焊接应力与变形
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,
焊接变形和应力
预热法
对焊缝两侧进行预热，减小温差 引起的收缩，从而减小变形和应
力。
层间温度控制
保持焊接过程中的层间温度在一定 范围内，以减小热影响区的宽度， 从而减小变形和应力。
焊后热处理
对焊接后的压力容器进行热处理， 以消除残余应力，防止裂纹的产生。
案例三：船舶焊接变形和应力控制
工艺评定
在焊接前进行工艺评定，确保焊接工艺参数的合理性和可行性。
控制焊接应力的措施
01
02
03
04
预热法
在焊接前对焊件进行预热，减 小温差，降低焊接应力。
层间温度控制法
在焊接过程中控制层间温度， 减小温差，降低焊接应力。
锤击法
在焊接过程中对焊缝进行锤击 ，使其产生塑性变形，从而减
小焊接应力。
热处理法
通过加热和冷却的方法消除或 减小焊接应力。
05 实际应用案例
焊接应力的影响
变形
焊接应力会导致焊接结构产生变形， 影响结构的尺寸精度和形状精度， 严重时甚至会导致结构失效。
疲劳强度
焊接应力会降低焊接结构的疲 劳强度，缩短其使用寿命。
稳定性
焊接应力会影响结构的稳定性 ，使结构在受到外力作用时容 易发生屈曲或失稳。
安全性
过高的焊接应力可能导致结构 在使用过程中发生突然断裂，
焊接顺序规划
根据结构特点和焊缝分布情况，合理安排焊接顺序，以减小变形和 应力。
刚性固定和夹具使用
在焊接过程中使用刚性固定和夹具，限制结构的自由变形，减小焊 接应力。
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仍然存在的应力。
焊接应力的产生与焊接工艺、 材料、结构形式等多种因素有 关。
焊接应力和变形及措施
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. 减少承载能力———变形产生了附加应力焊接应力 1. 减少承载能力 2. 引发焊接裂纹，甚至脆断3. 在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹4. 引发变形焊接应力{ 焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表达）远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表达）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：当焊接应力超出金属 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，构造刚度较小时，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 4.2.2 焊接变形和应力的产生因素：根本因素：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图 6-2-8 焊接应力与变形：4.2.1 焊接变形和残存应力的不利影响：{ {如图 6-2-9 常见的焊接残存变形的类型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发的。
如图 5-2-9 a（2）角变形：即相连接的构件间的角度发生变化，普通是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引发的。
如图 5-2-9b（3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。
普通是由焊缝区的纵向或横向收缩引发的。
如图 5-2-9c（4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引发的角度形沿焊接方向逐步增大有关。
如图 5-2-9d（5）失稳变形（波浪变形）：普通是由沿板面方向的压应力作用引发的。
如图 5-2-9e4.2.3.2控制焊接变形的方法（1）设计方法（详见焊接构造设计）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──尽量使焊缝对称或靠近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。
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
第一章焊接应力与变形
第一章 焊接应力与变形
4）盲孔法 盲孔法与小孔法测残余应力的原理相同，但这种方法对结
构只有很轻微的破坏，对于一般构件，盲孔不需修补，对结构 的使用性能几乎没有影响。
盲孔法所需仪器设备较简单，除钻孔设备外只需配备应变 仪即可进行现场测量。 5）逐层铣削法
逐层铣削法是一种完全破坏的方法。 2、物理方法 1）X光衍射法 X光衍射法的基本原理是党内应力存在时，晶体
结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。 二、焊接残余应力对焊接结构的影响 1、对结构强度的影响
由于材料不能进行塑性变形，即材料处于脆性状态，随着
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第一章 焊接应力与变形
外力的增加，在构件上不可能产生均匀的应力，应力峰值不断 增加，一直到达材料的强度极限σb，发生局部破坏最后导致整 个构件断裂。可见焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大 的影响。 2、对构件加工尺寸精度的影响 3、对梁柱结构稳定性的影响 三、减小焊接残余应力的措施 1、设计措施 1）在保证结构强度的前提下尽量减小焊缝数量与截面尺寸。 2）将焊缝尽量布置在最大工作应力区外，防止残余应力与外加
