焊接残余变形剖析
钢桥焊缝残余应力与变形分析
钢桥焊缝残余应力与变形分析一、概述钢桥是指上部结构主要承重部分是用钢材制成的桥梁，它自重较轻，跨越能力大，抗拉、抗压、抗剪强度高，可用于复杂桥型和景观桥。
在工程中，经常能见到的钢桥类型有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱，箱形拱、桁架拱），索桥（悬索桥和斜拉桥）。
我国迄今已建造了3600余座各式钢桥。
仅在长江上已有各种型式的桥梁30余座，其中接近半数为钢桥。
关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计。
90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。
按跨径大小排序，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，香港青马大桥（L=1377m）排名第五；斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m，排第四位）。
钢桥是由钢板、型钢等组合连接制成基本构件，如梁、柱、桁架杆件等，运到工地后再通过安装连接组成整体结构。
连接在钢桥中占有很重要的地位。
钢桥中部件的连接方法主要有铆钉连接、螺栓连接和焊接三类。
焊接是现代钢桥最主要的连接方法，它是对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便使用，一般不需要附加连接板、连接角钢等零件，也不需要在钢材上开孔，不使截面受到削弱。
因此，它的构造简单，节省钢材，制作方便，并易于采用自动化操作，生产效率高。
此外，焊接的刚度较大，密封性较好。
常见的焊接方法有电弧焊、栓钉焊，电弧焊又常分为手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。
焊缝连接中按焊体钢材的连接方式可分为对接接头、搭接接头、T型接头、角接接头等形式。
但焊接也存在着它不足的一面，焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能；焊缝可能出现气孔、夹渣、咬边、弧坑裂纹、根部收缩、接头不良等影响结构疲劳强度的缺陷。
焊接残余变形
1 180 K=6 2
6 180
3
6
150
K=6 150
4
6
题2图
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题3图
4. 横向收缩引起的挠曲变形 横向焊缝的中心与构件中心不重合时，焊缝的横向收缩也会引 起结构的挠曲变形
F----构件截面积，L----构件长度 因此，△L取决于F、L、∫fp εp · dF、 fp的大小：方法、焊接参数 εp的大小：材料性质
影响纵向收缩的因素：
1)规范： q / v↑, ∫fp↑,→Pf↑, △L 2)焊接方法： 不同的焊接方法，热源集中度不同，则HAZ大小不同， 也即 Fp不同 3)材料性质： α,λ↑, → ∫fp ↑, △L↑ α不锈钢＞α低碳钢 λ铝＞λ低碳钢
2.角焊缝
丁字接头和搭接接头角焊缝的横向收缩，其实质与堆焊类似，其数值 取决于加热该构件的那部分热量及板厚 线能量应取输入到横板上的热量：
q 2δ H • v 2δ H + δ V
δH──横板厚度 δV──立板厚度
立板越厚，横板上的热量越小，横向变形也越小。
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1 M2 = ρ E⋅I
ε =
E I---构件抗弯刚度
∆B2 l
f
δ2
h
L-△B2
则 ：P =
= ∫ σ ⋅ dF
F2
∆ B2 ⋅ E ∆ B2 ⋅ E ⋅ F2 ⋅ dF = l l F2
∫
h δ M 2 = Pf ( − 1 ) 2 2 1 F ⋅ ∆ B2 h δ 1 ∆B2 ⋅ S 2 ( − )= 则： = 2 ρ I ⋅l 2 2 I ⋅l l ∆ B1 ⋅ S1 φ1 = = ρ I S1 = h1 ⋅ δ 1 ⋅ e 1 l f0 = ⋅ϕ ⋅ 2 2 f = 5 ⋅ φ ⋅ l + 4 ⋅ φ ⋅ l + 3φl + 2φ l + φl φ = φ1 + φ 2
