焊接结构-焊接残余应力
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力的最大值也会随之降低。
低碳钢：焊接热场分布不均匀，焊接区各部 分之间的温差大，焊缝附近的压缩塑性区及 塑变量大，σx大。
铝合金：因其导热系数高，热场趋于均匀，
等温线分布接近正圆，材料加热膨胀受到的
焊接结构工程
阻碍小，塑性变形小，残余应力低。
σx≈0.6-0.8σs
钛合金：膨胀系数、弹性模量低，αE=1/3钢， 产生的塑性应变不大，σx 低。σx≈0.5-
焊接结构工程
焊接结构工程
（二）横向残余应力σy
横向残余应力是垂直于焊缝轴向的应力， 分布情况较复杂，主要由两部分组成：
(1) 焊缝及其附近的塑性变形区的纵向
收缩引起的横向应力，用σy′表示； (2) 焊缝及其附近的塑性变形区的横向 收缩的不同时性引起的横向残余应力，用 σy〞表示。
横向残余应力σy是由σy’和σy’’叠加而成
渐趋近于σS，通常把板条中部σX基本保持不变的区 域称为稳定区，把板件两端称为残余应力过渡区。
焊接结构工程
2、影响σx分布的因素
a.焊缝长度L L↑，σx增加直至屈服极限；同时，焊缝 越长，板条中部稳定区越长；随着焊缝缩短， σx减小且稳定区逐渐减小，直至消失。
焊接结构工程
b .板宽(B） 板宽不同，焊接σx分布不同
当焊缝位于平板中心，B较小时，σx分布在
整个宽度上，并随B↑，拉、压应力区交替出现， 应力区面积增大；若B很大，则σx只在焊缝附近
一定区域内分布。
当焊缝并非位于平板中心，σx在较宽一处 附近分布。
焊接结构工程 c.材质的影响 结构材质不同，其焊缝上σx的分布也不同，
随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应
焊接结构工程
1、σy ′的形成：
图2-24是由两块平板对接而成的构件，假
Biblioteka Baidu
设沿焊缝中心将构件分开，则相当于分别在两
平板相对的一侧堆焊，焊后两平板应向焊缝一 侧弯曲。若使板恢复平直，必须在每块钢板的 两端施加横向压力，在焊缝中部施加横向拉力， 由此在构件中产生了横向残余应力。 在σy′中，两端压应力的最大值比中间 拉应力的最大值大得多。
余压应力。显然，沿整条焊缝分布的σX 都为
拉应力，但拉应力的分布并不完全相同。
焊接结构工程
焊接结构工程
在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的
σS，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面 （0-0截面）处σX=0。靠近自由端面的Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ
截面σX＜σS，随着截面离开自由端距离的增加σX逐
焊接结构工程
图2-30 焊接管道的残余应力分布
焊接结构工程 减小，焊缝沿圆周长度上的收缩比平板直缝收 缩具有更大的自由度，其收缩受阻程度较小， σx比平板直缝小。
σx的大小取决于圆筒半径R、壁厚δ和焊接压
缩塑性变形区的宽度bp。
在壁厚δ不变时，σx随圆筒半径 R 的增 大而增大，随压缩塑性变形区宽度bp的增大而 减小，当半径与壁厚之比较大时，σx的分布 逐渐与平板接近。
焊接时，焊缝不是同时完成，金属各部
分在焊接时总有先后之分，先焊的部分先冷
却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分由于 恢复刚性要限制后冷却部分的横向收缩，相 当于对后焊部分施加了拉伸作用，相反，为 了平衡拉应力，后焊部分对先冷却部分相当
于施加压缩作用，这种限制与反限制就构成
σy 〞
焊接结构工程 σy 〞的分布与焊接方向、分段方法 及焊接顺序等有关。
积状态。（平行于焊缝轴线分布的应力称 为 纵 向应力 :σX ；垂直于焊 缝轴线的应力称为横向应 力 :σy；厚度方向的残余
应力：σZ）
焊接结构工程 （一）、纵向应力 1、σX的分布
在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，
其任意横截面上的应力性质均相同，即： 焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应 力，且数值一般达到材料的屈服极限σS，而稍 离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残
焊接结构工程
图2-24 纵向收缩引起横向残余应力
焊接结构工程 2、影响因素
a.焊缝长度L：
L越大， σy ′越低 b.平板宽度B 随平板宽度B↑,σy ′↓。 B↑, L/B↓,构件刚性↑,焊缝纵向切开后,纵
