第二章 焊接应力与变形
焊接应力与变形及其预防和校正措施
焊接应力与变形及其预防和校正措施焊件不均匀局部加热和冷却是导致焊接应力和变形产生的根本原因。
1.焊接变形的基本形式a)收缩（纵向、横向）变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形 f)错边（长度方向、厚度方向）变形σ＞σs时，产生变形σ＞σb时，产生裂纹，甚至断裂2.预防和减小焊接应力及变形的措施1）合理设计焊接结构（减少焊缝长度和截面积、尽量采用对称焊缝、避免交叉焊缝）；2）焊前预热（焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。
此法称为加热减应区法：如图a)焊前b)焊后）；3）反变形法4）刚性固定法5）选择合理焊接顺序a)焊接顺序应能使焊件自由收缩 b)对称焊接法 c)长焊缝的分段焊法 d)工字梁的焊接方法6）锤击焊缝法3.焊接变形的校正1）机械矫正法a)压力矫正 b)锤击矫正变形的步骤2）火焰矫正法a）T形梁的火焰矫正 b)薄板波浪变形的火焰矫正4.焊接接头设计1）焊接结构应尽量选用型材成冲压件a)用四块钢板焊成 b)用两根槽钢焊成 c)用两根钢板弯曲后焊成 d)容器上的铸钢件法兰2）合理布置焊缝①焊缝布置应尽量分散a)、b)、c)不合理 d)、e)、f)合理②焊缝和位置应尽量对称布置a)、b)不合理 c)、d)、e)合理③尽量减少构件成焊件接头部位的应力集中a)不合理 b)合理④焊缝应避开最大应力和应力集中部位a)、b)、c)、d)不合理 e)、f)、g)、h)合理⑤对不同厚度钢板的受力对接接头，要采用工艺措施⑥在满足使用要求的前提下，应尽量减少焊缝对结构附加应力的影响a)次要焊缝影响主要受力构件 b)附加元件（卡箍）代替次要焊缝。
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,
焊接应力与变形及措施
焊接应力与变形：4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响：焊接变形{1.影响工件形状、尺寸精度2.影响组装质量3.增大制造成本———矫正变形费工、费时4.降低承载能力———变形产生了附加应力焊接应力{1.降低承载能力2.引起焊接裂纹，甚至脆断3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹4.引起变形4.2.2 焊接变形和应力的产生原因：根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8焊接应力{焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示）远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示）焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力焊接变形：当焊接应力超过金属σｓ时，焊件将产生变形焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。
4.2.3 焊接变形的控制和矫正：4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型1、2---纵向收缩量 3---横向收缩量 4、5---角变形量 f---挠度（1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。
如图5-2-9 a（2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。
如图5-2-9b（3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。
通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。
如图5-2-9c（4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。
如图5-2-9d（5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。
如图5-2-9e4.2.3.2 控制焊接变形的措施（1）设计措施（详见焊接结构设计）尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。
如图6-2-10图6-2-10 焊缝位置安排（2）工艺措施①反变形法：即焊前使构件产生与焊接残余变形方向相反的变形，使焊后变形相互抵消。
焊接应力与变形产生的原因及对策
焊接应力与变形产生的原因及对策
