焊接残余应力
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＋
280MPa
Z
X
Y
横向应力 σy
125MPa
85MPa
＋
420MPa
厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布
4. 拘束状态下焊接的内应力
σ=σy+σf
结论：σ由拘束产生的反作用力σf与自由状态下焊接产生的横 向残余应力σy之和。
σ=σx+σf
结论： 焊缝引起的纵向收缩
受到限制，将产生纵向反 作用内应力σf。焊缝还将 引起纵向应力σx， 最终 的内应力是二者的综合。
注意
反作用应力是拉应力，且分布范围大， 对结构的影响较大，在设计和施工时应注意 采取措施消除或减少。
5.封闭焊缝引起的内应力
容器接管焊缝
封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。
σr(σy)
σθ(σx)
σr(σy)
σθ(σx)
a-封闭环焊缝
b-纵横应力分布
封闭环焊缝残余应力分布
1）中部存在均匀的双轴应 力场。
环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊 接塑性变形区宽度的关系
◇取决于圆筒的半径R、壁 厚δ、塑变区的宽度bp
2. 横向残余应力的分布σy
σ’y 由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的 σy= +(叠加)
σ’’y由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不 同时性所引起的
1)σ’y分析：
➢两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近 的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。
恢复弹性阶段 全塑性阶段 熔化态阶段
对接过程中，设将焊缝分为三个 区域，电弧位于某点时，区段I的焊缝 金属恢复弹性，区段II的焊缝金属处 于完全塑性状态，区段III的焊缝金属 处于熔化状态。
中间过程，区段II的焊缝金属恢 复到弹性状态并开始横向收缩， 将受到区段I的拘束，在II段的上 端和区段I的下端产生横向拉伸 应力，在区段I和II的结合处产生 横向压应力，此时区段III的焊缝 金属处于完全塑性状态，对区段 II的横向收缩不起约束作用。
一.焊接残余应力的分布
纵向应力σx：沿焊缝方向上的应力
横向应力σy：垂直于焊缝方向上的应力
σz： 厚度方向上的应力
1.纵向残余应力的分布
1) 纵向残余应力在纵向上的分布
总结： 板条中部区， 焊缝纵向残余应力 基本保持不变。在 板条的端部存在一 个内应力的过渡区， 纵向残余应力逐渐 降至零。
原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循 环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。
➢若沿焊缝中心将构件一分为二，相当于板边堆焊变形、
向外侧弯曲
必须在
两端加压力 中心加拉力
复原
两端为压应力 中心为拉应力
σ’y
x
y
-
+
-
纵向应力σx引起的横向应力σ’y
不同长度焊缝中的横向残余应力（σ’ y）的分布
不同材料、工艺会形成不同的应力分布
不同长度焊缝中的横向残余应力（σ’y）的分布
当区段III恢复弹性时，其收缩受 到区段I和II的拘，使σ’’y扩展。
不同焊接顺序对横向应力σ’’y的影响
\\ y
\\ y
σs
从中间向两端焊
从两端向中间焊
不同焊接顺序对横向应力的影响
3) 总的σy
y
' y
'' y
大小受σs的限制
4)横向应力在板宽方向上的分布
横向应力沿板宽上的分布
1. 焊接残余应力对静载强度的影响
内应力：焊缝及近缝区，拉应力；远离焊缝，压应力
外应力： F A F (B )
总应力：内应力+外应力
塑性材料
1）外应力与内应力叠加，当拉应力 峰值达到材料的屈服极限σs后，该 区域的应力不再增加，而产生塑性 变形。
2）继续增加外力，构件中尚未屈服 的区域的应力值继续增加并逐渐屈 是平衡的，即拉 应力和压应力的面积相等。所以使 构件截面完全屈服所需要施加的外 力与无内应力而使构件完全屈服所 需要施加的外力是相等的。
2）中心的应力的大小与镶 块直径d和圆盘直径D的比 值有关，d/D越小，拘束度 越大，镶块中的内应力越 大。
6.相变应力
（a）相变温度高于塑性温度 （b）相变温度低于塑性温度 钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线
焊缝金属为奥氏体钢
焊缝成分与母材相近
