焊接变形和应力.ppt

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1、焊接结构第二章 焊接变形和应力,第2章 焊接变形和应力,本章学习要点,1.材料的热胀冷缩2.材料的应力应变曲线3.系统平衡,第一节 焊接变形与应力的产生机理,几个基本概念,合力等于零，即F=0；合力矩等于零，即M=0,2.1.1 自由变形、外观变形和内部变形,(1)自由变形,自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。,自由变形量：,自由变形率：,(2)外观变形,外观变形量：Le,外观变形率：,外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形,(3)内部变形,内部变形

2、：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。,内部变形量：,内部变形率：,三种变形的分析结论：外观变形在数值上等于自由变形与内部变形的代数和。它的应变表达式为：e T 它的等价形式为：e T,这两个公式一定要牢记！,以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形率，即 或，则杆件中的压应力。当杆件温度从T1恢复到T0时，杆件将恢复到原来长度L0，也不存在任何形式的应力。,若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内部变形量大于金属屈服时的变形量，即 则在这种情况下该如何？,？,综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等于压缩而产生

3、的压缩塑性变形量。同理可知，拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境载荷消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的拉伸塑性变形量。,提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。计算方法：在弹性范围内 E E（e T）超出弹性范围 则有 s,材料力学中，当物体在外力作用下处于平衡状态下，可以说该物体处于受力平衡状态。内应力定义：没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。,2.1.2 焊接内应力的种类和产生,内应力的分类,1）按应力的 分布范围,2）根据结构中的空间位置,宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力超微观应力：在晶格范

4、围平衡的应力,单向应力：应力沿构件的一个方向作用双向应力：应力沿构件的两个方向作用三向应力：应力沿构件的三个方向作用,3）根据应力与焊 缝的相对位置,纵向应力：应力作用方向与焊缝平行横向应力：应力作用方向与焊缝垂直,瞬时应力：焊接过程出现的应力残余应力：焊后留下的应力,温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的应力组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化受阻,5）根据应力 形成原因,4）根据应力产生、作用的时间,(1)温度应力,温度应力：由于构件受热不均匀引起的内应力。产生条件：受热不均匀温度均匀结果：应力残留或消失(如果温度应力不高，即低于材料的屈服极限，亦

5、即温度应力在弹性范围内时，在框架中不产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之消失。)举例：框架结构的温度应力平衡特点,(2)残余应力,残余应力：温度恢复到原始状态均匀后残存在物体内部的应力。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举例：金属框架,因此：任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。,加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形,(3)相变应力,相变应力：材料在凝固冷却过程中，由于

6、组织转变，带来体积尺寸变化，产生的应力。产生原因：组织转变,不均匀温度场作用下的变形和应力,金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：1.平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。2.金属性质不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。3.焊接温度场假定：假定焊接温度场不随时间而改变。4.金属屈服点假定：,在500以下，屈服点与常温相同，不随温度而变化；500 600之间，屈服点迅速下降；600以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。,低碳钢的屈服点与温度的关系,在长板条中心对称加热,温度场：对端面

7、中心对称的不均温度场T=f(x),变形分析：取单位长度分析其变形与应力,假设：T0=0，则T=T,由平面假设，变形时截面保持平面温度场对称，端面只作平移，e为常数,可见：板条中心0，受压；板条两侧0，受压,内应力与变形的计算,当温度较低，无塑性变形，即,矩形面积=曲线下的面积,力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡,即为T=f(x)时的外观应变,可求得各点应力的大小，应力分布分为三个区域：两侧受拉，中间受压,冷却后，应力和应变消失；即无残余应力和残余变形,当温度较高，板件中产生塑性变形，即,产生压缩塑性变形，,冷却后，应力和应变不能完全消失(存在压缩塑性变形),实际上，残余外观变形：e,理论上，

8、中心凹陷量,残余应力,结论：对称温度场：变形仅为端面平移；e;e力的平衡条件：，实质是图形中面积的平衡应力：加热时，中间压，两侧拉；冷却后，中间拉，两侧压残余应力的产生，加热时存在塑性变形热量集中的热源，C小，残余变形小 的大小取决于C的大小，所以热量集中的热源 小,在长板条边缘非对称加热,温度场：典型的非对称温度场,这两种情况为不平衡力矩，不能发生,内应力平衡条件为：,截面有转动，所以e 非常数，是x的线性函数,板条平均伸长率为：,板条曲率为：,结论：当s时产生残余应力和残余变形；当s时不产生残余应力和残余变形；,1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会

