浅析焊接残余应力与变形

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浅析焊接残余应力的产生及影响

浅析焊接残余应力的产生及影响焊接是一个复杂的、包含电弧物理、传热、冶金以及力学的钢结构工艺过程，对工程质量的好坏以及工程结构的安全有着直接的影响。

在进行焊接的过程中以及焊接完成之后，由于一些高度集中的瞬时热输入，焊接会产生很大的残余应力和变形。

焊接过程中的残余应力对焊接的结构的使用性能会产生极大的影响，所以，我们要对焊接的残余应力进行相关研究。

标签：焊接残余应力；成因；对焊接结构的影响0 引言焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。

所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。

1 产生焊接残余应力的原因之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。

按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。

（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。

（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。

焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。

间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。

而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。

（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。

虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。

2 焊接残余应力会对焊接结构产生哪些影响焊接是一个局部的受热不均匀、冷却不均匀的过程，加之受焊缝和靠近焊缝的温度场的影响，焊件的内部会有大小不同、分布不均匀的残余应力—应变场。

焊接技能培训中焊接残余应力与变形的控制

焊接技能培训中焊接残余应力与变形的控制焊接是常用的金属连接方式之一，但在实际应用中，常常会遇到焊接残余应力和变形的问题。

这不仅会影响焊接件的外观和尺寸精度，还可能导致焊接件的失真和性能下降。

因此，在焊接技能培训中，掌握焊接残余应力与变形的控制方法显得尤为重要。

一、焊接残余应力的形成及影响因素焊接残余应力是指焊接完成后，在焊接接头或焊接件内部产生的应力。

焊接残余应力的形成与以下几个因素密切相关：1. 温度梯度：焊接过程中，焊缝和母材的温度会发生梯度变化，由高温区到低温区，这导致焊接接头内部产生温度梯度。

温度梯度大的区域会产生较大的残余应力。

2. 冷却速度：焊接完成后，焊接接头会通过冷却过程逐渐降温。

冷却速度快会导致材料收缩不均匀，产生残余应力。

3. 焊接过程应力：焊接过程中，焊接接头受到的应力会造成临时的应力集中，这些应力在冷却过程中可能会转变为残余应力。

焊接残余应力的存在会对焊接件的性能造成诸多影响，主要包括以下几个方面：1. 引起焊接件的变形：焊接残余应力会导致焊接件发生变形，甚至出现失真。

特别是对于焊接构件尺寸要求较高的行业，如航空航天和造船业，焊接残余应力的变形问题更加突出。

2. 影响焊接接头的强度：焊接接头受到的应力过大，容易引起焊接接头的裂纹和断裂，降低焊接接头的强度。

3. 导致材料腐蚀和断裂：焊接残余应力会削弱材料的抗腐蚀性能，导致焊接件在使用过程中容易发生断裂。

二、焊接残余应力与变形的控制方法为了控制焊接残余应力与变形，以下是一些常用的方法：1. 预热与后热处理：通过预热可以减小焊接接头的温度梯度，使之更加均匀。

在焊接完成后，进行适当的后热处理，以缓解焊接残余应力。

2. 多道焊接：将焊接接头分成多段焊接，分多次进行焊接作业，以减小焊接接头的温度梯度和残余应力。

3. 应力消除：在焊接完成后，进行适当的热处理或机械加工，以消除焊接接头的残余应力。

4. 紧固装置：在焊接过程中，采用适当的紧固装置可以减小焊接接头的变形。

浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法

浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法摘要：在国内建筑工程中，钢结构作为建筑结构主体结构框架，具有绿色环保、空间大和强度高等特点，在网架结构和塔桅建筑、超高层建筑以及大型工业厂房中等建筑工程中得到广泛应用。

随着建筑结构超高层化和大跨度化，高性能钢材应用增多，分析和讨论建筑钢结构焊接生产效率，对于提高建筑工程质量和效率具有重要意义。

关键词：钢结构; 焊接变形; 残余应力; 控制方法引言在钢结构工程的焊接施工中难免会出现焊接应力和焊接变形的情况，这对于焊接接头的强度以及焊接结构尺寸的精度都会产生一定的影响，严重的话会导致构件报废。

