焊接应力和变形分析
焊接应力与变形及其预防和校正措施
焊接应力与变形及其预防和校正措施焊件不均匀局部加热和冷却是导致焊接应力和变形产生的根本原因。
1.焊接变形的基本形式a)收缩（纵向、横向）变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形 f)错边（长度方向、厚度方向）变形σ＞σs时，产生变形σ＞σb时，产生裂纹，甚至断裂2.预防和减小焊接应力及变形的措施1）合理设计焊接结构（减少焊缝长度和截面积、尽量采用对称焊缝、避免交叉焊缝）；2）焊前预热（焊后冷却时，加热区与焊缝同时收缩。
此法称为加热减应区法：如图a)焊前b)焊后）；3）反变形法4）刚性固定法5）选择合理焊接顺序a)焊接顺序应能使焊件自由收缩 b)对称焊接法 c)长焊缝的分段焊法 d)工字梁的焊接方法6）锤击焊缝法3.焊接变形的校正1）机械矫正法a)压力矫正 b)锤击矫正变形的步骤2）火焰矫正法a）T形梁的火焰矫正 b)薄板波浪变形的火焰矫正4.焊接接头设计1）焊接结构应尽量选用型材成冲压件a)用四块钢板焊成 b)用两根槽钢焊成 c)用两根钢板弯曲后焊成 d)容器上的铸钢件法兰2）合理布置焊缝①焊缝布置应尽量分散a)、b)、c)不合理 d)、e)、f)合理②焊缝和位置应尽量对称布置a)、b)不合理 c)、d)、e)合理③尽量减少构件成焊件接头部位的应力集中a)不合理 b)合理④焊缝应避开最大应力和应力集中部位a)、b)、c)、d)不合理 e)、f)、g)、h)合理⑤对不同厚度钢板的受力对接接头，要采用工艺措施⑥在满足使用要求的前提下，应尽量减少焊缝对结构附加应力的影响a)次要焊缝影响主要受力构件 b)附加元件（卡箍）代替次要焊缝。
第6章 焊接应力与变形讲解
（2）组织应力 金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相
变导致体积变化而引起的应力叫组织应力。 我们知道金属加热冷却时，材料内部组织
要发生相变，而相变时体积也将发生变化，冷 却时的相变往往是体积增大，如果这个增大是 发生在金属的刚性恢复温度之下，那么周围恢 复了刚性的部分金属将阻碍这个体积增大，这 就将产生新的应力：组织应力，也叫相变应力。 对于低碳钢，刚性恢复温度是600度，而它 的奥氏体转变温度是600~700度之间，600度以 下没有相变发生，所以低碳钢不存在组织应力。 有不少合金元素能降低金属的相变点，所以合 金钢焊接时往往产生组织应力。
2、对接接头 （1）原因 有两个原因： 一方面：焊接时随热源的移动，焊件被加
1、堆焊 （1）原因： 加热不同时 → 前后各点温度不同 → 膨胀受阻
→ 压缩塑变 → 横向收缩 在实际焊接过程中，在焊缝长度上的加热
并不是同时进行的，因此焊缝长度方向上各点 的温度不一致，在热源附近的金属膨胀变形， 不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低处 的金属的限制和拘束，使之承受压力而在宽度 方向上产生压缩塑性变形由此产生横向收缩变 形。
3、弹性内部应变（ε’）和塑性内部应变（ε”）
不可见应变既然没有表现出来，它就一定
会以另一种形式顽强的表现自己，这种形式就 是应力，它以应力的形式存在于物体内部，应 力的大小服从虎克定律，即σ=Eε,应力的大小 与内部应变量ε成正比，当内部应变量ε不太大 的内部话应，变它是产弹生性的的应力,叫小弹于性屈内服部极应限变σ，S ,以这ε时’表的示， 弹性内部应变是可以恢复的，也就是说，当温 度将由 逐T步1恢减复小到并T消0时失，。随着温度的下降，ε’和σ
度杆恢件复将到 缩短T0ε之”。后，塑性内部应变将保留下来，这样原 这里杆件的缩短可能不好理解，大家也可以这样看，
