第二章 焊接应力与变形

图2-16 厚板电渣焊中沿板厚的残余应力分布 a）σz 在厚度上的分布； b）σx在厚度上的分布； c）σy在厚度上的分布
4. 在拘束状态下的焊接残余应力
• 见图2—17中的金属框架，该焊件焊后横向收缩 受到框架的限制，在框架中心部位引起拉引力σf, 这种应力平衡于整个框架截面上，称作反作用内 应力。此外，还引起了与自由状态下相似的横向 内应力σy。焊接接头的实际横向内应力是这两项 内应力的综合。 • 如果框架中心构件上的焊缝是纵向的，则由焊缝 引起的纵向收缩受到限制，将产生反作用力σf。 此时，还引起纵向应力σx，最终的纵向内应力将 是两者的综合。但是其最大应力受到屈服极限σs 的限制，见图2—18。
2.2.2 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. 厚板中的残余应力 4. 在拘束状态下的焊接残余应力 5. 封闭焊缝中的残余应力 6. 焊接梁柱中的残余应力 7. 圆筒纵环缝中的焊接残余应力
1. 纵向残余应力σx的分布
图2-9 焊缝各截面中σx 的分布
2.2.1 焊接残余应力的分类
1. 按产生的原因分 2. 按应力存在的时间分 3. 按应力在焊件内的空间位置分
1. 按产生的原因分
（1）热应力 它是在焊接过程中焊接内部的 温度有差异引起的应力，故又称温差应力。 （2）相变应力 它是在焊接过程中局部金属 发生相变，其比体积增大或减小而引起的 应力。 （3）塑变应力 是指金属局部发生拉伸或压 缩塑性变形后所引起的内应力。
图2-21 焊接梁、柱的纵向残余应力分布
7. 圆筒纵环缝中的焊接残余应力
• 圆筒纵向焊缝在圆筒或圆锥壳体中引起的 残余应力分布类似于平板对接，如图2—22 所示。但焊接残余应力的峰值比平板对接 焊要小。
图2-22 圆筒环焊缝纵向残余应力分布
2.2.3 焊接残余应力对焊件性能的影响
1. 对焊接结构强度的影响 2. 对构件加工尺寸精度的影响 3. 对受压杆件稳定性的影响 4. 残余应力对应力腐蚀的影响
4. 残余应力对应力腐蚀的影响
• 应力腐蚀开裂是对拉应力和介质腐蚀共同作用下 产生裂纹的一种现象。其原因是由于在拉应力作 用下对金属表面腐蚀钝化膜的破坏而加速腐蚀破 坏过程。拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间 越早。如有残余拉应力和工作应力叠加，则会加 速应力开裂。 • 焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸 精度、结构稳定性及腐蚀的影响外，还对结构的 刚度、疲劳强度有不同程度的影响。因此，为了 保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在 焊接过程中减小焊接残余应力，有些重要的结构， 焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。
图2-3 金属屈服极限与温度的关系 1－钛合金； 2－低碳钢； 3－铝合金
3. 构件中焊接应力与变形的产生
（1）长板条中心加热 （2）长板条非对称加热（一侧加热） （3）受拘束的杆件在均匀加热时的应力与变 形
（1）长板条中心加热
（1）长板条中心加热
图2-4 长板条中心受热
图 2-5 板条中心加热的应力与变形
2. 按应力存在的时间分
（1）焊接瞬时应力 是指在焊接过程中，某 一瞬间的焊接应力，它随时间而变化。 （2）焊接残余应力 是焊件焊完冷却后残留 在焊件内部的焊接应力，焊接残余应力对 焊接结构的强度、耐蚀性和尺寸稳定性等 使用性能有影响。
3. 按应力在焊件内的空间位置分
（1）一维空间应力 即单向（或单轴）应力。 应力沿焊件的一个方向作用。 （2）二维空间应力 即双向（或双轴）应力。 应力在一个平面内不同方向上作用，常用 平面直角坐标系表示，如σx 、σy。 （3）三维空间应力 即三向（或三轴）应力。 应力在空间所有方向上，常用三维空间直 角坐标表示，如σx 、σy 、 σz 。
第2章 焊接应力与变形
2.1 焊接应力与变形的产生
2.1.1 焊接应力与变形的基本概念 2.1.2 焊接应力与变形产生的原因
2.1.1 焊接应力与变形的基本概念
1. 焊接变形 2. 内应力与焊接应力
1. 焊接变形