焊接应力与变形分析及改善措施
焊接应力与变形的分析及改善措施作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。
然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，如果严重的话甚至会导致焊件报废。
有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量1 焊接变形的基本类型分析焊接变形的基本类型。
所谓焊接变形是指钢结构在焊接过程中，由于施焊电弧高温引起的变形，以及焊接完成后在构件中的残余变形现象。
在这两类变形中，焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素，也是破坏性最强的变形类型。
焊接残余变形对结构的不同层次的影响分为整体变形和局部变形；根据变形的不同特点则可分为：角变形、弯曲变形、收缩变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形。
在这些变形类型中，角变形和波浪变形属于局部变形，而其他类型的变形属于整体变形。
钢结构发生较多的变形类型是整体变形。
2. 焊接变形产生的原因分析。
钢结构刚度：刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力。
钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。
图给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。
焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。
热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和变形。
材料因素主要包括有材料特性、热物理常数及力学性能（热膨胀系数α＝f （T），弹性模量E＝f（T），屈服强度σs＝f（T），σs（T）≈0时的温度TK或称“力学熔化温度”以及相变等）；在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。
制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性）则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。
焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。
通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下。
钢结构焊接残余应力及变形控制分析
建材发展导向2018年第18期1301 钢结构焊接中残余应力产生的原因1.1 不达标的钢结构材料性能以及力学性能在钢结构焊接加工中，因为钢结构材料接受不均匀的焊接加热温度，因此有横向或纵向梯度的残余应力的出现，而出现不均匀的焊接加热温度的现象主要受到下面几方面因素的影响：第一，对于温度感应，不同的金属材料钢结构具有各种不相同的反应，因此会导致比热容出现变化，引发钢结构焊接部位结构发生变化。
第二，在钢结构焊接加工中，焊接位置的密度、导热系数、热膨胀系数和密度等等因素也会产生较大的影响，从而导致钢结构材料焊接受热不均匀，最终导致大量的残余焊接应力的出现。
1.2 不同的热源也会导致产生焊接残余应力对于钢结构焊接加工来说，热源起到重要的作用，然而焊接热源不一样，也会出现不相同的焊接残余应力。
通常在金属焊接过程中，使用电能、化学能作为焊接热源，从而产生电弧焊热源和电子束热源。
当钢结构焊接中应用的热源存在较大的差异，就会导致温度场表现出差异，最终有不一样的焊接残余应力的出现，使钢结构焊接出现各种不一样的变形情况。
1.3 其它因素导致焊接残余应力产生在钢结构焊接加工中，热源和材料、力学性能因素对其会产生影响，其它因素对其也会产生影响，导致出现不同的残余应力。
比如：在还没开始焊接加工操作之前，使钢结构局部零件以及器材进行轧刹，钢结构焊接加工过程也会受到影响，使钢结构焊接加工中出现不同的残余应力。
