第一章 焊接应力与变形

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1、第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形第一节第一节 内应力与变形的基本概念内应力与变形的基本概念第二节第二节 焊接残余应力焊接残余应力第三节第三节 焊接残余变形焊接残余变形第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形第一节第一节 内应力与变形的基本概念内应力与变形的基本概念一、内应力及产生原因一、内应力及产生原因（一）应力（一）应力 物体所受的力分为外力和内力，内力是平衡于物体内部的物体所受的力分为外力和内力，内力是平衡于物体内部的作用力。而物体单位截面上所受的内力称为应力。根据引起内作用力。而物体单位截面上所受的内力称为应力。根据引起内力的原因不同，应力分为工作应力和内应力。力的原因不同，

2、应力分为工作应力和内应力。1 1、工作应力、工作应力 物体由于受到外力的作用而在其内部单位截面上出现的内物体由于受到外力的作用而在其内部单位截面上出现的内力称为工作应力。力称为工作应力。2 2、内应力、内应力 下一页下一页 返回返回第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形 物体在没有受到外力作用的情况下而平衡于内部的应力称物体在没有受到外力作用的情况下而平衡于内部的应力称为内应力。为内应力。 内应力按其分布范围可分为宏观内应力和微观内应力。内内应力按其分布范围可分为宏观内应力和微观内应力。内应力按其产生的原因不同又可分为热应力、相变应力和残余应应力按其产生的原因不同又可分为热应力、相变应力和

3、残余应力等几种。力等几种。（二）变形（二）变形 物体在某些外界条件（外力或温度等因素）的作用下，其物体在某些外界条件（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，宏观表现为形状和尺寸的变内部原子的相对位置发生改变，宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。化，这种变化称为物体的变形。 按物体变形的性质可分为弹性变形和塑性变形；按变形的按物体变形的性质可分为弹性变形和塑性变形；按变形的拘束条件分为自由变形和非自由变形。拘束条件分为自由变形和非自由变形。上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形1 1、弹性变形与塑性变形、弹性变形与塑性变形 物体在

4、外力或其它因素作用下发生变形，当外力或其它因物体在外力或其它因素作用下发生变形，当外力或其它因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。当外力或其它因素去除后变形仍然存在，物体不能弹性变形。当外力或其它因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状的这种变形称为塑性变形。恢复原状的这种变形称为塑性变形。2 2、自由变形与非自由变形、自由变形与非自由变形 物体的变形不受外界任何阻碍自由地进行，这种变形称为物体的变形不受外界任何阻碍自由地进行，这种变形称为自由变形。焊接变形是由焊接而引起焊件的尺寸改变。自由变形。焊接变形是由焊接

5、而引起焊件的尺寸改变。二、研究焊接应力与变形的若干假定二、研究焊接应力与变形的若干假定1 1、平截面假定、平截面假定上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形2 2、金属性能不变的假定、金属性能不变的假定3 3、金属屈服点的假定、金属屈服点的假定4 4、应力应变关系的假设、应力应变关系的假设三、焊接应力与变形的产生原因三、焊接应力与变形的产生原因（一）均匀加热时引起应力与变形的原因（一）均匀加热时引起应力与变形的原因1 1、不受约束杆件在均匀加热时的应力与变形、不受约束杆件在均匀加热时的应力与变形2 2、受约束杆件在均匀加热时的应力与变形、受约束杆件在均匀加热时的应力

6、与变形（二）不均匀加热时引起的应力与变形（二）不均匀加热时引起的应力与变形1 1、长板条中心加热引起的应力与变形、长板条中心加热引起的应力与变形2 2、长板条一侧加热引起的应力与变形、长板条一侧加热引起的应力与变形（三）焊接应力与变形的产生（三）焊接应力与变形的产生上一页上一页 返回返回第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形第二节第二节 焊接残余应力焊接残余应力一、焊接残余应力的分布一、焊接残余应力的分布 在厚度不大在厚度不大(15(1520mm)20mm)的常规焊接结构中的常规焊接结构中, ,残余应力基残余应力基本上是双轴的，厚度方向上的应力很小。只有在大厚度的焊接本上是双轴的，厚度方向

