内应力与焊接变形
第6章 焊接应力与变形讲解
（2）组织应力 金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相
变导致体积变化而引起的应力叫组织应力。 我们知道金属加热冷却时，材料内部组织
要发生相变，而相变时体积也将发生变化，冷 却时的相变往往是体积增大，如果这个增大是 发生在金属的刚性恢复温度之下，那么周围恢 复了刚性的部分金属将阻碍这个体积增大，这 就将产生新的应力：组织应力，也叫相变应力。 对于低碳钢，刚性恢复温度是600度，而它 的奥氏体转变温度是600~700度之间，600度以 下没有相变发生，所以低碳钢不存在组织应力。 有不少合金元素能降低金属的相变点，所以合 金钢焊接时往往产生组织应力。
2、对接接头 （1）原因 有两个原因： 一方面：焊接时随热源的移动，焊件被加
1、堆焊 （1）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 在实际焊接过程中，在焊缝长度上的加热
并不是同时进行的，因此焊缝长度方向上各点 的温度不一致，在热源附近的金属膨胀变形， 不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低处 的金属的限制和拘束，使之承受压力而在宽度 方向上产生压缩塑性变形由此产生横向收缩变 形。
3、弹性内部应变（ε’）和塑性内部应变（ε”）
不可见应变既然没有表现出来，它就一定
会以另一种形式顽强的表现自己，这种形式就 是应力，它以应力的形式存在于物体内部，应 力的大小服从虎克定律，即σ=Eε,应力的大小 与内部应变量ε成正比，当内部应变量ε不太大 的内部话应，变它是产弹生性的的应力,叫小弹于性屈内服部极应限变σ，S ,以这ε时’表的示， 弹性内部应变是可以恢复的，也就是说，当温 度将由 逐T步1恢减复小到并T消0时失，。随着温度的下降，ε’和σ
度杆恢件复将到 缩短T0ε之”。后，塑性内部应变将保留下来，这样原 这里杆件的缩短可能不好理解，大家也可以这样看，
焊接应力与变形控制实验-实验报告纸
实验（实习）报告实验名称_____________
班级____________________ 组别____________________ 姓名学号
实验(实习)报告专用纸
（1）设计措施：1）合理选择焊缝尺寸和形式；2）尽可能减少不必要的焊缝；3）
合理安排焊缝位置
（2）工艺措施：1）严格加工装配工序；2）预留余量；3）反变形法；4）刚性
固定法；5）合适的焊接方法和规范；6）合理的选择装配焊接
顺序；
焊后矫正焊接变形的方法：（1）机械矫正法；（2）火焰矫正法；
五、实验内容与结果分析
1、测量焊接结构的纵向和横向收缩量
根据设定的一系列焊接工艺参数对Q235钢板进行焊接，利用卡尺测量焊接前和焊接后的焊接纵向和横向尺寸。
图一对接接头的纵向与横向收缩
2、焊焊缝纵向和横向应力分布
根据设定的一系列焊接工艺参数对Q235钢板进行焊接，分析焊缝的纵向和横向应力分布。
图三对接接头的横向应力分布
3、测量焊接接头的角变形大小
根据设定的一系列焊接工艺参数对Q235钢板进行焊接，利用尺规测量焊接后的角度。
变化。
图二对接接头的角变形
4、实验结果分析
板厚、电流、焊接速度对变形的影响规律:
五、思考题
1、焊前预热和焊后缓冷对焊接应力和变形大小的规律;
2、不同的焊接顺序对焊接应力和变形大小的影响;
3、焊接残余应力的测定方法有哪些？各有哪些优缺点?