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）。
浅谈焊接应力与变形
浅谈焊接应⼒与变形浅谈焊接应⼒与变形在焊接⼯程中，由于焊接过程中多⽅⾯的原因，产⽣了焊接应⼒与焊接变形，⼀直是⽐较常见的现象，给⼯程质量和⼯程成本带来了不利的因素。
如何防⽌和减少焊接应⼒，将焊接变形控制在最⼩范围内，是每个焊接⼯程技术⼈员和⾼级焊⼯应该考虑的⼀个现实问题。
⼀、焊接应⼒产⽣的原因我们说存在于焊接结构中的应⼒，是在焊接过程中，焊体中产⽣的随时间（实际上是随温度）⽽变化的变形和应⼒分别称为焊接瞬时变形和焊接瞬时应⼒，焊后（冷却到⾃然温度）焊件中残留的变形和应⼒分别称为焊接残余变形和焊接残余应⼒。
这些应⼒和由于应⼒产⽣的焊体变形对焊件的质量是有很⼤影响的，它直接影响了焊接结构的制造外观尺⼨和内在质量，也影响到焊接结构的使⽤性能，并且减少使⽤寿命。
焊接应⼒和焊接变形产⽣的原因是多⽅⾯因素造成的。
如果概括为⼀句话就是在焊接过程中不均匀的加热和冷却作⽤在各种材料和结构上，表现出的受⼒状态和形状的效应。
⼆、焊接应⼒的种类存在于焊接结构中的应⼒，按其产⽣的原因和性质可简单分为五类。
1、热应⼒焊接过程中不均匀加热和不均匀冷却⽽产⽣的热应⼒，它是焊接中最常见的焊接应⼒。
2、拘束应⼒焊接过程中主要是结构本⾝或外加拘束作⽤⽽产⽣的应⼒。
3、相变应⼒焊接过程中在焊缝接头及热影响区产⽣不均匀的⾦属组织转变⽽引起的应⼒。
这种应⼒产⽣于碳当量较多或焊接⼯艺不当时。
4、氢应⼒焊接后，在焊接接头区域由于扩散氢聚集在显微缺陷处⽽引起的局部应⼒。
例如，空⽓湿度较⼤或焊条烘烤温度不够等原因⽽引起含氢量⼤量产⽣时。
5、焊接残余应⼒焊接以后存在于结构内的应⼒，尤其在焊接压⼒容器、球形储罐等⼯程中，焊接后会产⽣⼤量的焊接残余应⼒。
各种焊接应⼒的⼤⼩和分布都与焊接材料、钢材的性质、焊接⼯艺⽅法、热输⼊、焊接⼯艺参数、焊接装配顺序及焊⼯的操作⽅法有密切的关系，同时结构本⾝的形状及外加拘束度、焊接环境等条件也是有关的。
焊接应⼒往往综合叠加出现。
焊接变形和应力分析研究
焊接变形和应力分析研究一、引言焊接是一种加工工艺，广泛应用于现代制造业中。
在焊接过程中，常常会出现变形和应力等问题，严重影响焊接质量和结构性能。
因此，研究焊接变形和应力分析，可以帮助解决焊接过程中的一系列问题，提高焊接质量和工艺效率。
二、焊接变形分析焊接变形是指焊接过程中由于热力学效应和热应力引起的结构内部和表面的形状、尺寸、位置等的变化。
焊接变形是焊接过程中的一个困难和矛盾，它不仅影响焊接质量，而且与加工、装配、使用和维护等各个环节都有密切关系。
1. 焊接变形的原因1.1 焊接过程热力学效应的影响焊接过程中，当电弧抵达材料时，电流和热流密度很高，使得焊接池的表面温度迅速达到熔点以上。
随着热输入的不断增加，熔体的深度也会增加。
在热输入过程中，熔池表面的液态金属因为表面张力的作用形成一个球形，从而引起了表面张力的变形。
1.2 焊接过程中热应力的影响焊接过程中，熔池和周围的基材因为温度的改变而发生膨胀和收缩，从而出现热应力。
由于基体的热应力是由非均匀变形引起的，所以其变形程度与焊接过程中的热输入大小、焊接电流的强度、焊接速度等因素都有关系。
2. 焊接变形的类型在焊接过程中，焊接件的变形有两个方面，分别是内部变形和外部变形。
内部变形是指焊接件在达到平衡状态后，由于形变结束而引起的内部变形现象。
外部变形是指焊接件在被约束时，由于外力作用而引起的趋势变化。
三、焊接应力分析焊接应力是指焊接过程中由于热力学效应和热应力引起的结构内部和表面的应力变化。
焊接应力是焊接件的重要性能指标之一，其大小和分布直接影响到焊接件的长期使用性能和安全性。
因此，研究焊接应力分析，对于提高焊接质量和结构强度具有重要意义。
