焊接变形与应力讲解
第6章 焊接应力与变形讲解
（2）组织应力 金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相
变导致体积变化而引起的应力叫组织应力。 我们知道金属加热冷却时，材料内部组织
要发生相变，而相变时体积也将发生变化，冷 却时的相变往往是体积增大，如果这个增大是 发生在金属的刚性恢复温度之下，那么周围恢 复了刚性的部分金属将阻碍这个体积增大，这 就将产生新的应力：组织应力，也叫相变应力。 对于低碳钢，刚性恢复温度是600度，而它 的奥氏体转变温度是600~700度之间，600度以 下没有相变发生，所以低碳钢不存在组织应力。 有不少合金元素能降低金属的相变点，所以合 金钢焊接时往往产生组织应力。
2、对接接头 （1）原因 有两个原因： 一方面：焊接时随热源的移动，焊件被加
1、堆焊 （1）原因： 加热不同时 → 前后各点温度不同 → 膨胀受阻
→ 压缩塑变 → 横向收缩 在实际焊接过程中，在焊缝长度上的加热
并不是同时进行的，因此焊缝长度方向上各点 的温度不一致，在热源附近的金属膨胀变形， 不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低处 的金属的限制和拘束，使之承受压力而在宽度 方向上产生压缩塑性变形由此产生横向收缩变 形。
3、弹性内部应变（ε’）和塑性内部应变（ε”）
不可见应变既然没有表现出来，它就一定
会以另一种形式顽强的表现自己，这种形式就 是应力，它以应力的形式存在于物体内部，应 力的大小服从虎克定律，即σ=Eε,应力的大小 与内部应变量ε成正比，当内部应变量ε不太大 的内部话应，变它是产弹生性的的应力,叫小弹于性屈内服部极应限变σ，S ,以这ε时’表的示， 弹性内部应变是可以恢复的，也就是说，当温 度将由 逐T步1恢减复小到并T消0时失，。随着温度的下降，ε’和σ
度杆恢件复将到 缩短T0ε之”。后，塑性内部应变将保留下来，这样原 这里杆件的缩短可能不好理解，大家也可以这样看，
焊工工艺学焊接应力与变形
2.工艺措施
1. 正确的确定装配、焊接顺序
• 不正确的装配次序：工字构件， 先丁字，然后在装另一块盖板， 焊后仍有较大的挠度
• 丁字
f1,2
P eL L2 8EJL
• 工字
f 3, 4
P eI L2 8EJI
• 正确应该是，先点固成工字， 然后焊接，注意次序
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焊接残余应力的影响
3 对疲劳强度的影响（研究不够充 分）
4 对应力腐蚀的影响
原因：拉应力和介质、腐蚀共同作 用下产生裂纹的一种现象，拉应 力越大，发生应力腐蚀开裂的时 间越早。
5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次
加载，卸载后，以后再次加载， 只要其大小不超过前一次，残余 应力不再起作用，外载也不影响 焊件内部残余应力的分布
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刚性固定法
• 在无反变形的情况下，将 构件加以固定来限制焊接 变形，（在焊法兰盘上）， 防止角变形和波浪变形较 好
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合理的选择焊接的方法和焊接规范
• 选择线能量较低的焊 接方法，采用多层焊 代替单层焊
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（4）散热法 焊接时用强迫冷却的方法使焊 接区散热，由于受热面积减少而达到减少 变形的目的。散热法对减少薄板工件的焊 接变形比较有效，但散热法不适用于焊接 淬硬性较高的材料。
2.工艺措施
2.选择适当的施焊次序和方向 原则：
1.当结构形心轴两侧有焊 缝时，先焊少的一侧 2.先焊离构件形心轴近的 ，对构件变形影响大的 最后焊 3.截面对称的构件应对称 的交替焊，尽可能增加 翻转辅助时间
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反变形法
第二章 焊接应力与变形
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。
焊接应力与变形
喷水冷却；紫铜散热板
如图示
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圆筒体对接焊缝焊接顺序 返 回
散热法示意图 返 回
不对称焊缝的焊接 先焊
后焊 返 回
长焊缝（1m以上）焊接 总体的焊接方向
２
分段退焊示意图
５
返 回
反变形法
焊接之前
焊接后 返 回
将焊件固定在刚性平台上。 薄板拼接时的刚性固定
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
工字梁的扭曲变形
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焊接残余应力基本知识
一、焊接残余应力的分类
1. 按产生应力的原因分 （1）热应力 （2）组织应力（相变应力） （3）凝缩应力应力 （4）拘束应力 （5）氢致应力
2. 按应力存在的时间分 （1）焊接瞬时应力 （2）焊接残余应力
二、焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力 x的分布
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
利用临时支撑增加结构的拘束。
防护罩焊接时的临时支撑
返
回
控制残余应力的措施
1. 设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。 2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够 的 距离。
3）采用刚性较小的接头形式。 减小接头的刚性措施
2.工艺措施
交叉焊缝的焊接 返 回
受力最大的焊缝应先焊 返 回
加热“减应区”法
黄色的区域代表焊缝
返
红色的区域代表加热区域
回
焊接残余变形的矫正
1）机械矫正法：平板机、千斤顶（5-300吨手动液压千 斤顶顶起的最大高度是160-180mm）
卷板机（最多可4辊）
如图示
2）火焰矫正法：将伸长的部分加热 500℃-800℃（褐 红色）然后自然或强冷
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
焊接变形与应力
焊接变形与应力
31
焊接残余变形
3)对于焊缝非对称布置的结构,装配焊接时应先 对于焊缝非对称布置的结构, 焊焊缝少的一侧. 焊焊缝少的一侧.