9、产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。,由上述讨论可知：,2.1.4 焊接引起的变形和应力,2.1.4.1 焊接过程的特殊性及假定条件,(1)高温下金属的性能发生显著变化例如：低碳钢不同温度下的屈服强度 可能出现的相变将引起许多物理和力学参量的变化(2)焊接温度场是一个空间分布极不均匀的温度场 与前面分析的沿长度同时加热的模型有较大

10、差别，平面假设的准确性受到影响。平面假设的适用条件：焊接速度快；材料导热慢,2.1.4.2 受拘束体在热循环中的应力与应变的演变过程,(1),取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，将该棒均匀加热，然后冷却。,弹性状态，无残余应力,(2),有塑性变形及残余应力,(3),残余应力等于材料屈服极限,2.1.4.3 焊接应力与应变的演变过程,2.1.4.4 焊接热应变循环,近缝区的两种情况a)无相变；b)有相变,第二节 焊接残余变形,纵向收缩变形横向收缩变形弯曲变形角变形波浪变形错边变形扭曲变形,焊接残余变形分为七类,焊接残余变形：焊接后残存于结构中的变形。,2.2.1 纵向收缩变形,纵向收缩

11、变形：焊后在沿焊缝长度方向发生的收缩变形。,压缩塑性变形：焊缝近缝区金属在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形；收缩变形：焊缝区液态金属在冷却过程中形成固态焊缝，产生收缩变形。,这两个区域统称为收缩变形区,2.2.1.1 纵向收缩变形产生的原因,纵向收缩变形产生的根本主要原因,收缩变形区的存在使构件相当于受到一个假想外力Ff的作用而缩短L,2.2.1.1 纵向收缩变形的影响因素,焊缝的长度：L L(间断焊连续焊)构件的截面积：AL压缩塑性变形：？,规范：焊接热输入APL工艺措施：焊接层数：(热输入)多层焊单层焊(L)多层焊单层焊 预热：T0，相当于热输入 L T0过高，温度均匀化温差

12、L焊接方法：不同焊接方法，热源集中程度不同，HAZ不同，即AP不同材料性质：L,精确计算：的计算，温度场、物理、机械性能工程计算：近似估计,2.2.1.3 纵向收缩量的估算,Aw 为单层或一层对接焊缝金属或一条角焊缝的截面积；k1 为单层对接焊缝时考虑的系数，与焊接方法和材料有关；k2 为多层对接焊缝时考虑的系数；或双面角焊缝T型接头时考虑的系数。,2.2.2 横向收缩变形,横向收缩变形：焊后在垂直于焊缝方向发生的收缩变形。,压缩塑性变形：焊缝近缝区金属在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形；收缩变形：焊缝区液态金属在冷却过程中形成固态焊缝，产生收缩变形。,这两个区域统称为收缩变形区,

13、2.2.2.1 横向向收缩变形产生的原因,横向收缩变形产生的根本主要原因,即在热源附近的金属受热膨胀，但将受周围温度较低的金属的约束而承受压应力，这样在板宽方向上产生压缩塑性变形，并使其厚度增加，最终结果表现为横向收缩。,通过热变形计算和实验得到横向收缩变形B大小为,(1)堆焊原因：a)沿厚度方向温度分布不均匀 b)沿焊缝方向温度分布不均匀 故在热源附近的金属热膨胀变形不但受到板厚深度，而且受到前后温度较低的金属的限制和约束而承受压力，使之在宽度方向产生压缩塑性变形，而在厚度上增厚，焊后产生横向收缩变形。,(2)对接接头留有间隙的对接焊：加热，膨胀，间隙减小；冷却，收缩；横向收缩不留间隙的对接