防止波浪变形可从两方面着手：一方面因焊接残余压应力 是产生波浪变形的外因，因此凡能降低焊接残余压应力的措施 都可以起到减小波浪变形的作用；另外通过提高板的刚度或增 大扳的拘束度均可以减小或防止波浪变形。
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第一章 焊接应力与变形
（四）扭曲变形（螺旋形变形） 产生扭曲变形的原因主要是焊缝的角变形沿焊缝长度方向
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第一章 焊接应力与变形
温差拉伸法又叫低温消除应力法。基本原理与机械拉伸法 相同，都是利用拉伸来抵消焊接时产生的压缩塑性变形。不同 的是机械拉伸法利用外力来进行拉伸，而温差拉伸法是利用局 部加热的温差来拉伸焊缝区。 4、振动法
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
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
32
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
19
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
第二节 焊接残余应力--控制焊接残余应力
立式设备筒壁的焊接应先焊立缝，后焊横缝。 如果筒壁是多节的，其焊接顺序如图10-39所示。 立式设备筒壁与筒底交接的环缝，如筒径较大时可由两个或四个焊工对称 进行焊接，其方法可采用同方向分段退焊法，每段长不得超过400 一 500mm。
第二节 焊接残余应力--控制焊接残余应力
第二节 焊接残余应力--消除焊接残余应力
局部消除焊接残余应力热处理 对于某些焊接构件不允许或不能进行整体消除应力热处理，可以对其进行 局部消除焊接残余应力热处理，它可以降低焊接构件焊接残余应力的峰值 ，使应力的分布趋于平缓，起到部分消除应力的作用。 局部消除焊接残余应力热处理时，应将加热区域用保温材料包裹严密，降 低冷却速度；热处理的加热宽度为焊缝每侧不小于板厚的两倍。 局部消除焊接残余应力热处理的加热方式： 有感应加热和远红外加热等方法。 目前，最常用的是远红外加热方法。
第二节 焊接残余应力
2.按照焊接残余应力在结构中的作用方向分类
（2）双向应力 焊接应力存在于焊件中的一个平面的不同方向上，如薄板十字 对接焊缝焊接，焊件中的应力存在于一个平面上，也称为平面应力 。
第二节 焊接残余应力
2.按照焊接残余应力在结构中的作用方向分类 3.体积应力
焊接应力在焊件中沿空间三个方向上发生，如结构件三个方向 上焊缝的交叉处都存在体积应力。
第一节 焊接应力与变形概述
二、焊接应力与变形产生的原因
焊接是一种局部的不均匀加热的工艺过程，加热温度高，加热和冷 却速度快。因此，焊接时的局部不均匀加热与冷却是产生焊接应力 和焊接变形的主要原因。 焊接时，在焊接区附近产生不均匀的的温度场，见下图，低碳 钢熔池的平均温度达到1700 ℃以上，熔池周围的温度迅速递减。焊 件局部因为温度升高而膨胀，又因为温度升高，局部材料的强度降 低，由于受到接头周围金属的限制而不能自由膨胀，当压应力大于 材料的屈服强度时，产生压缩塑性变形。
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
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
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。
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。
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屈 服 极 限 假随 定温 度 变 化 的
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二、金属杆件的应力与变形的演 变过程
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第一节
焊接应力和变形的 形成过程
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一、内应力与内部变形的 基本概念
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1 内应力的基本概念
在没有外力的条件下，平衡 于物体内部的应力。其主要特点 是在物体内部构成平衡的力学系 统，即内力之和与内力矩之和为 零。
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2．长板条边缘加热（非对称加热）
1)温度场: 典型的非对称温度场 2)变形分析： 内应力，需满足条件：
高温侧：ε ＝ε e－ε T＜0，受压; 中间： ε ＝ε e－ε T＞0，受拉; 低温侧：ε ＝ε e－ε T＜0， 受压
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内应力在弹性体内构成一 平衡体系
即：
dA 0
A
dM 0
A
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焊接应力与变形
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主要内容：
阐述内应力及其产生的机理， 分析在焊接条件下应力与变形的 产生、演变的过程。在此基础上 对焊接残余应力与变形的分布规 律、它们对焊接结构性能的影响 以及控制、消除焊接残余应力与 变形的方法进行全面的介绍 .