另外，在钢结构焊接加工中，其它多方面因素的影响也要重点考虑，出现较大的残余应力才能避免。
2 钢结构焊接残余应力对钢结构材料造成的影响2.1 稳定性在钢结构焊接加工中，确保钢结构的稳定性是非常重要的，这也是使钢结构焊接加工质量能够提高。
如果钢结构的稳定性没有到达相关质量标准，那么将会导致较低的钢结构构成的质量，不能满足应用要求。
在钢结构焊接加工中出现残余应力，会导致焊接部位出现变形问题，不能确保钢结构的稳定性，而且会在应用中出现严重的问题。
如何预防和消除焊接残余变形-1
如何预防和消除焊接残余变形摘要：焊接残余变形的存在，会影响产品生产工艺流程的正常进行，降低产品的承载能力，使产品的尺寸精度和外形达不到设计和使用的要求。
因此，本文从焊接残余变形的种类、变形特点、如何控制及预防等方面，对焊接残余变形的相关知识点，进行了归纳总结。
帮助学生更好地理解和掌握相关知识，为今后的工作打下良好的理论基础。
关键词：焊接残余变形变形种类产生原因消除方法焊接变形和焊接应力同时存在于焊接结构中，焊接残余变形的存在，不仅会影响产品生产工艺流程的正常进行，使产品达不到设计和使用的质量要求，严重时还会使产品产生报废。
因此，理解和掌握生产过程中，产品的变形种类、变形特点、预防和消除的方法在保证产品质量方面，就显得尤为重要。
一、焊接残余变形的种类及影响因素：在焊接结构中，我们按焊接变形对整个结构产生的影响程度，可将焊接变形分为二大类，即整体变形和局部变形。
整体变形通常包括纵向收缩变形、横向收缩变形、弯曲变形和扭曲变形。
局部变形通常包括角变形和波浪变形。
焊接变形的基本形式主要有：收缩变形、角变形、波浪变形和扭曲变形。
其中，收缩变形是在焊接过程中最容易出现的。
1、收缩变形焊件尺寸在焊后缩短的现象称为收缩变形。
它分为纵向收缩变形和横向收缩变形。
1）、纵向收缩变形即沿着焊缝轴线方向上尺寸的收缩。
产生的主要原因是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，待焊件冷却后，这些纵向的压缩塑性变形导致焊件沿焊缝长度方向尺寸缩短，即产生了纵向收缩变形。
影响纵向收缩变形的因素主要有构件的长度、截面积、焊接方向、焊接方法、焊接热输入及焊接工艺，其中，最重要的是焊接热输入。
2）、横向收缩变形沿垂直于焊缝轴线方向上尺寸的收缩现象称为横向收缩变形。
产生的主要原因是因为热源附近高温区金属的热膨胀受到约束，产生了塑性应变，熔池凝固后焊缝附近金属开始降温而收缩。
另一方面是焊缝本身的收缩，但其较小，仅占横向收缩总量的10%左右。
3.5 焊接残余应力和焊接残余变形-精品文档
4
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。
§ 6-2 焊接残余变形
焊接残余变形
一、焊接残余变形的分类
ａ) 收缩变形 ｂ) 角变形 ｃ) 弯曲变形 ｄ) 波浪变形
ｅ) 扭曲变形 ｆ) 错边变形
纵向和横向收缩变形 Δx—纵向收缩变形 Δy—横向收缩变形
2. 弯曲变形
弯曲变形常见于焊接梁、柱、管道等焊件，对这类焊接结构的生产 造成较大的危害。 弯曲变形的大小以挠度f来度量，f是焊后焊件的中心 偏离原焊件中心轴的最大距离。
几种梁的截面形状
（3）结构抵抗扭曲的刚度
除了决定于结构的尺寸大小外， 最主要的是结构截面形状。
一般来说，短而粗的焊接结构， 刚度较大；细而长的构件，抗弯 刚度小。结构整体刚度总是比部件刚度大。因此，生产中常采用整体装 配后再进行焊接的方法来减少焊接变形。
3. 焊接结构的装配及焊接顺序
工字梁的装配顺序和焊接顺序 ａ) 工字梁的结构形式 ｂ) 边装边焊顺序 ｃ) 总装后再焊接顺序 1—下盖板 2—腹板 3—上盖板
双Y形坡口对接接头的角变形 ａ) 合理的焊接顺序 ｂ) 不合理的焊接顺序
4. 其他因素
（1）结构材料的线膨胀系数
（2）焊接方法 （3）焊接参数 （4）焊接方向 （5）焊接坡口形式
三、控制焊接残余变形的措施
1. 采用合理的装配焊接顺序
（1）对称焊缝采用对称焊接法
圆筒体环形焊缝对称焊接顺序
（2）不对称焊缝先焊焊缝少的一侧
采用热平衡法防止焊接变形
四、残余变形的矫正
1. 机械矫正法
