2钢结构焊接制造B.ppt
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相变应力----是指在加热过程中，局部金属发生 相变，使比容增大或减小而引起的应力。
塑变应力----是指金属局部发生拉伸或压缩塑性 变形后引起的内应力。
2021/3/9
1.温度应力—由于不均匀受热
2021/3/9
2.变形 弹性变形 塑性变形 自由变形
非自由变形（包括外观变形和内部变形）。 弹性变形、自由变形----应力为0，变形为0； 塑性变形----理想状态应力为0，变形为0；否则
2021/3/9
1.不受约束的自由杆件均匀加热和冷却时应力变形
结论:没有残余应力和残余变形. 应用：焊接生产采用整体预热和后热,可以减少残余应
力.
2021/3/9
2.受拘束件在热循环中的应力与变形 （1）若s （弹性变形） 加热时： T应力 s ; 冷却时： T应力 s .
2021/3/9
（2）若≥s ,TMax＜500℃ 加热时 ： T应力 s ，εp压缩塑性变形; 冷却时 ：T应力 s =0，εp 拉伸塑性变形
2021/3/9
2.3 焊接残余应力及分布
（1）根据应力与焊 缝的相对位置
纵向应力：应力作用方向与焊缝平行 横向应力：应力作用方向与焊缝垂直
（2）根据应力形成原因
温度应力：由于焊件不 均匀加热引起的应力 拘束应力：由于焊件热 变形受到拘束引起的应 力 组织应力：由于接头金 属组织转变时体积变化 受阻
2021/3/9
作业思考题2
1.焊接应力分类？分析焊接纵向残余应力 是如何形成的？
2. 焊接残余横向应力如何形成？如何防止 焊接应力？
3. 焊接应力对焊接结构的影响？分析T型 结构、H型结构应力变化与焊件尺寸的 影响？
4. 测定焊接应力的方法有哪些？
5.网上查关于焊接应力引起焊接结构件破 坏事故图片或案例。
2021/3/9
2.4 残余应力对结构的影响 • 对静载强度的影响 • 对构件加工尺寸精度的影响 • 对受压杆件稳定性的影响 • 对应力腐蚀裂纹的影响 • 焊接变形及其对钢结构的影响
2021/3/9
2021/3/9
1.对静载强度的影响
2021/3/9
2.对构件加工尺寸精度的影响
2021/3/9
2021/3/9
（4）焊接瞬态应力变形
2021/3/9
2021/3/9
计算机模拟焊接应力
2021/3/9
小结
在平板条中心堆焊，由于板条在焊 接过程中是一个不均匀受热的整体，焊 接时沿焊缝长度产生伸长变形，焊缝及 其附近产生压应力；远离焊缝区的两侧 产生拉应力。
焊接结束后，板条产生缩短的残余 变形，同时在焊缝及其附近产生残余拉 应力；远离焊缝区两侧产生残余压应力。
1. 热处理 对碳钢及中、低合金钢，加热温度为
580～680℃；铸铁为600～650℃，保温时 间一般根据每毫米板厚保温1～2min计算， 但总时间不少于30min，最长不超过3h。
2021/3/9
2.锤击法 锤击时要掌握好打击力量，保持均
匀、适度，避免因打击力量过大造成加 工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及 时锤击，除打底层不宜锤击外，其余焊 完每一层或每一道都要进行锤击。锤击 铸铁时要避开石墨膨胀温度。
球形焊接件变形
2021/3/9
4.对应力腐蚀裂纹的影响
金属材料在某些特定介质和拉应力的共同 作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂 纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和 拉应力共同作用的结果。