评分_____ 指导教师。
焊接应力与变形
焊接变形
ε ε 低碳钢应力应变关系 ε-变形率， εe-外观变形率，
σ= E·ε=E ( e － T)
εT-自由变形率
1)伸长受阻但可自由收缩 2)伸长受阻自由收缩
结论：
1)当ε﹤εs时，杆件可以 恢复到原来的长度，则 杆件中不存在应力；
2)当ε﹥εs时产生残余
变形
不均匀温度场作用下的变形和应力
s 0,T 600C
受拘束体在热循环中应力与变形
1. s E(e T )
弹性状态， 无残余应力
受拘束体在热循环中应力与变形
2. s ,TMAX 500C E(e T ) Ts s 100C
E
α-线膨胀系数
有塑性变形 及残余应力
残余应力等于材料屈服极限
3. s ,TMAX 600C
横向应力产生的原因
2) 由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力
焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位 的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力， 而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用， 因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果， 在焊缝的最末段也将产生压应力。 上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。
不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：M=P•Z 构件的挠度可由下式求得： f ML2 PZL2
8EI 8EI
式中：P-不对称纵向焊缝形成的偏心力 Z-塑性区中心到截面中性轴距离 L-构件长度；I-构件截面惯性矩
(四)横向收缩引起的挠曲变形
横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横 向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯 曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。
焊接结构中经常会出现多轴应力状态
焊工工艺学-焊接应力与变形6
2.工艺措施
2.选择适当的施焊次序和方向 原则：
1.当结构形心轴两侧有焊缝时，先焊少的一侧 2.先焊离构件形心轴近的，对构件变形影响大的最后焊 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
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。
3.弯曲变形 弯曲变形是焊接结构中经常出现 的基本变形，在焊接管道、梁、柱等焊接 件时尤为常见。 弯曲变形主要是结构上的 焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称， 焊缝收缩引起的变形。 弯曲变形的大小用 挠度f进行度量。挠度f是指焊后焊件的中心 轴偏离焊件原中心轴的最大距离。
4.扭曲变形 如果焊缝角变形沿长度方向分布不均匀， 工件的纵向有错边，或装配不良，施焊程序不合 理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩没有一定规律 引起的扭曲变形。 此外，当几条角焊缝靠得很近 时，由于角焊缝的角变形连在一起也会形成波浪 变形，如在实际生产中，波浪变形往往产生在薄 板结构中。 5.波浪变形 由于结构刚性小，在焊缝的纵向收缩， 横向收缩综合作用下造成较大的压应力而引起的 变形。薄板容易发生波浪变形。
三、控制焊接变形的措施
1.设计措施 （1）选用合理的焊缝尺寸 焊缝尺寸增加焊接变形也随之加大。但 过小的焊缝尺寸，将会降低结构的承载能力，并使接头的冷却速 度加快，产生一系列的焊接缺陷，如裂纹、热影响区硬度增高等。 因此在满足结构的承载能力和保证焊接质量的前提下，根据板厚 选取工艺上可能的最小焊缝尺寸。 （ 2）尽可能地减少焊缝的数量 适当选择板的厚度，可减少肋板的 数量，从而可以减少焊缝和焊后变形校正量。对自重要求不严格 的结构，这样做即使重量稍大，仍是比较经济的。 对于薄板结 构，则可以用压型结构来代替肋板结构，以减少焊缝数量，防止 焊接变形。 （3）合理安排焊缝位置 焊缝对称于构件截面的中心轴，或使焊缝 接近中心轴，可减少弯曲变形；焊缝不要密集，尽可能避免交叉 焊缝。如焊接钢制压力容器组装时，相邻筒节的纵焊缝距离或封 头焊缝的端点与相邻筒节纵焊缝距离应大于三倍的壁厚，且不得 小于100mm。
减少焊接接应力和焊接变形的措施
减少焊接接应力和焊接变形的措施1.选择适当的焊接参数：根据材料的种类和厚度选择合适的焊接电流、电压和焊接速度等参数，以降低焊接接应力和变形的风险。
同时，选择低温软化点的金属填充材料，如铜等，可以降低焊接接应力。
2.采用适当的焊接序列：通过改变焊接顺序，可以降低焊接过程中的接应力和变形。
在多次焊接时，从最中心的部位开始焊接，逐渐向两边延伸。
这样可以避免焊接热量集中在一个地方，减少局部热变形。
3.采用预热和后热处理：预热可以提高焊接材料的可塑性，改善焊接接头的焊接性能。
一般情况下，预热温度为焊接材料的临界温度的50%-70%。
预热后的焊接接头，在焊接完成后应进行后热处理，即将焊接接头加热至临界温度以下保温一段时间，然后缓慢冷却，以进一步消除焊接接头内应力。