7、上的应力很小。只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大。为了便于分析，把焊缝方结构中，厚度方向的应力才比较大。为了便于分析，把焊缝方向的应力称为纵向应力用向的应力称为纵向应力用x x表示。垂直于焊缝方向的应力称为表示。垂直于焊缝方向的应力称为横向应力，用横向应力，用y y来表示。厚度方向的应力，用来表示。厚度方向的应力，用z z来表示。来表示。1 1、纵向应力、纵向应力x x 在低碳钢结构中，焊缝及其附近区域中的纵向应力是拉应在低碳钢结构中，焊缝及其附近区域中的纵向应力是拉应力，数值一般达到材料的屈服极限。随着截面离开端面的距离力，数值一般达到材料的屈服极限。随着截面离开端面的距离 下

8、一页下一页 返回返回第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形增加，增加，x x逐渐趋近于逐渐趋近于s s值，在板条的端部存在一个内应力的值，在板条的端部存在一个内应力的过度区，在此区域中，过度区，在此区域中，x x比较低，越接近端面比较低，越接近端面x x越低，到端越低，到端面处面处x x=0=0。在板条的中段有一个内应力的稳定区。但当板条比。在板条的中段有一个内应力的稳定区。但当板条比较短时，就不存在稳定区，焊缝的纵向应力较短时，就不存在稳定区，焊缝的纵向应力x x小于小于s s。板条。板条越短，越短，x x就越低。就越低。 应力的大小，取决于圆筒的半径、壁厚以及塑性变形区的应力的大小，取

9、决于圆筒的半径、壁厚以及塑性变形区的宽度。后者与焊接线能量和材质有关。当壁厚不变，宽度。后者与焊接线能量和材质有关。当壁厚不变，x x随着半随着半径的减小而降低，随着宽度的减小而增加。径的减小而降低，随着宽度的减小而增加。2 2、横向应力、横向应力y y 它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近的它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近的上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形塑性变形区的纵向收缩所引起的，用塑性变形区的纵向收缩所引起的，用y y来表示；另一个是由来表示；另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的，用焊缝及其附近塑性

10、变形区的横向收缩的不同时性所引起的，用y y来表示。来表示。1 1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力y y对长焊缝来说中心部分的拉应力将有所降低，逐渐趋近于零。对长焊缝来说中心部分的拉应力将有所降低，逐渐趋近于零。2 2）横向收缩所引起的横向应力）横向收缩所引起的横向应力y y 结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。二、焊接残余应力对焊接结构的影响二、焊接残余应力对焊接结构的影响1 1、对结构强度的影响、对结构强度的影响 由于材料不能进行塑性变形，即材料处于脆性状态，随着由于材料不能进行

11、塑性变形，即材料处于脆性状态，随着上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形外力的增加，在构件上不可能产生均匀的应力，应力峰值不断外力的增加，在构件上不可能产生均匀的应力，应力峰值不断增加，一直到达材料的强度极限增加，一直到达材料的强度极限b b，发生局部破坏最后导致整，发生局部破坏最后导致整个构件断裂。可见焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大个构件断裂。可见焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。的影响。2 2、对构件加工尺寸精度的影响、对构件加工尺寸精度的影响3 3、对梁柱结构稳定性的影响、对梁柱结构稳定性的影响三、减小焊接残余应力的措施三、减小焊接残余应

12、力的措施1 1、设计措施、设计措施1 1）在保证结构强度的前提下尽量减小焊缝数量与截面尺寸。）在保证结构强度的前提下尽量减小焊缝数量与截面尺寸。2 2）将焊缝尽量布置在最大工作应力区外，防止残余应力与外加）将焊缝尽量布置在最大工作应力区外，防止残余应力与外加上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形载荷产生的应力相叠加，影响结构的承载能力。载荷产生的应力相叠加，影响结构的承载能力。3 3）尽量防止焊缝密集、交叉。）尽量防止焊缝密集、交叉。4 4）采用局部降低刚度的方法，使焊缝能比较自由的收缩。）采用局部降低刚度的方法，使焊缝能比较自由的收缩。5 5）采用合理的接头形式

13、，尽量避免采用应力集中较严重的接）采用合理的接头形式，尽量避免采用应力集中较严重的接头，如搭接接头。头，如搭接接头。2 2、工艺措施、工艺措施1 1）合理的选择装配顺序）合理的选择装配顺序2 2）缩小焊接区与结构整体之间的温差）缩小焊接区与结构整体之间的温差3 3）降低接头局部的拘束度）降低接头局部的拘束度 焊接封闭焊缝时，由于周围板的拘束度较大，拘束应力与焊接封闭焊缝时，由于周围板的拘束度较大，拘束应力与残余应力叠加而使局部区域形成高应力区，因而易产生裂纹。残余应力叠加而使局部区域形成高应力区，因而易产生裂纹。上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形4 4）锤击焊

