的产生及其对焊接结构的影响焊接时，不均匀地加热与冷却是产生焊接残余应力的主要原因。
以低碳钢（20钢）为例，在加热时，随着温度的升高，特别是在300℃以上的温度时其强度迅速降低。
当温度达到600℃左右时，屈服便接近于零（图6-5)。
焊接过程中由于加热的不均匀，在高温时，金属的屈服为零的情况下，处于自由变形状态。
当焊接热源移开后，金属恢复强度时其收缩变形受到周围金属的限制，同时组织转变过程中又发生体积的变化，从而产生了焊接残余应力。
一般来说，在焊接条件下主要存在下面几种应力。
图6-5低碳钢屈服与温度的关系---实测曲线一简化曲线(1)温度应力温度应力又称热应力，它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且互相约束而产生的应力。
焊接过程中温度应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服点，因此必然发生塑性变形。
焊接结束冷却后，也必然有残余应力保留下来。
(2)组织应力焊接过程中，金属组织进行相变时将产生体积变化，主要是由于各种组织具有不同的热物理性能（表6-5）。
当焊缝金属从高温冷却，奥氏体分解时产生的铁素体、珠光体、马氏体等都会产生体积膨胀，转变后的这些组织都具有较小的膨胀系数。
奥氏体分解产生的体积膨胀并不是在自由状态下进行的，而是受到周围金属的约束。
同时，由于焊接的不均匀加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力。
对于低碳钢和一些低合金高强钢焊后冷却时，奥氏体分解为珠光体和贝氏体的温度较高的低碳钢的相变点为723℃），此时金属呈好的塑性，奥氏体转变时发生的体积变化阻力很小，因此不会造成很大的应力。
焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响分析
焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响分析摘要：堆焊过程中不均匀的热输入容易导致焊件产生残余应力和一定程度的变形，影响焊件的结构强度和使用寿命。
基于此，本文主要对焊接热输入对堆焊残余应力以及变形相关影响进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定借鉴。
关键词：焊接热输入；堆焊；残余应力；变形；影响分析引言随着我国各个行业的不断发展，对焊接性与抗高温性能提出了更高的要求。
本文中隔一天研究了焊接热输入对堆焊残余应力和变形影响，并优化了堆焊焊接工艺。
1残余应力以及变形相关概述1.1残余应力残余应力对焊接结构的寿命有不利影响，一般情况下，高运行应力与高残余拉应力叠加，将促使焊接结构断裂的发生。
残余应力还提高蠕变、疲劳和环境损伤发展的速率。
在焊接加热过程中，焊缝熔融金属周围由于热和膨胀会产生压缩屈服。
焊接冷却过程中则相反，由于焊缝冷却和收缩沿焊缝纵向会产生残余拉应力，因此，焊接结构的残余应力的产生是由于局部不均匀的加热和冷却导致的。
当残余拉应力超过材料的屈服强度极限，将导致结构发生变形，焊接过程中为避免发生更大的变形，对焊接构件进行约束将产生更大的残余应力。
然而，残余压应力一般认为是有益的，但是它会引起焊接结构抗屈曲能力的下降。
所以，应根据焊接构件的服役条件控制焊接残余应力。
1.2变形钢材的焊接通常采用熔化焊方法。
在接头处局部加热，使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液体金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开的钢材连接成整体。
由于焊接加热，融合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因加热、冷却这种热变化在局部范围内急速进行，膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。
这样，在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。
2焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响2.1焊件温度场分析在焊接过程中，整个温度分布不均匀，焊件高度方向的温度梯度小，焊件长度方向的平均温度高于宽度方向的平均温度；最高温度。
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。
建筑钢结构工程技术 2.5 焊接残余应力和残余变形
焊接残余应力和残余变形一、焊接残余应力和残余变形的成因钢结构的焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。
在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度最高，达1600℃以上，其邻近区域则温度急剧下降。
不均匀的温度场要求产生不均匀的膨胀和收缩。
而高温处钢材的膨胀和收缩要受到两侧温度较低、胀缩较小的钢材的限制，从而使焊件内部产生残存应力并引起变形，此即通称的焊接残余应力和残余变形。
二、焊接残余应力和残余变形（一）焊接残余应力焊接残余应力按其方向可分为纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力。
1. 纵向残余应力。
图2-38是焊接残余应力的示例。
图2-38（a）是两块钢板平接连接，焊接时钢板焊缝一边受热，将沿焊缝方向纵向伸长。
但伸长量会因钢板的整体性，受到钢板两侧未加热区域的限制，由于这时焊缝金属是熔化塑性状态，伸长虽受限，却不产生应力（相当于塑性受压）。
随后焊缝金属冷却恢复弹性，收缩受限将导致焊缝金属纵向受拉，两侧钢板则因焊缝收缩倾向牵制而受压，形成图2-38（b）所示的纵向焊接残余应力分布。
它是一组在外荷载作用之前就已产生的自相平衡的内应力。
2. 横向残余应力。
图2-38所示两块钢板平接除产生上述纵向残余应力外，还可能产生垂直于长度方向的残余应力。
由图中可以看到，焊缝纵向收缩将使两块钢板有相向弯曲变形的趋势（如图2-38a中虚线所示）。
但钢板已焊成一体，弯曲变形将受到一定的约束，因此在焊缝中段将产生横向拉应力，在焊缝两侧将产生横向压应力，如图2-38（c）所示。
此外，焊缝冷却时除了纵向收缩外，焊缝横向也将产生收缩。
由于施焊是按一定顺序进行，先焊好的部分冷却凝固恢复弹性较早，将阻碍后焊部分自由收缩，因此，先焊部分就会横向受压，而后焊部分横向受拉，形成如图2-38（d）所示的应力分布。
