焊接残余应力与变形
焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟
焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于各个行业。
然而，在焊接过程中，产生的焊接变形和残余应力往往会对工件的性能和质量造成一定影响。
因此，在焊接技术培训中，对焊接变形和残余应力进行数值模拟分析具有重要意义。
本文将探讨焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟方法，并分析其应用前景。
一、焊接变形数值模拟焊接变形是指在焊接过程中，由于热引起的热应力和相变引起的力学应力而引起的构件变形现象。
为了准确预测焊接变形的情况，可以采用有限元数值模拟方法。
有限元数值模拟方法是一种将实际工程问题离散化为有限个简化的小单元进行计算的方法。
在焊接变形数值模拟中，首先需要建立焊接过程的热力耦合模型。
通过考虑焊接热源的热输入、热传导以及材料的相变特性等因素，可以准确地模拟焊接过程中的温度场变化。
然后，根据热力耦合模型，引入材料的本构关系和相变模型，可以计算得到焊接过程中的变形情况。
在数值模拟中，可以通过调整热源功率、焊缝几何形状以及材料的初始状态等参数，来对焊接变形进行优化。
此外，在数值模拟中还可以分析焊接变形对工件性能的影响，以指导焊接技术的改进和优化。
二、残余应力数值模拟焊接过程中产生的残余应力是指焊接完成后，由于焊缝区域的热胀冷缩差异而引起的应力。
残余应力的存在会降低工件的疲劳寿命和强度，甚至引发裂纹等问题。
因此，对焊接过程中的残余应力进行数值模拟分析是十分重要的。
在焊接残余应力数值模拟中，一般采用后处理方法来分析残余应力的分布和变化。
通过将焊接过程中的温度场和应力场输入到数值模拟软件中，可以得到焊接残余应力的分布情况。
同时，可以通过调整焊接参数和材料性质等因素，来研究焊接残余应力的变化规律。
在实际工程应用中，焊接残余应力数值模拟可以用于评估焊接工艺的可行性，为焊接工艺参数的选择提供依据。
此外，还可以通过优化焊接过程来减小残余应力的产生，提高工件的使用寿命和安全性。
三、数值模拟应用前景焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟方法，在实际应用中具有广阔的前景。
焊接顺序对角接接头残余应力和变形的影响刘利明
焊接顺序对角接接头残余应力和变形的影响刘利明发布时间：2021-10-27T06:56:34.038Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年15期作者：刘利明周飞[导读] 焊接是连接材料的重要方法。
焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。
长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。
中核工程咨询有限公司广东省阳江市 529500摘要：焊接是连接材料的重要方法。
焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。
长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。
根据目前的研究现状，主要研究对接接头和丁字接头的焊接部分。
在实际加工制造中，角接头广泛应用于一些特殊的焊接结构，如箱体结构，典型的是传动箱。
这类构件在焊接时的连接方式主要是角接。
采用有效的焊接工艺优化方案，减少焊后变形和焊接残余应力，对提高零件的质量、寿命和精度具有现实意义。
因此，本文以角节点为例，利用有限元软件进行数值模拟，一方面可以弥补试验的固有不足，另一方面可以节约成本，提高工作效率。
通过模拟不同工艺产生的焊接变形和残余应力，总结出焊接顺序对角焊缝焊接残余应力和变形的影响，对以角焊缝为主的构件的实际焊接具有一定的指导意义。
关键词：角接接头；热固耦合；焊接顺序；残余应力；变形1角节点的数值模拟方法基于有限元分析软件ABAQUS，对平板角焊缝的温度场和应力应变场进行了模拟计算。
其中，建立准确的板角焊缝有限元模型是模拟板角焊缝焊接的关键。
首先对模型进行简化，然后在ABAQUS软件中定义材料属性，根据实体模型划分网格，选择合适的单元类型，求解温度场。
其次，根据温度场设置应力场分析步骤和合适的边界条件求解应力应变场。
1.1有限元模型首先在Creo中建立三维几何模型和母件几何模型，板厚16mm，焊接坡口角度40°。
然后利用Hypermesh软件对几何模型进行网格划分。
焊接技能培训中焊接残余应力与变形的控制
焊接技能培训中焊接残余应力与变形的控制焊接是常用的金属连接方式之一，但在实际应用中，常常会遇到焊接残余应力和变形的问题。
这不仅会影响焊接件的外观和尺寸精度，还可能导致焊接件的失真和性能下降。
因此，在焊接技能培训中，掌握焊接残余应力与变形的控制方法显得尤为重要。
一、焊接残余应力的形成及影响因素焊接残余应力是指焊接完成后，在焊接接头或焊接件内部产生的应力。