向收缩量↓,σy ′↓
图2-26 焊缝长度对横向残余应力的影响
焊接结构工程
3、σy〞的形成
焊接结构工程
假如最大残余拉伸应力高达屈服应力，则应力分 布如图中的曲线 1 。显然，这种情况下将产生严 重的残余应力和变形，在焊接区可能产生裂纹。 如果分布规律如曲线 2 ，高值残余拉伸应力仅局 限于狭窄区域内，则残余变形显然比上述情况要 小得多，但由于最大残余拉伸应力仍然很大，所
以也有可能在焊接区产生裂纹。如果分布规律如
焊接结构工程
从中间向两端焊接，由于中间部分先
焊接先收缩，两端后焊接后收缩，则两端 部分的横向收缩要受到中间部分的限制， 因此σy 〞的分布是；中间受压，两端受 拉；相反，从两端向中间焊接，中间受拉，
两端受压。
• 直通焊缝的σy 〞 ： 由于焊缝尾部最后焊完，其横向收缩
焊接结构工程
将受到前面焊缝的限制，尾部受到拉应力 作用；焊缝中部由于靠近尾部，受到尾部 的反作用，因此中部受压，起焊处要保证 内应力平衡，必然受到拉应力作用 • 分段退焊或分段跳焊 应力分布将出现多次拉、压应力的交 替分布，残余应力的峰值较低，因此直通
曲线3，则焊件不会产生裂纹。
焊接结构工程
3、圆筒上环焊缝引起的纵向应力 圆筒上环焊缝引起的纵向应力对于圆筒体就是 切向应力。 a. σx的分布规律： 在焊缝及其附近的区域内为拉伸应力，远离焊 缝则为压缩应力。 b. σx的特点 • 圆筒体环焊缝引起的σx比平板直缝小
圆筒体环焊缝在焊后要整体向内收缩，使半径
0.8σs钢
焊接结构工程
图2-19 高温时材料屈服强度变化
图2-20 纵向残余应力分布
焊接结构工程
图2-21高强度钢对接焊缝纵向残余应力
曲线0为低碳钢焊 件中典型的残余应 力分布，焊缝处的 最大残余应力值可 高达材料的屈服应 力 。 曲线 1 、 2 、 3 表 示 HY-130 或 HY180 等 一 些 高 强 度 钢焊件中可能出现 的纵向残余应力分 布。
焊接结构工程
第三节
焊接残余应力
通常意义的焊接应力实际包括两类：
焊接瞬时应力： 焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。
焊接残余应力： 焊接后残留于结构中的应力。
焊接结构工程
一、焊接残余应力的分布
构件厚度不大δ<15-20mm ，残余应力为纵、 横双向状态,即双轴平面应力
构件厚度较大δ>20mm ，残余应力为三轴体
低碳钢：焊接热场分布不均匀，焊接区各部 分之间的温差大，焊缝附近的压缩塑性区及 塑变量大，σx大。
铝合金：因其导热系数高，热场趋于均匀，
等温线分布接近正圆，材料加热膨胀受到的
焊接结构工程
阻碍小，塑性变形小，残余应力低。
σx≈0.6-0.8σs
钛合金：膨胀系数、弹性模量低，αE=1/3钢， 产生的塑性应变不大，σx 低。σx≈0.5-
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焊接结构工程
（二）横向残余应力σy
横向残余应力是垂直于焊缝轴向的应力， 分布情况较复杂，主要由两部分组成：
(1) 焊缝及其附近的塑性变形区的纵向
收缩引起的横向应力，用σy′表示； (2) 焊缝及其附近的塑性变形区的横向 收缩的不同时性引起的横向残余应力，用 σy〞表示。
横向残余应力σy是由σy’和σy’’叠加而成
渐趋近于σS，通常把板条中部σX基本保持不变的区 域称为稳定区，把板件两端称为残余应力过渡区。
焊接结构工程
2、影响σx分布的因素
a.焊缝长度L L↑，σx增加直至屈服极限；同时，焊缝 越长，板条中部稳定区越长；随着焊缝缩短， σx减小且稳定区逐渐减小，直至消失。
焊接结构工程
b .板宽(B） 板宽不同，焊接σx分布不同
当焊缝位于平板中心，B较小时，σx分布在
整个宽度上，并随B↑，拉、压应力区交替出现， 应力区面积增大；若B很大，则σx只在焊缝附近
一定区域内分布。
当焊缝并非位于平板中心，σx在较宽一处 附近分布。
焊接结构工程 c.材质的影响 结构材质不同，其焊缝上σx的分布也不同，
随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应
焊接结构工程
1、σy ′的形成：
图2-24是由两块平板对接而成的构件，假
Biblioteka Baidu
设沿焊缝中心将构件分开，则相当于分别在两
平板相对的一侧堆焊，焊后两平板应向焊缝一 侧弯曲。若使板恢复平直，必须在每块钢板的 两端施加横向压力，在焊缝中部施加横向拉力， 由此在构件中产生了横向残余应力。 在σy′中，两端压应力的最大值比中间 拉应力的最大值大得多。
余压应力。显然，沿整条焊缝分布的σX 都为
拉应力，但拉应力的分布并不完全相同。
焊接结构工程
焊接结构工程