高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响
二.焊接残余应力对焊接结构性能的影响
焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。
3. 厚板中的残余应力
厚板中的残余应力：σx σy σz 三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接 工艺差别很大。
厚板对接焊多层多道焊的三向残余应力(10Cr2Mo)
- － 厚度方向应 125MPa 力σz
纵向应力 σx
240MPa 230MPa
2)σ’’y分析：
焊缝焊接有先后之分，不同时完成。先焊先冷(受压 应力)，后焊后冷(受拉应力)。同时，先冷却的部分有 限制后冷却部分的横向收缩 。
σ’’y 的分布与焊接方向、分段方法、焊接顺序有关 。
T1
123
T2
1234
开始，区段I的焊缝金属横向收 缩不会受到区段II和区段III的拘 束，此时属于自由变形，不会产 生横向残余应力，只是接头宽度 有微量缩小。
不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布
不同焊缝长度σx值的变化
2) 纵向残余应力在纵向上的分布 中间拉应力，两侧压应力
低碳钢
铝合金
焊缝纵向应力沿板材横向上的分布
σx=σs
σx<σs
与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关
3)圆筒环形焊
圆筒环焊缝纵向残余应力的分布
◇低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较 大时，分布与平板相似，σx=σs ◇圆筒直径与壁厚之比较小时， σx<σs
焊接残余应力
焊接培训教材
张明录
目录
一 焊接残余应力的分布 二 残余应力对结构性能的影响 三 消除残余应力对结构性能的影响
知识要点
掌握程度
掌握焊接残余应力的
焊接 类型及其在各种截面上 残余应力 的应力分布状态。掌握
焊接残余应力对焊接结
构力学行为的影响规律
相关内容 纵向残余应力、横 向残余应力以及厚度方 向残余应力沿焊缝长度 、宽度和厚度方向上的 基本分布规律
塑性材料：有足够的塑性变形能力，无影响
脆性材料
当外载荷增加时，由于材料 不能发生塑性变形而使构件上 的应力均匀化，因而应力峰值 不断增加，一直达到材料的断
裂极限 b 。这将造成局部破
280MPa
Z
X
Y
横向应力 σy
125MPa
85MPa
＋
420MPa
厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布
4. 拘束状态下焊接的内应力
σ=σy+σf
结论：σ由拘束产生的反作用力σf与自由状态下焊接产生的横 向残余应力σy之和。
σ=σx+σf
结论： 焊缝引起的纵向收缩
受到限制，将产生纵向反 作用内应力σf。焊缝还将 引起纵向应力σx， 最终 的内应力是二者的综合。
注意
反作用应力是拉应力，且分布范围大， 对结构的影响较大，在设计和施工时应注意 采取措施消除或减少。
5.封闭焊缝引起的内应力
容器接管焊缝
封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。
σr(σy)
σθ(σx)
σr(σy)
σθ(σx)
a-封闭环焊缝
b-纵横应力分布
封闭环焊缝残余应力分布
1）中部存在均匀的双轴应 力场。
环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊 接塑性变形区宽度的关系
◇取决于圆筒的半径R、壁 厚δ、塑变区的宽度bp
2. 横向残余应力的分布σy
σ’y 由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的 σy= +(叠加)
σ’’y由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不 同时性所引起的
1)σ’y分析：
➢两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近 的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。
恢复弹性阶段 全塑性阶段 熔化态阶段
对接过程中，设将焊缝分为三个 区域，电弧位于某点时，区段I的焊缝 金属恢复弹性，区段II的焊缝金属处 于完全塑性状态，区段III的焊缝金属 处于熔化状态。
中间过程，区段II的焊缝金属恢 复到弹性状态并开始横向收缩， 将受到区段I的拘束，在II段的上 端和区段I的下端产生横向拉伸 应力，在区段I和II的结合处产生 横向压应力，此时区段III的焊缝 金属处于完全塑性状态，对区段 II的横向收缩不起约束作用。