14、缝）锤击焊缝 锤击焊缝可以使焊缝得到延展，从而降低峰值拉应力。锤锤击焊缝可以使焊缝得到延展，从而降低峰值拉应力。锤击可以在击可以在500500以上的热态下进行，也可以在以上的热态下进行，也可以在300300以下的冷态以下的冷态下进行，应保持均匀、适度，避免锤击过分而产生裂纹。下进行，应保持均匀、适度，避免锤击过分而产生裂纹。四、消除焊接残余应力的方法四、消除焊接残余应力的方法1 1、热处理法减小温度差、热处理法减小温度差1 1）整体高温回火）整体高温回火2 2）局部高温回火）局部高温回火2 2、机械拉伸法，机械拉伸法又叫过载法。、机械拉伸法，机械拉伸法又叫过载法。3 3、温差拉伸法、温差拉伸法

15、上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形 温差拉伸法又叫低温消除应力法。基本原理与机械拉伸法温差拉伸法又叫低温消除应力法。基本原理与机械拉伸法相同，都是利用拉伸来抵消焊接时产生的压缩塑性变形。不同相同，都是利用拉伸来抵消焊接时产生的压缩塑性变形。不同的是机械拉伸法利用外力来进行拉伸，而温差拉伸法是利用局的是机械拉伸法利用外力来进行拉伸，而温差拉伸法是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。部加热的温差来拉伸焊缝区。4 4、振动法、振动法 这种方法优点是设备简单廉价，处理成本低，时间比较这种方法优点是设备简单廉价，处理成本低，时间比较短，不存在高温回火时金属氧化问题。短，不存

16、在高温回火时金属氧化问题。五、焊接残余应力的测定五、焊接残余应力的测定1 1、机械方法、机械方法 机械方法是利用机械加工把试件切开或切去一部分，测定机械方法是利用机械加工把试件切开或切去一部分，测定上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形由此释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力，所以又称由此释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力，所以又称为应力释放法。为应力释放法。1 1）裁条法）裁条法2 2）套孔法）套孔法 套孔法是用套料钻加工环形孔使残余应力得到释放的方法。套孔法是用套料钻加工环形孔使残余应力得到释放的方法。3 3）小孔法）小孔法 在残余应力场中钻孔，部分

17、应力则被释放，孔周围的应力在残余应力场中钻孔，部分应力则被释放，孔周围的应力将重新分布，达到平衡状态，如果测出孔周围区域钻孔前后应将重新分布，达到平衡状态，如果测出孔周围区域钻孔前后应变的变化，根据弹性力学公式，则可以算出该处原来的应力分变的变化，根据弹性力学公式，则可以算出该处原来的应力分布。布。上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形4 4）盲孔法）盲孔法 盲孔法与小孔法测残余应力的原理相同，但这种方法对结盲孔法与小孔法测残余应力的原理相同，但这种方法对结构只有很轻微的破坏，对于一般构件，盲孔不需修补，对结构构只有很轻微的破坏，对于一般构件，盲孔不需修补，对结构

18、的使用性能几乎没有影响。的使用性能几乎没有影响。 盲孔法所需仪器设备较简单，除钻孔设备外只需配备应变盲孔法所需仪器设备较简单，除钻孔设备外只需配备应变仪即可进行现场测量。仪即可进行现场测量。5 5）逐层铣削法）逐层铣削法 逐层铣削法是一种完全破坏的方法。逐层铣削法是一种完全破坏的方法。2 2、物理方法、物理方法1 1）X X光衍射法光衍射法 X X光衍射法的基本原理是党内应力存在时，晶体光衍射法的基本原理是党内应力存在时，晶体上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形的晶格就会变形，在的晶格就会变形，在X X射线的照射下，表面有规律排列的晶面反射线的照射下，表面有规律

19、排列的晶面反射射X X射线。如果以下满足条件：射线。如果以下满足条件： 2dsin=2dsin=nn式中，式中，d d晶面间的距离；晶面间的距离； X X射线的波长。射线的波长。2 2）超声波法）超声波法 超声波法是根据金属的密度在应力作用下发生微小变化，超声波法是根据金属的密度在应力作用下发生微小变化，而使得超声波在穿越时其速度或衰减程度发生变化的原理来测而使得超声波在穿越时其速度或衰减程度发生变化的原理来测量残余应力的。量残余应力的。3 3）磁性法）磁性法 磁性法是一种非破坏性测试方法。磁性法是一种非破坏性测试方法。上一页上一页 返回返回第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形第三节第三

