焊接应力与焊接变形

焊接变形的种类 • 焊接变形的种类，按其对结构影响的大小可分为下面两种： • 整体变形 整体变形是指整个结构的形状或尺寸发括直线变形、 弯曲变形、扭曲变形等。如图所示。 • 直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变，按其方向又可 分为纵向变形和横向变形。纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。 横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。 • 局部变形 局部变形是指结构的某种部分发生变形。它包括角 变形和波浪变形两种。 • 焊后变形将严重影响到结构的外形和它的承载能力，其中整体变 形对结构的影响较大，而局部变形的影响则较小。
二、焊接残余应力与分布 • 焊接残余应力和变形产生的主要原因是焊接时的不均匀加热， 近缝区的构件在加热和随后冷却过程中发生了塑性变形。 • 受到焊接残余应力的焊缝金属的收缩变形有以下几种情况： （一）纵向焊接残余应力和变形 （二）横向焊接残余应力和变形 （三）弯曲变形 （四）角变形 （五）波浪变形 （六）扭曲变形
焊接内应力的种类 焊接后产生的内应力简称焊接应力，根据其空间位置和相互关系可分以下几种： • 单向应力 焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时，焊件存在的应力 是单方向的。 • 双向应力 在焊接较厚板的对接焊缝时，焊件存在的应力虽不同向，但均在 一个平面内，即应力是双向的。 • 三向应力 当焊接厚大焊件的对接焊缝时，焊件存在的应力是沿空间三个方 向作用的。当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。 • 根据焊接应力相对于焊缝的方向不同，可分为平行于焊缝的纵向应力和垂 直于焊缝的横向应力。 • 单向应力对焊件的强度影响不大，有时不必采取特殊的方法消除它们。但 当焊缝中存在双向应力和三向应力时，焊缝金属的强度和冲击值都要显著下 降，容易产生裂缝。因此，在焊接厚件≥25mm时，焊后一般应对焊件进行热 处理，以消除三向应力。三个方向焊缝的 ，焊缝不应焊到交角的顶点，以避 免三向应力的产生。焊接应力按其产生的原因，也可以分为焊接热应力和组 织应力。在船体焊接时，一般只考虑焊接热应力。
• （四）角变形 • 焊缝沿厚度方向加热不均匀以及各层焊缝的收缩不一致，都会 使板材绕焊缝轴线旋转一个角度，这种现象称为角边形。 • 厚板焊接时，焊接的一面温度高，另一面温度低，因此，温度 高的一面产生的压缩塑性变形大，温度低的一面则小。冷却时则 在板的厚度上发生各层焊缝收缩不均匀现象，焊接的一面收缩大， 另一面收缩小，所以容易产生角变形。 • 角变形的大小与焊接规范、接头型式、坡口角度等因素有关。 如果焊缝区域加热能量大，对薄板来说，降低了角变形；对较厚 板来说，角变形反而增加；但当焊件厚度很大时，由于其刚性增 大很多，角变形又会减小。坡口角度和坡口形状对角变形影响较 大。坡口角度越大，上下横向收缩量的差别越大，角变形也就越 大。不同的施焊方法，其最终的角变形也不一样。采用多层焊要 比单层焊时的角变形大。
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纵向收缩引起的横向残余应力σyˊ 的分布
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不同长度平板对接焊时σyˊ 的分布 a)短焊缝 b)中长焊缝 c)长焊缝
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• （三）弯曲变形 • 焊接结构的变形是由各种形式的变形综合而成的，钢材边缘堆焊，除了纵 向收缩变形外，同时也产生弯曲变形。 • 板件接头焊接时，对焊件的加热是集中在边缘一个很小的宽度内，加热很 均匀，而且无热的传导，也就是说，与加热区邻接的金属是冷的。加热区金 属膨胀，如焊件不太大，就会在膨胀力作用下产生弯曲，而在加热区产生压 缩塑性变形。而冷却后，这加热部分金属受到拉应力作用，它的反作用力也 就使焊件发生反向弯曲。 • 弯曲变形的大小以挠度的数值来度量，而挠度的大小与焊件的长度成正比。 纵向收缩可造成弯曲变形，横向收缩也可以造成弯曲变形。横向收缩变形对 弯曲的影响也是不容忽视的。 • 事实上，焊接时焊件的弯曲变形是综合的，它是由纵向弯曲变形和横向弯 曲变形综合而成的。弯曲变形与加热引起的压缩塑性变形区宽度、焊缝离构 件重心的距离以及构件的刚性等有密切关系。构件的刚性，是它抵抗变形的 能力，主要决定于结构的形状和尺寸的大小。在其他条件相同时，增加焊件 的刚性，将有利于减小弯曲变形。
• 另外，我们又知由于一条焊缝不是在同一时内完成，而总是要一 段一段地逐步焊完，焊缝全长上的加热时间不一致，同一时间内 各段受热温度不均匀，膨胀与收缩也不一致，因此这段与那段之 间就形成了对自由变形的互相限制。先焊部分受到后焊焊缝横向 收缩的作用，而它又限制了后焊焊缝的横向收缩，因此后焊焊缝 末端受到拉应力作用，先焊部位受到压应力作用。总的横向应力 是由上述两部分应力合成的结果。 • 对接焊缝的横向收缩所引起的横向应力分布比较复杂。当焊接 方法、施焊方向、焊接程序、焊接线能量、外界刚性固定条件等 稍有不同，则其应力分布也不同。 • 当两块钢板固定后进行接头对接焊缝时，虽然变形较小，但应 力值很大，可能引起裂缝，因此采用时要特别考虑这一点。分段 退焊法和从中间向两端焊（对称焊法）较好，应力分布比较均匀， 焊接变形较小。但是要注意在直通焊时，板材则往往由于受到很 大的压缩应力，丧失稳定性而产生波浪变形。
对接接头纵向残余应力在焊缝横 截面上的分布情况
板边堆焊时的纵向残余 应力与变形
不同长度焊缝纵截面上纵向残 余应力σ χ 的分布
• （二）横向焊接残余应力和变形 • 根据实际生产中知，构件焊后不仅会产生纵向焊接残 余应力和变形，同时还会产生横向残余应力和变形。 • 在与焊缝轴线垂直的方向上，焊缝和热影响区金属在 加热过程中也要受到压应力，并发生塑性变形，而冷却 后则存在焊接残余应力和变形，这叫做焊接横向残余应 力和变形。 • 当两块钢板在对接焊时，沿焊缝中心线向两焊缝边缘 焊缝区将产生纵向压缩，这种收缩的结果将使钢板产生 变形。但是，焊接接头是由焊缝连接成一个不可分离的 整体，结果在焊缝中部产生横向拉应力，而焊缝两端出 现横向压应力。
• （一）纵向焊接残余应力和变形 • 长板对接接头焊缝处受热温度较高，因此焊缝 金属有较大伸长，离焊缝金属较远的部位温度较 低，伸长则较小。钢板中间温度高的金属受到两 边温度低的金属限制，阻碍了它的自由伸长，因 此这部分产生压力。同时两边温度低的金属受到 反作用力而产生应力，这时钢板中存在压应力和 拉应力，并处于平衡，如有纵向微小缩短，数值 都较小。
一、焊接应力与焊接变形的基本知识 • 我们已经知道，焊缝由于有内部结构上的缺陷 和内部应力的释放、焊件将产生焊缝裂缝。同时， 在焊接过程中，焊件受到不均匀的电弧加热，受 热区域的金属膨胀程度也就不同，此时产生的内 应力和变形是暂时的，但当焊接完毕待焊件完全 冷却后，剩余的内应力和变形称为残余内应力和 变形。