1. 焊接应力的产生原因焊接应力的产生源于焊接过程中发生的热力学效应和热应力过程。
热力学效应包括热膨胀、热应力和热变形等现象，热应力包括几何约束应力和内部应力。
这两个因素共同作用导致了焊接应力的产生。
2. 焊接应力的类型焊接应力分为内部应力和几何约束应力两种类型。
焊接变形和应力的分析
浅谈焊接变形和应力的分析与处理方法摘要：焊缝是由工件金属和焊芯金属构成的，在焊接过程中是一个局部加热的过程，总是要产生焊接变形和应力，焊接变形和应力直接影响结构的制造质量和使用性能，应力的存在有可能导致产生裂纹，而变形则影响结构的形状和尺寸误差，因此我研究理解焊接变形和应力产生的原因、种类、基本规律和影响因素，以便控制和防止一旦发生过大焊接变形和应力后，能设法减少或消除。
关键词：焊接变形；焊接应力；焊后热处理；接头组织；一、焊接变形和应力产生的原因焊缝是在自然状态下结晶的，属铸造类型组织，它与基本是扎制状态的工件是不相同的，进缝区的金属在焊接热的作用下也会发生组织变化，像经过了一次热处理一样。
在焊接过程中，焊件中产生的随时间而变化的变形和内应力分别称为瞬时变形和焊接瞬时应力，焊后焊件温度冷却至室温时留存于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。
而焊接接头局部区域的加热和冷却是很不均匀的，局部区域内的各部分金属又处于从液态到塑性状态在到弹性状态的不同状态，并随热源的变化而变化，这就是产生焊接应力和变形的根本原因。
下面我将分析一下焊缝的化学成分和组织。
二、焊缝的化学成分及焊接接头的金相组织焊缝的化学成分可以由焊缝中工件金属、焊芯金属所占的比例他们的成分来定，但是对于用药皮焊条的手工电弧焊，电弧气体和起保护作用的焊渣对焊缝成分有很大影响对焊接质量影响较大的气体有氧化性气体(氧气、二氧化碳)、氮和氢等，它们会烧损合金元素，阻碍焊接过程，产生气孔、夹杂，降低焊缝性能，所以我们要采取措施减少这些气体。
对于解决氧化问题的饿措施可以对于氧化问题突出的金属材料最好采用氩弧焊，焊接一般钢材时可以采用药皮手工电弧焊，此时除电弧气体和溶渣进行保护并注意操作因素外，还要进行脱氧或消除氧化物带来的危害；氮一旦侵入焊缝就很难消除，控制氮的措施主要是选用能严密隔绝空气的焊接方法，手工电弧焊还可以采取控制焊接标准、控制焊丝成分等方法；对于减少接头含氢量的措施是控制焊接区水分、冶金处理、控制焊接标准、焊后脱氢处理等。
焊接应力和变形影响因素分析
焊接应力和变形影响因素分析焊接应力和变形是焊接过程中不可避免的问题，对于焊接工艺和焊接接头的质量有着重要的影响。
本文将从焊接应力和变形的定义和影响因素入手，分析其对焊接质量的影响，并提出几种常用的控制焊接应力和变形的方法。
焊接应力是指焊接过程中产生的应力，包括热应力和残余应力。
热应力是由于焊接过程中产生的温度差引起的，而残余应力是由于焊缝冷却后产生的体积变化不一致引起的。
焊接变形指的是焊接过程中工件的形状发生改变。
焊接应力和变形的主要影响因素包括焊接材料的热膨胀系数、焊接过程中的热输入、焊接接头的几何形状和尺寸、焊接顺序等。
焊接材料的热膨胀系数是影响焊接应力和变形的重要因素之一。
不同材料的热膨胀系数不同，当焊接材料之间存在温度差时，就会产生应力。
一般来说，焊接接头的应力和变形与焊材的热膨胀系数成正比，因此在设计焊接接头时要考虑到材料的热膨胀系数，以减小应力和变形的产生。
焊接过程中的热输入也是影响焊接应力和变形的重要因素之一。
在焊接过程中，热输入的大小直接影响到焊接接头的温度分布和热量分布。
当热输入较大时，焊接接头受热均匀，产生的应力和变形较小；而当热输入较小时，焊接接头受热不均匀，可能产生较大的应力和变形。
因此，合理控制焊接过程中的热输入是减小焊接应力和变形的关键。
焊接接头的几何形状和尺寸也会影响焊接应力和变形的产生。
