焊接结构学复试要点

第三章 焊接应力与变形

1、薄板应力分布规律

答：将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以x σ表示；将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以y σ表示。

纵向残余应力的分布：

纵向残余应力

在纵向分布

（对低碳钢适

用）焊缝长时

存在稳定区，

其残余应力达

到材料屈服强

度，在焊缝端

部存在应力过

渡区，纵向应

力逐渐减小，在板边处为零（板边处为自由截面）。 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布（a)低碳钢，b)铝合金）。

铝合金热导率高使

其温度场近似正圆形，与沿焊缝同时加

热模型相差悬殊，在焊接过程中铝合金受热膨胀，受到的限制比平面假设要小，压缩塑性变形量低，残余应力也降低，一般x σ只达到0.6~0.8s σ。对于钛合金来说，由于其膨胀系数和弹性模量都比较低，大约只有低碳钢的1/3，所以造成其σx 比较低，只能达到0.5～0.8σs

横向残余应力的分布：

由纵向收缩所引起的横向应力的分布

不同焊缝长度

应力比较

2、热裂纹、冷裂纹形成条件、原理、解决措施

答：焊接热裂纹形成条件：金属降温通过ΔTB 时是否发生开裂，取决于三个因素：拉伸应变随温度的变化率

d dt ε（即通过TU 点的射线的斜率）的大小、脆性温

度区间ΔTB 的大小和金属处在这个区间内时所具有的

最小延性δmin 。(),c T T εε∂∂>∂∂产生裂纹，()c T T

εε∂∂<∂∂不产生裂纹。在焊接冷却过程中，特别是在200～300℃

范围内的塑性变形会消耗金属的一部分延性，对金属在

室温和低温下的延性有较大的影响，使其发生延性耗竭。这种现象在低碳钢，特别是沸腾钢中表现得更为明显，这被称之为热应变脆化。如果近缝区存在几何不连续性（应力集中），焊接塑性变形成倍增加，加剧延性耗竭。

3、应力与变形对焊接接头的影响

答：内应力对静载强度的影响；对刚度的影响；对杆件受压稳定性的影响；对构件精度和尺寸稳定性的影响；对应力腐蚀开裂的影响；对疲劳强度的影响

1）内应力对静载强度的影响：分三种情况讨论：塑性(韧性)材料，拉应力σ的存在使构件两侧压应力减小，逐渐转变为拉应力，中心拉应力与外力叠加，

材料具有足够塑形，拉应力峰值

达到屈服强度后不再增加，产生

塑形变形，直至整个截面应力均

达到s σ，应力全面均匀化，初

始内应力平衡（拉、压应力面积

相等），使构件截面完全屈服所

需施加外力与屋内应力一致，只要材料具有足够塑形，能进行塑形变形，内应力的存在不影响构件的承载能力，对静载强度无影响；脆性材料，

外载荷增加由于不能发生塑形变形使构件上的应力

均匀化，应力峰值不断增加到材料抗拉强度，造成

局部破坏，导致断裂，此时内应力将影响构件承载

能力，降低其静载强度；材料处于三轴(拉)应力状态

（几何不连续、缺口、三轴受拉），阻碍塑形变形的

产生，在一定条件下对承载能力有不利影响。

2）对刚度的影响：构件中存在与外载荷方向一致的

内应力，且值为s σ，在外载荷作用下刚度要降低，并且卸载后构件变形不能完全恢复，b/B 越大影响越大；焊接构件经过一次加载后，再次加载的载荷只要不超过前一次载荷，内应力就不再起作用，外载荷也不影响内应力分布。（弯曲载荷也适用）

3）对杆件受压稳定性的影响：当长细比较大时，临界失稳应力cr σ值较低，在外载压力与残余应力的和达到s σ之前就发生失稳，内应力对构件稳定性无影响；当长细比较小时，临界失稳应力主要取决于杆件的全面屈服，内应力对构件稳定性无影响；介于之间时受压可能使临界失稳应力下降，但翼板边侧为拉中心为压，有效面积分布离中性轴远，情况有所好转。

4）对构件精度和尺寸稳定性的影响：焊接结构件在焊后进行机械加工时，将一部分材料从构件上切除，使截面积改变释放了部分残余应力，破坏了原构件中内应力的平衡，内应力的重新分布引起了构件变形，影响加工精度（加工前消除应力，分布加工）；焊接构件在长期存放使用中，焊接应力随时间变化，影响构件的尺寸精度，主要是蠕变、应力松弛和不稳定组织的存在（焊后热处理，稳定组织，消除残余应力）。