此外，钢结构在日后使用中的承载力也与焊接应力与焊接变形有着很大的关联。

因此相关施工人员要切实把握好焊接技术，加强对焊接重难点的技术控制，采取有效措施提高钢结构的质量。

1焊接变形和残余应力（1）焊接变形是焊接过程中不可避免的，施焊电弧高温引起钢构件在焊接处发生缩短、弯曲及角度等变化，即焊接变形。

焊接变形可分为两种形式，一种是因高温导致的变形，该变形在温度冷却后可恢复，为瞬时变形;第二种是因焊接作业产生的永久性变形。

焊接变形对结构安装的精确度影响较大，产生焊接变形极易导致结构无法安装。

（2）残余应力产生于钢构件的焊接及热影响区域，其对钢构件最直接的影响是降低构件的承载能力和增大开裂的可能性，钢构件的开裂大多发生在焊接区域。

在焊接区域，当构件的残余应力和荷载共同作用效果超过焊缝的承载力时，焊缝处就开始产生裂纹，并逐渐扩大成裂缝，构件也就易从裂缝处产生断裂，而此时构件承受的荷载并未达到其极限承载力，却因焊缝的断裂导致整个构件的失效。

2造成导致钢结构发生焊接变形的原因（1）焊接工艺。

即使是材料相同、设备相同，不同工人在焊接过程中，由于焊接工艺会造成焊接变形的出现。

比如焊接过程中，预热时应该结合当地的实际温度、光照亮度等多种因素进行确定等。

由此可见，钢结构的焊接变形受到焊接工艺的影响比较大。

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。

35焊接残余应力和残余变形

§3.5 焊接残余应力和残余变形热变形和热应力——焊接构件在施焊过程中，由于受到不均匀的电弧高温作用，在焊件中将产生变形和应力（有约束）。

残余应力和残余变形——冷却后，焊件产生反向的应力和变形。

一．成因及特点1．基本假设1) 假定焊件由纤维组成，但各纤维之间相互约束（变形时保持平面）。

2) 当温度t≤500℃时，弹性模量E =const.t>600℃时，E →0；500℃＜t ＜600℃时，E 按线性变化。

1．残余应力1) 纵向焊接应力2) 横向焊接应力3) 厚度方向的焊接应力2．成因：不均匀分布的温度场，同时存在局部高温，加上纤维间的相互约束，便产生了焊接残余应力。

由于约束程度不同，一部分残余应力会以残余变形的形式释放出来。

3．特点：自相平衡力系。

二．焊接残余应力对构件工作的影响1．对强度无影响2．降低构件的刚度3．降低构件的稳定承载力由于刚度降低，有效截面减小，过早地进入弹塑性区,弹性模量降低，所以稳定承载力降低（因为22cr /πλσE =）fy 0.3yyyf yyf 0.54．降低构件的疲劳强度残余应力的存在，加快了疲劳裂纹的开展速度（双向或三向拉力场），因此，疲劳强度降低。

5．加剧低温冷脆材料在低温下呈脆性，焊接残余应力的同号拉力场会阻碍材料塑性的发展，加重了脆性因素。

三．焊接残余变形对构件工作的影响1．构件不平整，安装困难，且产生附加应力；2．变轴心受压构件为偏心受压构件。

四．保证焊接质量及减小焊接残余应力的措施1．设计方面（1）采用细长，不采用短粗的焊缝；（2）对称布置焊缝，减小变形；（3）不等高连接加不大于1:2.5(直接承受动力荷载且需验算疲劳的结构不大于1:4)的斜坡，减小应力集中；≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.5≤1:2.5（4）尽量防止锐角连接；（5）焊缝不宜过于集中，不要出现三向交叉焊缝；（6）注意施焊方便，以保证焊接质量。