20、节 焊接残余变形焊接残余变形一、焊接残余变形的分类及其影响一、焊接残余变形的分类及其影响（一）焊接残余变形的分类（一）焊接残余变形的分类1 1、总体变形、总体变形 总体变形是指整个结构形状发生的变化，通常包括：总体变形是指整个结构形状发生的变化，通常包括：1 1）纵向收缩变形）纵向收缩变形 构件沿焊缝方向上发生的变形，如构件沿焊缝方向上发生的变形，如图图1-26a1-26a所示。所示。2 2）横向收缩变形）横向收缩变形 构件沿焊缝垂直方向上发生的变形，如构件沿焊缝垂直方向上发生的变形，如图图1-26b1-26b所示。所示。3 3）弯曲变形）弯曲变形 下一页下一页 返回返回图图1-26 1-26

21、 总体变形总体变形a.a.纵向收缩变形；纵向收缩变形； b.b.横向收缩变形横向收缩变形 返回返回第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形 构件焊后整体发生的弯曲变形，如构件焊后整体发生的弯曲变形，如图图1-26c1-26c所示。所示。4 4）扭曲变形）扭曲变形 构件焊后发生的螺旋形变形，如构件焊后发生的螺旋形变形，如图图1-26d1-26d所示。所示。2 2、局部变形、局部变形1 1）角变形）角变形 温度沿板厚方向分布不均或熔化金属沿板厚方向收缩不温度沿板厚方向分布不均或熔化金属沿板厚方向收缩不同，以及两者同时存在，使板件以焊缝为轴心转动而发生的变同，以及两者同时存在，使板件以焊缝为轴心转

22、动而发生的变形。形。2 2）波浪变形）波浪变形 在薄板结构中压应力使其失稳而引起的变形。在薄板结构中压应力使其失稳而引起的变形。（二）焊接残余变形对焊接结构的影响（二）焊接残余变形对焊接结构的影响上一页上一页 下一页下一页图图1-26 1-26 总体变形、总体变形、1-27 1-27 局部变形局部变形a.a.弯曲变形弯曲变形 b.b.扭曲变形扭曲变形返回返回第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形二、各种焊接残余变形的产生及变形值的估算二、各种焊接残余变形的产生及变形值的估算（一）收缩变形（一）收缩变形 焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。它分为纵向收缩变焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。它分

23、为纵向收缩变形和横向收缩变形所示。形和横向收缩变形所示。1 1、纵向收缩变形、纵向收缩变形 纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩短，如短，如图图1-281-28所示。所示。2 2、横向收缩变形、横向收缩变形 横向收缩变形是指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。构横向收缩变形是指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。构件焊接时，不仅产生纵向收缩变形，同时也产生横向收缩变件焊接时，不仅产生纵向收缩变形，同时也产生横向收缩变形。横向收缩变形量主要与焊接线能量和板厚有关。一般来形。横向收缩变形量主要与焊接线能量和板厚有关。一般来上一页上一页 下一页下一页图图1-28 1-28

24、 焊接塑性变形的分布焊接塑性变形的分布图图1-28 1-28 焊接塑性变形的分布焊接塑性变形的分布返回返回第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形说，焊接线能量越大，横向收缩量越大；板厚增加，横向收缩说，焊接线能量越大，横向收缩量越大；板厚增加，横向收缩量减小。量减小。（二）角变形（二）角变形1 1、平板堆焊的角变形、平板堆焊的角变形2 2、对接接头的角变形、对接接头的角变形 对接接头角变形主要与坡口形式、坡口尺寸、焊接层数、对接接头角变形主要与坡口形式、坡口尺寸、焊接层数、焊接顺序等有关。焊接顺序等有关。3 3、角焊缝产生的角变形、角焊缝产生的角变形 角变形可以通过反变形来预防，也可以用刚