5）对应力腐蚀开裂的影响：材料处于持续拉应力作用，同时与材料敏感的腐蚀介质接触，一段时间后发生开裂即为应力腐蚀开裂；焊接后构件中存在残余应力，在没有外载荷作用焊接残余应力的分布不会发生太大变化；如果残余拉应力与工作应力叠加，就会促进应力腐蚀；只有残余应力作用时裂纹扩展到尖端处拉应力为屈服强度30%左右就停止；若存在工作应力会使裂纹尖端处因缺口效应而产生很大的三向拉应力，裂纹深度越大，裂纹尖端应力强度因子越大，裂纹扩展进一步加速。

4、应力在特殊情况下如环缝、筒状、拘束条件下的分布规律

答：筒状：其纵向收缩的自由度比平

板收缩自由度大，其纵向应力比较

小，取决于圆筒半径、壁厚、塑性变

形区宽度。当圆筒直径与壁厚之比较

大时，应力分布与平板相似，低碳钢

x σ可以达到s σ；当圆筒直径与壁厚

之比较小时，应力有所下降。

拘束条件下：焊缝的应力场与反作用

内应力场相叠加，叠加后的应力最大

值应小于材料屈服强度，否则应力场

还要自行调整。

环形焊缝：以圆盘中心取孔镶块焊接

为例，径向应力在整个构件中均为拉

应力，周向应力在焊缝附近及镶块中

为拉应力，外侧区域为压应力，随镶

块直径增大周向应力峰值始

终出现在焊缝中心大小基本

不变，径向应力则随之下降。

在镶块中心区形成均匀双轴

应力场。结构刚度越大，拘

束度越大，内应力越大。

5、应力与变形测试方法

答：

6、应力与变形的解决措施

答：1）调控焊接应力及变形的焊前措施：

合理选择焊缝的形状尺寸。焊缝尺寸直接关系到焊接工作量、焊接应力和变形的大小。在保证结构承载能力的前提下，应遵循的原则是：尽可能使焊缝长度最短；尽可能使板厚小；尽可能使焊脚尺寸小；断续焊缝和连续焊缝相比优先采用断续焊缝；角焊缝与对接焊缝相比，优先采用角焊缝及复杂结构最好采用分部组合焊。

尽量避免焊缝的密集和交叉。焊缝间相互平行且密集时，相同方向上的焊接残余应力和塑性变形会出现一定程度的叠加；焊缝交叉时，两个方向上均会产生较高的残余应力。作用于结构上的双重温度-变形循环均可能会在局部区域（缺口、缺陷）超过材料塑形。

合理选择肋板的形状并适当安排肋板的位置，可减少焊缝，提高肋板加固效果。

采用压形板来提高平板的刚性和稳定性，也可减小焊接量和焊接变形。

联系焊缝（结构设计上不直接承载的焊缝）可采用断续焊缝的形式以降低热输入总量。双面断续焊缝的焊端可交替布置，在可能出现腐蚀的地方用切口使焊缝闭合。

预变形法或者反变形法：按照预先估计好的结构变形大小和方向，在装配时对构件施加一个大小相等方向相反的变形与焊接变形相抵消。

就减小残余应力和变形来说，角焊缝由于对接焊缝（疲劳强度不然）。采用角焊缝时，间隙与力线的偏移会降低接头的刚性，从而降低结构中的残余应力。焊接盖板时最好搭接，而不宜焊平补齐。在待焊构件的尺寸偏差和装配要求方面，角焊缝也由于对接焊缝，其允许更大的横向错位和角度偏差，而对接结构装配时其坡口必须精确对准。

2）焊后措施

机械方法：焊接变形产生的主要原因是焊缝金属收缩，收缩受到约束就产生了残余应力。采用一定措施使收缩的金属得以延展，就可校正变形并调节内应力分布。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，是减小应力变形的基本思路之一。

对于大型构件可采用压力机来矫正变形。对于不太厚的板结构可采用锤击方式来延展焊缝及其周围的压缩塑性变形区金属，达到消除变形和调整残余应力的目的。对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压方式利用盘形滚轮来碾压焊缝及其两侧使之伸长。对于形状不规则的焊缝可以采用逐点挤压，即用一对圆截面压头挤压焊缝及其附近的压缩塑性变形区，使压缩塑性变形得以延展，挤压后在焊缝及其附近产生压应力，有利于提高接头疲劳强度。通过对焊件施加一次机械拉伸，使得拉应力区在外载作用下产生拉伸塑性变形，与焊接时产生的压缩塑性变形相反，减小了纵向焊接变形，降低残余应力。振动时效技术即利用偏心轮和变速电动机组成激振器，使结构发生共振所产的应力循环来降低内应力。

加热方法：消除应力的原理：材料的屈服强度会因温度升高而降低，并且材料弹性模量也会下降，加热时材料的残余应力超过了该温度下的屈服强度，就会发生塑性变形，缓和残余应