4.使用焊接夹具：焊接夹具可以固定工件，减少焊接过程中的变形。
夹具应设计合理，以便保证焊接接头位置准确，但对于自由热变形而言，应当尽量减少夹具的使用。
5.控制焊接热输入量：合理控制焊接过程中的热输入量，以确保焊接接头不过热。
可以采用间歇焊接的方法，在焊接过程中适时停止加热，让工件冷却一段时间以减少热输入。
6.采用适当的接头形状：通过改变焊缝的形状，可以减少焊接过程中的接应力。
一般情况下，V型焊缝和锂阳角焊缝对于减少焊接变形效果较好。
7.选择适当的焊接方式：对于大型工件，可以采用多层焊接或间断焊接的方式进行，以减少焊接材料的热量。
对于特殊形状的工件，可以选择其他焊接方法，如电阻焊、激光焊等。
8.控制冷却速度：焊接完成后，要注意控制冷却速度，避免过快的冷却。
可以采用包裹式焊接，焊接完毕后用保温材料将焊接接头包裹起来，使其缓慢冷却，以减少残余应力。
焊接中防止变形和减少内应力的方法
焊接中防止变形和减少内应力的方法焊接在机械修理中焊接是非常重要的一种方法，但是如果焊接不好就会产生变形和内应力，甚至焊后的零件无法使用而报废。
一、减少内应力的方法1．锤打和锻冶——机械法当焊修较长的裂缝和堆焊层，需要以一端连续焊到另一端时，在焊修进行中，趁着焊缝和堆焊层在炽热的状态下，用手锤敲打，这样可以减少焊缝的收缩和减少内应力。
敲打时，焊修金属温度800℃时效果最好。
若温度下降，敲打力也随之减小。
温度过低，在300℃左右就不允许敲打了，以免发生裂纹。
锻冶方法的道理与上述基本一致，不同的是要把焊件全部加热后再敲打。
2．预热和缓冷——热力法此种方法就是焊修前将需焊的工件放在炉内，加热到一定的温度(100～600℃)，在焊接过程中要防止加热后的工件急剧冷却。
这样处理的目的是降低焊修部分温度和基体金属温度的差值，从而减少内应力。
缓冷的方法是将焊接后的工件加热到600℃，放到退火炉中慢慢地冷却。
3．“先破后立”法铸铁件用普通碳素钢焊条焊接时，很容易产生裂纹，用铸铁焊条又不经济。
现介绍一种“先破后立”用碳素钢焊条焊接的方法：先沿焊缝用小电流切割，注意只开槽而不切透，然后趁热焊接。
由于切割时消除了裂纹周围局部应力，不会产生新裂纹，焊接效果很好。
在焊接过程中减少内应力有以上三种方法，现举例如下：铸铁泵壳裂缝的焊接。
(1)在裂缝的两端点钻止裂孔(φ10mm)，以防焊接中裂缝进一步向外扩展。
(2)用手动磨光机在裂缝的位置开坡口，坡口顶宽8～9mm，略成V字形，深32mm(此泵泵壳壁厚为40mm)，使得能够焊入电焊液。
(3)焊接为手工焊，采用φ3.2mm专用铸铁电焊条，使用直流电焊机，反接，电流为150A，实施间断焊，即每焊长15～20mm电焊缝，停等片刻。
在停焊间隙，当焊接熔液凝固后，由白热状态到红热状态时，用小尖锤捶击电焊缝，捶击用力要轻，速度要快，次数要多，使焊缝金属减薄向四周伸长，抵消一些焊缝收缩并减少焊接应力，这样能有效地提高焊缝金属的抗裂性(注意使用小锤头必须是半径为10mm左右的圆弧形的)。
焊接变形和应力的分析
浅谈焊接变形和应力的分析与处理方法摘要：焊缝是由工件金属和焊芯金属构成的，在焊接过程中是一个局部加热的过程，总是要产生焊接变形和应力，焊接变形和应力直接影响结构的制造质量和使用性能，应力的存在有可能导致产生裂纹，而变形则影响结构的形状和尺寸误差，因此我研究理解焊接变形和应力产生的原因、种类、基本规律和影响因素，以便控制和防止一旦发生过大焊接变形和应力后，能设法减少或消除。
关键词：焊接变形；焊接应力；焊后热处理；接头组织；一、焊接变形和应力产生的原因焊缝是在自然状态下结晶的，属铸造类型组织，它与基本是扎制状态的工件是不相同的，进缝区的金属在焊接热的作用下也会发生组织变化，像经过了一次热处理一样。
在焊接过程中，焊件中产生的随时间而变化的变形和内应力分别称为瞬时变形和焊接瞬时应力，焊后焊件温度冷却至室温时留存于焊件中的变形和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。
而焊接接头局部区域的加热和冷却是很不均匀的，局部区域内的各部分金属又处于从液态到塑性状态在到弹性状态的不同状态，并随热源的变化而变化，这就是产生焊接应力和变形的根本原因。
下面我将分析一下焊缝的化学成分和组织。
二、焊缝的化学成分及焊接接头的金相组织焊缝的化学成分可以由焊缝中工件金属、焊芯金属所占的比例他们的成分来定，但是对于用药皮焊条的手工电弧焊，电弧气体和起保护作用的焊渣对焊缝成分有很大影响对焊接质量影响较大的气体有氧化性气体(氧气、二氧化碳)、氮和氢等，它们会烧损合金元素，阻碍焊接过程，产生气孔、夹杂，降低焊缝性能，所以我们要采取措施减少这些气体。
对于解决氧化问题的饿措施可以对于氧化问题突出的金属材料最好采用氩弧焊，焊接一般钢材时可以采用药皮手工电弧焊，此时除电弧气体和溶渣进行保护并注意操作因素外，还要进行脱氧或消除氧化物带来的危害；氮一旦侵入焊缝就很难消除，控制氮的措施主要是选用能严密隔绝空气的焊接方法，手工电弧焊还可以采取控制焊接标准、控制焊丝成分等方法；对于减少接头含氢量的措施是控制焊接区水分、冶金处理、控制焊接标准、焊后脱氢处理等。
焊接应力与变形
喷水冷却；紫铜散热板
如图示
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圆筒体对接焊缝焊接顺序 返 回
散热法示意图 返 回
不对称焊缝的焊接 先焊
后焊 返 回
长焊缝（1m以上）焊接 总体的焊接方向
２
分段退焊示意图
５
返 回
反变形法
焊接之前
焊接后 返 回
将焊件固定在刚性平台上。 薄板拼接时的刚性固定