一.焊接残余应力的分布
纵向应力σx：沿焊缝方向上的应力
横向应力σy：垂直于焊缝方向上的应力
σz： 厚度方向上的应力
1.纵向残余应力的分布
1) 纵向残余应力在纵向上的分布
总结： 板条中部区， 焊缝纵向残余应力 基本保持不变。在 板条的端部存在一 个内应力的过渡区， 纵向残余应力逐渐 降至零。
原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循 环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。
➢若沿焊缝中心将构件一分为二，相当于板边堆焊变形、
向外侧弯曲
必须在
两端加压力 中心加拉力
复原
两端为压应力 中心为拉应力
σ’y
x
y
-
+
-
纵向应力σx引起的横向应力σ’y
不同长度焊缝中的横向残余应力（σ’ y）的分布
不同材料、工艺会形成不同的应力分布
不同长度焊缝中的横向残余应力（σ’y）的分布
当区段III恢复弹性时，其收缩受 到区段I和II的拘，使σ’’y扩展。
不同焊接顺序对横向应力σ’’y的影响
\\ y
\\ y
σs
从中间向两端焊
从两端向中间焊
不同焊接顺序对横向应力的影响
3) 总的σy
y
' y
'' y
大小受σs的限制
4)横向应力在板宽方向上的分布
横向应力沿板宽上的分布
1. 焊接残余应力对静载强度的影响
内应力：焊缝及近缝区，拉应力；远离焊缝，压应力
外应力： F A F (B )
总应力：内应力+外应力
塑性材料
1）外应力与内应力叠加，当拉应力 峰值达到材料的屈服极限σs后，该 区域的应力不再增加，而产生塑性 变形。
2）继续增加外力，构件中尚未屈服 的区域的应力值继续增加并逐渐屈 是平衡的，即拉 应力和压应力的面积相等。所以使 构件截面完全屈服所需要施加的外 力与无内应力而使构件完全屈服所 需要施加的外力是相等的。
2）中心的应力的大小与镶 块直径d和圆盘直径D的比 值有关，d/D越小，拘束度 越大，镶块中的内应力越 大。
6.相变应力
（a）相变温度高于塑性温度 （b）相变温度低于塑性温度 钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线
焊缝金属为奥氏体钢
焊缝成分与母材相近
高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响
二.焊接残余应力对焊接结构性能的影响
焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。
3. 厚板中的残余应力
厚板中的残余应力：σx σy σz 三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接 工艺差别很大。
厚板对接焊多层多道焊的三向残余应力(10Cr2Mo)
- － 厚度方向应 125MPa 力σz
纵向应力 σx
240MPa 230MPa
2)σ’’y分析：
焊缝焊接有先后之分，不同时完成。先焊先冷(受压 应力)，后焊后冷(受拉应力)。同时，先冷却的部分有 限制后冷却部分的横向收缩 。
σ’’y 的分布与焊接方向、分段方法、焊接顺序有关 。
T1
123
T2
1234
开始，区段I的焊缝金属横向收 缩不会受到区段II和区段III的拘 束，此时属于自由变形，不会产 生横向残余应力，只是接头宽度 有微量缩小。
不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布
不同焊缝长度σx值的变化
2) 纵向残余应力在纵向上的分布 中间拉应力，两侧压应力
低碳钢
铝合金
焊缝纵向应力沿板材横向上的分布
σx=σs
σx<σs
与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关
3)圆筒环形焊
圆筒环焊缝纵向残余应力的分布
◇低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较 大时，分布与平板相似，σx=σs ◇圆筒直径与壁厚之比较小时， σx<σs
焊接残余应力
焊接培训教材
张明录
目录
一 焊接残余应力的分布 二 残余应力对结构性能的影响 三 消除残余应力对结构性能的影响
知识要点
掌握程度
掌握焊接残余应力的
焊接 类型及其在各种截面上 残余应力 的应力分布状态。掌握
焊接残余应力对焊接结
构力学行为的影响规律
相关内容 纵向残余应力、横 向残余应力以及厚度方 向残余应力沿焊缝长度 、宽度和厚度方向上的 基本分布规律
塑性材料：有足够的塑性变形能力，无影响
脆性材料
当外载荷增加时，由于材料 不能发生塑性变形而使构件上 的应力均匀化，因而应力峰值 不断增加，一直达到材料的断
裂极限 b 。这将造成局部破