14、焊：板的膨胀引起板边的挤压，使厚度方向变形横向收缩,2.2.2.2 横向收缩的影响因素,焊接热输入：q B焊缝截面积：A q B板 厚：堆焊：B 对接：A B坡 口 形 式：A B焊 接 层 数：焊接层数 B,横向收缩变形量的对比,2.2.2.3 横向收缩的分布和估算,分布：沿焊缝长度的分布不均匀。沿焊缝方向由小到大逐渐增长，一定长度后趋于稳定。原因：先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生挤压作用，使后者产生更大的横向压缩变形。,(1)分布,2.2.3 弯曲变形,弯曲变形：构件焊后向某一方向发生弯曲的现象。用f表示其大小。,根本原因：产生压应力的部位相对于构件中性轴不对称,2.2.3.1 纵向收

15、缩引起的弯曲变形,(1)产生原因 焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称 Ff是个偏心力,(2)影响因素,构件的刚度EI：EI f焊 缝 位 置：不对称，e f假 想 力 Ff：装 焊 顺 序,【例2-1】如图2-19所示，工字梁的制造一般有两种装焊顺序，两种装焊顺序产生的弯曲变形大小不同。,方向相反,焊后会表现出较大的弯曲变形,(1)装焊顺序：工,如果焊接前先将腹板和上下翼板点固成工字梁，施焊时按照括号内的顺序进行，则会使焊接过程中结构的惯性矩II和偏心距eI基本保持不变，这样就可以使两对角焊缝引起的弯曲变形相互抵消，能够保持构件的基本平直。,说明，通过调整装配和焊接顺序，可以对弯曲变形

16、的程度进行调整，可以根据实际情况要求，降低构件的弯曲挠度。,(2)焊前先点固成工字形截面，则近似地有：f=f工,(3)弯曲挠度的估算,2.2.3.2 横向收缩变形引起的弯曲变形,横向焊缝在构件上分布不对称，其横向收缩变形会引起结构的弯曲变形。,(1)产生原因,(2)影响因素,构件的结构形式刚度焊缝的位置装配焊接顺序影响横向收缩变形的因素,(3)弯曲挠度的估算,下挠的数值可以根据每对角焊缝产生的横向收缩变形量来估算,每对肋板与腹板之间的角焊缝横向收缩B1使构件弯曲的角度1为：每对肋板与翼板之间的角焊缝的横向收缩将使构件弯曲一个角度 2：每对肋板产生的总弯曲角度为，则构件的总挠度可按下式估算：,肋

17、板数量n为偶数时,肋板数量n为奇数时,2.2.4 角变形,焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移称为角变形。用代表角变形的大小。,图2-21 角变形,(1)角变形的产生原因,角变形产生的根本原因：横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。,堆焊时产生的角变形 平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区金属的阻碍受挤压，压缩塑性变形。焊接面压缩塑性变形背面 角变形。,影响因素：a.角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于板的刚度。b.焊接线能量与板厚的影响.,图2-24 平板表面火焰加热的线能量与其角变形的关系曲线,对接接头的角变形 影响因素：坡口角度 焊缝截面形状 焊接方式 焊接

18、顺序,对接焊层数与角变形的关系,对接多层焊防止角变形方法,丁字接头的角变形,筋板与主板的角变形主板自身的角变形,角焊缝所产生的角变形,(2)角变形的影响因素,温度场分布 焊接热输入 板厚 焊接方法 坡口角度 焊接层数 焊接顺序,(3)角变形的分布,沿长度上开始比较小，以后逐渐增加,图2-25 角变形在焊缝长度上的分布,2.2.5 波浪变形,构件焊后呈现出波浪形状称为波浪变形或失稳变形。,图2-26 波浪变形,图2-27 薄板受压失稳,(1)产生原因,薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临界数值时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象称之为失稳。,焊接波浪变形的形成原因：焊后存在于平

19、板中的内应力，一般情况下在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在压应力的作用下，如果，薄板可能失稳，产生波浪变形。,(2)影响因素,压应力：降低压应力，减小塑性变形区。临界应力：提高临界应力，增加板厚和减小板宽。焊接角变形也可能产生类似的波浪形变形：施加预拉应力最有效的方法,2.2.6 错边变形,在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边和厚度方向上的错边。,(1)产生原因,焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善。两种材料的热膨胀的差异,图2-32 焊接过程中对接边的热输入不平衡的典型例子,工件与夹具一边接触较紧，导热较快，另一边接触不良，导热较慢；b)工件与夹具