图2-38（e）是上述两项横向残余应力的叠加，它也是一组自相平衡的内应力。
3. 厚度方向残余应力对于厚度较大的焊缝，外层焊缝因散热较快先冷却，故内层焊缝的收缩将受其限制，从而可能沿厚度方向也产生残余应力，形成三相应力场。
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钢结构基本原理及设计
后冷处形成残余拉应力 后冷处形成收缩变形
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响
一. 焊接应力的影响
1. 对结构静力强度的影响
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
焊接应力自相平衡 受拉区应力面积At 受压区应力面积Ac 即At=Ac=btfy。 截面达到屈服点fy时所承受的外力 N y Ac ( B b)tf y Btf y 焊接应力不影响结构的强度 2. 对结构刚度的影响 焊接应力降低结构的刚度。 残余应力的拉杆的抗拉刚度为 （B-b）tE， 而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为 BtE 3. 残余应力影响压杆稳定性 有效面积、有效惯性矩
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
（3）合理地安排焊缝的位置 安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴， （4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。 焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残 余变形和尽量避免三向焊缝相交。 三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
破坏形式有： ①栓杆直径较小，板件较厚时，栓杆被剪断； ②当栓杆直径较大，板件较薄时，板件可能先被挤坏，栓 杆和板件挤压是相对的，叫做螺栓承压破坏； ③端距太小，端距范围内的板件有可能被栓杆冲剪破坏；
④板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉断。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。
（6）肋板不宜带锐角 焊缝不宜过分集中 板宽不同 避免仰焊
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
二. 合理的工艺措施
（1）采用合理的焊接顺序和方向。
先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，先 焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝，使焊缝有较大的横 向收缩余地。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
3. 分类 纵向焊接应力 横向焊接应力 沿厚度方向的焊接应力 （1）纵向焊接应力 （2）横向焊接应力
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
两部分组成： 其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊 缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图(a)中虚线 所示的弯曲变形。
二. 焊接残余变形的成因
焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。
1. 焊接不均匀的加热
焊接区产生热塑性压缩变形
冷却时焊接区要在纵向和横向收缩 构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转 2. 焊接残余变形 纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
纵向收缩变形和横向收缩变形
按受力情况可分为三类： 螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和 剪力作用。
一. 受剪连接的工作性能
1. 四个阶段： （1）摩擦传力的 弹性阶段 （2）滑移阶段 （3）栓杆传力弹 性阶段 （4）弹塑性阶段
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
注意受剪螺栓与受拉螺栓的区别：
螺栓受剪
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
当构件在节点处或接头一侧的螺栓沿受力方向的连接 长度l1太长时，各螺栓受力将严重不均匀，即连接两端的螺 栓受力大于中间螺栓而可能首先达到极限承载力引起破坏。
l1
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
2) 当l1＞15d0时（d0为螺栓孔径），螺栓承裁力设计值 应按下式 β 系数折减。 适用于普通螺栓、高强度螺栓和铆钉连接。
Nvb min min( Nvb , Ncb )
式中:nv——螺栓受剪面数目．取nv＝1(单剪)或 2(双剪)； Σt ——同一受力方向承压构件的较小总厚度，单剪 时取min(t1，t2)，双剪时取min(2t1，t2)。 每个螺栓所受的实际剪力应不超过其抗剪的承载力(均 按设计值)，即Nv≤ Nvbmin。
（3）由于C级螺栓与孔壁有较大间隙，只宜用于沿其杆轴 方向受拉的连接。承受静力荷载结构的次要连接、可拆卸 结构的连接和临时固定构件用的安装连接中，也可用C级螺 栓受剪。
（4）沿杆轴方向受拉的螺栓连接中的端板（法兰板）
加肋板 减少撬力 加强刚度
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
3.5.2 普通螺栓的受剪连接
计算假定： ①栓杆受剪计算时，螺栓受剪面上的剪应力是均匀分布； ②孔壁承压计算时，挤压力沿栓杆直径平面均匀分布。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
