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1、本文格式为Word版，下载可任意编辑焊接技术讲座 徐州重型机械有限公司 焊 接 技 术 培 训 及 讲 座 第一章 焊接应力与变形 第一节 焊接应力 焊接应力按产生的理由可分为热应力和剩余应力等。 一、热应力 焊件在焊接热源的局部加热下，受热区域与未受热区存在着较大的温度差。由于金属材料遵循热胀冷缩原理，因此受热区会发生膨胀产生“膨胀应力”，而其周边的未受热区那么会阻拦其膨胀产生与其大小相等的拘束应力（作用与反作用力）。在此状态下，受热区在拘束应力作用下承受着压应力，而其周边未受热区在膨胀应力的作用下那么承受着拉应力。由于这些（拉压）应力是不平匀（局部）加热造成的，所以称之为“热应力”（实际上
2、就是温差应力）。 假设加热温度较低，应力低于金属的屈服强度（即在弹性极限内），当移除焊接热源或焊件的温度平匀化后，这些应力将随之消散。热应力的大小与不平匀加热的温度差（温度梯度）成正比。 二、焊接剩余应力 1、焊接剩余应力产生的理由 金属物体在受热时膨胀多少，冷却时就要收缩多少。假设上述受热区的温度足够高，受热时膨胀又受阻（承受压应力）而发生塑性压缩变 1 / 20 形，当温度恢复（冷却）到原来的（平匀化）状态后，受热区域会因发生塑性压缩变形而不能回复到原始状态，产生与膨胀时相反的内应力拉应力。由于这一应力是温度恢复到原来（平匀化）状态后残留在焊件内的应力，所以称之为“剩余应力”。焊接热源加热
3、时，温度越高、温度差（加热不平匀程度）越大，受热区域发生的塑性压缩变形就越大，剩余应力也就越大。 另外，当受热区的温度超过AC1而发生相变时，伴随相变展现的体积变化将产生新的应力。假设焊件温度恢复到原始（平匀化）状态后相变的产物仍残存在焊件内，便会产生相变应力。此应力也是剩余应力的一种。 2、焊接剩余应力的分布 在板厚15-20mm时属于常规焊接布局，剩余应力根本上是平面(双轴)的，厚度方向的应力很小，可以疏忽。只有大厚板焊接布局中，厚度方向上的应力较大，应予以考虑。 、纵向应力x 对低碳钢而言，焊缝和近缝区的纵向应力是拉应力，数值可以达 到材料的屈服强度。在靠近焊缝两端向边缘过渡区应力越来越
4、小，到达边缘时为x=0。 、横向应力Y 垂直于焊缝的横向应力较为繁杂，焊缝和近缝塑性变形区受纵向 和横向两个应力共同作用。在垂直于焊缝方向的应力分布处境是焊缝和两侧近缝区受拉应力且最大，两侧再向外扩延至边缘是受压应力且边缘 2 / 20 上最大。沿焊缝长度（纵向）方向的应力分布处境为两端部一段区域内受压且两端头边缘最大，靠中间其它部位受拉。 、厚板中的剩余应力Z x 、Y和Z三个应力在板厚方向上的分布极不平匀，不同 的焊接工艺其分布规律区别较大。如电渣焊时是厚度中心x 、 Y最大， 向上下外观逐步降低为零。低碳钢在多层焊时外观为较高的拉应力。更加应留神是，Y型坡口单面对接多层焊，其焊缝根部横向
5、应力 Y值极高， 大大超过材料的屈服强度S，严重时可达成b从而导致焊缝根部开裂。 、拘束状态下的焊接应力 这是对整体布局而言，全体焊接都是在受拘束的处境下举行的，其应力对比繁杂，应力场不是简朴的叠加而是相互影响、相互作用，最大拉应力可达成材料的 S。因此，在设计时要留神分析，选择焊接接头 形式及其布局以及施焊依次要尽可能合理，以裁减或消释应力。 、封闭焊缝引起的内应力 这种布局主要是指管件、容器、人孔和圆形镶块等圆形封闭焊缝。其应力主要为径向应力和切向应力，这两种应力在焊缝和近缝区均为拉应力。这种布局的刚度较大，焊接时的拘束度也就较大，所以内应力也 就越大。 、相变应力 金属随温度发生相变时，
