第二章 焊接力学分析(3)

焊后有较大的挠度。
（2）焊前先点固成工形
截面梁，再按括号内的
顺序进行焊接，无挠度
钢制构件单道焊缝引起的挠度估算
k1 AW eL2 f 8I
式中， e － 焊缝到构件中性轴的距离（偏心距）
L － 构件长度 AW － 焊缝截面积 I － 构件截面惯性矩 k1 － 系数可由表2-1查得 多层焊或双面角焊缝的挠度以上式的结果乘以 与纵向收缩公式中相同的系数k2。
（3）材料的热物理参数
α 屈服强度、弹性模量、热膨胀系数α
α越大，变形越大
（4）多层焊时，塑性变形区相互重叠，其纵
向收缩比单层焊小
（5）间断焊的纵向收缩变形比连续焊小
钢质细长构件纵向收缩量的估算
单层焊的纵向收缩量
k1 AW L L A
式中，A — 构件截面积（mm2）， AW — 焊缝截面积（mm2）， L — 纵向收缩量（mm）， L — 构件长度（mm）， 系数k1与焊接方法和材料有关。
焊接线能量 qW：qW↑→ΔB↑
板厚 δ：δ↑→ΔB↓
横向变形沿焊缝长度上的分布是不均匀的
横wenku.baidu.com收缩 B
x
焊接方向
薄板堆焊： B 2 qW t c 厚板堆焊： ΔB变小
（2）角焊缝的横向收缩 与堆焊相似，立板厚度减少横板的热量
（3）横向收缩引起的挠曲变形
2.5.4 角变形与扭曲变形 一、角变形 原因：横向收缩变形在厚度方向上分布不均匀
二、焊接错边
两焊件受热不平衡造成长度方向膨胀变形不一
致产生错边。
原因：装配不善、导热不平衡、不对称温度场、
不同热膨胀系数材料的焊接
可采用跳焊、分段退焊，防止错边积累
三、纵向收缩引起的挠曲变形
不均匀加热→压缩塑性变形→相当于压力Pf
→缩短→力Pf 偏离构件中心→弯曲
构件的挠度 f 为
ML f 8EI 8EI
Ap
构件在Pf作用下产生的纵向收缩 Pf L L A p dA L EA A
p
• 式中，A — 构件截面积， Ap — 塑性变形 区面积， E — 材料弹性模量， L — 构件 长度， P — 塑性应变。
影响因素：
（1）焊接规范 与焊接线能量qW成正比
（2）焊接方法
二、矫正焊接变形的方法 （1）机械矫正法
（2）火焰加热 矫正法
2.6 焊接热力过程数值模拟分析 一、焊接热力过程 （1）准稳态焊接过程，HAZ内某点应力的动态 变化（简化模型）
（2）实际焊接过程的热应力应变循环
（3）焊接温度场与应力场
二、焊接热力过程数值模拟方法 差分法、有限元法、边界元法
两面有角焊缝的丁字接头，由上面公式计算 的收缩量乘以系数1.15 ~ 1.40。（式中的AW 指一条角焊缝的截面积）
【例】低碳钢工字形构件如图，长5m，腹板高250mm，腹板
厚10mm，翼板宽250mm，厚12mm，四条角焊缝，每条均由 埋弧自动焊一次焊成，焊角K=8mm，计算工字形构件的纵向 收缩量。 解：每条角焊缝的截面积：
角变形是筋板结构焊接变形的主要问题
工字型梁的扭曲变形 原因：角变形沿焊缝长度方向分布不均匀以 及工件的纵向错边。 措施：改变焊接顺序和方向。 将两条相邻的焊缝同时同方向焊接。
2.5.5 波浪变形 失稳变形
（焊接残余压应力） σw≥σcr （薄板的抗失稳临界
压应力）
降低焊接残余压应力的方法： a）采用小的焊接线能量 b）采用间断焊 c）采用能量密度高的焊接方法 增大薄板的抗失稳临界压应力的方法： a）增加板厚 b）增加骨架，减小骨架间距
2.5 焊接残余变形
焊接残余变形：焊接后残存于结构中的变形， 或称焊接变形。
2.5.1 焊接残余变形分类
焊接残余收缩主要表现在两个方面 ：
纵向收缩－沿焊缝长度方向的收缩
横向收缩－沿着垂直于焊缝长度方向的收缩
大致可分为下列七类：
（1）纵向收缩变形 （2）横向收缩变形
（3）挠曲变形（弯曲变形）
2
Pf eL2
式中，I 为构件截面惯性矩；e 为塑性区中心到断面中性轴的