工字梁焊后变形的机械矫正 ａ) 拱曲焊件 ｂ) 用拉紧器拉 ｃ) 用压头压 ｄ) 用千斤顶顶
2. 火焰矫正法
火焰矫正法的加热方式 ａ) 点状加热正 火焰加热的区域为一个点或多个点，加热点直径一般小于15mm。 （2）线状加热矫正
浅析钢结构焊接残余应力及焊接变形控制
浅析钢结构焊接残余应力及焊接变形控制摘要：焊接是钢结构施工中的基础技术，发挥着重要作用，但焊接残余应力的产生也是其难以避免的缺陷。
基于此，本文先是从产生原因、影响、控制措施三个方面研究了钢结构焊接残余应力，然后分析了焊接变形控制。
关键词：钢结构；焊接残余应力；焊接变形引言：随着我国工业技术的广泛提高，焊接技术变得越来越精细化。
焊接技术具有着操作便捷、经济节约的优势，但也存在残余应力的消极影响。
为了保障钢结构的质量和稳定，研究钢结构焊接残余应力及焊接变形控制具有重要意义。
一、钢结构焊接残余应力分析（一）焊接残余应力的产生原因1.材料性能造成残余应力的产生钢结构在焊接过程中，由于焊接加热让钢结构上受热不均匀，温度呈现出梯度冷却变化，从而产生了焊接残余应力。
造成受热不均匀的物理原因是，钢结构部件的材料性质不同，对于温度的反应也大不相同，所体现出来的比热容也不同，焊接部位结构上发生相应的变化。
另外焊接部位的导热系数、膨胀系数、密度等性质，造成焊接部位发生受热不均匀的现象，由此产生了残余应力。
2.热源不同造成的残余应力在焊接的时候，由于接入了不同的焊接热源也影响了残余应力的产生。
对金属进行的焊接需要电能、化学能、机械能等。
相对应的焊接热源包括电焊热源、电阻焊热源等等。
由于焊接过程中使用不同种类的热源，钢构件中产生的温度场也不同，由此钢构件上产生的残余应力也就大不相同，对于钢结构变形也产生大不相同的影响。
在进行钢构件的焊接操作时，需要根据钢材的材料选择合适的焊接热源，来减少残余应力的影响。
3.其他原因其他原因造成的残余应力，包括钢结构在操作焊接之前，对于钢结构器件进行处理，使钢结构部件得到过轧刹，那么焊接操作将受到影响，残余应力因此而产生。
焊接操作中钢结构的物理性质也会影响到残余应力产生[1]。
（二）焊接残余应力带来的影响1.疲劳强度低残余应力会影响到钢构件的疲劳强度，也就是影响到焊接结构使用年限，钢结构使用寿命是检验质量的重要标准。
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3200字
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3200字摘要：随着焊接技术也已经发展的越来越普及，但是焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响非常大，必须加强对焊接质量研究。
本文对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进行了探讨分析。
毕业关键词：焊接残余应力；焊接变形；钢结构；消除和调整1 焊接残余应力产生的原因1.1 塑性压缩造成的纵向残余应力在焊接的过程中，由于温度上的差距，焊缝及其周围都会受到因热膨胀和周围温度较低的金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。
当焊接完成之后，温度骤减，母性材料就会制约着焊缝和近缝区域之间的收缩，这就在很大程度上导致了残余应力的存在。
并且残余应力的范围将会和高温环境下造成的塑性范围相一致，弹性拉伸区域和残余拉应力也是相对应的。
从这些都可以看出来，塑性压缩就是造成焊接过程中纵向残余应力的主要原因。
1.2 塑性压缩的应变导致的横向残余应力塑性压缩的应变，除了能够说成是造成纵向残余应力的主要原因，同时也能理解为造成横向残余应力的原因之一，但是造成横向残余应力的主要原因是母材的收缩。
当对母材进行焊接时，母材会出现膨胀现象，并且当焊接缝的金属材料逐渐形成固体时，膨胀中的母材必定会受到压缩，这种塑性压缩是横向收缩中的重要的一部分，焊缝自身那一小部分收缩仅仅只占到横向收缩的十分之一左右。
主要的横向收缩那部分存在于焊接缝沿着焊缝轴线进行切割后的中心区域，那才是拉应力中的横向应力。
2消除残余应力的方法2.1 热处理的方法这种方法对于焊件的性能有着至关重要的作用，它不仅可以消除残余应力，还能够改进焊接接头的性能。