压力机压型上模的焊接顺序
焊接变形与应力
32
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. 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
焊接变形与应力
33
焊接残余变形
5)长焊缝(1m以上)焊接时,可采用下图所示的 长焊缝(1m以上 焊接时, 以上) 方向和顺序进行焊接,以减小其焊后的收缩变形. 方向和顺序进行焊接,以减小其焊后的收缩变形.
焊接变形与应力
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焊接残余变形
(5)合理地选择焊接方法和焊接工艺参数
非对称截面结构的焊接
焊接变形与应力
焊接变形与应力
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焊接残余变形
收缩变形—焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收 1.收缩变形 焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收 缩变形.分为纵向缩短和横向缩短. 缩变形.分为纵向缩短和横向缩短. 焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向缩短. 焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向缩短. 纵向缩短 焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向缩短 横向缩短. 焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向缩短.
L0 ε0 = L0
内部变形:把未表现出来的那部分变形, 内部变形:把未表现出来的那部分变形,称为内 部变形. 部变形.
L ε= L0
L = L0 LT
焊接变形与应力
6
焊接应力与变形的产生
焊接变形:由焊接而引起焊件的尺寸改变 焊接变形: 称为焊接变形. 称为焊接变形. 焊接瞬时变形 焊接变形分类: 焊接变形分类: 焊接残余变形
3-焊接应力与变形
• 金属棒膨胀受阻和自由收缩 室温 加热 冷却 最终 状态 原长 受阻 缩短 缩短， 中心变 厚 无应力 压应力 无应力 无应力
• 金属棒膨胀和收缩都受拘束 原长 受阻 受阻 原长， 中心变 厚 无应力 压应力 拉应力 拉应力
室温 加热 冷却 最终 状态
3、焊接应力的危害和防止方法
1） 焊接应力对使用性能的影响
影响使用性能 降低承载能力 增加生产成本 发生安全事故
课后习题
1）变形是一个物体在外力或 发生的变化。 2）焊接应力一般分为焊接瞬时应力、 3）变形的分类包括纵向和横向收缩、 。 、弯曲变形、 的作用下，物体的形状
扭曲变形和波浪变形。
4）为了减小焊接应力，需选择合理的焊接顺序和方法，如： 预热、 能、 、捶击法和减少氢的措施和消氢处理等。 、 、发生安全事故。 5）焊接变形及应力的危害有：影响使用性
对结构使用性能起不利影响的应力，主要为拉伸残余应
力，其有如下危害： 降低焊接接头区的实际承载能力； 如残余应力水平超过材料屈服强度时，接头区产生塑性 变形，易造成脆断；
如厚壁结构，交叉焊缝或存在焊接缺陷区域，一般存在
多项应力，当材料塑性能力下降时，易造成脆断；
在疲劳载荷下，长期使用会产生变形； 低温工作结构，由于应力作用材料塑性变形变差，将降 低结构静载强度，缩短使用寿命，甚至导致低应力破坏；
力，由压缩引起的叫压应力。
引起应力的 原因不仅有外力作用，物体在加热膨胀和冷 却收缩时，受到阻碍也会在物体内部出现应力，这种没有外 力影响，而物体存在的应力，叫内应力。
变形
物体受到外力（或内力）作用下，出现形状、尺寸的变 化，叫做变形。 • • 弹性变形：可恢复 塑性变形：不可恢复，也就是永久变形 在自由状态下，不同截面上施加同样大小外力时，截面 越小，应力越大，变形越大。
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。
焊接变形和焊接应力
焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊接是一种局部加热的加工方法，热源集中在焊缝处加热，因而造成焊件上温分布不均匀，最终导致在焊接结构内部产生了焊接变形与焊接应力。
一、焊接变形1. 焊接变形的概念由焊接而引起的焊件尺寸和形状的改变称为焊接变形。
焊接过程结束后，残国在焊接结构中的变形，称为焊接残余变形。
本书中提到的焊接变形指的是焊接残余变形。
2. 焊接变形的类型及产生原因焊接变形可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等几种形式焊件局部（焊缝和焊缝附近的金属）不均匀加热和冷却是产生焊接变形的根本用因。
焊接时，加热是通过移动的高温电弧热源进行的，焊缝和焊缝附近的金属温度很高，受热金属要膨胀，其余大部分金属不受热，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，生了压缩塑性变形。
焊完冷却后，焊缝和附近的金属因收缩而变短，却又受到周围受热金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形。