一般来说，焊接接头的表面积越大，焊接应力和变形越大。
因此，设计焊接接头时应考虑到减小焊接接头的表面积，以减少焊接应力和变形的产生。
焊接的顺序也会对焊接应力和变形产生影响。
一般来说，焊接时应从中心向两端均匀进行，避免集中焊接导致应力集中和变形集中。
此外，还应根据焊接接头的形状和特点，确定合适的焊接顺序，以减小应力和变形的产生。
为了控制焊接应力和变形，常用的方法包括预应力焊接、焊接变形补偿和焊接过程监测与控制等。
预应力焊接是通过给焊接材料施加预应力来减小焊接应力和变形的方法。
焊接变形补偿是通过在设计焊接结构时采用特殊形状和尺寸，以使其在焊接后的变形能够补偿焊接应力和变形。
焊接结构的热应力与变形分析
热应力：在焊接过程中，焊件内部温度有差异引起的应力。
焊接应力的产生原因可分为:热应力、组织应力、收缩应力等几类。
焊接应力是产生热裂纹和冷裂纹（包括层状撕裂）的重要原因之一。
防止和消除焊接应力的措施：①焊前预热；②采取合理的焊序和方向；③较小的焊接线能量；④锤击或碾压焊缝；⑤采用反变形法焊接应力一、焊接残余应力的分类1．根据应力性质划分：拉应力、压应力2．根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力3．根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力4．根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力5．根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力二、焊接残余应力的分布规律1．纵向应力бx的分布бx在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。
a)T形接头的бx分布与立板和水平板尺寸有很大关系，δ/h越小，接近于板边堆焊的情况；δ/h越大，接近于等宽板对接的情况。
2．横向应力бy的分布бy =бy′+бy″бy′：焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力；бy″：焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。
3．特殊情况下的焊接残余应力①厚板中的焊接残余应力②拘束状态下焊接残余应力③封闭焊缝中的残余应力④焊接梁柱中的残余应力⑤焊接管道中的残余应力三、焊接残余应力对焊接结构的影响1．对结构强度的影响只要材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。
对脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰值不断增加。
当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。
所以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。
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
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。
管道装配焊接变形与应力分析
管道装配焊接变形与应力分析管道装配焊接是一项重要的工艺，在建筑、能源、石化等行业中得到广泛应用。
然而，焊接过程中的变形和应力问题常常困扰着焊接工程师和技术人员。
本文将探讨管道装配焊接的变形与应力问题，并提出一些解决方案。
首先，我们来讨论管道装配焊接过程中的变形问题。
焊接过程中，由于高温引起的热膨胀和冷却收缩会导致管道发生变形。