一个抗剪普通螺栓的承载力设计值Nvbmin应按抗剪承载 力设计值Nvb和承压承载力设计值Ncb的较小值采用，即： 受剪承载力设计值：
N nv ( d ) f 4
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平 截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平面)而受到其相 邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。 热应力互相阻碍
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
（3）由于钢材在600℃以上时呈塑性状态(热塑性状 态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生 塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失 时不能恢复 应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名 焊接残余应力。 Q235钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈 服点。 残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面 内的应力，因而截面上的残余应力自相平衡。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力， 而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图(b)所示。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成 有先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却 焊缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。
（3）锤击或辗压焊缝 （4）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600℃ 左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。 （5）局部加热 （6）退火法
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
§3-5 普通螺栓的构造和计算
3.5.1 螺栓的排列和其他构造要求
一. 螺栓的排列
螺栓在构件上的排列应满足受力、构造和施工要求： （1）受力要求 （2）构造要求 （3）施工要求
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形
焊缝横向收缩所引起的角变形
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
波浪式变形
扭曲变形
减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须 共同考虑的问题，必须从设计和工艺两方面来解决。
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
螺栓受拉
螺栓受拉且受剪
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
2. 抗剪螺栓连接根据被连接钢板的组合情况，通常有单剪 和双剪两种受力型式。
3. 破坏形式 (1)当螺栓直径较细而被连接钢材较厚时，可能发生螺栓 杆剪切破坏。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
(2) 当螺栓直径较粗而被连接钢材较薄时，孔壁可能 在螺栓杆局部承压或挤压下产生较大挤压应力和塑性变 形，最终导致螺栓孔拉长，称为挤压破坏。 (3) 当螺栓孔距板端距离较小时，导致板端沿最大剪 应力方向剪断。称为冲剪破坏。 (4) 当构件开孔较多使截面削弱较大时，可能发生构 件沿净截面的强度破坏。
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
§3-5 普通螺栓的构造和计算
钢结构基本原理及设计
二. 螺栓的其他构造要求
（1）为了使连接可靠，每一杆件在节点上以及拼接接头的 一端，永久性螺栓数不宜少于两个。
（2）对直接承受动力荷载的普通螺栓连接应采用双螺帽或 其他防止螺帽松动的有效措施。弹簧垫圈
钢结构基本原理及设计
通常情况下，采用构造措施避免端板被剪坏。构造措施 如下： 螺栓孔端距满足l1≥2d0，以免板端被剪坏。 对抗剪普通螺栓连接一般应计算 a. 螺栓杆抗剪强度 b. 孔壁承压强度 c. 验算构件的净截 面强度
§3-5 普通螺ห้องสมุดไป่ตู้的构造和计算
钢结构基本原理及设计
二. 单个普通螺栓的受剪计算
二. 焊接变形的影响
构件安装困难 矫正 影响尺寸和外形 初偏心 可能降低结构的承载能力 初弯曲 附加内力
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
3.4.3 减少焊接应力和变形的措施
设计和焊接工艺 一. 合理的焊缝设计
（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式 满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的hf加大 焊缝长度。 不要因考虑“安全”而任意加大超过计算所需要的 焊缝尺寸。 （2）尽可能能减少不必要的焊缝 采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，不但增加了 装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。
钢结构基本原理及设计
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
3.4.1 焊接残余应力和变形的成因
一. 焊接残余应力的成因
焊接残余应力简称焊接应力 1. 现象
2. 成因
§3-4 焊接残余应力和焊接变形
钢结构基本原理及设计
（1）焊缝出现不均匀温度场
焊缝附近温度最高，可高达1600度以上 在焊缝区以外，温度则急剧下降