各类焊接变形的具体原因各不相同，与焊缝在焊件中的位置、加热方法、焊接序等因素密切相关。
焊接变形的类型及产生原因见表2-3-7。
3. 预防和矫正焊接变形的方法及措施（1）预防焊接变形的方法及措施预防焊接变形可以从焊接结构设计和焊接工艺两方面进行。
在焊接结构设计时要在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸;对称布置焊缝;必要时预先留出收缩余量;采用冲压结构代替焊接结构;将焊缝布置在最大工作应力之外等。
预防焊接残余变形的工艺措施主要有∶1）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。
对称焊接、不对称焊缝先焊焊缝少的一侧和减少长道直焊缝等都可以很大程度上减少焊接变形量。
如图2-3-13所示的工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然结构的焊缝对称，焊后仍将产生较大的上拱弯曲变形，但如果改为将工字梁1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的60%～70%，然后将工字果翻转180°焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完。
焊接应力与变形
焊接应力与变形1、内应力：在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。
第一类内应力：宏观内应力（主要）、第二类：微观内应力、第三类：超微观内应力。
2、变形是温度变化的唯一反映。
热应力是由于构件不均匀受热引起的。
3、自由变形：金属物体的温度发生变化或发生相变时，它的形状和尺寸就要发生变化，若该变化没有受到外界的任何阻碍而自由进行，这种变形就是自由变形。
若变形受阻，表现出来的变形叫外观变形，未表现出来的叫内部变形。
4、简单杆件的应力与变形：如果金属杆件在T1温度下所产生的内部变形率ε1小于材料屈服时的变形率εs，则杆件中的应力值也小于材料的屈服强度，σ<σs 。
若使杆件温度恢复到T，并允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度L，并且杆中不存在应力。
如果使杆件的温度升高到T2，是杆件中的内部变形率ε2大于材料屈服时的变形率εs，则杆件中的应力会达到材料的屈服强度，即σ=σs，同时还会产生压缩塑性变形εp 。
当杆件的温度恢复到T时，若允许其自由收缩，杆件中也不存在内应力，但杆件的最终长度将比初始长度缩短△Lp。
5、长板条中心加热：当截面上的最大应力小于材料的屈服极限εs时，取消加热使板条恢复到初始温度，则板条会恢复到初始长度，应力和应变全部消失。
如果加热温度较高，使中心部位产生较大的内部变形并导致其变形率ε大于金属屈服时的变形率εs，则在中心部位会产生塑性变形。
此时停止加热，使板条恢复到初始温度，并允许板条自由收缩，则最终板条长度将缩短，其缩短量为残余变形量，并且在板条中形成一个中心受拉，两侧受压的残余应力分布。
弹性阶段：①加热时，中间受压，两边受拉；②冷却时，不受力，不变。
塑性阶段：①加热时，中间受压，两边受拉；②冷却时，中间受拉，两边受压。
6、长板条单侧加热：①当加热温度较低时，在板条的任何区域内均不发生塑性变形的前提下，内部变形小于金属屈服强度的变形率则，温度恢复后，板条中不存在参与应力与参与变形；②当加热温度较高时，板条在靠近高温一侧的局部范围内产生塑性变形；③加热温度很高时，造成板边一段内的σs=0，，即变形抗力为零，发生完全塑性变形。
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。
焊接变形和焊接应力
第一章焊接应力与变形第一节焊接应力与变形的产生一、焊接应力与变形的基本知识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。
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力称为内力。
另外,在物理、化学或物理化学变化过程中,如温度、金相组织或化学成分等变化时,在特体内部也会产生内力。
作用在物体单位面积上的内力叫做应力。
根据引起内力原因的不同,可将应力分为工作应力和内应力。
工作应力是由外力作用于物体而引起的应力;内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化,造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。
3、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。
由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。
三、焊接应力与变形产生的原因1、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其变形属于自由变形,因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力,冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。