这种变形主要表现在两个方面：纵向变形和横向变形。
纵向变形是指管道在焊接过程中沿管道轴向方向发生的变形。
主要原因是焊缝的热量会导致焊接区域的热膨胀，从而使管道产生纵向变形。
为了减少纵向变形，可以采取以下措施：首先，在焊接过程中，对管道进行适当的加热和预热，以减小焊接区域的温度梯度；其次，可以使用焊接变形补偿装置，如夹具、支架等，来抵消管道的变形。
横向变形是指管道在焊接过程中在管道横截面方向上发生的变形。
这种变形主要是由于焊接热量引起的冷却收缩不均匀所造成的。
为了减少横向变形，可以采取以下措施：首先，在焊接前可以对管道进行适当的预变形处理，使其在焊接后能够恢复到正常状态；其次，可以使用内支撑物或内衬等方法来减小焊接区域的压缩变形。
除了变形问题，管道装配焊接还会产生应力问题。
焊接过程中的应力主要分为两种：残余应力和热应力。
残余应力是指焊接完成后，管道内部和外部的应力状态。
由于焊接过程中的温度变化和热膨胀，焊接接头处会产生应力集中，从而导致残余应力的产生。
这些残余应力如果得不到合理的处理，会对管道的强度和稳定性造成影响。
因此，我们需要对管道进行适当的应力释放处理，例如进行热处理或机械补偿等。
热应力是指焊接过程中的应力变化。
焊接时，由于焊接区域的温度急剧升高和冷却速度快，会导致焊接接头附近的材料发生塑性变形，从而产生应力。
为了减少热应力的产生，可以采取以下措施：控制焊接过程中的温度，避免过高的焊接温度和过长的焊接时间；采用合适的焊接方法和焊接参数，以减小焊接区域的热输入。
在实际的焊接工程中，理论知识的运用往往是不够的。
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。
焊接应力与焊接变形
焊接应力与焊接变形焊接变形：钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。
焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。
∙焊接应力的形成和对钢结构的影响∙ 1. 焊接应力的形成和对钢结构的影响∙（1）形成∙两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600︒C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。
冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。
∙（2）焊接应力的分类∙✍纵向应力：沿着焊缝长度方向的应力∙✍横向应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力∙✍厚度方向应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。
∙（3）焊接应力的影响∙✍对常温下承受静力荷载结构的强度没有影响，但刚度降低；∙✍由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态，阻碍了塑性变形，裂纹易发生和发展；∙✍降低疲劳强度；∙✍降低压杆的稳定性；∙✍使构件提前进入弹塑性工作阶段。
∙焊接变形的产生和防止∙ 2. 焊接变形的产生和防止∙焊接变形是由于焊接过程中焊区的收缩变形引起的，表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等。
∙表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。