将焊件组合成刚性更大或对称的结构 T形梁的刚性固定和反变形
工字梁的扭曲变形
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焊接残余应力基本知识
一、焊接残余应力的分类
1. 按产生应力的原因分 （1）热应力 （2）组织应力（相变应力） （3）凝缩应力应力 （4）拘束应力 （5）氢致应力
2. 按应力存在的时间分 （1）焊接瞬时应力 （2）焊接残余应力
二、焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力 x的分布
利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。 对接拼板时的刚性固定
利用临时支撑增加结构的拘束。
防护罩焊接时的临时支撑
返
回
控制残余应力的措施
1. 设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。 2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够 的 距离。
3）采用刚性较小的接头形式。 减小接头的刚性措施
2.工艺措施
交叉焊缝的焊接 返 回
受力最大的焊缝应先焊 返 回
加热“减应区”法
黄色的区域代表焊缝
返
红色的区域代表加热区域
回
焊接残余变形的矫正
1）机械矫正法：平板机、千斤顶（5-300吨手动液压千 斤顶顶起的最大高度是160-180mm）
卷板机（最多可4辊）
如图示
2）火焰矫正法：将伸长的部分加热 500℃-800℃（褐 红色）然后自然或强冷
焊接件消除内应力的方法
焊接件消除内应力的方法
焊接件消除内应力的方法可以分为以下几种:
1. 变形控制:焊接变形是焊接件内应力的主要原因之一,因此可
以通过控制焊接变形,减少内应力的产生。
控制焊接变形的方法包括
控制焊接速度、焊接位置、焊接角度、焊接应力等因素。
2. 冷却处理:在焊接过程中,可以通过给予适当的冷却处理,降
低焊接接头的热应力,从而减轻内应力。
冷却处理的方法包括冷焊、
暂停焊接等。
3. 应力消除技术:应力消除技术是指在焊接过程中,通过施加一
定的压力或通过其他手段将焊接件内部的应力消除,从而减轻内应力
的产生。
常见的应力消除技术包括水压试验、超声波焊接、激光焊接等。
4. 组织调整:在焊接接头的组织调整中,可以通过改变焊接接头
的熔池形态、晶体组织、裂纹倾向等方面,调整焊接接头的组织和性能,从而减轻内应力的产生。
5. 后处理方法:在焊接完成后,可以通过后处理方法,如后热、砂轮抛光、表面涂层等,改善焊接接头的外观和性能,减轻内应力的产生。
需要注意的是,不同的焊接件、不同的内应力状况和不同的应用
场景,可以采用不同的消除内应力方法。
因此,在实际应用中,需要根
据具体情况选择适当的方法。
焊工工艺学第五版教学课件第六章 焊接应力与变形
薄板焊接的波浪变形
§6-2 焊接残余变形
5．扭曲变形
扭曲变形是指构件焊后两端绕中 性轴相反方向扭转一定角度。它产生 的原因较复杂：装配质量不高，即在 装配之后焊接之前的焊件位置尺寸不 符合图样的要求；构件的零部件形状 不正确而强行装配；焊件在焊接时位 置搁置不当，焊接顺序及方向不当等。 如图所示为工字梁的扭曲变形。
§6-2 焊接残余变形
二、影响焊接残余变形的因素
1．焊缝在结构中的位置
焊缝在结构中布置不对称时，则焊 后会产生弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝 较多的一侧。焊缝偏离结构中性轴时， 则焊后会产生弯曲变形，弯曲方向朝向 焊缝一侧；焊缝偏离结构中性轴越远， 则越容易产生弯曲变形，如图所示。
18 第 六 章 焊 接 应 力 与 变 形
焊缝在结构上位置不对称造成的弯曲变形 a）单道焊缝的钢管焊接 b）T 形梁的焊接
§6-2 焊接残余变形
2．焊接结构的刚度 焊接结构的刚度是指焊接结构抵抗变形（拉伸、弯曲、扭曲）的能力。
结构的刚度高，变形就小；结构的刚度低，变形就大。金属结构的刚度主 要取决于结构的截面形状及其尺寸的大小。
（1）结构抵抗拉伸的刚度主要取决于结构截面积的大小。截面积越 大，结构抵抗拉伸的刚度越高，变形就越小。
如图所示为对称的双Y 形坡口对 接接头在不同焊接顺序下角变形的比 较。
23 第 六 章 焊 接 应 力 与 变 形
双Y 形坡口对接接头的角变形 a）合理的焊接顺序 b）不合理的焊接顺序
§6-2 焊接残余变形
4．其他因素
（1）结构材料的线膨胀系数 线膨胀系数大的金属，其焊后变形也大。常用材料中铝、不锈钢、 Q355钢、碳素钢的线膨胀系数依次减小，可见焊后铝的变形最大。 （2）焊接方法 一般气焊的焊后变形比电弧焊的焊后变形大。这是因为气焊时焊件受 热范围大，加上焊接速度慢，使金属受热体积增大，导致焊后变形大。 （3）焊接参数 焊接参数主要指焊接电流和焊接速度，两者直接影响热输入的大小。
焊接变形与应力产生的根本原因
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：
3-焊接应力与变形
• 金属棒膨胀受阻和自由收缩 室温 加热 冷却 最终 状态 原长 受阻 缩短 缩短， 中心变 厚 无应力 压应力 无应力 无应力
• 金属棒膨胀和收缩都受拘束 原长 受阻 受阻 原长， 中心变 厚 无应力 压应力 拉应力 拉应力
室温 加热 冷却 最终 状态
3、焊接应力的危害和防止方法
1） 焊接应力对使用性能的影响
影响使用性能 降低承载能力 增加生产成本 发生安全事故
课后习题
