焊接变形与应力产生的根本原因
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L0——杆件原始长度 ΔLT——自由变形 ΔLe —— 外观变形 内部变形： -(ΔLT – ΔLe)
第一节 焊接变形与应力产生的原因
二、焊接变形与应力产生的原因
当金属杆件在加热过程中受到阻碍，其长度不能自由
增长，则在杆件中将产生内部变形。如果内部变形率的 绝对值小于金属屈服强度时的变形率，说明杆件中受到 小于σs的应力。当杆件温度恢复到T0时，如果允许杆件 自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度L0，杆件中也不
消除残余应力的措施
织与性能） 1.高温回火（改变金相组 两侧压应力区域局部加 热） 2.热塑性法（在焊接接头 3.机械拉伸法 1.弯曲共振法 4.振动法：利用振动产生 的交变应力来消除部分 残余应力 2.扭曲共振法
注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大 小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本 低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。
工艺措施
工艺原则
1.先焊收缩量较大的焊缝 焊缝 2.先焊工作时受力较大的 1.采用合理的焊接顺序和 方向 3.在拼板时，应先拼焊错 开的短焊缝 然后在焊直通的长焊缝 刚性较大、自由度较小 的焊缝时，可采用 2.在焊接封闭焊缝后其他 的自由度 反变形法来增加焊缝处 3.锤击或碾压焊缝 4.焊接时预热和跟踪加热
存在应力。
第一节 焊接变形与应力产生的原因
如果杆件温度升得较高，使其内部变形率大于金属屈
服时的变形率，杆件中不但产生达到屈服极限的应力， 同时还产生压缩塑性变形。在杆件温度恢复到T0的过程中， 若允许自由收缩，最后杆件比原来长度缩短ΔLp，杆件 中也不存在内应力。
如果不能自由收缩，则会在杆件中产生内应力。
1.机械矫正法：
将变形的构件中的尺寸较 短的部分通过机械力作用， 使之产生塑性延展变形，而 恢复和达到形状的要求，可
以利用螺旋、气动、液压的
器具来加外力。
机械矫正法
2.火焰矫正法
： 利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长
部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶
间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材）。
三、焊接残余应力的调节及消除措施
1.调节残余应力的措 施 1.1设计措施: 设计上减小焊接应力 的核心是正确布 置焊缝，以避免 应力叠加
设计原则
下，尽量减少焊缝截面 尺寸和长度 1.在保证结构强度的前提 相邻焊缝最小距离要符 合相关要求 2.焊缝不止应避免集中， 3t 容器上相邻焊缝最小距 离为 100m m 3.尽量避免三轴交叉焊缝 4.采用刚性较小的接头形 式 5.焊缝尽量不布置在工作 应力最严重的区域和断 面突变处， 减小应力集中
3.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
二、工艺措施
1. 正确的确定装配、焊接顺序
不正确的装配次序：工字构件，
先丁字，然后在装另一块盖板， 焊后仍有较大的挠度
正确应该是，先点固成工字， 然后焊接，注意次序
2.选择适当的施焊次序和方向
缝时，先焊少的一侧 1.当结构形心轴两侧有焊 ，对构件变形影响大的 最后焊 2.先焊离构件形心轴近的 3.截面对称的构件应对称 的交替焊，尽可能增加 翻转辅助时间
金属材料焊接工艺
南华大学 （四）
张元钟
第五章 焊接结构设计
焊接结构的生产工艺过程
备
料
装 配
焊 接
检 验
本章主要内容
1.焊接变形与焊接应力产生的原因 2.焊接残余变形
3.预防和矫正残余变形的方法
4.焊接残余应力
5.焊接残余应力的调节及消除措施
第一节 焊接变形与应力产生的原因
一、简单杆件的变形与应力
3、反变形法
定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的 变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。
4、刚性固定法
在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制 焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和
波浪变形较好
5、合理的选择焊接的方法和焊接规范
选择线能量较低的焊