• 物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变 化，这种变化称为物体的变形。当使物体产生变形的外力 或其他因素去除后变形也随之消失，物体可以恢复原状， 这样的变形称为弹性变形。当外力或其他因素去除后变形 仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。 • 以一根金属杆的变形为例，当温度为T0时，其长度为L0 ， 均匀受热，温度上升到T时，如果金属杆不受阻碍，杆的 长度增加至L，其长度的改变⊿LT=L-L0，⊿LT就是自由变 形，如果金属杆件的伸长受阻碍，则变形量不能完全表现 出来，就是非自由变形，其中，把能表现出来的这部分变 形称为外观变形，用⊿Le表示；而未表现出来的变形称为 内部变形，用⊿L表示。在数值上⊿L =(⊿LT － ⊿Le)，见 图2－1。
1. 对焊接结构强度的影响
• 没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一 定的塑性变形能力，焊接内应力并不影响结构的 静载强度。但是，当材料处于脆性状态时，拉伸 内应力和外载引起的拉应力叠加就有可能使局部 区域的应力首先达到断裂强度，降低结构的静载 强度，使之在远低于屈服点的外应力作用下就发 生脆性断裂。因此，焊接残余应力的存在将明显 降低脆性材料结构的静载强度。工程中有很多低 碳钢和低合金钢结构的焊接结构发生过低应力脆 断事故。
图2-19 容器接管焊缝
图2-20 圆盘镶块封闭焊缝所引起的焊接应力
6. 焊接梁柱中的残余应力
• 见图2—21所示，T形梁、工字梁和箱形梁 的残余应力分布情况，对于此类结构，可 以将其腹板和翼板看作是板边堆焊或板中 心堆焊，焊缝及附近区域中总是存在较高 的纵向拉应力，而在腹板的中部，则会产 生纵向压应力。
图2-10 不同长度焊缝中σx 的分布
图2-11 钢板对接焊时纵向残余应力的分布
2. 横向残余应力σy的分布
（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引 起的横向残余应力σy′ （2）横向收缩所引起的横向残余应力σy ″
（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收 缩引起的横向残余应力σy
• 图2—12（a ）是由两块平板条对接而成的构件， 如果假想沿焊缝中心将构件一分为二，即两块板 条都相当于板边一侧堆焊，将出现如图2—12（b） 所示的弯曲变形，要使两板条恢复到原来位置， 必须在焊缝中部加上横向拉应力，在焊缝两端加 上横向压应力，由此推断，焊缝及其附近塑性变 形区的纵向收缩引起的横向残余应力σy′如图2— 12（c）所示。各种长度的平板条对接焊，其σy′ 的分布规律基本相同，但焊缝越长，中间部分的 拉应力越低，如图2—13所示。
2. 研究焊接应力与变形的基本假设
（1）焊接温度场假定 通常将焊接过程中的某一瞬间焊接接头中各点的 温度分布状态称为焊接温度场。在焊接热源的作用下，构件上各点的 温度在不断地变化，这是一个复杂的热循环过程，可以认为达到某一 极限热状态时，温度场不再改变，这样的温度场称为极限温度场。 （2）平截面假定 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即构 件只发生伸长、缩短、弯曲、其横截面只发生平移或偏转，截面本身 并不变形。 （3）金属性质不变的假定 假定焊接过程中材料的某些热物理性质，如 线膨胀系数、热容、热导率等均不随温度而变化。 （4）金属屈服点假定 金属屈服点与温度的实际关系如图2—3实线所示， 为了讨论问题的方便，我们将它简化为图2—3中虚线所示。即在 500℃以下，屈服点与常温下相同，不随温度而变化；500℃～600℃ 之间，屈服点迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。 我们把材料屈服点为零时的温度称为塑性温度。
图2-17 横向拘束下焊接的内应力
图2-18 纵向拘束状态下焊接的内应力
5. 封闭焊缝中的残余应力
• 在容器、船舶等板壳结构中经常会遇到如 图2—19所示的接管、人孔接头和镶块之类 的结构，这些构造上都有封闭焊缝，都是 在较大的拘束下焊接而成的。图2—20中圆 盘中焊入镶块的残余应力，径向内应力σr为 拉应力，切向应力σθ在焊缝附近最大为拉 应力。由焊缝向外侧逐渐下降为压应力由 焊缝向中心达到一均匀值。拘束度越大， 镶块中的内应力也越大。
图2-12 纵向收缩引起的横向残余应力σy′的分布
图2-13 不同长度平板对接焊时σy′的分布
（2）横向收缩所引起的横向残余应力 σy ″