焊接残余应力的形成与以下几个因素密切相关：1. 温度梯度：焊接过程中，焊缝和母材的温度会发生梯度变化，由高温区到低温区，这导致焊接接头内部产生温度梯度。
温度梯度大的区域会产生较大的残余应力。
2. 冷却速度：焊接完成后，焊接接头会通过冷却过程逐渐降温。
冷却速度快会导致材料收缩不均匀，产生残余应力。
3. 焊接过程应力：焊接过程中，焊接接头受到的应力会造成临时的应力集中，这些应力在冷却过程中可能会转变为残余应力。
焊接残余应力的存在会对焊接件的性能造成诸多影响，主要包括以下几个方面：1. 引起焊接件的变形：焊接残余应力会导致焊接件发生变形，甚至出现失真。
特别是对于焊接构件尺寸要求较高的行业，如航空航天和造船业，焊接残余应力的变形问题更加突出。
2. 影响焊接接头的强度：焊接接头受到的应力过大，容易引起焊接接头的裂纹和断裂，降低焊接接头的强度。
3. 导致材料腐蚀和断裂：焊接残余应力会削弱材料的抗腐蚀性能，导致焊接件在使用过程中容易发生断裂。
二、焊接残余应力与变形的控制方法为了控制焊接残余应力与变形，以下是一些常用的方法：1. 预热与后热处理：通过预热可以减小焊接接头的温度梯度，使之更加均匀。
在焊接完成后，进行适当的后热处理，以缓解焊接残余应力。
2. 多道焊接：将焊接接头分成多段焊接，分多次进行焊接作业，以减小焊接接头的温度梯度和残余应力。
3. 应力消除：在焊接完成后，进行适当的热处理或机械加工，以消除焊接接头的残余应力。
4. 紧固装置：在焊接过程中，采用适当的紧固装置可以减小焊接接头的变形。
浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法
浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法摘要：在国内建筑工程中，钢结构作为建筑结构主体结构框架，具有绿色环保、空间大和强度高等特点，在网架结构和塔桅建筑、超高层建筑以及大型工业厂房中等建筑工程中得到广泛应用。
随着建筑结构超高层化和大跨度化，高性能钢材应用增多，分析和讨论建筑钢结构焊接生产效率，对于提高建筑工程质量和效率具有重要意义。
关键词：钢结构; 焊接变形; 残余应力; 控制方法引言在钢结构工程的焊接施工中难免会出现焊接应力和焊接变形的情况，这对于焊接接头的强度以及焊接结构尺寸的精度都会产生一定的影响，严重的话会导致构件报废。
此外，钢结构在日后使用中的承载力也与焊接应力与焊接变形有着很大的关联。
因此相关施工人员要切实把握好焊接技术，加强对焊接重难点的技术控制，采取有效措施提高钢结构的质量。
1焊接变形和残余应力（1）焊接变形是焊接过程中不可避免的，施焊电弧高温引起钢构件在焊接处发生缩短、弯曲及角度等变化，即焊接变形。
焊接变形可分为两种形式，一种是因高温导致的变形，该变形在温度冷却后可恢复，为瞬时变形;第二种是因焊接作业产生的永久性变形。
焊接变形对结构安装的精确度影响较大，产生焊接变形极易导致结构无法安装。
（2）残余应力产生于钢构件的焊接及热影响区域，其对钢构件最直接的影响是降低构件的承载能力和增大开裂的可能性，钢构件的开裂大多发生在焊接区域。
在焊接区域，当构件的残余应力和荷载共同作用效果超过焊缝的承载力时，焊缝处就开始产生裂纹，并逐渐扩大成裂缝，构件也就易从裂缝处产生断裂，而此时构件承受的荷载并未达到其极限承载力，却因焊缝的断裂导致整个构件的失效。
2造成导致钢结构发生焊接变形的原因（1）焊接工艺。
即使是材料相同、设备相同，不同工人在焊接过程中，由于焊接工艺会造成焊接变形的出现。
比如焊接过程中，预热时应该结合当地的实际温度、光照亮度等多种因素进行确定等。
由此可见，钢结构的焊接变形受到焊接工艺的影响比较大。
焊接残余应力与变形
焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力（welding residual stresses）简称焊接应力，有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
1、纵向焊接应力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，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。
温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。
焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。
在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。
焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力2、横向焊接应力横向焊接应力产生的原因有二：一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。
二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。