2．制造方面（1）焊件预热法；（2）锤击法；减小残余应力（3）退火法；（4）反变形法；（5）合理施焊次序；减小残余变形（6）局部加热法。

浅析焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施

些。
除此之外，焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、焊件装配间隙、对口质量、
轴；对于不对称的焊接结构，采用合理的焊接顺序，均会使焊接变形明显减少。再次，焊缝坡口形式的合理选择也很重要。焊缝的坡口形式对焊接变形的影响较大焊缝的坡口角度越大，熔敷金属的填充量就越大，沿着板厚方向的横向收缩就越不效的控制它，之危害程度降至最小。使均匀，焊接变形就越大。通常情况下，不开控制内应力的方法其基本要求有两个：坡口的焊缝因为熔敷金属填充量小，比开坡焊件上热量尽量均匀和尽量减少对焊缝自由口的焊缝焊接变形要小。收缩的限制。通常采用的工艺措施有两种：一最后，应尽量减少不必要的焊缝。在焊是采用合理的装配与焊接顺序。主要是在装接结构设计中，常用筋板来提高钢结构的稳配和焊接的顺序安排上尽量使焊缝能自由的定性和刚度，但是筋板数量太多，焊缝过于收缩，可有效的控制焊接应力；二是采用焊密集，产生的热量大，焊接变形就越大因便前预热泵技术，焊工件各部位的温差越大，被此，应在保证构件强度的情况下，尽量减少焊缝的冷却速度越快则焊接接头的残余应力不必要的焊缝。２、选择合理的焊接方法和并规范操作越大。预热既能减小工件各部位的温差，能又减缓冷却速度，以是降低焊接残余应力的有所选择焊接方法和规范的原则是：在保力措施之一。预热可分为局部预热或整体预证焊接质量和力学性能的前提下，选用较低热。对刚性大、厚度大的工件，应整体预热，的线能量，能有效地防止焊接变形。例如：这样降低残余应力的效果更佳。埋弧自动焊与手工电弧焊相比，功率大，热除了上面两种控制应力的方法外，还有利用率高，焊接速度快，焊缝收缩小，焊接在焊接结构的设计上采取措施，例如：称布变形就小；气焊比电弧焊的焊后变形大，也对置焊缝、避免封闭焊缝等。以及对阻碍焊接是因为气焊时，焊件受热范围大，加上焊接接头自由收缩的部位加温，使之与焊缝同步伸速度慢，使金属受热体积增大，导致焊后变缩，种方法称为 “ 应法 ”。这减形大。用二氧化碳气体保护焊代替手工电弧２消除焊接应力的方法、焊，不仅生产效率可以提高，而且焊接变形消除焊接应力的方法主要有：处理法、热也小。３、采用反变形法进行焊接变形控制机械法、振动法。根据生产中已经发生的焊接变形的规焊后热处理是消除残余应力的有效方法，也是广泛采用的方法。它可分为整体热处理律，预先把焊件人为地制成一个变形，使这和局部热处理。一般是将被焊工件加热到Ａ个变形与焊接后发生的变形方向相反而且１线以下，保温均匀，再缓慢冷却，以达到残余应数值大小相等，以达到防止产生焊接残余变力消除。￣Ｑ３Ｂ１ＭＲ料焊后热处理的形。这种方法在实际生产中使用较广泛。例Ｈ２５、６ｎ材温度一般选为６５ ±２ ℃ 。２℃ ５如：采用外力或夹具将构件紧压在具有足够机械法，机械的方法施加外力使冷却刚度的平台上，使它产生一个反变形，然后用后的焊缝金属产生延展，达到消除应力的目以再进行焊接。４、矫正焊接变形的方法的，种方法叫机械法消除应力。如锤击焊这缝：卷板机上压辗焊缝：焊缝结构实行有在对当前矫正焊接变形的方法主要有两种：控制的过载等都是机械法消除应力的方法。是机械矫正法。即利用外力使被焊金属产振动法泵技术，水泵技术，泵阀技术，水泵生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者ＣＤ泵数值模拟，Ｆ，以低频率震动整个构件以达相互抵消。除压力外，还可用锤击法来延展到消除应力的目的。焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属，达三、焊接变形的控制措施与消除方法到消除焊接变形的目的：二是火焰加热矫正焊接变形决定于结构参数（包括焊件结法。即利用火焰局邵加热时产生的压缩塑性构的几何形状、板厚及焊缝类型等）材料参变形，使较长的金属冷却后收缩，来达到矫、数（括基体材料、焊接材料种类和状态）包和正变形的目的。矫正应遵循如下两个原则：制作因素（包括焊接工艺、焊接参数、组焊程 ①矫正位置要正确。须分析构件变形的原因序等）。因此控制焊接变形也得从这些方面入及构件的内在联系，搞清各部件相互间的制手。约关系。②矫正顺序要正确。先矫正主要变１、从焊缝着手控制焊接变形的措旌形，后矫正次要变形，多种矫正方法并用时首先，要选择合理的焊缝尺寸。焊缝尺要注意几种方法的先后顺序。寸的大小不仅关系到焊接工作量，而且对焊接变形也产生较大的影响。焊缝尺寸过大，参考文献：焊接量就大，焊接变形就越大；而过小的焊ｆ］洪哲田辉鹅《接应力和变形１张焊缝尺寸，由于冷却速度过快，容易产生一系的控制方法》［］企业科技与发展２０Ｊ９０列的焊接缺陷，影响焊接质量和降低焊缝的（）：２【】江《接变形的控制和预防》【】２朱焊Ｊ力学性能。因此，在保证结构承载力和焊缝０９（的焊接质量的前提下，应选取最小的焊缝尺电焊机２０８））；【】熊大胜《减少大型焊接结构件变３寸。其次，应安排合理的焊缝位置。对于焊形的措施》【］金属加工（Ｊ热加工）２１００缝位置的选取，应尽可能在对称于截面中性（２）。轴，或接近于中性轴的位置上安排焊缝。对于对称的焊接结构，焊缝布置应对称于中性