残余拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响， 当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加后 的拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向就 高，发生应力腐蚀开裂的时间就越短。
第2章 焊接应力与变形
2.1 焊接应力与变形 内力----物体受到外力作用时和加热引起 物体内部之间相互作用的力，称内力。 单位截面积上的内力称为内应力。 内应力----在没有外力的条件下平衡于物
体内部的应力。 按产生原因分类有： 热应力、相变应力、塑变应力。
2021/3/9
热应力----是指在加热过程中，焊件内部温度有 差异所引起的应力，故又称温差应力。
避免在蓝脆区敲击200-300℃。
2021/3/9
3.振动消除法
截面为30mm×50mm一侧堆焊的试件，经 过=128N/mm2和=5.6N/mm2多次应力循环后，残 余应力的变化情况。由图中看出，当载荷达到一 定数值，经过多次循环加载后，焊件中的残余应 力逐渐降低。
2021/3/9
2.6 焊接残余应力测定方法
Y
B
0 dx
E
B
0 e T d x E
B 0
E
f
x d x
0
2021/3/9
焊后产生应力与变形
2021/3/9
4 焊接引起的内应力及变形
（1） 焊接应力与变形的特殊性
•
2021/3/9
（2）焊接应力变形的演变过程
2021/3/9
焊接应力变形的演变过程
2021/3/9
（3）焊接热应变循环组织应力
2.套孔法：采用套料 钻或管形电火花加 工环形孔来释放应 力，在孔内预先贴 上应变片，可以算 出表面残余应力， 切削深度为 [0.6~0.8]D，破坏性 不大。
3.切条法
2021/3/9
4、X射线衍射法
• 原理：晶体在应力的作用下，原子间 距发生变化，其变化与应力大小成正 比，当用X射线，以掠角 入射到晶体
不为0。
2021/3/9
自由变形：
LT = 0 L0 (T 1 - T 0 )
LT——自由变形量； L0——原长； 0——金属材料的线胀系数； T 1——加热的温度； T 0——原始温度。
LT • T = L0 = (T 1 - T 0 )
2021/3/9
非自由变形
L=(LT - Le) L —内部变形 未表现出的那部分变形 Le—外观变形 表现出的那部分变形
2021/3/9
3.厚度方向的残余应力
随着填充材料厚度的增加，横向收缩应 力也沿z轴向上移动，并在已填充的坡口的 纵截面上引起应力。
2021/3/9
厚度方向应力为压应力
2021/3/9
4.管板焊接的残余应力分布
2021/3/9
5. 工字梁中的残余应力
2021/3/9
6. 拘束状态下焊缝的残余应力分布
横向残余应力有两部分组成： 一部分是由焊缝及其附近塑性区的纵向收缩
引起的横向应力σy′；
2021/3/9
(1) 纵向收缩引起的焊缝横向应力随焊缝长 度变化：
2021/3/9
（2）焊缝横向收缩引起的横向应力σy〞 先焊部分先冷却，后焊部分后冷却。先冷却
的焊缝限制后冷却焊缝的横向收缩，导致最后 收缩的焊缝受拉应力。
（满足自由变形规律）
2021/3/9
3.研究焊接应力与变形基本假定
(1) 平截面假定：构件变形时整个横截面是平行 移动或转动；
(2) 金属性能不变的假定：物理性能不随温度的 变化而变化。
(2) 金属屈服点的假定： 可见低碳钢温度大于600℃ 内应力为零.
2021/3/9
2.2 焊接应力与变形产生的原因
应力释放法 1、切条法 2、套孔法 3、小孔法 4、逐层铣削法 5、物理法 （1）X射线衍射法 （2）磁应力测试法
2021/3/9
焊接残余应力测定方法