当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。
焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。
3、厚度方向的焊接应力在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。
因此，除有纵向和横向焊接应力σx、σy外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。
在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。
3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响一、焊接应力的影响1、对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。
设轴心受拉构件在受荷前（N=0）截面上就存在纵向焊接应力。
在轴心力N作用下，截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy，应力不再增加，如果钢材具有一定的塑性，拉力N就仅由受压的弹性区承担。
3.5 焊接残余应力和焊接残余变形-精品文档
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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。
防止和减少焊接残余变形与应力的措施
防止和减少焊接残余变形与应力的措施随着现代制造业的发展，焊接在各行各业中扮演着至关重要的角色。
无论是航空航天、汽车制造还是建筑工程，在这些领域中，焊接都是不可或缺的连接工艺。
然而，随之而来的焊接残余变形与应力问题也愈加引起人们的关注。
焊接过程中产生的残余变形与应力，不仅会影响工件的外观质量，还可能引发裂纹和变形等问题，严重影响其使用性能和寿命。
如何有效地预防和减少焊接残余变形与应力，成为了焊接工艺中的重要课题。
1.选材：材料的选择对于焊接残余变形和应力的控制至关重要。
在焊接过程中，通常会选择具有较高熔点和较小线膨胀系数的材料，以减少焊接时热影响区的热变形；还应根据实际情况选择合适的填充材料。
2.焊接方式：合理选择焊接方式是减少焊接残余变形和应力的关键。
一般来说，采用低热输入、低变形的焊接方式，例如脉冲焊、激光焊等，能够有效降低焊接工件的残余变形和应力。
3.焊接顺序：合理规划焊接顺序也是减少残余变形和应力的重要手段。
通常情况下，应该首先焊接边缘，然后逐渐向内焊接，以减少焊接区域的热输入，降低残余变形和应力。
4.预热和后热处理：在一些情况下，通过预热和后热处理也能有效减少焊接残余变形和应力。
预热能够降低材料的硬度，减少焊接残余应力；后热处理则能够通过回火或退火处理，消除残余应力，提高焊接接头的韧性和稳定性。
5.夹具和辅助装置：采用合理的夹具和辅助装置也能有效减少焊接残余变形和应力。
夹具的设计应在尽量避免约束工件的能够保证焊接接头的稳固性；而辅助装置则可以提供额外的支撑，减少工件在焊接过程中的变形。
总结回顾：在焊接工艺中，预防和减少焊接残余变形与应力是至关重要的。
通过合理选材、焊接方式、焊接顺序、预热和后热处理、夹具和辅助装置等措施，可以有效控制焊接过程中的残余变形和应力，保证焊接接头的质量和稳定性。
个人观点：作为焊接工艺的重要环节，防止和减少焊接残余变形与应力对于提高焊接接头的质量和稳定性至关重要。
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
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作者：李廷凯李玉振来源：《世界家苑》2018年第02期摘要：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。
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。
焊接变形与残余应力
焊接变形与焊接残余应力
哈尔滨工程大学 船舶与海洋工程力学研究所 2010.3.15
钢材-→船体
骨材，加筋板架，舱段，分段合拢 焊接变形与残余应力
焊接
1. 焊接接头的类型
实际焊接结构的焊接接头样式很多，通常 可以划分为以下四个基本类型： • 对接接头 ：两件表面构成大于或等于 135°，小于或等于180°夹角的接头。 • 角接接头 ：两件端部构成大于30°，小于 135°夹角的接头。 • T形接头：一件之端面与另一件表面构成直 角或近似直角的接头。 • 搭接接头 ：两件部分重叠构成的接头。