热处理方法就是在焊件还处在高温条件下的时候，去降低屈服点和蠕变现象，从而实现去除残余应力的一种方法。
这种方法分为两个步骤，首先就是总体热处理，其次是局部热处理。
在总体热处理的过程中，加热的温度和保温时间和加热以及冷却速度都会影响到去除焊接残余应力的效果。
在局部热处理的过程中，一般只能降低残余应力的峰值，而不能直接消除残余应力。
焊接残余变形和残余应力
状态III
状态Ⅰ 状态II
N1
V y
V n
NN N
1x
n
+ V+
++ ++
x
++
++
状态Ⅰ
y
+ + + + +
状态II
+
+ +
Nx
+
+
y
状态III
N1
T y
Tx1 xi2 yi2
N1xT
Ty1 xi2 yi2
合成后，得
+
状态III ++y
+ +
+ +
Tx
+
+
+
NT 1
螺栓受力特性
y
承受剪力 N。
剪力的计算
+ + +
++i r+i
Ni
T
++
x
++
由平衡条件和基本假定： T N1r1 N2r2 N3r3 Nnrn （a）
NT NT NT
NT
1 2 3 n
r1
r2
r3
rn
n
1
r1 r2 o r3
2 N1
3 N2
4
6
5
N T r2 N T , N T r3 N T , , N T rn N T
② l1＞15d0情况
此时，螺栓剪力分布明显不均，距外力N最近的一排 螺栓受力最大，会首先破坏并依次逐排朝内破坏。为保 证其安全，将承载力乘降低系数。
焊接残余变形的测量与分析实验
焊接残余变形的测量与分析实验一、实验目的1. 学习测量焊接变形的方法，掌握其基本操作技能；2. 加深理解沿板条纵向边缘堆焊时，焊接纵向弯曲变形的动态过程，并深入了解焊接过程中瞬时弯曲挠度的变化规律。
二、实验设备及实验材料1. 直流（或交流）电焊机1台2. 板条夹持装置（自制）1套3. 电流表（0-250A）1只4. 电压表（0-75V）1只5. 百分表1块6. 低碳钢板400 mm×60 mm×100 mm 1块7. 电焊条J422 Φ4 mm 若干8. 秒表1块三、实验原理将板条一端刚性固定，并沿上侧边缘堆焊纵向焊道，则在加热及冷却过程中，板条将产生纵向弯曲，并且弯曲挠度的大小和符号又将不断发生变化。
四、实验方法及步骤1. 取一块低碳钢板，安装于夹具中，并保持刚性固定，以免影响实验结果；2. 将百分表置于钢板自由端，并与钢板下边缘紧密接触；3. 布置并连接好实验设备和实验装置；4. 将J422型电焊条装夹在手工焊钳口中，接入电流表，电压表，而后接通焊接电源。
5. 在钢板的上边缘侧边进行纵向敷焊，焊接方向为自板条的固定端开始焊向自由端，焊接电弧引燃后随即启动秒表计时，要求在60s内焊完。
每隔10s记录一次百分表读数。
6. 焊接完毕后，继续记录时间与百分读数，直至钢板变冷，百分表指针不再摆动。
五、实验结果的整理与分析1. 焊接电流I和焊接电压U皆取焊接过程中仪表指针的稳定指示幅值，焊接速度V为焊道长度与焊接时间之比值；2. 根据百分表读数，得出板条自由端弯曲变形挠度f与时间t的关系曲线的纵坐标f值（mm）；3. 分析焊接规范及板条宽度不变的条件下，总结出板条自由端挠度与时间的关系曲线（f－t曲线）的规律性。
六、思考题1. 沿板边缘纵向敷焊过程中，板条自由端的纵向弯曲挠度为什么有符号的改变？2. 实验结果的规律性是否明显？有何异常现象？出现异常现象的原因是什么？七、实验报告要求1. 实验目的2. 实验装置与实验材料3. 实验步骤，实验数据4. 数据处理及结果分析（1）绘出f－t关系曲线（2）写出实验体会与建议。
浅析焊接残余应力变形及消除调整措施
浅析焊接残余应力变形及消除调整措施前言随着钢结构的广泛应用，对钢结构的要求也越来越高。
如钢结构需满足跨度大、稳定性好、刚度大、抗弯性能好等要求。
焊接作为钢结构最主要的连接方式，对焊接工艺和焊接质量的要求也在不断地提高。
研究焊接残余应力和焊接变形对钢构件的影响，通过合理的设计和制造以及相应的措施减小焊接残余应力和焊接变形对构件的影响，将有效的提高钢结构的性能，满足建设的需求。
一、残余应力产生原因及影响分析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。
构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。
