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1、6 焊接应力与变形,6 焊接应力与变形,一. 焊接应力与变形的概念,焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力。 按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。 物体在受到外力的作用时，会出现形状、尺寸的变化，这就称为物体的变形。 焊接变形是焊件由焊接而产生的变形（尺寸和形状的改变）。 焊后焊件残留的变形称为焊接残余变形。,在物体受到外力作用发生变形的同时，在内部会出现一种抵抗变形的力，这种力叫内力。 在单位截面积上的内力叫应力。,内应力按产生原因分类： 温度应力及残余应力,温度应力（热应力）产生条件：受热不均匀 温度均匀结果：应力残留或消失,举例 过程：加热-承受压应力-屈服（250）-应力降低
2、、压应变继续增加；750 开始冷却拉应力应变上升-室温-残余应力和相变应力。,图3-1 加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线,（二）残余应力,产生原因：不均匀加热 产生条件：局部区域产生塑性变形或相变,加热中心杆，温度均匀化后，热应力消失。,6.2 焊接应力与变形的形成过程,自由变形、外观变形和内部变形 自由变形： LT=L0(T1-T0) T=LT /L0 = (T1-T0) 外观变形： Le e =Le /L0 内部变形： L =(LT Le) =L /L0 内应力 = E =E (e T),3.2.1简单杆件的应力与变形,图3-4 金属杆件的受热变形 a）自由变形量b）外观变形量,杆件的
3、温度、变形与内应力演变规律,T1温度下1s，则只存在弹性变形； T2温度下2s，则只存在塑性变形， p= e -T - s；,图3-5 低碳钢的应力-应变曲线,对于低碳钢，假定杆件中的 应力达到s后就不再升高 即将低碳钢视为理想弹塑性体,3.2.2不均匀温度场作用下的应力与变形,研究的前提条件：平面假设原理 长板条中心加热（对称加热）,图3-6 长板条中心加热示意图,截取板条的单位长度研究,温度低，无塑性变形,应力平衡：,图3-7 长板条中心 加热时的变形,温度高，产生塑性变形，残余应力：,当加热温度高，板中心将发生塑性变形，如果已知塑性区压缩变形的分布规律为:,则残余应力为：,残余应力和变形
4、的平衡条件可表达为：,长板条单侧加热（非对称加热）,b)和c)两种情况为不平衡力矩，不能发生,图3-8 板条一侧不对称受热时的应力和变形,板条截面上应力及力矩平衡方程,内应力 = E =E (e T),图3-9板条单边加热到不同温度时的应力与变形,6.2.3焊接引起的应力与变形,焊接时发生焊接应力和变形的原因是焊件受到不均匀加热，同时因加热引起的热变形和组织变形（相变）受到焊件本身刚度的约束。 焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和试件完全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或剩余的应力变形。 焊接残余应力和残余变形会在某种程度上影响焊接结构的承载能力和服役寿命。
5、,1.引起焊接应力与变形的机理及影响因素,图3-10 引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系,6.3焊接残余应力 这一节讨论焊接残余应力的分布、影响。 6.3.1 焊接残余应力的分布,一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，厚度方向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴的，即为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向上才有较大的残余应力。 应力通常表示方法： 将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以x表示； 将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以y表示； 对厚度方向上的残余应力以z表示。,1、纵向残余应力的分布x,
6、图3-17 平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布 （*此图对于低碳钢适用，焊缝足够长）,*焊缝长度较短时， xs焊缝越短纵向应力x的数值就越小。（对于低碳钢适用）,图3-18不同焊缝长度x值的变化,不同尺寸、不同截面上纵向残余应力x的分布（对于低碳钢适用）,不同材料上纵向残余应力在横截面上的分布,图3-19 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布 a)低碳钢 b)铝合金,2横向残余应力的分布,图3-22 由纵向收缩所引起的横向应力的分布,（1）纵向收缩的影响-y,焊缝较长时，中心部分拉应力y有所下降,图3-23 不同长度焊缝上的横向应力的比较,（2）横向收缩的影响-y,图3-24 不同焊接方
7、向对横向应力分布的影响,图3-25 横向应力沿板宽方向的分布,3.4 焊接残余变形 3.4.1 焊接残余变形的分类,（1）纵向收缩变形 （2）横向收缩变形,图3-48 纵向和横向收缩变形,（3）挠曲变形 : 挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起,图3-49 挠曲变形 a）由纵向收缩引起的挠曲变形 b）由横向收缩引起的挠曲变形,（4）角变形 表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移,图3-50 角变形,（5）波浪变形 （6）错边变形,图3-51 波浪变形,图3-52 错边变形 a）长度方向的错边 b）厚度方向的错边,（7）螺旋形变形,图3-53 螺旋形变形,焊接变形带来的影响：影响外形和承载能