① 对强度的影响 如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷， 而焊件又在 低于脆性转变温度下工作， 则焊接残余应力将使静载强度降 低。在循环应力作用下,如果在应力集中处存在着残余拉应 力,则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。焊件的疲 劳强度除与残余应力的大小有关外,还与焊件的应力集中系 数 应力循环特征系数 / 和循环应力的最大值 有关 其影响随应力集中系数的降低而减弱,随 / 的降低而加剧（例如对交变疲劳强度的影响大于脉冲疲 劳）,随 的增加而减弱。当 接近于屈服强度时，残 余应力的影响逐渐消失。
10.消除焊接残余应力的方法
• 消力学形变； 3. 温差形变
②对刚度的影响 焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊 件局部提前屈服产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降 低。 ③对受压焊件稳定性的影响 焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应 力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆 件的整体稳定性将因此而降低。残余应力对稳定性的影 响取决于杆件的几何形状和内应力分布。残余应力对非 封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如 箱形截面）的影响大。
焊接残余应力与变形
焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力(welding residual stresses)简称焊接应力,有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力,垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
1、纵向焊接应力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,焊缝及其附近温度最高,可达1600℃以上,而邻近区域温度则急剧下降。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。
温度高的钢材膨胀大,但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制,产生了热塑性压缩。
焊缝冷却时,被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短,但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。
在低碳钢和低合金钢中,这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。
焊接应力是一种无荷载作用下的内应力,因此会在焊件内部自相平衡,这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力2、横向焊接应力横向焊接应力产生的原因有二:一是由于焊缝纵向收缩,使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形,但实际上焊缝将两块钢板连成整体,不能分开,于是两块板的中间产生横向拉应力,而两端则产生压应力。
二是由于先焊的焊缝已经凝固,会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀,使其发生横向塑性压缩变形。
当焊缝冷却时,后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力,而先焊部分则产生横向压应力,在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。
焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。
3、厚度方向的焊接应力在厚钢板的焊接连接中,焊缝需要多层施焊。
因此,除有纵向和横向焊接应力σx、σy外,还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。
在最后冷却的焊缝中部,这三种应力形成同号三向拉应力,将大大降低连接的塑性。
3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响一、焊接应力的影响1、对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材,在静荷载作用下,焊接应力是不会影响结构强度的。
设轴心受拉构件在受荷前(N=0)截面上就存在纵向焊接应力。
在轴心力N作用下,截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy,应力不再增加,如果钢材具有一定的塑性,拉力N就仅由受压的弹性区承担。
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