一般我们在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时所增加的瞬时应力与焊接残余应力。
但是刚性大、板材厚的构件，虽然残余变形相对较小，但同时会产生巨大的拉应力，甚至导致裂纹。
在未产生裂纹的情况下，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中往往导致构件失稳、变形甚至破坏。
因此焊接应力的控制与消除在钢结构制作过程中显得十分重要，应优先于构件的残余变形给予考虑。
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。
焊接残余变形
焊接残余变形一、焊接残余变形的分类1．纵向和横向收缩变形a)纵向收缩：焊件在焊后沿焊缝长度方向上的收缩。
纵向收缩变形随焊缝长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加。
b)横向收缩：焊件在焊后沿焊缝宽度方向上的收缩。
横向收缩变形随焊接热输入、焊缝宽度、焊脚尺寸的增加而增加。
2．角变形是焊接时，由于焊缝区沿厚度方向产生的横向收缩不均匀引起的弯曲变形。
角变形的大小与焊接方法、焊接道数及坡口形式有关。
3．弯曲变形是结构上焊缝分布不时称，焊缝收缩引起的变形，用挠度f表示。
挠度是指焊件的中心轴线偏离原中心轴线的最大距离。
4．扭曲变形是焊件的施焊顺序不合理、组装不良或纵向有错边，焊接时角变形量长度方向不均匀，焊缝的纵向和横向收缩没有限一定的规律，引起的变形。
5．波浪变形由于结构件的刚性较小，在焊缝的纵向和横向收缩共同作用下造成较大的压应力而引起波浪变形。
二、控制焊接残余变形的工艺措施1．设计方面在保证构件有足够承载能力的前提下，尽量减少焊缝尺寸，焊缝的数量，合理安排焊缝的位置，焊缝尽可能对称分布避免局部焊缝过分集中。
2．工艺方面选择合理的组装焊接顺序a)大型复杂的焊接结构，在条件允许的情况下，分成若干个分别焊接，然后将各单元总体拼装成整体后再进行整体焊接。
b)对称结构上的对称焊缝，这样可以使两侧产生的焊接变形相互抵消。
c)非对称布置的焊缝。
3．反变形法焊前使焊件具有一个与焊后变形方向相反、大小相当的变形，以便恰好能抵消焊接后产生的变形。
这种方法的关键在于反变形量大小的设置，反变形量的大小应依据在自由状态下施焊测得的焊接变形，并结合弹性变形作适当的调整。
4．刚性固定法焊前对焊件要用外加刚性拘束，使其在不能自由变形的条件下焊接，强制焊接在焊接时不能自由变形，这样可减小焊接变形。
应指出，当外加刚性拘束去除后，由于残余应力的作用，焊件上会残留一定的变形，但比起自由变形来小得多，另外采用刚性固定法，使焊接接头中产生较大的残余应力，对于一些焊后容易裂的材料应慎用。
钢结构焊接残余应力及变形控制分析
钢结构焊接残余应力及变形控制分析摘要：随着我国社会经济的快速发展，焊接技术得到了有效的创新与改革，逐渐发展为集冶金、材料、结构、电子机械等多门科学为一体的综合性工程工艺类学科，在工艺制造加工、建筑建设施工、设备安装等众多领域得到广泛应用，特别是我公司的石油钻井设备，基本都是钢结构焊接件。
而焊接质量的好坏在焊接应力与焊接变形上有着显著体现。
对此，加强焊接应力与焊接变形的研究，实现焊接应力与焊接变形的科学管控，是焊接产品质量的保证。
关键词：钢结构；焊接；残余应力；变形控制1 焊接残余应力和变形的原因分析焊接过程中产生变形问题是会极大程度影响钢材施工整体质量，焊接工艺对钢材施工影响是双方面的，在提升钢结构生产质量同时，对钢材结构产生一定影响。
焊接变形无法避免，需要施工人员以合理手段对其进行控制。
在焊接过程中由于出现不规则加热和在不均匀冷却情况下，使其内部分子结构发生变化。
在钢材刚性约束下，外界力的作用以及组织变化，使其结构产生收缩，从而导致其出现变形情况。
1）焊接应力的产生是导致焊接变形最主要的原因。
焊接工件的大小程度，复杂情况会产生大小数量不等的复杂焊缝。
在处理焊缝的过程中，就有难以预测的复杂应力产生，从而导致焊接变形。
变形度越大那么工件的外观和质量就会受影响。
甚至可能会报废，或发生安全事故，造成经济损失。
2）受焊接材料的影响。
焊接材料的质量好坏对焊接变形会产生影响。