(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高,达到或超过材料屈服点温度时(T﹥T=600),则杆件中产生压缩塑性变形,内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成。
当温度恢复到原始温度时,弹性变形恢复,塑性变形不可恢复,可能出现以下三种情况:①如果杆件能充分自由收缩,那么杆件中只出现残余变形而无残余应力;②如果杆件受1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;③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(类似于堆焊)引起的应力与变形(4)长板条一侧加热(相当于板边堆焊)引起的应力与变形2、焊缝金属的收缩当焊缝金属冷却、由液态转为固态时,其体积要收缩。
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。
焊接过程中的变形与残余应力分析
焊接过程中的变形与残余应力分析引言：焊接是一种常见的金属连接工艺，广泛应用于制造业和建筑工程中。
然而，在焊接过程中，由于高温和冷却过程中的热收缩，会导致焊接件发生变形和残余应力。
本文将探讨焊接过程中的变形和残余应力产生的原因，并介绍一些常见的分析方法和解决方案。
一、焊接过程中的变形1.1 焊接热源对金属的影响焊接过程中，焊接热源的加热会引起焊接件的温度升高，导致焊接件发生热膨胀。
当焊接完成后，焊接件冷却时，会发生热收缩。
这种热膨胀和热收缩会导致焊接件发生变形。
1.2 焊接过程中的应力分布焊接过程中，焊接热源引起的温度变化会导致焊接件内部产生应力。
这些应力会导致焊接件发生变形。
特别是在焊接过程中，焊接件的不同部位会受到不同的应力作用，从而引起焊接件的变形。
二、焊接过程中的残余应力2.1 焊接残余应力的形成机制焊接过程中，焊接件在冷却过程中会发生热收缩，但由于焊接件与周围环境的约束，无法自由收缩。
这导致焊接件内部产生残余应力。
残余应力的大小和分布会影响焊接件的性能和使用寿命。
2.2 焊接残余应力对焊接件的影响焊接残余应力会导致焊接件发生变形、裂纹和变脆等问题。
残余应力还会降低焊接件的疲劳寿命和承载能力。
因此，对焊接残余应力进行分析和控制是确保焊接质量的重要环节。
三、焊接过程中变形与残余应力的分析方法3.1 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的分析焊接过程中变形和残余应力的方法。
通过建立焊接过程的数学模型，可以模拟焊接过程中的温度场和应力场。
这种方法可以预测焊接件的变形和残余应力，并优化焊接工艺参数。
3.2 实验方法实验方法是另一种常用的分析焊接过程中变形和残余应力的方法。
通过测量焊接件的变形和残余应力，可以了解焊接过程中的变形和残余应力分布。
实验方法可以验证数值模拟结果的准确性，并为焊接工艺的优化提供参考。
四、焊接过程中变形与残余应力的解决方案4.1 焊接变形的解决方案为了减少焊接变形，可以采取以下措施：- 优化焊接工艺参数，如焊接速度和焊接顺序，以减小热输入和热影响区域。
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4.焊接残余变形
纵向收缩变形及产生的弯曲变形
• 纵向收缩变形结论
1.焊缝纵向收缩量与焊接线能量或主作用区的面积成正比 2.焊缝纵向收缩量与工件横截面面积成反比 3.焊缝绝对收缩量随焊缝长度的增大而增大
纵向收缩量的计算
1.单层焊的纵向收缩量：
F—构件截面积
L K1 FH L
L—构件长度
F
FH --焊缝截面积
3.三向应力：应力沿构件的三个方向作用
焊接应力产生的原因及分类 2
3.根据应力与焊
1.纵向应力：应力作用方 向与焊缝平行
缝的相对位置 2.横向应力：应力作用方向与焊缝垂直
4.根据应力产生 1.瞬时应力：焊接过程出现的应力 、作用的时间 2.残余应力：焊后留下的应力
5.根据应力 形成原因
1.温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力 2.拘束应力：由于焊件热变形受到拘束引起的应力 3.组织应力：由于接头金属组织转变时体积变化受阻
横向收缩变形及其产生的挠曲变形
通过热变形计算和实验得到
横向收缩变形B大小为
B
qL
qL 焊接线能量
钢板厚度
固定的刚性系数
形 的 实 验 数 据
对 接 接 头 横 向 变
接 头 横 向 收 缩
丁 字 接 头 及 搭 接
横向收缩变形结论
1.变形量：气焊 手工焊 自动焊 2.随焊丝金属量，板厚和坡口角度的增大而增大 3.角焊缝：板越厚，刚度越大，横向收缩小 4.丁字接头：立板越厚，横板上的热能量越小，变形小
• 假定： • 1.单向应力 • 2.线热源，厚度方向上温度是均匀的 • 3.截面保持平面
长板条在中心加热引起的纵向收缩 变形和应力
长板条非对称加热引起的变形和应力
长板条冷却后产生的残余应力和变形
• 残余应力的分 布是：焊缝及 近焊缝区域受 到拉应力，常 达以后随远离 焊缝依次是压 应力，拉应力， 形成三个正负 相间的应力分 布区。
p2
s
t2
t3 0
t
t4 p2
s
3.2 | | s ; Tmax 500oC
3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨 胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力