如图∙∙减少焊接应力和焊接变形的方法∙ 3. 减少焊接应力和焊接变形的方法：∙（1）采用适当的焊接程序，如分段焊、分层焊；∙（2）尽可能采用对称焊缝，使其变形相反而抵消；∙（3）施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形；∙（4）对于小构件焊前预热、焊后回火，然后慢慢冷却，以消除焊接应力。
∙合理的焊缝设计∙ 4. 合理的焊缝设计：∙（1）避免焊缝集中、三向交叉焊缝；∙（2）焊缝尺寸不宜太大；∙（3）焊缝尽可能对称布置，连接过渡平滑，避免应力集中现象；∙（4）避免仰焊。
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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焊接变形与残余应力的预测
目录
焊接变形和残余应力的基本原理
在焊接由焊接产生的动态应力应变过程及随后出现的残余应力和残余变形是导致焊接裂纹和接头强度和性能下降的重要因素。
焊接应力和焊接变形由焊接过程中的不均匀加热引起,由于其形成原因复杂多变,而且完全不可确定,因此我们只能通过总结焊接应力与变形的产生和存在的一般规律以及大家总结出原来的施工经验,对即将进行的工程构件焊接情况进行分析和预测。
焊接应力与焊接变形存在一定的关系,当焊接应力完全释放的时候焊接变形达到最大值;当焊接结构处于完全刚性的时候,几乎可以完全控制焊接变形,而此时由于无法进行应力释放,焊接残余应力将达到最大值。
如何选择和理的焊接结构、焊接方法、焊接材料和焊接工艺,以取得最佳的焊接残余应力和焊接变形状态时钢结构焊接的重要课题。
焊接变形和残余应力的常用计算方法
焊接应力与变形的形成原因极为复杂,因为直接影响应力与变形的金属材料的力学性能和热物理性能随着温度的变化而变化,而起决定作用的焊接温度场又因焊接接头的形状和尺寸、焊接工艺参数等的变化而变化。
因此在计算焊接应力与焊接变形时,常常作出一些假定和简化,从而从最简单焊接的分析入手,并推断出结论。
目前常用的预测焊接变形的方法主要有残余塑变解析法、三维实体单元固有应变有限元法、板壳单元固有应变有限元法,以及热弹性有限元法等。
残余塑变解析法仅适用于简单构件、规则梁,计算过程需要经验及试验数据的累积,分析焊接构件几何参数及焊接规范参数,在本工程中适用于梁柱对接的应力分析。
三维实体单元固有应变有限元法主要适用于实体复杂结构,在本工程中适用于主要节点的焊后构件变形,需要划分网格、加载固有应变后进行三维弹性分析。
板壳单元固有应变有限元法适用于薄壁复杂结构,在本工程中可应用性不大。
对于整体结构的焊接变形预测,需要使用热弹塑性有限元法进行分析,计算步骤为:划分网格、模拟焊接温度场、热弹塑性分析,其计算过程需要跟踪焊接热力学的全部过程,计算量极大、计算时间很长,在目前的短时间内不可能得到准确的结果。
因此本章以后部分仅从理论角度对焊接应力和焊接变形做出基本的计算和预测。
分析焊接应力与变形的主要假定
常规分析假定
1.由于焊接过程十分复杂,因此在焊接应力的分析过程我们依据传统经验作出以下简化假
定
2.金属的热物理性能与温度无关
3.金属的力学性能与温度无关
4.除厚板焊接外,认为沿焊接方向的温度是均匀的;电弧为一个线状热源;温度场稳定并
处于热极限状态;在垂直焊缝的横截面上的热过程都相同。
5.认为平板受到纵向力或者平面弯矩作用而变形时,原来的横截面是平面,变
形后仍然是
平面。
本工程施工过程假定
1.假定现场小拼过程不考虑工厂提供的构件的残余应力的影响。
2.假定后一道焊接工序不考虑前一道焊接的残余应力的影响。
假定说明
必须指出,上述假定使得本工程焊接应力和变形的分析和计算变得简单和容易,但是其分析和计算结果必然存在大量的误差,因此仅仅可以作为一个参考的预测,如果需要精确的数值分析时,不能使用或者只能部分使用上述假设,并且需要根据全部实际施焊时的工艺参数、温度条件、热源情况等条件进行建模,并进行长时间的计算。