焊接过程中，由于焊接热量的作用，会引起材料的膨胀和收缩，从而产生应力和变形。
这些应力和变形会影响焊接件的尺寸精度、强度和耐久性，甚至导致焊接件出现裂纹和变形失效。
造成焊接应力和变形的原因主要有以下几个方面：
1. 热应力：焊接过程中，由于焊接热量的作用，使得焊接区域的温度急剧升高，从而引起材料的扩张和收缩。
这种温度差异会产生热应力，导致焊接件发生变形和应力。
2. 冷却应力：焊接完成后，焊接件会迅速冷却，冷却速度过快会导致焊接件表面和内部温度梯度过大，产生冷却应力，进而引起应力和变形。
3. 材料不匹配：焊接材料的热膨胀系数、熔点、硬度等物理性质不同，容易导致焊接区域产生应力和变形。
4. 焊接结构设计不合理：焊接结构设计不合理，如焊接位置不当、焊接接头不够强壮等，容易导致应力集中和变形。
针对焊接应力和变形的问题，可以采取以下对策：
1. 控制焊接热量：采用合适的焊接参数，控制焊接热源的大小和位置，以减少焊接区域的温度梯度，从而降低应力和变形。
2. 加强冷却措施：在焊接完成后，采取适当的冷却措施，如缓慢冷却、局部加热等，以减少焊接件的冷却速度，从而降低冷却应力。
3. 选择合适的焊接材料：选择合适的焊接材料，如选择热膨胀
系数和熔点相似的材料，可以减少焊接区域的应力和变形。
4. 优化焊接结构设计：优化焊接结构设计，加强焊接部位的加强设计，采用适当的焊接方式和焊接技术，可以减少应力集中和变形。
总之，采取合适的对策，可以有效地控制焊接应力和变形，提高焊接件的质量和性能。
焊接应力与变形
●焊接应力与变形1.焊接应力与变形产生的原因焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。
焊接加热时，图F-4(a)中虚线既表示接头横截面的温度分布，也表示金属能自由膨胀时的伸长量分布。
实际上接头是个整体，由于受工件未加热部分的冷金属产生的约束，无法进行自由膨胀，平板只能在整个宽度上伸长ΔL,因此焊缝区中心部分因膨胀受阻而产生压应力(用符号“-”表示)，两侧则形成拉应力(用符号“+”表示)。
焊缝区中心部分的压应力超过屈服强度时，产生压缩塑性变形，其变形量为图F-4(a)中被虚线包围的无阴影部分。
焊后冷却时，金属若能自由收缩，则焊件中将无残余应力，也不会产生焊接变形，但由于焊缝区中心部分已经产生的压缩塑性变形，不能再恢复，冷却到室温将缩短至图F-4(b)中的虚线位置，两侧则缩短到焊前的原长L。
这种自由收缩同样是无法实现的，平板各部分收缩会互相牵制，焊缝区两侧将阻碍中心部分的收缩，因此焊缝区中心部分产生拉应力，两侧则形成压应力。
在平板的整个宽度上缩短ΔL′，即产生了焊接变形。
图F-4 平板对焊的应力与分布(a)焊接过程中；(b)冷却后2.焊接变形的几种基本形式图F-5 焊接变形的基本形式(a)收缩变形；(b)角变形；(c)弯曲变形；(d)扭曲变形；(e)波浪变形1)收缩变形：收缩变形是工件整体尺寸的减小，它包括焊缝的纵向和横向收缩变形。
2)角变形：当焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向收缩上下不均匀，引起角变形。
V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。
3)弯曲变形：由于焊缝在结构上不对称分布，焊缝的纵向收缩不对称，引起工件向一侧弯曲，形成弯曲变形。
4)扭曲变形：对多焊缝和长焊缝结构，因焊缝在横截面上的分布不对称或焊接顺序和焊接方向不合理等，工件易出现扭曲变形。
5)波浪变形：焊接薄板结构时，焊接应力使薄板失去稳定性，引起不规则的波浪变形。
实际焊接结构的真正变形往往很复杂，可同时存在几种变形形式。
焊接应力与变形
薄板拼接时的刚性固定 30
焊接教学
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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焊接教学
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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焊接教学
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
• 如果压应力小于金属材料的屈服点，则当 杆件温度从T1恢复到T0时，若允许杆件自 由收缩，则杆件将恢复到原来长度L0，杆 件中不存在应力。
• 如果杆件温度很高，产生的压应力大于材 料的屈服点，则杆件产生塑性变形”，在 杆件温度恢复到了。的自由收缩结束后， 将比原来缩短，产生了压缩塑性变形。
9
焊接教学 焊接应力与变形的产生