接方法，采用多层焊
代替单层焊
二、矫正残余变形的方法
2. 对机械加工精度的影响 原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着 相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削 掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会 重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布 来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变 形，加工精度难以保证
3、 对疲劳强度的影响（研究 不够充分） 4 对应力腐蚀的影响 原因：拉应力和介质、腐蚀共同作 用下产生裂纹的一种现象，拉应 力越大，发生应力腐蚀开裂的时 间越早。 5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次 加载，卸载后，以后再次加载， 只要其大小不超过前一次，残余 应力不再起作用，外载也不影响 焊件内部残余应力的分布
从焊缝的一端到 另一端的直通焊
从中间向两端焊或 从两端向中间焊
分段 倒退焊
3、厚板中的残余应力分布Βιβλιοθήκη 4、封闭焊缝中的残余应力分布
组织应力[相变应力]
二、焊接残余应力的影响
1. 对静载强度的影响
性变形能力，无影响 1.塑性材料，有足够的塑 产生应力的均匀化过程 2.脆性材料，构件不可能 应力峰值不断增加，直 至 b，材料发生局部破坏
焊接变形与应力产生的根本原因： 工件的局部加热、焊接接头的膨胀与收缩的 不自由。
三、焊接变形的基本类型
第二节 预防和矫正焊接残余变形的方法
一、合理设计 1.选用对称截面的
结构，焊缝布置对
称，在设计时，安 排焊缝尽可能使焊 缝对称于截面的中 性轴。
2.合理的选择焊缝的尺寸和形式：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
火焰矫正法
第三节 焊接残余应力
一、焊接残余应力分布
1. X ：焊缝方向上的应力 力 2. Y：垂直焊缝方向上的应 3. ：厚度方向上的应力 Z
1.纵向应力 X 的分布
1.纵向应力 X 的分布
2、横向应力的分布
' 1.纵向收缩引起的横向应 力 Y 的直通焊 1.从焊缝的一端到另一端 端向中间焊 2.从中间向两端焊或从两 2.焊接顺序引起的 3.分段倒退焊
第一节 焊接变形与应力产生的原因
二、焊接变形与应力产生的原因
当金属杆件在加热过程中受到阻碍，其长度不能自由
增长，则在杆件中将产生内部变形。如果内部变形率的 绝对值小于金属屈服强度时的变形率，说明杆件中受到 小于σs的应力。当杆件温度恢复到T0时，如果允许杆件 自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度L0，杆件中也不
消除残余应力的措施
织与性能） 1.高温回火（改变金相组 两侧压应力区域局部加 热） 2.热塑性法（在焊接接头 3.机械拉伸法 1.弯曲共振法 4.振动法：利用振动产生 的交变应力来消除部分 残余应力 2.扭曲共振法
注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大 小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本 低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。
工艺措施
工艺原则
1.先焊收缩量较大的焊缝 焊缝 2.先焊工作时受力较大的 1.采用合理的焊接顺序和 方向 3.在拼板时，应先拼焊错 开的短焊缝 然后在焊直通的长焊缝 刚性较大、自由度较小 的焊缝时，可采用 2.在焊接封闭焊缝后其他 的自由度 反变形法来增加焊缝处 3.锤击或碾压焊缝 4.焊接时预热和跟踪加热
存在应力。
第一节 焊接变形与应力产生的原因
如果杆件温度升得较高，使其内部变形率大于金属屈
服时的变形率，杆件中不但产生达到屈服极限的应力， 同时还产生压缩塑性变形。在杆件温度恢复到T0的过程中， 若允许自由收缩，最后杆件比原来长度缩短ΔLp，杆件 中也不存在内应力。
如果不能自由收缩，则会在杆件中产生内应力。
1.机械矫正法：
将变形的构件中的尺寸较 短的部分通过机械力作用， 使之产生塑性延展变形，而 恢复和达到形状的要求，可
以利用螺旋、气动、液压的
器具来加外力。
机械矫正法
2.火焰矫正法
： 利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长
部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶
间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材）。
三、焊接残余应力的调节及消除措施
1.调节残余应力的措 施 1.1设计措施: 设计上减小焊接应力 的核心是正确布 置焊缝，以避免 应力叠加
设计原则
下，尽量减少焊缝截面 尺寸和长度 1.在保证结构强度的前提 相邻焊缝最小距离要符 合相关要求 2.焊缝不止应避免集中， 3t 容器上相邻焊缝最小距 离为 100m m 3.尽量避免三轴交叉焊缝 4.采用刚性较小的接头形 式 5.焊缝尽量不布置在工作 应力最严重的区域和断 面突变处， 减小应力集中
3.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
二、工艺措施
1. 正确的确定装配、焊接顺序
不正确的装配次序：工字构件，
先丁字，然后在装另一块盖板， 焊后仍有较大的挠度
正确应该是，先点固成工字， 然后焊接，注意次序
2.选择适当的施焊次序和方向
缝时，先焊少的一侧 1.当结构形心轴两侧有焊 ，对构件变形影响大的 最后焊 2.先焊离构件形心轴近的 3.截面对称的构件应对称 的交替焊，尽可能增加 翻转辅助时间
金属材料焊接工艺
南华大学 （四）
张元钟
第五章 焊接结构设计
焊接结构的生产工艺过程
备
料
装 配
焊 接
检 验
本章主要内容
1.焊接变形与焊接应力产生的原因 2.焊接残余变形
3.预防和矫正残余变形的方法
4.焊接残余应力
5.焊接残余应力的调节及消除措施
第一节 焊接变形与应力产生的原因
一、简单杆件的变形与应力
3、反变形法
定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的 变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。
4、刚性固定法
在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制 焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和
波浪变形较好
5、合理的选择焊接的方法和焊接规范
选择线能量较低的焊
接方法，采用多层焊
代替单层焊
二、矫正残余变形的方法
2. 对机械加工精度的影响 原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着 相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削 掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会 重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布 来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变 形，加工精度难以保证
3、 对疲劳强度的影响（研究 不够充分） 4 对应力腐蚀的影响 原因：拉应力和介质、腐蚀共同作 用下产生裂纹的一种现象，拉应 力越大，发生应力腐蚀开裂的时 间越早。 5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次 加载，卸载后，以后再次加载， 只要其大小不超过前一次，残余 应力不再起作用，外载也不影响 焊件内部残余应力的分布
从焊缝的一端到 另一端的直通焊
从中间向两端焊或 从两端向中间焊
分段 倒退焊
3、厚板中的残余应力分布Βιβλιοθήκη 4、封闭焊缝中的残余应力分布
组织应力[相变应力]
二、焊接残余应力的影响
1. 对静载强度的影响
性变形能力，无影响 1.塑性材料，有足够的塑 产生应力的均匀化过程 2.脆性材料，构件不可能 应力峰值不断增加，直 至 b，材料发生局部破坏
焊接变形与应力产生的根本原因： 工件的局部加热、焊接接头的膨胀与收缩的 不自由。
三、焊接变形的基本类型
第二节 预防和矫正焊接残余变形的方法
一、合理设计 1.选用对称截面的
结构，焊缝布置对
称，在设计时，安 排焊缝尽可能使焊 缝对称于截面的中 性轴。
2.合理的选择焊缝的尺寸和形式：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
火焰矫正法
第三节 焊接残余应力
一、焊接残余应力分布
1. X ：焊缝方向上的应力 力 2. Y：垂直焊缝方向上的应 3. ：厚度方向上的应力 Z
1.纵向应力 X 的分布
1.纵向应力 X 的分布
2、横向应力的分布
' 1.纵向收缩引起的横向应 力 Y 的直通焊 1.从焊缝的一端到另一端 端向中间焊 2.从中间向两端焊或从两 2.焊接顺序引起的 3.分段倒退焊