6、比容将有一个突变（如奥氏体切变为马氏体），其体积也就随之突变，当膨胀受阻产生塑性变形时，冷却到室温 3 / 20 后便产生了拉应力。相变应力与x 、 Y相互作用，最终的应力水平是 三者的综合。相变应力的数值有时也相当大，是造成冷裂的理由之一。 3、焊接剩余应力的影响 、对静载强度的影响 对于焊缝受拉应力，两侧受压应力的焊件在外加载荷拉应力的作用下，焊件内部的应力将发生变化。两侧受压应力的区域随着拉应力的增加逐步减小而转变为拉应力，而受拉应力的区域（焊缝）将与载荷的作用力叠加。假设焊件材料具有良好的塑性，当叠加后的峰值应力先期达成S（屈服）时，该区的应力不会增加，而是产生局部塑性变形。其余应力未
7、达成S的区域随着外力的增加应力持续增加，截面上的应力通过塑性变形逐步平匀化，直至构件整个截面上的应力均达成S而全面平匀化（但此时不能再增加外力载荷）。由此可见，对于塑性良好的金属材料，焊接剩余应力的存在并不影响构件的静载强度。 但是，就焊接接头而言（即便是低碳钢）其焊缝和过热区因晶粒粗大而呈现不同程度的脆性，不成能全部举行塑性变形。这样当工作载荷作用力不断增加并与剩余应力叠加后，脆性区的应力峰值也不断增加，直至达成材料的强度极限b而先在该区发生破坏（局部破坏），最终导致整个构件断裂。因此，焊接剩余应力的存在，明显降低了脆性材料构件的静载强度。 、对受压杆件稳定性的影响 由前面分析可知，焊接剩余
8、应力（内应力）在构件中是拉、压应力共存且是平衡（相等）的。对于受压构件，其截面上受压区域的内应力 4 / 20 将与外加载荷引起的压应力相叠加，使该区域先期达成材料的屈服极限 S，该区的应力不再增加，从而导致该区域流失了承载的才能。这相当 于裁减了构件的有效承载面积。这种压应力的存在会使构件稳定性明显下降，造成局部或整体失稳，产生变形。 、对加工精度的影响 焊接内应力的存在会使工件变形，从而影响工件的加工精度。 焊接内应力是不稳定的，它随时间而不断变化（时效），但不同材料中的内应力不稳定程度有较大差异。如低碳钢Q235在20室温下存放，原始应力24000N/2，经过两个月降低了2.5%。而在1
9、00下存放，应力降低为20的5倍。随着存放温度的上升，应力降低的百分比急速增加（随着存放温度的提高，应力降低的越多、越快）。可见，温度的影响远大于时间的影响。对于中碳钢及合金钢等易于焊后产生马氏体的材料，室温存放过程中剩余奥氏体不断转变为马氏体。因马氏体比容较大，转变过程中马氏体的体积会不断膨胀（产生与焊接内应力相反的组织应力），使得内应力因马氏体的转变而降低，且降低的百分比远超过低碳钢。 低碳钢焊后的组织相对较稳定，所以其尺寸的稳定性比合金钢要高些，但长期存放中因蠕变和应力松弛，尺寸仍会有少量变化。因此，若要保证构件的精度最彻底和最有效的手段就是先举行焊后热处理消释焊接内应力，然后再举行构件加工。 、对应力腐蚀开裂的影响、 应力腐蚀（Scc）开裂是拉应力和腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象。 产生应力腐蚀裂纹应具备三个条件：拉应力、腐蚀环境和时间。 5 / 20 7