600o C 500o C
600
500
T T
p4
t1
t2 t3 t4
0
s
3.3 | | s ; Tmax 600oC
t5 t
p4
3.长板条（长宽比>>4~5）在不均 匀温度场作用下变形和应力
s
0
T
p2
T
t1 t2
t4 t
t3 sr
s
受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力 2.2 | | s ; Tmax 500oC
2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷却
时皆不能自由变形的变形和应力
T
2.3 | | s ; Tmax 600oC
600o C 500o C
600 500
t1 0
T
p4
s
t2 t3 t4
t6
t5
t t7 s
s
s
受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力
3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨 胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力
T
t
0
t1
3.1 | | s
3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨 胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力
500o C
500
t1
T
T
焊接方法 CO2焊
埋弧焊
手工焊
材料
低碳钢
低碳钢
奥氏体钢
K1
0.043 0.071~0.076 0.048~0.057
0.076
2.多层焊的收缩量：
L K2K1 FH L F
K2 1 85s n
s
s
E
n 层数
纵向引起弯曲变形结论
1.与焊接线能量或堆焊面积成正比 2.与焊缝偏离板条形心轴的距离成正比 3.与构件的截面惯性矩成反比
横向引起弯曲变形
横向引起弯曲 变形与焊缝 到焊件形心 的距离成正 比
3.1 焊接应力与变形的基本概念
焊接应力产生的原因及分类 1
1.宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力
1.按应力的 2.微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力 分布范围 3.超微观应力：在晶格范围平衡的应力
2.根据结构中 的空间位置
1.单向应力：应力沿由变形，把能表现出来的这部分变
形，称为外观变形 。
0
L0 L0
3.内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内
部变形 L
L0
； L L0 LT
焊接残余变形的基本类型
1.纵向收缩变形：构件焊后在平行焊缝的方向上尺寸缩短
2.横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝的方向上尺寸缩短
34..弯角曲变变形形：：焊由后于构焊件缝的的平布面置围偏绕离焊焊缝件产的生形的心角轴位移
不同拘束条件下杆件均匀加热、冷 却时的变形和应力
1.杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的 变形和应力
T
T 0
杆件一端固定的自由热变形
t
2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷却 时皆不能自由变形的变形和应力
T T
0
t1
t
t2
t
受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力
2 .1 | | s
2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷却 时皆不能自由变形的变形和应力
5.波浪变形：焊后构件程波浪形，在焊薄板中出现
6.错边变形：两焊件热膨胀不一致，所引起的长度或
厚度方向上的错边
纵向横向收缩变形
角变形、弯曲变形和波浪变形
杆件的均匀加热和冷却过程中的变 形和应力
• 简化假定： 1. 金属材料的性参数
、C、、E、 S、 b、
是与温度变化无关的参数
2. 金属的相变温度很高，不考虑组织应力 3. 材料屈服极限与温度变化关系
焊接变形与应力讲解 Stress and reform of welding
本章重点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形 4.预防和矫正残余变形的方法 5.焊接残余应力 6.焊接残余应力的调节及消除措施
本章难点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形 4.焊接残余应力
焊接变形产生原因及分类 1
1.自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了 相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变 化没有受到外界的阻碍而自由的进行。
LT L0 [T1 T0 ]
单位长度的自由变形量：
T
LT L0
[T1
T0 ]
焊接变形产生原因及分类 2
2.外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，