在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的
σS，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面 （0-0截面）处σX=0。靠近自由端面的Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ
截面σX＜σS，随着截面离开自由端距离的增加σX逐
焊接结构工程
图2-30 焊接管道的残余应力分布
焊接结构工程 减小，焊缝沿圆周长度上的收缩比平板直缝收 缩具有更大的自由度，其收缩受阻程度较小， σx比平板直缝小。
σx的大小取决于圆筒半径R、壁厚δ和焊接压
缩塑性变形区的宽度bp。
在壁厚δ不变时，σx随圆筒半径 R 的增 大而增大，随压缩塑性变形区宽度bp的增大而 减小，当半径与壁厚之比较大时，σx的分布 逐渐与平板接近。
焊接时，焊缝不是同时完成，金属各部
分在焊接时总有先后之分，先焊的部分先冷
却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分由于 恢复刚性要限制后冷却部分的横向收缩，相 当于对后焊部分施加了拉伸作用，相反，为 了平衡拉应力，后焊部分对先冷却部分相当
于施加压缩作用，这种限制与反限制就构成
σy 〞
焊接结构工程 σy 〞的分布与焊接方向、分段方法 及焊接顺序等有关。
积状态。（平行于焊缝轴线分布的应力称 为 纵 向应力 :σX ；垂直于焊 缝轴线的应力称为横向应 力 :σy；厚度方向的残余
应力：σZ）
焊接结构工程 （一）、纵向应力 1、σX的分布
在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，
其任意横截面上的应力性质均相同，即： 焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应 力，且数值一般达到材料的屈服极限σS，而稍 离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残
焊接结构工程
图2-24 纵向收缩引起横向残余应力
焊接结构工程 2、影响因素
a.焊缝长度L：
L越大， σy ′越低 b.平板宽度B 随平板宽度B↑,σy ′↓。 B↑, L/B↓,构件刚性↑,焊缝纵向切开后,纵
向收缩量↓,σy ′↓
图2-26 焊缝长度对横向残余应力的影响
焊接结构工程
3、σy〞的形成
焊接结构工程
假如最大残余拉伸应力高达屈服应力，则应力分 布如图中的曲线 1 。显然，这种情况下将产生严 重的残余应力和变形，在焊接区可能产生裂纹。 如果分布规律如曲线 2 ，高值残余拉伸应力仅局 限于狭窄区域内，则残余变形显然比上述情况要 小得多，但由于最大残余拉伸应力仍然很大，所
以也有可能在焊接区产生裂纹。如果分布规律如
焊接结构工程
从中间向两端焊接，由于中间部分先
焊接先收缩，两端后焊接后收缩，则两端 部分的横向收缩要受到中间部分的限制， 因此σy 〞的分布是；中间受压，两端受 拉；相反，从两端向中间焊接，中间受拉，
两端受压。
• 直通焊缝的σy 〞 ： 由于焊缝尾部最后焊完，其横向收缩
焊接结构工程
将受到前面焊缝的限制，尾部受到拉应力 作用；焊缝中部由于靠近尾部，受到尾部 的反作用，因此中部受压，起焊处要保证 内应力平衡，必然受到拉应力作用 • 分段退焊或分段跳焊 应力分布将出现多次拉、压应力的交 替分布，残余应力的峰值较低，因此直通
曲线3，则焊件不会产生裂纹。
焊接结构工程
3、圆筒上环焊缝引起的纵向应力 圆筒上环焊缝引起的纵向应力对于圆筒体就是 切向应力。 a. σx的分布规律： 在焊缝及其附近的区域内为拉伸应力，远离焊 缝则为压缩应力。 b. σx的特点 • 圆筒体环焊缝引起的σx比平板直缝小
圆筒体环焊缝在焊后要整体向内收缩，使半径
0.8σs钢
焊接结构工程
图2-19 高温时材料屈服强度变化
图2-20 纵向残余应力分布
焊接结构工程
图2-21高强度钢对接焊缝纵向残余应力
曲线0为低碳钢焊 件中典型的残余应 力分布，焊缝处的 最大残余应力值可 高达材料的屈服应 力 。 曲线 1 、 2 、 3 表 示 HY-130 或 HY180 等 一 些 高 强 度 钢焊件中可能出现 的纵向残余应力分 布。
焊接结构工程
第三节
焊接残余应力
通常意义的焊接应力实际包括两类：
焊接瞬时应力： 焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。
焊接残余应力： 焊接后残留于结构中的应力。
焊接结构工程
一、焊接残余应力的分布
构件厚度不大δ<15-20mm ，残余应力为纵、 横双向状态,即双轴平面应力
构件厚度较大δ>20mm ，残余应力为三轴体