➢ 焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向缩短 。
➢ 焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向缩短。
18
焊接教学
焊接残余变形
2．角变形
• 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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焊接教学
焊接残余变形
3. 弯曲变形
• 3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应 先焊焊缝少的一侧。
压力机压型上模的焊接顺序
35
焊接教学
焊接残余变形
4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊 。
圆筒体对接焊缝焊接顺序
36焊接教学焊接来自余变形• 5）长焊缝（1m以上）焊接时，可采用下图所示 的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变 形。
焊接应力与变形
（1）纵向收缩引起的弯曲变形
焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形 （2）横向收缩引起的变曲变形
焊缝的横向收缩引起的弯曲变形
焊接残余变形
4.波浪变形
波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过 程中，又称之为失稳变形。
焊接残余变形
（1）点状加热
（2）线状加热
焊接残余变形
（3）三角形加热
工字梁弯曲变形的火焰矫正
火焰加热矫正焊接变形的取决于下列三个因素： （1）加热方式 （2）加热位置 （3）加热温度和加热区的面积
焊接残余应力
本节主要内容： 一、焊接残余应力的分类； 二、焊接残余应力的分布； 三、焊接残余应力对焊接接头的影响； 四、减小焊接残余应力的措施； 五、消除残余应力的措施； 六、焊接残余应力的测定方法。
在疲劳节段专门进行讲解。
3.残余应力对机械加工精度的影响
机械加工后，原内应力的平衡打破， 工件将产生变形。
机械加工引起内应力释放和变形
焊接残余应力
4.残余应力对受压杆件的影响
波浪变形是构件由于内应力产生构件局部失稳 造成。
当杆件的长细比λ（大于150),失稳临界应力 本来就低,或内应力较低时,外载应力与残余应力 之和在失稳之前未达到屈服极限,残余应力对稳定 性不会产生影响。
焊后，当焊件温度降至常温时，残存于焊件中的应 力称为焊接残余应力，焊件上不能恢复的变形称 为焊接残余变形。
钢受热时力学性能的变化
为了便于讨论，对于低碳钢材料作如下假设：在 0～500℃时，屈服点不变，而在500～600℃时， 按直线规律减小到零。600℃以上时，就变为塑 性材料
焊接应力与变形
第二章焊接应力与变形本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接应力的分布规律；焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力；焊接变形的种类，焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。
第一节焊接应力与变形的产生一、应力与变形的基本知识1．应力物体在单位截面上表现的内力称为应力。
根据引起内力的原因不同，应力可分为：工作应力：物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。
内应力：物体在无外力作用下而存在于内部的应力。
内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。
2．变形物体在外力或温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。
按变形性质可分为：弹性变形和塑性变形；按变形的拘束条件可分为：自由变形和非自由变形。
二、研究焊接应力与变形的基本假定（1）平截面假定（2）金属性能不变的假定（3）金属屈服点的假定三、焊接应力与变形的产生原因影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其最根本的原因是焊件受热不均匀。
为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。
1．均匀加热时引起应力与变形的原因（1）不受约束的杆件，均匀加热属于自由变形，无残余应力，无残余变形。
（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力与残余变形。