• 在焊接结构上一条焊缝不可能同时完成，总有先 焊和后焊之分，先焊的先冷却，后焊的后冷却， 先冷却的部分又限制后冷却的部分的横向收缩， 就引起了横向残余应力σy ″。σy ″的分布与焊接方 向、分段方法及焊接顺序有关。总之，横向残余 应力的两个部分σy′、σy ″同时存在，焊件中的横 向残余应力是由σy 合成的，它的大小要受σs的限 制，见图2—14。 • 横向应力与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊 缝截面上相似，但是离开焊缝的距离越大应力值 越低，到边缘上σy等于零。从图2—15中可以看 出，离开焊缝σy就迅速衰减。
图2-1 金属杆件的变形 a) 自由变形量； b) 可见变形量
• 对于低碳钢一类材料，应力－应变曲线可 以简化为图2－2中OST线，即当试棒中的 应力达到材料的屈服极限σs后不再升高。
图2-2 低碳钢的σ－ε图
2. 内应力与焊接应力
• 内应力是在焊接结构上无外力作用时保留 于物体内部的应力。这种应力存在于许多 工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊 接结构等。内应力是造成物体内部的不均 匀变形而引起的应力。内应力的显著特点 是在物体内部自成平衡的，形成一个平衡 力系。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。
2.1.2 焊接应力与变形产生的原因
1. 焊接结构产生应力和变形的原因 2. 研究焊接应力与变形的基本假设 3. 构件中焊接应力与变形的产生
1. 焊接结构产生应力和变形的原因
• 金属的焊接是局部加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，焊缝及其 附近区域的金属被加热至熔化，然后逐渐冷却凝固，再降至常温。近 缝区的金属也要经历从常温到高温，再由高温降至低温的热循环过程。 由于焊件各处的温度极不均匀，所以各处的膨胀和收缩变形也差别较 大，这种变形不一致导致了各处材料相互约束，这样就产生了焊接应 力和变形。 • 在焊接过程中，由于接头形式的不同，使得焊接熔池内熔化金属的散 热条件有所差别，这样使得熔化金属凝固时产生的收缩量亦不相同。 这种熔化金属凝固、冷却快慢不一引起收缩变形的差别也导致了焊接 应力和变形的产生。 • 在焊接过程中，一部分金属在焊接热循环作用下发生相变，组织的转 变引起体积变化，也产生应力和变形。 • 受焊前加工工艺的影响，施焊前构件若经历冷冲压等工艺而具有较高 的内应力，在焊接时由于应力的重新分布，则形成新的应力和变形。 • 以上所述的几种因素在焊接结构的制造中是不可避免的，因此焊接结 构中产生应力和变形是必然的。
图2-14 不同方向焊接时σy ″的分布
图2-15 横向应力沿板宽上的分布
3. 厚板中的残余应力
• 厚板焊接结构中除了存在着纵向应力σx和 横向应力σy 外，还存在着较大的厚度方向 的应力σz，这三个方向的内应力在厚度上 的分布极不均匀，其分布的规律对于不同 的焊接工艺有较大的区别。例如在厚度为 240mm的低碳钢电渣焊缝中，内应力分布 如图2—16 ，该焊缝中心存在三向均为拉伸 的残余应力。
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2. 对构件加工尺寸精度的影响
• 焊件上的内应力在机械加工时，因一部分 金属从焊件上被切除而破坏了它原来的平 衡状态，于是内应力重新分布以达到新的 平衡，同时产生了变形，使加工精度受到 影响。
3. 对受压杆件稳定性的影响
• 当外载引起的压应力与内应力中的压应力 叠加后达到σs 时，则这部分截面就丧失了 进一步承受外载的能力，于是削弱了杆件 的有效截面，使压杆的失稳临界应力σcr下 降，对压杆稳定性有不利的影响。压杆内 应力对稳定性的影响与压杆的界面形状和 内应力分布有关，若能使有效截面远离压 杆的中性轴，可以改善其稳定性。
（2）长板条非对称加热（一侧加热）
（2）长板条非对称加热（一侧加热）
图 2-6 板条一侧受热的应力和变形
图2－7 长板条一侧受热后产生的残余应 力和变形
图2-8 平板中心焊接的内应力分布
（3）受拘束的杆件在均匀加热时的应力 与变形
2.2 焊接残余应力
2.2.1 焊接残余应力的分类 2.2.2 焊接残余应力的分布 2.2.3 焊接残余应力对焊件性能的影响 2.2.4 减少焊接残余应力的措施 2.2.5 消除焊接残余应力的方法