1.小孔法：是应力破坏 性最小的一种，原理 是：在应力场中钻一 个小孔，应力平衡受 到破坏，钻孔周围的 应力重新调整，测得 孔附近的应变片的变 化，可用弹性力学推 算小孔处的应力。
2021/3/9
结论
1、板条中心对称加热时，板条中产生温度 应力，中心受压两边受拉。
2、若不产生压缩塑性变形， s则冷却 后内应力消失，平板复原，没有残余变 形。
3、若s，当温度恢复到原始状态时，有 残余应力，中心受拉两侧受压。且有残 余变形。其方向与加热时相反。
2021/3/9
（4）非对称加热应力与变形
2021/3/9
（3）若≥s温度大于600℃
高温区应力为0变形不百度文库0
•
• 若金属板条是互不相连的小窄条， • 则变形为图2-2a所示。但金属因整体 • 变形保持一致，故实际变形为图2-2b。 • 加热时，出现中心受压应力，两侧受 • 拉应力。冷却后，若加热应力〈 • S，则无内应力；若加热应力 〉 • 则中心受压，两侧受拉。
焊接残余应力 平行焊缝轴线方向的应力称纵向残余应力，
垂直焊缝轴线的应力为横向残余应力，厚度方向
的残余应力。 在厚度小于20mm的对接接头结构中，厚度方
向应力较小。
：平行焊缝方向上的应
X
力
：垂直焊缝方向上的应
Y
力
：厚度方向上的应力
Z
2021/3/9
1.纵向残余应力（横截面）
2021/3/9
（1 ）焊缝长度对纵向应力（纵截面）的影响
表面时，如果 能满足2dSin =n ，
则X射线在反射方向因干涉而加强。 • 缺点：
1.只能测表面应力 2.对被测表面要求高，所用设备昂贵
小结
焊接应力通常指焊接残余应力： 分为纵向、横向、厚度方向残余应力。 残余应力危害： 降低承载能力、降低疲劳强度、尺寸精度、 耐腐蚀性。 测定残余应力方法：钻孔法、X射线法，但不 准确。
2021/3/9
3 长板条不均匀受热时的应力和变形
（1）三个板条加热、冷却自由变形 当三个板条均处于自由状态，对B板条进行加
热时，B独立伸长，板条A、C未受热，所以长度无 变化。
2021/3/9
（2）三个板条加热、冷却非自由变形
2021/3/9
（3）中心加热实验的应力与变形
2021/3/9
中心加热实验的应力与变形
2021/3/9
（2） T形接头的纵向应力分布
2021/3/9
（3） 对接圆筒环焊缝的纵向残余应力 （切向应力）
• 如直径为1200mm，壁厚为6mm的低碳钢圆筒， 环缝中的为210N/mm2，而直径为384mm，壁厚 也为6mm的圆筒环焊缝中的为115N/mm2。
2021/3/9
y
2.横向应力
2021/3/9
5.焊接变形及其对钢结构的影响 （1）钢结构整体如果产生扭曲变形，就会 降低承载能力、降低使用寿命，甚至不能 使用。 （2）变形会浪费工时、增加生产周期，或 矫正变形过程中使构件产生加工硬化。
2021/3/9
2.5 消除焊接残余应力的方法
消除焊接残余应力的方法有： 热处理、锤击、振动法和加载法等。
塑变应力----是指金属局部发生拉伸或压缩塑性 变形后引起的内应力。
2021/3/9
1.温度应力—由于不均匀受热
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2.变形 弹性变形 塑性变形 自由变形
非自由变形（包括外观变形和内部变形）。 弹性变形、自由变形----应力为0，变形为0； 塑性变形----理想状态应力为0，变形为0；否则
2021/3/9
1.不受约束的自由杆件均匀加热和冷却时应力变形
结论:没有残余应力和残余变形. 应用：焊接生产采用整体预热和后热,可以减少残余应
力.
2021/3/9
2.受拘束件在热循环中的应力与变形 （1）若s （弹性变形） 加热时： T应力 s ; 冷却时： T应力 s .