如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。
当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。
①若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。
焊接应力与变形产生的原因及对策
焊接应力与变形产生的原因及对策焊接应力与变形产生的原因介绍焊接应力与变形是经常出现的焊接缺陷，这种缺陷的产生很多原因，但最主要的原因是焊接过程中产生的热胀大于材料的热膨胀，也就是说，材料热膨胀系数小于焊接膨胀系数。
在焊接的过程中，焊接处的温度可能达到1000℃以上，而焊接附近的温度可能仅仅只有300℃——400℃，材料的物理性质和结构都——在焊接过程中会发生变化，焊缝周围的材料成分会发生变化，并且焊接产生的残余应力会累积在焊缝中，焊缝区域内及其附近地区因残余应力而发生变形，如何预防焊接应力与变形预防焊接应力与变形，可以从多方面对焊接技术进行控制来实现，这些控制项包括焊接方法、焊接技术、焊条的选择和其他技术条件。
1、焊缝的选择。
根据连接部位的不同，采用适当的焊缝形式，以减少焊缝的数量和长度，其目的是减少因焊接而产生的应力集中。
2、选择正确方法。
在选择焊接工艺方法时，需要充分考虑焊件的材料、外观和结构等因素，决定最佳的焊接工艺，同时要考虑焊缝段的形状、数量和使用的焊接方法，充分考虑拉伸收缩等控制，避免焊接收缩和拉伸的不匹配。
3、选择熔剂。
采用合理的焊材，使焊接条件相容，有利于弥补焊缝段的收缩、膨胀、拉伸等不平衡度，减少焊缝的应力和变形。
4、正确加热。
应采用合理的焊接工艺参数，增加焊缝的温度，增加焊缝的形变速率。
要避免过冷、过热，缩短焊接项之间的温度梯度，保持温度均匀，以便消除焊缝段中的残余应力时，材料内各个部位的温度变化曲线均匀，减少焊接应力。
5、实验及控制。
在焊接过程中，应实施alexis试验，根据alexis试验结果判断最后的焊接质量，借助图像质检等技术，检测焊缝的残余应力积累情况，及时发现残余应力，采取必要的措施控制，避免出现焊接应力和变形。
以上就是焊接应力与变形的原因及其预防措施的介绍，希望通过上述知识的介绍可以帮助读者更好地了解并预防焊接应力和变形。
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
15
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
哈工大《焊接结构学》方洪渊 第二章 课件
6.激光全息散斑干涉法
激光全息散斑干涉法：一次全息图
激光全息散斑干涉法： 反映应变场的干涉云纹图
激光全息散斑干涉法： 测试结果
4）超声波测量法 测量原理：
应力水平不同导致超声波传播速度的差异 适用范围：测量大尺寸构件内部的三维平均应力
目前尚处于实验室研究阶段，精度低
三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力
• 研究的前提条件：平面假设原理 • ㈠长板条中心加热
截取板条的单位长度研究
温度低，无塑性变形,应力平衡：
B/2
Y ..dx B / 2
B/2
E [ e f (x)]dx 0 B / 2
温度高，产生塑性变形，残余应力：B NhomakorabeaB
2
2
Y dx E (‘e p )dx
㈢焊接应力应 变的演变过程
㈣焊接热应变循环
近缝区的两种情况a)无相变；b)有相变
（焊缝）金属在高温时的延性和断裂
①脆性温度区 ②热裂纹产生
条件 ③热应变脆化
㈤焊接瞬态应力变形研究的新发展
有限元法和计算机技术的应用取代简单计算
§2－2 焊接残余变形
焊接残余变形的分类：分七类
㈠纵向收缩变形 ㈡横向收缩变形
五、波浪变形
产生原因：受压部位失稳
螺旋形变形
八、预防焊接变形的措施
㈠设计措施 1.合理选择焊缝尺寸和形式
开坡口的好处: 减小变形 节省人力物力
减小焊接变形措施:坡口选取
设计措施之二 2.减少不必要的焊缝
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
焊接应力与变形焊接应力和变形主要与焊接热循环及拘束度有关，其分布大小取决于：线膨胀系数、弹性模量、屈服点、形状、尺寸和温度场。
温度场又与导热系数、比热、密度及工艺参数和条件相关。
一、T 型梁焊接变形及控制1、焊接变形产生的原因在构件焊接过程中，焊缝中心及周围母材被加热到各种不同的温度，远离电弧区，温度越低，形成极大温度梯度的温度场（电弧区的温度达1500℃以上，热影响区为450℃左右）。
在加热过程中产生了压缩塑性应变，随后冷却到原来温度过程中，构件中便产生了残余应力，并且构件的形状尺寸发生了变形。