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1. 分析方法：取金属处于塑性状态的区域最 宽的截面作为起点，来逐步求得各区域的变 形，最后求出焊件冷却后的残余和残余变形。
即：1)冷却过程：高温区→低温区 2)起点：塑性状态的区域最宽 的 横截面. 取四个截面： 截面 特征 截面Ⅰ 600℃最宽处 Ⅱ 600℃刚结束 Ⅲ ＜500℃ Ⅳ 室温,T＝0
加热：s2=-Ee s1=s3=Eee s2=2s1 因为T<Ts= 100º C, e< es 冷却： e，s均为0 加热： s2=-Ees’ s2=s3=1/2s2 冷却： s2=-Ees’ s1+s3=s2 L0 L0’ 加热： T<500º C过程同上。 T=500º C600º C，ss呈直线 下降，-ep, T>600º C时，ss=0,e=ep 冷却： Tmax 600º C,拉伸塑变， s=0 500º C600º C，弹性恢复； T=500º C时，ss达到最大； T500º C时， ss不变； 至室温，s2=Ees,e=es
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T<500º C
加热： σ 2=-E ε s’ σ 2= σ 3=1/2 σ 2 冷却： σ 2=-E ε s σ 1+ σ 3= σ 2 L0 L0’
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离热源距离 V t1 V t2 V t3 V t4
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2. 内应力产生的原因
图1
＋ --
图1-28金属框架
图1-47
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材料学院焊接研究中心内源自力产生的原因很多如焊接、轧制、铸造和锻压等热 加工过程；剪切、弯曲、磨削等 冷加工过程和其它的机械加工过 程
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内应力按其产生原因可分为温度 应力和残余应力等几种：
(二) 残余应力
如果不均匀温度场所造成的内应力达到材 料的屈服限，使局部区域产生塑性变形。 当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生 新的内应力。这种内应力是温度均匀后残 存在物体中的，故称之为残余应力。
三板条模型
等长、等宽、等 厚； 相互绝热，力学 上联系在一起； 单独加热2板条。
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材料学院焊接研究中心 T<100º C
加热：σ 2=-Eε σ 1= σ 3=E εe σ 2=2 σ 1 因为T<Ts= 100º C, 所以， ε< ε s（处于 弹性）。 冷却： ε ，σ均为0
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1)受拘束低碳钢棒加热及冷却过程中的 应力和变形 | |<s
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2)受拘束低碳钢棒加热及冷却过程中的 应力和变形 | |>s
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4.自由变形、外观变形和内部变形
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1）自由变形
物体在某些因素（温度等）的作用 下，如果没有受到外界的任何阻碍而自 由进行的变形称为自由变形。单位长度 上的自由变形，称为自由变形率，用T 表示。
1) 温度场：对端面中心对称的不均匀温度场 T = f(x) 2)变形分析：取单位长度来分析其变形与应力： 假设：T0=0，△T=T ε T：ε T＝α T＝α f (x) ε e： a.由平截面假设，变形时截面保持平面; b.温度场对称，端面只作平移，ε e为常数。 ε ：ε ＝ε e－ε T 可见：板条中心ε ＜0, 受压； 两侧ε ＞0，受拉。
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T>600º C
加热：
T<500º C过程同上。 T=500º C600º C，
σ s呈直线下降，- ε p,
T>600º C时， 冷却： Tmax 600º C,拉伸塑变，
σ s=0, ε = ε p
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2）外观变形
物体的自由变形受到外界的阻碍而
只能部分表现出来的变形部分称为 外观变形。单位长度上的外观变形 称为外观变形率，用 e表示。
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3）内部变形
物体的自由变形变形受到外界 的阻碍而没有表现出来的变形部分 称为内部变形。单位长度上的内部 变形称为内部变形率，用 表示。
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5.研究热应力和热变形的几个假定
1.平截面假定； 2.金属加热时，其物理性能不变； 3.理想的弹塑性假定； 4.屈服极限随温度变化的假定；
截面Ⅰ: ε 、σ ： ε T＝α T，ε e＞0 变形ε 应力σ AB区: ε ＝ε e－α T＞0 σ ＞0 BC区: ε ＝ε e－α T＜0， σ ＜0 │ε │＜│ε s│ C-D区: ε 弹＝ε s (压）＜0 σ ＝σ s (压）＜0 ε p＝ε e－α T－ε s(压）＜0 D-E区: ε 弹＝ε s(压）＜0 ↓ σ ＝σ s (压）＜0 ε p＜0, │ε p│↑, │σ │↓ E-O区: ε p＝ε e－α T＜0 │ε p│↑(压塑变) 0 综合：中间受压，两侧受拉，C-C' 区内，金 属发生了压缩塑性变形
应变图
T<100º C
T<500º C
T>600º C
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三、焊接过程中应力和变形的形成
（一）焊接热过程的特点 1．加热的局部性 2．热源的移动性
3．极高的加热速度和冷却速度
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（二）长板条加热模型
1.长板条中心加热
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