1）变形是一个物体在外力或 发生的变化。 2）焊接应力一般分为焊接瞬时应力、 3）变形的分类包括纵向和横向收缩、 。 、弯曲变形、 的作用下，物体的形状
扭曲变形和波浪变形。
4）为了减小焊接应力，需选择合理的焊接顺序和方法，如： 预热、 能、 、捶击法和减少氢的措施和消氢处理等。 、 、发生安全事故。 5）焊接变形及应力的危害有：影响使用性
对结构使用性能起不利影响的应力，主要为拉伸残余应
力，其有如下危害： 降低焊接接头区的实际承载能力； 如残余应力水平超过材料屈服强度时，接头区产生塑性 变形，易造成脆断；
如厚壁结构，交叉焊缝或存在焊接缺陷区域，一般存在
多项应力，当材料塑性能力下降时，易造成脆断；
在疲劳载荷下，长期使用会产生变形； 低温工作结构，由于应力作用材料塑性变形变差，将降 低结构静载强度，缩短使用寿命，甚至导致低应力破坏；
力，由压缩引起的叫压应力。
引起应力的 原因不仅有外力作用，物体在加热膨胀和冷 却收缩时，受到阻碍也会在物体内部出现应力，这种没有外 力影响，而物体存在的应力，叫内应力。
变形
物体受到外力（或内力）作用下，出现形状、尺寸的变 化，叫做变形。 • • 弹性变形：可恢复 塑性变形：不可恢复，也就是永久变形 在自由状态下，不同截面上施加同样大小外力时，截面 越小，应力越大，变形越大。
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。
焊接变形和焊接应力
焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊接是一种局部加热的加工方法，热源集中在焊缝处加热，因而造成焊件上温分布不均匀，最终导致在焊接结构内部产生了焊接变形与焊接应力。
一、焊接变形1. 焊接变形的概念由焊接而引起的焊件尺寸和形状的改变称为焊接变形。
焊接过程结束后，残国在焊接结构中的变形，称为焊接残余变形。
本书中提到的焊接变形指的是焊接残余变形。
2. 焊接变形的类型及产生原因焊接变形可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等几种形式焊件局部（焊缝和焊缝附近的金属）不均匀加热和冷却是产生焊接变形的根本用因。
焊接时，加热是通过移动的高温电弧热源进行的，焊缝和焊缝附近的金属温度很高，受热金属要膨胀，其余大部分金属不受热，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，生了压缩塑性变形。
焊完冷却后，焊缝和附近的金属因收缩而变短，却又受到周围受热金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形。
各类焊接变形的具体原因各不相同，与焊缝在焊件中的位置、加热方法、焊接序等因素密切相关。
焊接变形的类型及产生原因见表2-3-7。
3. 预防和矫正焊接变形的方法及措施（1）预防焊接变形的方法及措施预防焊接变形可以从焊接结构设计和焊接工艺两方面进行。
在焊接结构设计时要在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸;对称布置焊缝;必要时预先留出收缩余量;采用冲压结构代替焊接结构;将焊缝布置在最大工作应力之外等。
预防焊接残余变形的工艺措施主要有∶1）选择合理的装配焊接顺序。
装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。
对称焊接、不对称焊缝先焊焊缝少的一侧和减少长道直焊缝等都可以很大程度上减少焊接变形量。
如图2-3-13所示的工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然结构的焊缝对称，焊后仍将产生较大的上拱弯曲变形，但如果改为将工字梁1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的60%～70%，然后将工字果翻转180°焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完。
焊接应力与变形
第二章焊接应力与变形本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接应力的分布规律；焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力；焊接变形的种类，焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。
第一节焊接应力与变形的产生一、应力与变形的基本知识1．应力物体在单位截面上表现的内力称为应力。
根据引起内力的原因不同，应力可分为：工作应力：物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。
内应力：物体在无外力作用下而存在于内部的应力。
内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。
2．变形物体在外力或温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。
按变形性质可分为：弹性变形和塑性变形；按变形的拘束条件可分为：自由变形和非自由变形。
二、研究焊接应力与变形的基本假定（1）平截面假定（2）金属性能不变的假定（3）金属屈服点的假定三、焊接应力与变形的产生原因影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其最根本的原因是焊件受热不均匀。