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摘要：焊接残余应力和焊接变形是钢结构产生变形和开裂的主要原因。
本文以焊接残余应力和焊接变形为对象，分别讨论了残余应力对钢结构刚度、静力强度、疲劳强度、应力腐蚀等的影响，促使结构发生脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀开裂、低温变脆等以及造成的焊接变形的种类。
应采取措施对焊接残余应力和焊接变形加以消除和调整。
关键词：钢结构焊接残余应力焊接变形钢结构是钢材通过一定的设计方法做成构件，构件再通过一定的连接方式连接成的整体结构承力体系或传力体系。
连接方式及其质量优劣直接影响钢结构的工作性能。
焊接连接是目前钢结构最主要的连接方式。
但在焊接过程中，在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低；焊接结构对裂纹很敏感，局部的裂缝一旦发生，就容易扩展到整体。
一、焊接残余应力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。
（一）焊接残余应力对钢结构的影响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。
4.对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下发生。
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。
焊接残余应力和焊接残余变形
3 焊接残余变形 • 残余变形形式
图8 焊接变形的基本形式
4 减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法 • 采取合理的施焊次 序 • 施焊前加相反的预 变形 • 焊前预热，焊后回 火
图9 合理的施焊次序
图10 反变形 及局部加热
5 合理的焊缝设计
• 焊接位置要合理，布置应尽量对称于截面重心 • 焊缝尺寸要适当，采用较小的焊脚尺寸
焊接残余应力和焊接残余变形
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 纵向残余应力
图1 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 横向残余应力
图2 横向残余应力产生的原因
1 焊接残余应力的分类和产生的原因 • 厚度方向的残余应力
• 约束状态下的焊接应力
图3 厚度方向的焊接应力
图4 约构静力强度的影响
图5 残余应力对静力强度的影响
2 焊接残余应力的影响 • 对结构刚度的影响
图6 有残余应力时的应力与应变
2 焊接残余应力的影响 • 对压杆稳定的影响 • 对低温冷脆的影响 • 对疲劳强度的影响
图7 三轴焊接残余应力
• 焊缝不宜过分集中
• 应尽量避免三向焊缝交叉 • 考虑钢板分层问题 • 焊条易达到 • 避免仰焊
5 合理的焊缝设计
图61 合理的焊缝设计
焊接残余应力及变形
机械矫正法：
适用于塑性较好的材料及形状简单的焊接。
火焰矫正法：
利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形
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矫正残余变形的方法
ASIPP
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ASIPP
谢谢！ 谢谢！
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角变形的影响因素
1、当板厚一定时，随热输入增大而增加 2、当热输入一定时，板厚越大角变形越大
ASIPP
3、与坡口形式有关：对接接头坡口截面不对称的焊缝，其角变形大；坡口角 度越大，角变形越大 4、与焊接顺序有关
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其他变形
ASIPP
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焊接变形与应力的危害
ASIPP
1、产生焊接变形，可能使焊接结构尺寸不合要求，组装困难，间隙大小不一 致等 2、焊接残余应力会增加工件工作时的内应力，降低承载能力；还会引起裂纹 ，甚至造成脆断，应力的存在会诱发应力腐蚀裂纹。 3、残余应力是一种不稳定状态，在一定条件下会衰减而产生一定的变形，是 构件尺寸不稳定。
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预防和矫正焊件残余变形的方法—设计方面 预防和矫正焊件残余变形的方法 设计方面
ASIPP
在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面的中性 轴。 在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较 小的焊缝尺寸。 尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用 断续焊代替连续焊。