材料基本都是金属，金属本身有特殊的热物理性。
焊接材料的热传导系数越大，温度梯度较小，这样焊接变形的几率也就越小。
焊接是向母材料焊口加热，让其产生高温，使焊材与母材料完全融合。
如果在加热过程中，受热不均匀，都会导致焊接变形。
3）焊接结构的设计。
焊接结构因素是焊接变形的最大原因。
焊接结构设计非常复杂，工件自身是拘束体，它随焊接而慢慢变化，所以工作的难度比较大。
焊接会出现许多数量、接头形式不一样的焊缝。
如果钢结构件的结构复杂，焊接变形就更难控制。
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。
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第一节 焊接应力和变形的基本概念 （二）不均匀加热及焊接过程引起应力与变形
焊接残余变形剖析
第一节 焊接应力和变形的基本概念
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形 2.1焊接残余变形
的分类 1.按焊接结构
的变形形式划分 （a）局部变形
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形 （b）整体变形
焊接残余变形剖析
焊接变形不仅影响结构尺寸精度和外观质量，而且在外载作用 下会引起应力集中和附加应力，使结构的承载能力下降。
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
2.4预防焊接变形的 措施（设计和工艺） （一）设计措施 1.合理选择焊缝尺 寸和形式
开坡口的焊缝比一般角焊缝 减少焊缝金属，对减少变形 有利。
第二节 焊接残余变形
7.错边变形
原因：装配不良；两焊件装夹时夹紧 程度不一致；两焊件刚度不同或热物理性质不同； 电弧偏离坡口中心等。
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
焊后焊缝的纵向和横向应力是造成焊接残余变 形的根本原因。
2.3焊接变形的危害 1.降低装配质量，并造成焊接错边； 2.增加制造成本，降低接头性能 3.降低结构的承载能力
力求收缩到比原来的 长度短 焊后产生向焊缝一边的 弯曲变形
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形 （c）由横向收缩变形引起的弯曲变形
工字梁-下部焊肋板-角焊缝-横向收缩
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
4.角变形：在焊后由于焊缝横向收缩
使两连接件间相对角度发生变化的变形。
薄板：厚度方向温度分布均匀，无角 变形 较厚板：（加热时）厚度方向温度分 布不均匀，温度高的一面受热膨胀较 大，膨胀受阻，另一面较小；（冷却 时）施焊的一面收缩大，另一面收缩 小。
第二节 焊接残余变形 2.按基本变形形式划分 纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形、 波浪边形和扭曲变形等几种
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
2.2焊接变形产生的原因 1.纵向变形
大 纵向收缩量-长度 母材线胀系数 小 夹具40%-70%
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形 2.横向变形
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
限制和缩小焊接热场的分布
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
2.5 矫正焊接 变形的方法
㈠机械矫正法
利用外力使构件产生 与焊接变形相反的塑 性变形，使两者相互 抵消。
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形 ㈡火焰加热矫正法
焊接残余变形剖析
第一节 焊接应力和变形的基本概念
二、焊接应力和变形的产生
焊接时应力和变形的形成主要取决于焊接热过程，以及焊件在焊 接过程中受拘束的条件。
