焊接残余应力和焊接残余变形
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钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
钢结构课程组
钢结构
第三章
钢结构的连接
土木工程学院钢结构课程组
第三章 3.3 焊接残余应力和焊接残余变形
产生原因 钢结构中的焊接过程 是一个不均匀加热和冷
自 然 状 态
钢结构的连接
l
拉伸变形 高温加热 压缩变形 拉伸变形
a)焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两
焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；
-
y
+ x
第一部分 纵向受缩
第三章
横向焊接应力
钢结构的连接
b)先焊的焊缝先冷却，限制了后焊焊缝的横向收缩，从而在
后焊焊缝中产生横向拉应力，同时先焊部分产生横向压应 力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分 布与施焊方向有关。
N t b t f y N c ( B b) t
当板件全截面达到fy，即N=Ny时：
N y N t ( B b) t f y B t f y
第三章
② 对构件刚度的影响 t σ
fy B
N
钢结构的连接
N N
σ fy
b
+
N
源自文库
b
+
N 1 B b t E
σy
σx
a) 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。 b) 因此，除了横向和纵向焊接残余应力x ，y外，还存在沿 厚度方向的焊接残余应力z ，这三种应力形成同号(受拉)三 向应力，大大降低连接的塑性。
第三章 3.3.2 焊接变形
钢结构的连接
纵、横向收缩
弯曲变形
第三章 3.3.2 焊接变形
-
y
y
+
施 焊 x 方 向
-
y
x
+
+ x
-
+
合成 应力
第一部分 纵向受缩
+
第二部分 横向收缩
第三章
横向焊接应力
y y
钢结构的连接
+
施 焊 方 向 热
+
+
x
冷
热
-
施 焊 x 方 向
不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 先冷的压，后冷的拉
第三章
厚度方向焊接应力
钢结构的连接
σz
-
+
3 2 1
第三章 3.3.3 焊接应力和焊接变形的影响 2、焊接变形的影响
构件安装困难 矫正 初偏心 初弯曲 影响尺寸和外形
钢结构的连接
可能降低结构的承载能力
附加内力
第三章
钢结构的连接
3.3.4 降低焊接应力和焊接变形的措施
1、设计措施
合理安排焊缝位置 合理的选择焊缝的尺寸 焊缝数量宜少，且不宜过分集中 尽量避免在母材厚度方向的收缩应力 焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错
钢结构的连接
对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低 压杆的稳定承载力。
④ 对疲劳强度的影响
在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈 服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊 接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。
⑤低温冷脆的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残 余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易 发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。
却过程，由于不均匀的
温度场，使主体金属的 膨胀和收缩不均匀。导 致在主体金属内部产生 内应力，通常称这种内 应力为焊接残余应力。 自相平衡的内应力
冷却
热塑性压 缩变形
l
Δl'
压缩变形 拉伸变形 压缩变形
l+Δl 高温加热模型
第三章
钢结构的连接
3.3.1 焊接应力
纵向焊接应力：沿焊缝长度方向的应力。 横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面
-
结论：焊接残余 应力使结构变形 增大，即降低了 结构的刚度。
当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该 部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：
当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：
2
N BtE
△ε1> △ε2
第三章
③ 对构件稳定性的影响
钢结构的连接
鼓曲变形
角变形1
第三章 3.3.2 焊接变形
钢结构的连接
角变形2
扭曲变形
第三章 3.3.3 焊接应力和焊接变形的影响 1、焊接应力对结构性能的影响
① 对静力强度的影响 t σ fy B b
+
钢结构的连接
σ
fy
b
fy
+
Ny
b
+ Ny
因焊接残余应力自相平衡，故：
-
结论： 焊接残余应力 不会影响结构 的静力强度
的应力。
厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件
表面的应力。
第三章
钢结构的连接
3.3.1 焊接应力
纵向焊接应力
平板
300oC 500oC 800oC
工字形截面
施 焊 方 向
300oC o 500 C o 800 C
8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm
+
-
第三章
横向焊接应力
钢结构的连接
差
好
差
好 加劲板开孔，让主要焊缝 通过，次要焊缝中断
第三章
钢结构的连接
第三章
钢结构的连接
2、加工措施
合理安排焊接次序；采用反向变形；焊前预热，焊后回火。
分段退焊
对角跳焊
钢板分块拼接
分层焊缝
预加反变形