25、性固定法来限角变形可以通过反变形来预防，也可以用刚性固定法来限制角变形。制角变形。上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形（三）波浪变形（三）波浪变形 波浪变形是一种失稳变形，一般产生于工字梁上筋板焊缝波浪变形是一种失稳变形，一般产生于工字梁上筋板焊缝横向收缩引起的弯曲变形和薄板结构中。在薄板焊接时，如果横向收缩引起的弯曲变形和薄板结构中。在薄板焊接时，如果板中远离焊缝区的压缩残余应力超过了失稳的临界应力值，薄板中远离焊缝区的压缩残余应力超过了失稳的临界应力值，薄板就会出现波浪变形。这一方面会影响产品的外观，另外还会板就会出现波浪变形。这一方面会影响产品的外观，另外

26、还会降低构件的承载能力。降低构件的承载能力。 防止波浪变形可从两方面着手：一方面因焊接残余压应力防止波浪变形可从两方面着手：一方面因焊接残余压应力是产生波浪变形的外因，因此凡能降低焊接残余压应力的措施是产生波浪变形的外因，因此凡能降低焊接残余压应力的措施都可以起到减小波浪变形的作用；另外通过提高板的刚度或增都可以起到减小波浪变形的作用；另外通过提高板的刚度或增大扳的拘束度均可以减小或防止波浪变形。大扳的拘束度均可以减小或防止波浪变形。上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形（四）扭曲变形（螺旋形变形）（四）扭曲变形（螺旋形变形） 产生扭曲变形的原因主要是焊缝的角变形

27、沿焊缝长度方向产生扭曲变形的原因主要是焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。分布不均匀。 以上以上5 5种变形是焊接变形的基本形式，其中收缩变形在焊接种变形是焊接变形的基本形式，其中收缩变形在焊接过程中最容易出现。过程中最容易出现。三、预防和消除焊接残余变形的措施三、预防和消除焊接残余变形的措施（一）预防焊接残余变形的措施（一）预防焊接残余变形的措施1 1、设计措施、设计措施1 1）尽量选用对称的构件截面和焊缝位置）尽量选用对称的构件截面和焊缝位置2 2）合理选择焊缝长度和焊缝数量）合理选择焊缝长度和焊缝数量上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形3 3）尽量减小焊

28、缝的截面尺寸）尽量减小焊缝的截面尺寸2 2、工艺措施、工艺措施1 1）留余量法）留余量法2 2）反变形法）反变形法 在焊接梁、柱等细长构件时，如果焊缝不对称，焊后构件在焊接梁、柱等细长构件时，如果焊缝不对称，焊后构件往往发生较大的残余变形。预防这种变形，可采用以下措施：往往发生较大的残余变形。预防这种变形，可采用以下措施：焊件固定在刚性平台上。焊件固定在刚性平台上。将焊件组合成刚性更大或对称的结构。将焊件组合成刚性更大或对称的结构。合理地选择焊接方法和规范。合理地选择焊接方法和规范。3 3）合理选择装配焊接顺序）合理选择装配焊接顺序上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力

29、与变形4 4）热平衡法）热平衡法5 5）散热法）散热法 散热法即是通过不同的方式迅速带走焊缝结构的弯曲变形散热法即是通过不同的方式迅速带走焊缝结构的弯曲变形及其附近的热量，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接及其附近的热量，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接变形的目的。变形的目的。四、矫正焊接残余变形的方法四、矫正焊接残余变形的方法1 1、机械矫正法、机械矫正法 机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸使恢机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸使恢复到所要求的形状。复到所要求的形状。上一页上一页 下一页下一页第一章第一章 焊接应力与变形焊接应力与变形2 2、火焰加热矫正法、

30、火焰加热矫正法 火焰成形基本上采用线状加热，按照工艺方法的不同可分火焰成形基本上采用线状加热，按照工艺方法的不同可分为三种：为三种：1 1）不用水冷的火焰加热法，简称空冷。）不用水冷的火焰加热法，简称空冷。2 2）采用正面跟踪水冷的火焰加热法，简称正冷。）采用正面跟踪水冷的火焰加热法，简称正冷。3 3）采用背面跟踪水冷的火焰加热法，简称背冷。）采用背面跟踪水冷的火焰加热法，简称背冷。 三种线状加热方法具有不同的特点。其中角变形效果以背三种线状加热方法具有不同的特点。其中角变形效果以背冷最大，空冷次之，正冷最小；横向收缩效果以背冷最大，正冷最大，空冷次之，正冷最小；横向收缩效果以背冷最大，正冷次之，空冷最小。冷次之，空冷最小。上一页上一页 返回返回