为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。
1．均匀加热时引起应力与变形的原因（1）不受约束的杆件，均匀加热属于自由变形，无残余应力，无残余变形。
（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力与残余变形。
如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。
当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。
①若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。
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。
焊接应力与焊接变形PPT课件
23..1焊加接强应师力资和队变伍形建产设生，的保原障因本科教学质量
2.1 焊接瞬时应力的产生 焊接瞬时应力来源于焊接热源对工件的局部加
热而引起的不均匀温度场，从焊接开始到工件温度 恢复到初始温度以前，焊件中的内应力始终随温度 场的变化而变化。温度场的变化分为两种情况。 2.1.1 加热温度较低不产生塑性变形。 (低碳钢不超过500℃，一般结构钢不超过600℃)
1.3.3 按内应力随时间变化的关系分 类瞬时内应力 应力值的大小和分布随时间而变化
的内应力 残余内应力 应力值和分布不随时间变化，是去除 外力或（和）温差后仍留存在物体内部的应力。
焊接过程产生的内应力属瞬时内应力，焊接结 束后产生的内应力属残余内应力。
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23..1焊加接强应师力资和队变伍形建产设生，的保原障因本科教学质量
第二类内应力 在金属晶粒尺寸范围内平衡和存 在的内应力，故又称为微观内应力，这是由于相 邻晶粒（或晶块）之间的位相差或各向异向引起 的不均匀塑性变形，在几个晶粒（或晶块）之间 平衡形成的内应力。如图2-2
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匀
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13..1内加应强力师及资其队分伍类建设，保障本科教学质量
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23..1焊加接强应师力资和队变伍形建产设生，保原障因本科教学质量
2.2.焊接残余应力和变形的产生
假如构件是均匀加热并能自由收缩，则不产生 残余应力和变形；若均匀加热，由于约束作用，而 产生压缩变形，但能自由收缩，则产生残余变形而 无残余应力；若不均匀加热，同时，不能自由收缩， 则产生残余应力，又产生残余变形，焊接属于最后 一种。
因此，焊接质量在一定程度上决定了工程 质量。
4
概3.述1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量
焊接应力与变形
焊接应力与变形一、什么叫应力：物体在受到外力作用发生变形的同时，其内部会出现抵抗变形的力，这个力叫内力，而这个物体单位截面所受的内力叫应力。
在焊接时，当没有外力的存在，由构件不均匀受热或不均匀冷却产生的内应力叫焊接应力。
焊后残余在焊缝内部的应力叫焊接残余应力。
当焊件的内应力突破其屈服点就会产生的变形叫焊接变形。
二、焊接应力和变形产生的原因：假设一根钢筋，在无拘束的情下均匀加热，因受热膨胀它会变长、变粗，然后让其自然冷却，它会变回原来的尺寸和大小，这时它不会产生应力与变形。
如果把它二头进行钢性拘束固定，然后对其进行均匀加热，这时它因为热膨胀会要变长，但由于二头钢性固定阻挡而不能伸长，这时它可能会变弯，由于二头被刚性拘束固定，被自己的内应力压短或弯了，这时让它自然冷却，它会变短、变弯。
在焊接过程中，由于焊件是不均匀加热，我们可以把焊件的加热分为二部份，一部份是焊缝和离焊缝很近的高温区，还有一部份是离焊缝较远的低温区，而高温区就是上面所说的钢筋，而低温区就是刚性拘束固定的点，当高温区受热时要膨胀、伸长，而低温区会阻碍其自由膨胀、伸长，这时就会产生一个内应力，这个力就是焊接内应力，当焊接内应力突破其屈服点就会产生焊接变形。
三、影响焊接应力与变形的因素：1、焊接工艺，采用不同的焊接工艺，它产生的应力与变形的情况也不同。
2、焊缝的位置，3、装配和焊接的顺序4、焊缝尺寸和坡口的形式5、焊件的形状与尺寸6、焊接参数和施焊的方法四、控制焊接应力与变形的措施：1、设计阶段：①、焊缝尽量不要集中，焊缝间保持足够的距离。
②、尽可能减少焊缝的数量和尺寸。
③、选用填充金属少的坡口形式。
④、尽量不把焊缝布置在工作应力最大的区域。
⑤、在残余应力集中在拉应力区域时，应避免几何不连续性，以免内应力进一步增大。
2、焊接阶段：①采用合理的装配和焊接顺序。
②焊前预热，焊后缓冷。
③焊接时采用小线能量，多层多道焊，焊件刚性大时采用冷焊法。
五、消除应力与变形的方法：①整体或局部高温回火。
焊接前后工件变形分析及解决方法
焊接件后工件变形分析焊接变形影响因素焊接变形的原因；由于焊接时局部加热膨胀作用和局部冷却时收缩作用造成的，即当局部加热膨胀时受到了未加热部分的压缩作用、和局部冷却收缩时受到了未加热部分牵拉作用。
所以经过焊接后的工件和材料本身就发生了尺寸的改变、形状的改变、和位置的改变。