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预防和矫正焊件残余变形的方法—设计方面 预防和矫正焊件残余变形的方法 设计方面
ASIPP
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预防和矫正焊件残余变形的方法—设计方面 预防和矫正焊件残余变形的方法 设计方面
ASIPP
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预防和矫正焊件残余变形的方法—工艺方面 预防和矫正焊件残余变形的方法 工焊接顺序
焊后调控焊接残余应力与变形的措施
焊后调控焊接残余应力与变形的措施焊接是一种常用的金属连接方法，通过熔化金属，使两个或多个金属部件连接在一起。
然而，在焊接过程中，由于热量的不均匀分布以及金属的膨胀和收缩等因素，往往会导致焊接残余应力和变形的问题。
这些问题不仅会影响焊接件的外观和尺寸精度，还可能影响其力学性能和使用寿命。
因此，为了保证焊接件的质量和性能，需要采取一些措施来调控焊接残余应力和变形。
1. 控制焊接工艺参数焊接工艺参数的选择和控制对于减少焊接残余应力和变形非常重要。
首先，需要合理选择焊接方法和焊接材料，以确保焊接过程中的热输入和收缩量尽量小。
其次，需要控制焊接电流、电压、速度等参数，使焊接过程中的温度分布均匀，避免局部过热或过冷引起的残余应力和变形。
2. 使用预热和后热处理预热是在焊接前将焊接件加热到一定温度，以减少焊接界面的温度梯度和残余应力。
预热可以减少焊接残余应力和变形，并提高焊接接头的强度和韧性。
后热处理是在焊接完成后对焊接件进行加热处理，以缓解残余应力和变形。
预热和后热处理的温度和时间需要根据具体焊接材料和工艺来确定。
3. 采用合适的夹具和支撑夹具和支撑的作用是固定和支撑焊接件，防止其在焊接过程中发生形变和变形。
夹具和支撑应该根据焊接件的形状和尺寸来设计和制作，以确保焊接件在焊接过程中保持稳定和不发生变形。
4. 采取焊接顺序与焊接方向焊接顺序和焊接方向的选择对于减少焊接残余应力和变形也非常重要。
一般情况下，应从内部和小尺寸焊接向外部和大尺寸焊接，以减少焊接过程中的热输入和收缩量。
同时，应尽量采用对称的焊接顺序和方向，以保持焊接件的平衡和稳定。
5. 进行残余应力测试与分析在焊接完成后，可以对焊接件进行残余应力测试与分析，以评估焊接质量和性能。
残余应力测试可以通过非破坏性检测方法如X射线衍射、超声波等来实施。
通过分析残余应力的大小和分布情况，可以判断焊接过程中是否存在问题，并采取相应的措施进行调整和改进。
焊后调控焊接残余应力与变形是确保焊接质量和性能的重要环节。
3.4焊接残余应力和焊接变形
三、焊接变形 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、 角变形和扭曲变形等 通常是几种变形的组合。 角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。
自学） 四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施（自学）
1、设计上的措施； 设计上的措施； （1）焊接位置的合理安排 （2）焊缝尺寸要适当 焊缝数量要少， （3）焊缝数量要少，且不宜过分集中 （4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉 （5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力 2、加工工艺上的措施 （1）采用合理的施焊顺序 （2）采用反变形处理 小尺寸焊件， （3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理
当板件全截面达到f 当板件全截面达到 y，即N=Ny时：
N =N +(B b ⋅t⋅ fy =B t⋅ fy −) ⋅ y t
2、对结构刚度的影响
t fy B
N
f
f
N N
fy b
+
N
b
+
-
-
A、当焊接残余应力存在时，因截面的 部分拉应 、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应 故该部分刚度为零（屈服）， ），这时 力已经达到f 力已经达到 y ，故该部分刚度为零（屈服），这时 作用下应变增量为： 在N作用下应变增量为： 作用下应变增量为
6.为什么采用钢材的屈服点fy作为设计强度标 准值?无明显屈服点的钢材，其设计强度值 如何确定?