第三章
钢结构的连接
分段分层焊接
对角跳焊
第三章
钢结构的连接
钢板分块拼接
Design Principles of Steel Structure
钢结构课程组
钢结构
第三章
钢结构的连接
土木工程学院钢结构课程组
第三章 3.3 焊接残余应力和焊接残余变形
产生原因 钢结构中的焊接过程 是一个不均匀加热和冷
自 然 状 态
钢结构的连接
l
拉伸变形 高温加热 压缩变形 拉伸变形
a)焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两
焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；
-
y
+ x
第一部分 纵向受缩
第三章
横向焊接应力
钢结构的连接
b)先焊的焊缝先冷却，限制了后焊焊缝的横向收缩，从而在
后焊焊缝中产生横向拉应力，同时先焊部分产生横向压应 力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分 布与施焊方向有关。
N t b t f y N c ( B b) t
当板件全截面达到fy，即N=Ny时：
N y N t ( B b) t f y B t f y
第三章
② 对构件刚度的影响 t σ
fy B
N
钢结构的连接
N N
σ fy
b
+
N
源自文库
b
+
N 1 B b t E
σy
σx
a) 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。 b) 因此，除了横向和纵向焊接残余应力x ，y外，还存在沿 厚度方向的焊接残余应力z ，这三种应力形成同号(受拉)三 向应力，大大降低连接的塑性。
第三章 3.3.2 焊接变形
钢结构的连接
纵、横向收缩
弯曲变形
第三章 3.3.2 焊接变形
-
y
y
+
施 焊 x 方 向
-
y
x
+
+ x
-
+
合成 应力
第一部分 纵向受缩
+
第二部分 横向收缩
第三章
横向焊接应力
y y
钢结构的连接
+
施 焊 方 向 热
+
+
x
冷
热
-
施 焊 x 方 向
不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 先冷的压，后冷的拉
第三章
厚度方向焊接应力
钢结构的连接
σz
-
+
3 2 1
第三章 3.3.3 焊接应力和焊接变形的影响 2、焊接变形的影响
构件安装困难 矫正 初偏心 初弯曲 影响尺寸和外形
钢结构的连接
可能降低结构的承载能力
附加内力
第三章
钢结构的连接
3.3.4 降低焊接应力和焊接变形的措施
1、设计措施
合理安排焊缝位置 合理的选择焊缝的尺寸 焊缝数量宜少，且不宜过分集中 尽量避免在母材厚度方向的收缩应力 焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错
钢结构的连接
对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低 压杆的稳定承载力。
④ 对疲劳强度的影响
在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈 服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊 接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。
⑤低温冷脆的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残 余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易 发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。
却过程，由于不均匀的
温度场，使主体金属的 膨胀和收缩不均匀。导 致在主体金属内部产生 内应力，通常称这种内 应力为焊接残余应力。 自相平衡的内应力
冷却
热塑性压 缩变形
l
Δl'
压缩变形 拉伸变形 压缩变形
l+Δl 高温加热模型
第三章
钢结构的连接
3.3.1 焊接应力
纵向焊接应力：沿焊缝长度方向的应力。 横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面
-
结论：焊接残余 应力使结构变形 增大，即降低了 结构的刚度。
当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该 部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：
当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：
2
N BtE
△ε1> △ε2
第三章
③ 对构件稳定性的影响
钢结构的连接
鼓曲变形
角变形1
第三章 3.3.2 焊接变形
钢结构的连接
角变形2
扭曲变形
第三章 3.3.3 焊接应力和焊接变形的影响 1、焊接应力对结构性能的影响
① 对静力强度的影响 t σ fy B b
+
钢结构的连接
σ
fy
b
fy
+
Ny
b
+ Ny
因焊接残余应力自相平衡，故：
-
结论： 焊接残余应力 不会影响结构 的静力强度
的应力。
厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件
表面的应力。
第三章
钢结构的连接
3.3.1 焊接应力
纵向焊接应力
平板
300oC 500oC 800oC
工字形截面
施 焊 方 向
300oC o 500 C o 800 C
8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm
+
-
第三章
横向焊接应力
钢结构的连接
差
好
差
好 加劲板开孔，让主要焊缝 通过，次要焊缝中断
第三章
钢结构的连接
第三章
钢结构的连接
2、加工措施
合理安排焊接次序；采用反向变形；焊前预热，焊后回火。
分段退焊
对角跳焊
钢板分块拼接
分层焊缝
预加反变形
第三章
钢结构的连接
分段分层焊接
对角跳焊
第三章
钢结构的连接
钢板分块拼接