（一）均匀加热时引起应力与变形
1、自由状态下的杆件
焊接残余变形剖析
2、不能自由膨胀的杆件
焊接残余变形剖析
第一节 焊接应力和变形的基本概念
焊接残余变形剖析
大 对接焊-板厚 同样板厚-坡口角度 小 夹具40%-70%
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形 3.弯曲变形 （a）弯曲变形的度量f（挠度） f是焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
（b）由纵向 收缩变形引起 的弯曲变形
第二节 焊接残余变形
薄壳（塌陷）-支承座 将支承座周围的壳壁向外顶处，防 壳体变形，而且减少焊接内应力
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
2.刚性固定法（防角变形和波浪变形较好）
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
船厂较普遍采用
焊缝两侧点固角钢
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形 3.合理选择焊接方法和焊接规范 焊缝1，2分层焊，每层小线能量
焊接残余变形剖析
（a）坡口处垫高； （b）翼板反向压弯（压头、辊压法） （c）加外力，加力处效果好，不加力处较差，翼板边缘 波浪形
第二节 焊接残余变形
（二）工艺措施 1.反变形法（预先估计好结构变形的大小和方向，装配时给予一个相反
方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计的要求。最常用）
焊接残余变形剖析
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
2.尽可能减少不必要的焊缝
采用槽钢（b）来加固轴承比用辐射 形筋板（a）具有更好的效果，同时 需要的焊缝也比后者少。
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
3.合理安排焊缝位置 焊缝尽量对称(有可
能使焊缝所引起的挠 曲变形相互抵消)于 截面中性轴或使焊缝 靠近截面中性轴（减 小焊缝所引起的挠 曲），这对减少梁、 柱等一类结构的挠曲 变形有良好效果。
第三章 焊接应力与变形
焊接应力和变形的基本概念 焊接残余变形
焊接残余变形剖析
第一节 焊接应力和变形的基本概念
一、焊接应力与变形
把焊接过程中焊件中产生的随时间变化的变形和
内应力分别称为焊接瞬时变形和焊接瞬时应力。
把焊后焊件冷却至室温时仍留存在焊件中的变形
和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。
温度后留存于焊接结构内的应力）
焊接残余变形剖析
第三节 焊接残余应力 3.2焊接残余应力的分布
㈠纵向残余应力 x
焊接残余变形剖析
第三节 焊接残余应力
焊接残余变形剖析
第三节 焊接残余应力
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
5.波浪变形
（1）纵向和横向的压应力使薄板失去稳定 （2）角焊缝的横向收缩引起的角变形造成
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
6.扭曲变形
原因很多：装配质量不好；焊接顺序及方向不当； 焊件在焊接时位置搁置不当；构件的零部件形状 不正确而强行装配等。
焊接残余变形剖析
利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使 较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形 的目的。
焊接残余变形剖析
第二节 焊接残余变形
焊接残余变形剖析
第三节 焊接残余应力
3.1应力的分类 1.热应力（由于不均匀加热和冷却而引起）
2.拘束应力（由于结构本身或外加约束作用而引起）
3.相变应力（焊接接接头区产生不均匀的组织转变） 4.氢致集中应力（扩散氢聚集在显微缺陷处） 5.焊接残余应力（焊接过程结束后，整个结构温度降低到环境