距离（偏心距）。
焊缝对称的构件，工形截面梁装配次序
（1）装焊顺序：⊥→工
fT Pf e L2 8 EI
f工
Pf e工L2 8EI
fT e I 工 = f 工 e工 I
e e工
I 工 I 故 f T > f工
（4）角变形
（5）波浪变形（失稳）
（6）焊接错边
（7）螺旋形变形（扭曲变形）
2.5.2 纵向收缩变形与弯曲变形
一、纵向收缩变形
纵向收缩变形是焊缝及其附近压缩塑性变形区 焊后纵向收缩引起的焊件平行于焊缝长度方向 的变形。 压缩塑性变形→相当于力Pf ―→缩短 假想外加压力Pf的大小
Pf E p dA
（1）堆焊角变形 原因：平板堆焊时，堆焊高温区金属的热膨胀 受到阻碍产生压缩塑性变形εP 温度：堆焊面 > 背面，εP：堆焊面 > 背面 背面在弯矩作用下甚至产生拉伸变形，冷却后 产生角变形。 角变形的大小取决于： a）塑性变形区的大小及其沿厚度方向上的分 布 b）板的刚度（厚度）
a）堆焊过程中角变形与焊接时间的关系 b）不同厚度的钢板表面堆焊角变形与线能量 的关系
2.5.3 横向收缩变形
横向收缩变形：指垂直于焊缝方向的变形。
一、对接接头的横向收缩
(a)热膨胀↑ → 间隙↓ → 横向收缩↑
(b)热膨胀↑ →挤压使厚度↑ → 横向收缩
影响因素：焊接线能量、坡口形式
焊缝的纵向变形对横向变形有影响
纵向变形 → 间隙↑→ 横向收缩↓
影响因素：装配刚度、功率、焊速↑
构件截面积：
1 AW 8 8 32(mm2 ) 2
A 2 250 12 250 10 8500(mm2 )
所以纵向收缩量： 0.073 AW L L 1.15 2 A
0.073 32 5000 1.15 2 3.16(mm) 8500
→横向收缩↓
两种横向变形方向是相反的，最终的变形是两种变
形的综合结果。
横向收缩变形计算公式
2 qW B t c
式中，μt 为横向刚度系数
有坡口间隙时取 0.75 - 0.85
无坡口间隙时取 0.5 - 0.7
比较简单的工程经验公式
B 0.18
AW

二、堆焊及角焊缝的横向收缩 （1）堆焊的横向收缩 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 影响因素：
系数k1的选取（表2-1）
焊接方法 材料 k1 0．043 CO2焊 低碳钢 0．071~ 0．076 埋弧焊 焊条电弧焊焊 低碳钢 0．048~ 0．057 奥氏体钢 0．076
多层焊的纵向收缩量
k1 AW L L k2 A
式中，AW — 一层焊缝金属的截面积（mm2）， k2 = 1 + 85sn，s = ζs / E ，n — 层数
角变形在焊缝长度上的分布
（2）对接接头的角变形 主要影响因素：焊接规范、接头形式、坡口角 度、焊接层数 坡口角度α↑→上下收缩差↑→角变形↑ 坡口角度对角变形影响最大
焊条电弧焊、合理的焊接顺序
二、角焊缝的角变形与扭曲变形 T形接头的角变形包括两个方面： a）筋板与主板的角度变化 b）主板本身的角度变化
2.5.6 焊接变形的控制与矫正 一、控制焊接变形的措施 （1）设计措施 1）合理选择焊件尺寸 2）合理选择焊缝尺寸和坡口形式
板厚(mm) 7 — 16 17 — 22 23 — 32 33 — 50 > 50 最小角焊缝尺寸K(mm) 3号钢 16Mn钢 4 6 6 8 8 10 10 12 12 —
坡口位置的设计
3）尽量减少不必要的焊缝 4）合理安排焊缝位置 力求使结构对称
（2）工艺措施 1）反变形法
2）刚性固定方法
3）合理选择焊接方法及焊接规范
4）采用合理的装配焊接顺序
① 方案1：3 →1 → 2 ② 方案2：1 → 2 →3 ③ 方案3：2 → 1 → 3 总挠曲变形 f1+ f2+ f3 最大 f1+ f2 - f3 f1 - f3 最小