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（2）若≥s ,TMax＜500℃ 加热时 ： T应力 s ，εp压缩塑性变形; 冷却时 ：T应力 s =0，εp 拉伸塑性变形
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2.3 焊接残余应力及分布
（1）根据应力与焊 缝的相对位置
纵向应力：应力作用方向与焊缝平行 横向应力：应力作用方向与焊缝垂直
（2）根据应力形成原因
温度应力：由于焊件不 均匀加热引起的应力 拘束应力：由于焊件热 变形受到拘束引起的应 力 组织应力：由于接头金 属组织转变时体积变化 受阻
2021/3/9
作业思考题2
1.焊接应力分类？分析焊接纵向残余应力 是如何形成的？
2. 焊接残余横向应力如何形成？如何防止 焊接应力？
3. 焊接应力对焊接结构的影响？分析T型 结构、H型结构应力变化与焊件尺寸的 影响？
4. 测定焊接应力的方法有哪些？
5.网上查关于焊接应力引起焊接结构件破 坏事故图片或案例。
2021/3/9
2.4 残余应力对结构的影响 • 对静载强度的影响 • 对构件加工尺寸精度的影响 • 对受压杆件稳定性的影响 • 对应力腐蚀裂纹的影响 • 焊接变形及其对钢结构的影响
2021/3/9
2021/3/9
1.对静载强度的影响
2021/3/9
2.对构件加工尺寸精度的影响
2021/3/9
2021/3/9
（4）焊接瞬态应力变形
2021/3/9
2021/3/9
计算机模拟焊接应力
2021/3/9
小结
在平板条中心堆焊，由于板条在焊 接过程中是一个不均匀受热的整体，焊 接时沿焊缝长度产生伸长变形，焊缝及 其附近产生压应力；远离焊缝区的两侧 产生拉应力。
焊接结束后，板条产生缩短的残余 变形，同时在焊缝及其附近产生残余拉 应力；远离焊缝区两侧产生残余压应力。
1. 热处理 对碳钢及中、低合金钢，加热温度为
580～680℃；铸铁为600～650℃，保温时 间一般根据每毫米板厚保温1～2min计算， 但总时间不少于30min，最长不超过3h。
2021/3/9
2.锤击法 锤击时要掌握好打击力量，保持均
匀、适度，避免因打击力量过大造成加 工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及 时锤击，除打底层不宜锤击外，其余焊 完每一层或每一道都要进行锤击。锤击 铸铁时要避开石墨膨胀温度。
球形焊接件变形
2021/3/9
4.对应力腐蚀裂纹的影响
金属材料在某些特定介质和拉应力的共同 作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂 纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和 拉应力共同作用的结果。
残余拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响， 当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加后 的拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向就 高，发生应力腐蚀开裂的时间就越短。
第2章 焊接应力与变形
2.1 焊接应力与变形 内力----物体受到外力作用时和加热引起 物体内部之间相互作用的力，称内力。 单位截面积上的内力称为内应力。 内应力----在没有外力的条件下平衡于物
体内部的应力。 按产生原因分类有： 热应力、相变应力、塑变应力。
2021/3/9
热应力----是指在加热过程中，焊件内部温度有 差异所引起的应力，故又称温差应力。
避免在蓝脆区敲击200-300℃。
2021/3/9
3.振动消除法
截面为30mm×50mm一侧堆焊的试件，经 过=128N/mm2和=5.6N/mm2多次应力循环后，残 余应力的变化情况。由图中看出，当载荷达到一 定数值，经过多次循环加载后，焊件中的残余应 力逐渐降低。
2021/3/9
2.6 焊接残余应力测定方法
Y
B
0 dx
E
B
0 e T d x E
B 0
E
f
x d x
0
2021/3/9
焊后产生应力与变形
2021/3/9
4 焊接引起的内应力及变形
（1） 焊接应力与变形的特殊性
•
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（2）焊接应力变形的演变过程
2021/3/9
焊接应力变形的演变过程
2021/3/9
（3）焊接热应变循环组织应力
2.套孔法：采用套料 钻或管形电火花加 工环形孔来释放应 力，在孔内预先贴 上应变片，可以算 出表面残余应力， 切削深度为 [0.6~0.8]D，破坏性 不大。
3.切条法
2021/3/9
4、X射线衍射法
• 原理：晶体在应力的作用下，原子间 距发生变化，其变化与应力大小成正 比，当用X射线，以掠角 入射到晶体
不为0。
2021/3/9
自由变形：
LT = 0 L0 (T 1 - T 0 )
LT——自由变形量； L0——原长； 0——金属材料的线胀系数； T 1——加热的温度； T 0——原始温度。
LT • T = L0 = (T 1 - T 0 )
2021/3/9
非自由变形
L=(LT - Le) L —内部变形 未表现出的那部分变形 Le—外观变形 表现出的那部分变形
2021/3/9
3.厚度方向的残余应力
随着填充材料厚度的增加，横向收缩应 力也沿z轴向上移动，并在已填充的坡口的 纵截面上引起应力。
2021/3/9
厚度方向应力为压应力
2021/3/9
4.管板焊接的残余应力分布
2021/3/9
5. 工字梁中的残余应力
2021/3/9
6. 拘束状态下焊缝的残余应力分布
横向残余应力有两部分组成： 一部分是由焊缝及其附近塑性区的纵向收缩
引起的横向应力σy′；
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(1) 纵向收缩引起的焊缝横向应力随焊缝长 度变化：
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（2）焊缝横向收缩引起的横向应力σy〞 先焊部分先冷却，后焊部分后冷却。先冷却
的焊缝限制后冷却焊缝的横向收缩，导致最后 收缩的焊缝受拉应力。
（满足自由变形规律）
2021/3/9
3.研究焊接应力与变形基本假定
(1) 平截面假定：构件变形时整个横截面是平行 移动或转动；
(2) 金属性能不变的假定：物理性能不随温度的 变化而变化。
(2) 金属屈服点的假定： 可见低碳钢温度大于600℃ 内应力为零.