2、T型梁焊接变形解决思路。
（1）合理的设计接头T型梁为主要承载部位，为了保证接头的强度，接头设计为全熔透坡口。
为了尽量减少填充金属且保证T型接头的强度，同时要求焊后的变形尽量小布置腹板两侧焊道数量相同。
最终，此T接头采用K型坡口，接头设计要求如图1示。
（2）合理的焊接工艺严格控制热输入，焊前将接头烘干，并将焊件加热至要求最低温度66℃，且将焊接过程中最大层间温度控制为200℃。
由于板厚较大，填充量大，所以采用埋弧焊（横焊）。
焊接时，按接头长度分为四段，分段进行焊接。
并且在施焊过程中，图1 接头设计（K型坡口）从接头腹板的两侧同时焊接，可以防止或减少因先单面焊接而引起的变形。
（3）采用刚性固定从翼缘板一侧施焊，若没有刚性约束，焊后翼缘板将产生如图2所示的变形。
因此在焊前将T型梁的翼缘板焊接于基准胎架的临时定位板之上，并在翼缘板的同侧焊上临时防变形板，可防止或减少焊后翘起变形，如图3所示。
焊接前焊接后侧视图俯视图图2 焊接变形图3 刚性固定当T型接头焊接完后根据标准要求，对腹板的弧度进行测量、矫正。
构件在焊接完毕后产生变形是必然的，矫正可以火焰矫正，也可以机械矫正。
火焰矫正对焊后构件变形的矫正能够起到明显的效果。
3、与理论的联系焊前可根据变形趋势和大小，对构件进行合理的接头设计和工艺设计来控制变形，采用合适的焊接参数、焊接方向、焊接顺序能够改善变形程度，刚性固定可以抵消部分焊接应力。
焊接结构-第二章(2011)-应力
Welding Structure analysis
第二节 焊接残余应力（Residual stress）
一、焊接残余应力的分布
1.纵向应力 ： (1)低碳钢板中σx的分布
沿焊缝横截面上的分布 在截面Ⅲ- Ⅲ上，中心σx=σs受拉，两σx应力，边缘处最大。 板条较长时
板条较短时，
2
s时 ，
'x
1 1 , ' rx r x
' cr
…………., 残余应力的存在改变了构件的有效承载截 面积，使构件的抗弯刚度变化，当远离截面惯性中心的残余 应力为压应力时，残余应力会降低构件的稳定性，当远离截 面惯性中心的残余应力为拉应力时，残余应力不会降低构件 的稳定性。
纵向应力σx引起的横向应力σ’y
a.
力的分布： 中间受拉，两侧受压。板宽越小，弯曲越利害，中间 拉力越大，压应最大值比最大拉应力大
b.焊缝长度的影响： 焊缝长度过长时，中间拉应力将有所下降
不同尺寸平板对接时σy’ 的分布
(2)σy"
由焊缝收缩引起的σy"与焊接顺序密切相关， 直 通焊、分中焊、分段退焊时σy" , 有不同的分布特征。 a.原因： 焊缝完成的不同时性，先焊部分限制后焊部分的横 向收缩，形成σy"。 b.分布： 先焊部分σy"<0，后焊部分σy">0; c.焊接顺序的影响 c1.直通焊──力的平衡 c2.分中焊，两种形式 ── 一般压缩区段较直通焊时短，最大应力也较低.
4. 残余应力对构件尺寸稳定性的影响
有残余应力的工件，一旦进行切削加工，必定破坏原 始残余应力的平衡状态，内应力将发生重新分布，其结果 必然使加工的工件发生变形，加工精度受到影响。
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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
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2-17 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2-21 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2-16 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。
图2-10 不同长度焊缝中σx 的分布
图2-11 钢板对接焊时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. 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。
2.1.2 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。
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。
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。
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
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。