8、力,图3-54 角变形引起的不圆度,图3-55 不等厚板搭接接头的角变形,3. 纵向收缩引起的挠曲变形,图3-60焊缝在结构中的位置不对称所引起的焊接变形,弯矩M的作用使构件终端的横截面发生转角和挠度f。转角可如下计算：,构件的挠度f可由下式获得：,平面上的封闭环焊缝导致失稳变形,图3-86 平面封闭环焊缝引起的马鞍形变形（计算结果）,角变形产生的波浪变形,图3-87 角变形引起的波浪变形,扭曲变形(螺旋形变形)举例,图3-91 工字形梁的扭曲变形 a）焊前 b）焊后,图3-92 由纵向焊接错边引起的 箱形构件的扭曲变形,6.4.2 影响焊接残余变形的因素,1. 焊缝在结构中的位置,a.产生纵
9、向缩短和横向缩短 b.产生弯曲变形,2. 焊接结构的刚性,拘束度大，刚性大，越不容易变形,3. 焊缝的长度和坡口形式,4. 焊接结构的装配及焊接顺序,5. 焊接线能量,3.5.3 焊接残余应力与变形的调整与控制,1. 调控焊接应力与变形的焊前措施,（1）合理地选择焊缝的形状和尺寸,图3-106 焊接箱形梁的不同形式,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，优先采用角焊缝以及复杂结构最好采用分部组合焊接。,(2)尽量避免焊缝的密集与交叉非常重要,图3-107 避免焊缝交叉的措施与最优焊接顺序,图3-
10、108 轴承的加固形式,(3)采用压形板来提高平板的刚性和稳定性，也可以减小焊接量和减小变形,图3-109 两种隔舱板的形式 a）压形板 b）拼焊板,(4)改变接头设计,图3-110 减小联系焊缝的变形,a）用断续角焊缝焊接面板与槽钢顶面时变形相对严重 b）用塞焊连接则变形较小,（5）预变形法（反变形法）,图3-111 几种反变形的措施,预变形法举例二,图3-112 薄壳结构支座焊接的反变形,图3-113 减小T型接头的角变形,2. 焊后调控焊接残余应力与变形的措施,（1）机械方法,图3-114 用压力机校正工字梁的挠曲变形,图3-115 锤击法调节中厚板多层焊时的残余应力在厚度（z向）上的分
11、布,锤击法的优点是节省能源、降低成本、提高效率，缺点是劳动强度大，并且工件表面质量差。,a)焊后状态 b）只锤击最后一道焊缝 c）逐层锤击,3-116 碾压矫形,对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压的方法,过载拉伸法,图3-119 机械加载降低内应力,机械振动法,图3-120 振动循环次数与消除应力的效果 初始应力分布b)试件截面 c)经过6.2106次循环后的内应力分布 d)经不同循环次数作用后内应力峰值的变化,（2）加热方法,一方面材料的屈服极限会因温度的升高而降低,另一方面，高温时材料的蠕变速度加快，蠕变引起应力松弛。,图3-121 钢的弹性模量和屈服极限与温度的关系,表3-2 不同材
12、料消除焊接残余应力的回火温度,局部加热消除应力,图3-123 局部热处理的加热区宽度 a)环焊缝 b)长构件对接焊缝,翘曲变形的矫正方法举例,图3-125 薄板结构点状加热矫形,温差拉伸法,图3-128 温差拉伸法,角变形规律的工程应用-火焰成形,图3-124 气体火焰局部加热矫形,图3-126 火焰成形的三种方法,图3-127 火焰成形的典型实例,3 .随焊调控焊接应力与变形的措施,（1）刚性固定法,图3-129 刚性固定法焊接法兰盘,图3-130 采用焊接夹具防止波浪变形,图3-131 防止薄板波浪变形的辅助措施 a）采用压铁b）用角钢临时增加近缝区刚性,（2）减小焊缝的热输入,图3-13
13、2 防止非对称截面挠曲变形的焊接,直接水冷（图3-133a） 采用铜冷却块（图3-133b）来限制焊接热场,图3-133 通过加强冷却来减小焊接变形的方法 a）直接水冷 b）采用铜冷却块,限制和缩小焊接热场来减小焊接变形,（3）合理安排装配焊接的顺序,图3-134 带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序,方案一,方案二,方案三,（4）预拉伸法 (预置应力法),图3-135 施加预拉伸载荷的几种方案,图3-136 常温下预拉伸的纵向应力场 a）平板 b）筒体,（5）焊时温差拉伸法,图3-137温差拉伸专用夹具,随焊温差拉伸的效果,图3-138 Tp为150时的焊接温度场,图3-139 温差拉伸作用下的焊
14、缝纵向残余应力,（6）随焊激冷 （又称为逆焊接加热处理 ）,图3-140 随焊激冷法的原理,图3-141几种随焊激冷方案,图3-142 柔性随焊激冷器,图3-143 常规焊与随焊激冷焊接的温度场,（7）随焊碾压,图3-144 随焊碾压防止热裂的原理,（8）随焊锤击,图3-145随焊锤击实施方案 1-焊枪 2-汽锤 3-固定平台 4-锤头 5-工件,图3-146 两种随焊锤击方式 a) 强化焊趾 b)强化焊缝,随焊锤击方法的主要缺点是焊缝的表面质量不佳，存在明显的锤痕。,随焊锤击技术不仅可以减小变形，降低残余应力，防止焊接热裂纹，而且可以使焊缝的力学性能得到改善。,随焊锤击 法的作用效果,图3-
15、147 常规焊与随焊锤击处理后残余应力的对比,（9）随焊冲击碾压,图3-148 平直焊缝随焊冲击碾压装置的照片,图3-149 随焊冲击碾压装置结构图,图3-150 冲击碾压作用下的剪切塑性应变的分布,6.5 焊接残余应力对结构的影响,1. 焊缝应力会引起热裂纹和冷裂纹,2. 焊接残余应力促使接触腐蚀介质的结构在使用时容易发生应力腐蚀。,3. 焊接残余应力会降低结构的承载能力,4. 在结构应力集中部位，存在拉伸残余应力，降低结构使用寿命，导致低应力脆断,5. 有较大的焊接残余应力的结构，在长期使用中，由于残余应力松弛，衰减，会产生一定程度的变形。,6.6 减小焊接残余应力的措施,1. 采用合理的焊接顺序和方向,2. 采用较小的焊接线能量。,3. 采用整体预热法,4. 锤击法,5. 减少氢的措施及消氢处理。,