2021/3/9
2.2 焊接应力与变形产生的原因
应力释放法 1、切条法 2、套孔法 3、小孔法 4、逐层铣削法 5、物理法 （1）X射线衍射法 （2）磁应力测试法
2021/3/9
焊接残余应力测定方法
1.小孔法：是应力破坏 性最小的一种，原理 是：在应力场中钻一 个小孔，应力平衡受 到破坏，钻孔周围的 应力重新调整，测得 孔附近的应变片的变 化，可用弹性力学推 算小孔处的应力。
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结论
1、板条中心对称加热时，板条中产生温度 应力，中心受压两边受拉。
2、若不产生压缩塑性变形， s则冷却 后内应力消失，平板复原，没有残余变 形。
3、若s，当温度恢复到原始状态时，有 残余应力，中心受拉两侧受压。且有残 余变形。其方向与加热时相反。
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（4）非对称加热应力与变形
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（3）若≥s温度大于600℃
高温区应力为0变形不百度文库0
•
• 若金属板条是互不相连的小窄条， • 则变形为图2-2a所示。但金属因整体 • 变形保持一致，故实际变形为图2-2b。 • 加热时，出现中心受压应力，两侧受 • 拉应力。冷却后，若加热应力〈 • S，则无内应力；若加热应力 〉 • 则中心受压，两侧受拉。
焊接残余应力 平行焊缝轴线方向的应力称纵向残余应力，
垂直焊缝轴线的应力为横向残余应力，厚度方向
的残余应力。 在厚度小于20mm的对接接头结构中，厚度方
向应力较小。
：平行焊缝方向上的应
X
力
：垂直焊缝方向上的应
Y
力
：厚度方向上的应力
Z
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1.纵向残余应力（横截面）
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（1 ）焊缝长度对纵向应力（纵截面）的影响
表面时，如果 能满足2dSin =n ，
则X射线在反射方向因干涉而加强。 • 缺点：
1.只能测表面应力 2.对被测表面要求高，所用设备昂贵
小结
焊接应力通常指焊接残余应力： 分为纵向、横向、厚度方向残余应力。 残余应力危害： 降低承载能力、降低疲劳强度、尺寸精度、 耐腐蚀性。 测定残余应力方法：钻孔法、X射线法，但不 准确。
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3 长板条不均匀受热时的应力和变形
（1）三个板条加热、冷却自由变形 当三个板条均处于自由状态，对B板条进行加
热时，B独立伸长，板条A、C未受热，所以长度无 变化。
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（2）三个板条加热、冷却非自由变形
2021/3/9
（3）中心加热实验的应力与变形
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中心加热实验的应力与变形
2021/3/9
（2） T形接头的纵向应力分布
2021/3/9
（3） 对接圆筒环焊缝的纵向残余应力 （切向应力）
• 如直径为1200mm，壁厚为6mm的低碳钢圆筒， 环缝中的为210N/mm2，而直径为384mm，壁厚 也为6mm的圆筒环焊缝中的为115N/mm2。
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y
2.横向应力
2021/3/9
5.焊接变形及其对钢结构的影响 （1）钢结构整体如果产生扭曲变形，就会 降低承载能力、降低使用寿命，甚至不能 使用。 （2）变形会浪费工时、增加生产周期，或 矫正变形过程中使构件产生加工硬化。
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2.5 消除焊接残余应力的方法
消除焊接残余应力的方法有： 热处理、锤击、振动法和加载法等。