• 选择屈服点作为结构钢材设计强度标准值是因为：(1)它是 钢材开始塑性工作的特征点，钢材屈服后，塑性变形很大， 极易为人们察觉，可及时处理，避免发生破坏；(2)从屈服 到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域约大200 倍，且抗拉强度与屈服点之比(强屈比)较大，是钢结构的 极大后备强度，使钢材不会发生真正的塑性破坏，十分安 全可靠。对无明显屈服点的钢材，以卸载后试件的残余应 变为0.2%所对应的应力作为屈服点。
焊接残余应力与变形的控制
动 消 除 应 力 法 。若 能 正 确 应 用 此 法 ， 它 比 则
热 态 消 除应 力 法 具 有 许 多 优 越 性 ， 如 ： 时 诸 耗 少 、 耗 低 、 热 变 形 、 压 痕 等 。 需 注 意 的 能 无 无
（） 段退焊 ； ８分 （） 缝顺序 ； ９焊
（０） 接 胎 夹 具 的应 用 ； １ 焊
了氢 扩 散 以 防 裂 纹 的 产 生 （ 可 能 来 自潮 湿 氢 的焊 条 药 皮 ） 而 且 焊 缝 两 边 的预 热 面积 应 尽 ，
可能 的大。
焊缝 区 的 预 热 可 用 （ 焊 ） 炬 、 热 垫 气 焊 加
常 要 面 对 的 问题 。
Байду номын сангаас
（ ） 杂 结 构 件 最 好 采 用 分 部 件 组 合 焊 ７复
接。
我 们 都 知 道 ， 接 残 余 应 力 与 焊 接 变 形 焊
两 者 是 一 对 对 立 的 矛 盾 体 。 在 焊 接 生 产 中最 常 用 的控 制 焊 接 变 形 的 措 施 ， 是 通 过 焊 接 就
对 控 制 焊 接 残 余 应 力 和 焊 接 变 形 在 设 计 中采
取 的 主要 措 施 ， 们 也 须 有 一 定 了 解 。这 些 我 措施包括 ：
生 的焊 接 残 余 应 力 与 焊 后 变 形 。 因 为 有 残 余 应力的焊 件 在 随 后 的 加工 、 运 及 使 用 （ 贮 承 载 ） 程 中 的 回 弹 变 形 会 对 其 加 工 质 量 产 生 过 严 重 影 响 。焊 接 变 形 还 会 降低 焊 件 的 疲 劳 强
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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5. 波浪变形
构件焊后呈现出翘曲形状称为波浪变形， 也称失稳变 形。
薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临 界数值时，将出现波浪变形而丧失承载能力，这种现 象称之为失稳。
(1)波浪变形产生原因
薄焊后存在于平板中的内应力，一般情况下在焊 缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在
由于组织转变，带来体积
尺寸变化，产生的应力。
PM
P
产生原因：
组织转变
金属框架的温度应力与残余应力演示
加热－膨胀－受拘束－产生温度应力（压应力）＋压缩屈服变形 冷却－收宿－受拘束－产生残余应力（拉应力）＋拉伸屈服变形
(3)残余应力
残余应力：温度恢复到原始状态后， 残存在物体内部的应力。 产生原因：不均匀加热 产生条件：局部区域产生塑性变形或 相变
(1)温度应力
温度应力：由于构件受热不均匀引起的内应力。
产生条件：受热不均匀 温度均匀结果：应力残留或消失(如 果温度应力不高，即低于材料的屈服
极限，T s ，即温度应力在弹性范
围内时，在框架中不产生塑性变形， 当框架的温度均匀化后，热应力随之 消失)。
(2)组织应力
组织应力：
材料在凝固冷却过程中，
喷水法散热 散热垫法散热
水浸法散热
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三.选择合理的焊接方法
选择合理的焊接方法，可有效的减少焊接变形。 等离子弧焊 、氩弧焊、 CO2保护焊、手工电弧
焊、气焊，在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应 尽量采用小的焊接热输入。
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四.焊接变形的矫正
利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑 性变形，使两者相互抵消。 焊接变形的矫正有：
焊前先将焊件预制大小相同、方向相反的变形， 以抵消焊后发生的变形。
焊前
焊后
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（B）刚性固定法
用装焊夹具，将焊接件相互位置固定，限制焊接变形。
工件 压板
此法对防止弯曲变形的效果不如反变形法，但对 角变形和波浪变形效果较好。
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4.扭曲变形
角变形沿着焊缝长度方向逐渐增大，使构件变形扭 转,焊后在结构上出现的扭曲变形，也称螺旋形变形。
(1)错边变形产生原因 装配不良引起的错边变形。
应力集中加大 填充量增加 有效截面减小
焊接引起的错边变形。
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(2)控制焊接变形的措施
焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不合理。 两种材料热膨胀的差异。
7）散热法
将焊接处热 量迅速散走，减 小焊缝及其附近 的受热区，达到 减小焊接变形的 目的。
焊接残余应力与变形
焊接培训教材
张明录
目录
一 焊接残余应力分类 二 焊接残余变形分类 三 控制焊接残余变形的措施 四 焊接变形的矫正
一.焊接应力的分类
1.根据应力形成原因：
温度应力：由于温度变化或不均匀加热而在物 体中产生的应力（热应力）。 组织应力：由于温度变化而引起的组织变化所 产生的应力（相变应力）。 拘束应力：由于焊件热变形受到拘束作用而产 生的内部抗力。
扭曲变形
波浪变形
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二.焊接残余变形的分类
焊接残余变形：焊接后残存于结构中的变形。
焊接残余变形
收缩变形 弯曲变形 角变形 波浪变形 错边变形 扭曲变形
1.收缩变形
收缩变形： 焊后沿焊缝长度方向的收缩和垂直于焊缝
方向的收缩。 纵向收缩变形 横向收缩变形
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1） 纵向收缩变形
纵向收缩变形： 焊后沿焊缝长度方向发生的收缩变形。
截面中心
弯曲变形
（2）控制弯曲变形的措施
焊缝设计时，尽可能使焊缝对称于焊件截面 的中轴线或靠近中轴线。 采用反变形或较小的焊缝尺寸。
3）横向收缩引起的旁弯变形
(1)产生原因 横向焊缝在焊接过程中若出现焊接方向错误，
会是焊件产生旁弯。
（2）控制旁弯变形的措施
标明次序，正确采取焊接顺序
3.角变形 焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移 称为角变形，也称回转变形。 用 β 代表角变形的大小。
β
1）堆焊时产生的角变形
平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区 域金属的阻碍受挤压，（压缩塑性变形）。
焊接面压缩塑性变形>背面 角变形。
平板堆焊角变形的形成过程
(1) 角变形产生原因
焊接热量在厚度方向上的不均匀分布，同 时也取决于焊接的刚度。 焊接层数和焊接线能量与板厚的影响。
（2）控制角变形的措施 （A）反变形法
随着焊件厚度增加，焊接层数的增加， 横向收缩越来越明显。
2.弯曲变形 1）纵向收缩引起的弯曲变形
(1)产生原因 焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称 → Ff是个偏心力。
截面中心
弯曲变形
2）横向收缩引起的弯曲变形
(1)产生原因 焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称 → Ff是个偏心力。
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（1）扭曲变形的产生原因
焊接角变形沿长度方向上的分布不均匀、焊缝长度方向上 的错边、焊接顺序不对称或焊接方向错误，引起的扭曲变 形。
凡是影响角变形的因素均会导致扭曲变形。
（2）控制扭曲变形的措施
合理的装配焊接顺序
2
10 8 2
4
6
1
9
71
3
5
分段退步焊
23 41
中间向两端焊
64 3 5 82 17
横向缩短
（1） 纵向收缩变形产生的原因
◇压缩塑性变形： 焊缝近缝区金属在高温下的自由变形受到阻碍，
产生了压缩塑性变形。
◇收缩变形： 焊缝区液态金属在冷却过程中形成固态焊缝，
产生收缩变形。
这两个区域统称为收缩变形区
2）横向收缩变形
横向收缩变形： 焊后在垂直于焊缝方向发生的收缩变形。
横向缩短
（1）横向收缩变形产生的原因 横向收缩变形和纵向收缩变形的原因基本一致。
压应力的作用下，如果 压应力 cr ，薄板可能失
稳，产生波浪变形。 焊接角变形也可产生类似的波浪形变形
板焊接对热胀冷缩最为敏感
ห้องสมุดไป่ตู้2) 防止波浪变形的措施
提高临界应力，增加板厚和减小板宽。 用装焊夹具，将焊接件的相互位置固定，可用以防 止焊后变形。
施加预拉应力——最有效的方法
6.错边变形
焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致，引起 长度方向和厚度方向上的位移，称错边变形。
①任何原因引起的伸长变形受阻时，该伸长部分受压应 力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。
②任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应 力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。
焊接变形
焊接过程瞬态 热变形
焊后残余变形
面内位移 面外位移
面内变形
面外变形
纵向收缩
角变形
相变组织变形
横向收缩
弯曲变形
回转变形