焊接变形的方式：1、纵向应力变形：是指顺着焊缝方向发生的变形。
2、横向应力变形：是指在焊缝左右横向方面发生的变形。
3、弯曲变形：是指在焊缝垂直上下方向发生的变形。
焊接变形与内应力的关系:在钢板焊接时，当有较大热量输入量的情况下，1.板材越薄越容易产生较大变形，但板材内部的应力较小；2.板材越厚越不易产生变形，但板材内部可能存在较大应力；3.在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大，应力越多，越容易变形；4.焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形影响趋势是一致，且是主要的影响因素；减少或消除焊接内应力的主要措施从消除内应力原理上看：1.焊接时尽量减少热输入量和尽量减少填充金属。
2.阻焊结构应合理分配各个组单元，并进行合理的组队焊接。
3.位于构件刚性最大的部位最后焊接。
4.由中间向两侧对称进行焊接从设计角度看，防止措施：1.结构设计中尽可能减少不必要的焊缝2.结构设计中在保证结构承载能力条件下，尽量采用较小焊缝尺寸3.安排焊缝尽量对称于结构件截面中性轴从工艺角度看，焊接顺序的基本规则先焊对接焊缝，然后焊角焊缝或环焊缝；先焊短焊缝，后焊长焊缝；先焊对接焊缝，后焊环焊缝；当存在焊接应力时，先焊拉应力区，后焊剪应力和压应力区；操作者焊接前后减少或消除焊接内应力的主要措施1.预热法：构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。
焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减少焊接残余应力。
2.锤击：焊后用小锤轻敲焊缝及向邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。
3.振动法：构件承受载荷应力达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振动的方法可以消除部分焊接残余应力。
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时较而冷，高状继粗却尽，在态续到管还杆高，更两会冷仍于两低杆进却处弹杆温长行，于性冷度度较冷塑转却，相大却性已同的变速较状被，收温度快态压但缩度虽的。短所；的然细的处细由阶不粗的杆杆于段同杆温的杆细，，也度温已杆两收处不度进受杆缩于同较入拉弹。低均也弹伸性粗，处不性，状杆收于一状粗态的缩塑致态，温较杆性，此度小，受， 粗压杆但缩的该收，过缩形程受成中到临的细时应杆内的力应阻均力碍可，，通故该过细应塑杆力性受随变压之形缩会，释由粗放于杆。粗受拉杆伸的， 至微室量温塑形性成残变余形应而力消。失。
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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2．合理选择工艺
在浇焊注接铸中件，时尽，量应采选用择较弹小性的模线量能和量收（缩如系采数用小小的直材 料径；焊提条高和铸较型低的的预焊热接温电度流可）减，小以铸减件小各焊部件分的的受温热差； 采范用围较。细采的用面合砂理和的涂装料焊，顺减序小，铸尽件可表能面使的焊摩缝擦能力自； 控由制收铸缩型，和收型缩芯量的大紧的实焊度缝，应加先木焊屑。、此焦外炭，等采提取高预铸 型热和措型施芯可的降退低让工性件；中控的制温铸度件梯在度型，内从的而冷减却小时焊间接， 避应免力过。早或过迟打箱。
温度 变化
热膨胀 受阻 热应力（自身拘束）
或收缩
机碍械应阻力（外部拘束）
受阻
固态相变
相变应力
（伴随比容变化）
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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（二）热应力的产生与分布
例1、铸件内的应力 例2、金属框架的局部加热与冷却 例3、平板中心堆焊接头的应力 例4、异种钢管对接
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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3．消应力处理
（（13））热振处动理法法 以整振体动或的局形部式加给热工（件施Ac加1温附度加以应下力）,并当 附保加温应一力段与时残间余，应利力用叠蠕加变后产, 生达的到塑或性超变过形材使料应的力屈消服 极除限，时再, 缓工慢件冷发却生。微观塑性变形 , 从而降低和均化工件 （内2的）残加余载应法力。对于压力容器、船体结构，利用加载所 （产4）生局的部拉加伸压应法力与焊焊接后应利力用叠外加力，（使锤拉击应、力碾区压（或焊爆 炸缝力及）近对缝焊区缝）及的邻应近力部值位达施到加屈压服力强，度使，之迫得使到材延料展发， 以生补塑偿性或变抵形消，焊卸接载时后所构产件生内的的压应缩力塑得性以变完形全，或降部低分焊 接消残除余。应力。
第一节 内应力与焊接变形
受拘束
完全冷却后
加热
瞬时应力
残余应力
与冷却
与应变
与变形
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
1
一、应力 二、变形
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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一、 应 力