典型构件焊接残余应力的分布分析
根据工程的分段方案,小拼过程中主要的焊缝为弦杆、腹杆与节点的对接
1.平板条焊接的应力与变形
平板条中心焊接的应力与变形
所有的拼装过程中的对接焊缝在一定程度上可以应用最简单的“平板条焊接
的应力与变形”进行分析,中心堆焊的焊后残余应力与变形如图所示:
OP QO’部分为压应力,而PQ部分基本上产生拉应力。
在中心区域的拉应力已
经达到σs,并发生了拉伸塑性变形。
以上是焊缝纵向的分析,同样焊缝横向也存在
残余的内应力和变形。
主要的变形包括:横向收缩、纵向收缩、回转变形、横向弯
曲变形(角变形)、纵向弯曲变形和压缩产生的波浪变形等等。
平板条边缘焊接的应力与变形
平板条边缘焊接的应力与变形如下图所示:
《焊接工程师手册》第1250页,平板条边缘堆焊的应力与变形c
2.钢板对接的纵向残余应力和变形
低碳钢、低合金钢钢板的对接,纵向残余应力分布的基本规律是焊缝及其附近
处为拉应力,一般都达到σs,两侧为压应力,整个截面上保持着内力平衡。
此时平
截面假定已经不适用,表现出两侧压应力距离焊缝越远越小,甚至为零,如下图所示:
1251——8-1-14
而且焊缝纵向应力分布也不均匀,长焊缝中两端部的纵向应力分布与中部有区别,如下图所示:较短的焊缝中间稳定区将减小,或者不出现。
1251——8-1-13
3.箱形截面构件对接的纵向残余应力分布
本工程的构件绝大多数为箱形截面柱,箱形截面柱内典型残余应力纵向分布如下图所示
箱形截面柱对接环焊缝所引起的纵向(箱形截面柱的横截面方向)残余应力的分布规律在面
板中间的位置与平板直缝基本类似,但是在角部与平板直缝略有不同,它与小直径的圆筒应力分布比较接近,其应力峰值将达到最大。
1251——8-1-15
焊接变形与残余应力的
1、纵向焊缝的焊接变形的计算。
焊缝纵向变形的原因可以认为是焊缝及其附近产生的纵向收缩塑性应变。
可以用纵向收缩单位体积W x 来表示,W x 与焊接线能量成正比。
焊接线能量的计算:
在焊接规范已知的情况下,焊接线能量为:
v IU
q v η=
其中:q v ——焊接线能量(J/cm )
η——电弧热效率
I ——焊接电流(A )
U ——电弧电压(V )
v ——焊接速度(cm/s )
当焊接规范没有确定时,焊接线能量可以根据焊缝的尺寸和焊接方法确定
q v =θF H
F H ——熔化金属的截面积(cm 2)
θ——加热系数(J/cm 3)。
对于低氢焊条的手工电弧焊和埋弧自动焊
θ≈59000~65000J/cm 2;对于CO 2气体保护焊θ≈38000 J/cm 2。
可见,使用窄间隙坡口焊接和低加热系数的焊接方法可以降低焊接线能量,从而降低焊接变形。
(1)单道焊
当构件的横截面相同,长宽高之比比较大(〉4~5倍)时,可适用于平截面假定。
实验和理论的研究指出,当构件的刚性较大时,存在纵向收缩单位体积和焊接线能量之间的正比关系: W x =8.6×10-7q v
对于总长度为L 的梁型构件,总的纵向缩短和弯曲挠度f 可以用下面的公式进行计算。
L F
W L x =?
8
CL f 2
= C ——曲率多道焊计算
M 个焊道焊接变形时,整个接头的纵向收缩单位体积
xm m X W K W =
因此对于箱形次构件焊接的纵向变形可以近似进行以下计算
次构件类型A 的外板厚度为3mm ,可以近似认为每道角焊缝的熔化金属截面积F H 为9mm 2,共12道,选择CO 2气体保护焊的焊接方法θ=38000J/cm 3
W x =8.6×10-7q v =8.6×10-7 F H θ=8.6×10-
7×38000×9/100×12=0.035J/cm 选择截面积最大的每米的收缩量为
06.0100249.40
035.0L =?=?cm。