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。

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。

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。

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。

焊接残余应力和焊接残余变形

3 焊接残余变形 • 残余变形形式
图8 焊接变形的基本形式
4 减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法 • 采取合理的施焊次序 • 施焊前加相反的预变形 • 焊前预热，焊后回火
图9 合理的施焊次序
图10 反变形及局部加热
5 合理的焊缝设计
• 焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心 • 焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸
焊接残余应力和焊接残余变形
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 纵向残余应力
图1 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 横向残余应力
图2 横向残余应力产生的原因
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 厚度方向的残余应力
• 约束状态下的焊接应力
图3 厚度方向的焊接应力
图4 约构静力强度的影响
图5 残余应力对静力强度的影响
2 焊接残余应力的影响 • 对结构刚度的影响
图6 有残余应力时的应力与应变
2 焊接残余应力的影响 • 对压杆稳定的影响 • 对低温冷脆的影响 • 对疲劳强度的影响
图7 三轴焊接残余应力
• 焊缝不宜过分集中
• 应尽量避免三向焊缝交叉 • 考虑钢板分层问题 • 焊条易达到 • 避免仰焊
5 合理的焊缝设计
图61 合理的焊缝设计

焊接残余应力及变形

机械矫正法：
适用于塑性较好的材料及形状简单的焊接。
火焰矫正法：
利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形
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矫正残余变形的方法
ASIPP
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ASIPP
谢谢！谢谢！
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角变形的影响因素
1、当板厚一定时，随热输入增大而增加 2、当热输入一定时，板厚越大角变形越大
ASIPP
3、与坡口形式有关：对接接头坡口截面不对称的焊缝，其角变形大；坡口角度越大，角变形越大 4、与焊接顺序有关
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其他变形
ASIPP
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焊接变形与应力的危害
ASIPP
1、产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一致等 2、焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。 3、残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，是构件尺寸不稳定。
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预防和矫正焊件残余变形的方法—设计方面预防和矫正焊件残余变形的方法设计方面
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在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面的中性轴。在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸。尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊。
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预防和矫正焊件残余变形的方法—设计方面预防和矫正焊件残余变形的方法设计方面
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预防和矫正焊件残余变形的方法—设计方面预防和矫正焊件残余变形的方法设计方面
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预防和矫正焊件残余变形的方法—工艺方面预防和矫正焊件残余变形的方法工焊接顺序

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。

残余应力与变形的关系 -回复

残余应力与变形的关系-回复残余应力与变形的关系是材料力学研究的重要课题之一。

在实际工程应用中，材料经历了外力的作用后，即使外力消失，材料内部仍存在一定的残余应力。

残余应力是指在物质内部形成的应力状态，该状态保存在物质内部，在无外力作用的情况下仍存在。

它是材料加工和工程使用过程中产生的应力留在材料内部导致的现象。

残余应力与变形之间的关系可以通过以下步骤来回答：第一步：产生残余应力的原因和方式在材料加工过程中，形变通常是无法完全弹性恢复的。

这意味着材料在变形后会产生内部应力，而这些应力不会随着外力消失而消失。

常见的产生残余应力的方式包括：1. 冷加工：材料在冷加工（如锻造、压延等）中，由于变形速度较大，形成的应力无法及时释放，导致产生残余应力。

2. 焊接：焊接过程中，由于热变形和冷却过程中的温度差异，会导致产生残余应力。

3. 热处理：热处理过程中，由于材料晶粒的重新排列和形变，会产生残余应力。

第二步：残余应力的影响残余应力对材料性能和工件的使用寿命有着重要影响。

它们可能导致以下问题：1. 延长材料疲劳寿命：残余应力降低了材料的疲劳强度和寿命，因为它们对材料内部的位错和裂纹起到了催化作用。

2. 引起尺寸变化：残余应力可能导致材料或工件的尺寸变化，使其与设计要求不符。

3. 引发应力腐蚀和应力开裂：由于残余应力，材料对环境中的腐蚀性介质更加敏感，从而可能导致应力腐蚀和应力开裂。

第三步：衡量残余应力的方法为了更好地了解残余应力对材料的影响，需要进行残余应力的测量。

常见的残余应力测量方法包括：1. X射线衍射法：通过测量材料晶体的衍射角度，来确定残余应力的大小。

2. 中子衍射法：利用中子束的衍射效应来测量残余应力。

3. 非破坏性测试方法：如超声波测量、光学方法等，可以通过测量材料的声波传播速度或变形情况来得到残余应力。

第四步：减小或消除残余应力的方法为了减小或消除残余应力，可以采取以下方法：1. 热处理：通过热处理过程中的热处理温度和时长来改变晶体结构，使残余应力得到释放或减小。

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。

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。