（一）应力的形成 （二）热应力的产生与分布 （三）控制应力的措施
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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（一）应力的形成
珠光体耐热钢与奥 氏体不锈钢钢管的对 接焊，采用镍基焊丝 钨极氩弧焊。用 Ansys 有限元计算软件，模 拟出焊接温度场、应 力场的动态变化：
动态焊接温度场
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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（三）控制应力的措施
1．合理设计结构 2．合理选择工艺 3．消应力处理
框应框用架比架，中原的产就来温生形短度拉成，应均了力其匀与。缩化加短后热量，过就热程是 相压应拉平反缩力应衡的塑随力。残性之与余变消压应形应失力力量。场在。框。架中互相
一一⊕
⊕⊕?
⊕⊕?
金金属属框框架架冷加却热后过的程残中余的应应力力
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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焊缝纵向 焊缝横向
加热过程中的焊接纵向应力
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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二、变形
（一）焊接变形的种类 （二）控制变形的措施
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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（一）焊接变形的种类
板材对接焊件的变形 （1）中、厚板的 纵向与横向 收缩变形 （2）薄板的 波浪失稳变形 焊接 工 字梁的扭曲变形 焊接梁的弯曲变形、 T型梁的角变形
以低碳钢板条中心 堆焊为例，讨论焊接 加热与冷却 过程中沿 焊缝纵向的焊接瞬时 热应力与焊接残余应 力分布情况。
焊缝焊后及残H余A应Z力受拉
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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加热 过程
冷却 过程
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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例4、异种钢管对接焊
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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焊接梁的弯曲变形 T型梁的角变形
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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第九章 成形缺陷的产生机理与防止结构设计方面 合理地选择焊缝的尺寸和形式
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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1．合理设计结构
在焊接结构中，应避免焊缝交叉和密集，尽 量采用对接而避免搭接；在保证结构强度的前 提下，尽量减少不必要的焊缝；采用刚度小的 结构代替刚度大的结构等 （示例） 。
在铸造结构中，铸件的壁厚差要尽量小；厚 薄壁连接处要圆滑过渡；铸件厚壁部分的砂层 要减薄，或放置冷铁；合理设置浇冒口，尽量 使铸件各部分温度均匀。
2．工艺方面
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
阻材过于受碍料程温到着的中度两中屈的上侧心服应升杆杆极而件力件伸的限值的长阻，始，碍收则终但而缩中低其不，心于伸能从杆长自 而件材由使将料进中产的行心生屈，杆压服故件缩中极受心塑限到杆性，件拉变则受应形框压力；架缩的当作 作框用用架，，温产而度生两下压侧降应杆力时件；，受若到中压心应杆 力件内的的能不两同作自会侧时用由产杆，。收生件受这缩在到塑样阻了，性在碍中则变中心冷其形心杆却长，杆的后度当伸反的理长作
框形铸件中的动态应力分析
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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2、分析下列铸件内的纵向残余应力：
厚壁筋板内拉伸应力 薄壁筋板内压缩应力
中心近轴线部位受拉 外部近圆周部位受压
第九章 成形缺陷的产生机理与防止措施
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例2、金属框架的局部加热与冷却
但如两实如果只侧际果加对的上加框杆热，热架件温框产的不度架中生加不两心热的高杆，侧应，件中的力加加心杆超热杆热件过，由