20、间一边导热不良，另边导热良好；c)焊接热源偏离中心，一边热输入量大，另一边热输入量小；d)对接边一边热容量大，导热快，另一边热容量小，导热慢。,对接缝两边刚度不同 封头刚度大，变形小 筒身刚度小，变形大,图2-33 封头与筒身环焊缝对接边错边的产生过程,扭曲变形,焊后在结构上出现的扭曲现象称为扭曲变形，也称为螺旋形变形。,（1）扭曲变形的产生原因,根源：与焊接角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边有关。焊缝角变形沿长度方向上的分布不均匀所造成。焊缝长度方向上的错边变形造成。,（2）影响因素,凡是影响角变形和焊接错边的因素均会影响扭曲变形。,第三节 焊接残余应力,焊接残余应力的分布,纵向应

21、力x：沿焊缝方向上的应力横向应力y：垂直于焊缝方向上的应力 z：厚度方向上的应力,(1)纵向残余应力在纵向上的分布,纵向残余应力的分布x,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。,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。,不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布,图2-37 不同焊缝长度x值的变化,(2)x在横截面上的分布,中间拉应力，两侧压应力,（a）低碳钢（b）铝合金图2-38 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布,x=s,xs,与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有

22、关,(3)圆筒环形焊,图2-39 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，x=s圆筒直径与壁厚之比较小时，xs,图2-40 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、塑变区的宽度bp,2.3.1.2 横向残余应力的分布y,y 由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的y=+(叠加)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,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。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,(1)y分析：,图2-41 纵向

23、应力x引起的横向应力y,不同材料、工艺会形成不同的应力分布,图2-42 不同长度焊缝中的横向残余应力（y）的分布,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。y 的分布与焊接方向、分段方法、焊接顺序有关。,(2)y分析：,1 2 3,T1,T2,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。,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

24、。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。当区段III恢复弹性时，其收缩受到区段I和II的拘，使y扩展。,s,图2-43 不同焊接顺序对横向应力的影响,？思考：从一端向另一端的直通焊焊接残余应力的分布情况。,不同焊接顺序对横向应力y的影响,(3)总的y,大小受s的限制,图2-44 横向应力沿板宽上的分布,(4)横向应力在板宽方向上的分布,焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。,厚板中

25、的残余应力,厚板中的残余应力：x y z 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,图 电渣焊俯视图,厚钢板,焊缝,水冷铜滑块,图 厚板电渣焊接现场,(1)电渣焊,Y,Z,X,Z,X,Y,+,+,+,240mm,180MPa,240MPa,300MPa,图 厚板电渣焊厚度(Z)方向的残余应力分布,(2)厚板对接焊多层多道焊的三向残余应力(10Cr2Mo),图2-46 厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布,应力集中,塑性绞链中心,角变形,多层焊的热疲劳,焊根裂纹,图 厚板焊接接头缺陷,2.3.1.4 拘束状态下焊接的内应力,=y+f,结论：由拘束产生的反作用力f与自由状态下焊接产生

26、的横向残余应力y之和。,=x+f,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f。焊缝还将引起纵向应力x，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。,封闭焊缝引起的内应力,图2-49 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。,图 封闭环焊缝残余应力分布,a-封闭环焊缝,b-纵横应力分布,中部存在均匀的双轴应力场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。,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图

27、2-51 钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线,图2-52 高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响,(a)焊缝金属为奥氏体钢,(b)焊缝成分与母材相近,2.3.2 焊接残余应力对焊接结构性能的影响,2.3.2.1 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：总应力：内应力+外应力,塑性材料：有足够的塑性变形能力，无影响,外应力与内应力叠加，当拉应力峰值达到材料的屈服极限s后，该区域的应力不再增加，而产生塑性变形。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服，直至整个截面上应力完全达到s，应力就全面均匀化了。由于初始内应力是平衡的，即拉应力

28、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。,塑性材料,脆性材料：材料发生局部破坏，有影响，降低静载强度,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。这将造成局部破坏，从而导致整个构件断裂。,2.3.2.2 焊接残余应力对刚度的影响,刚度：构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位长度所需的外力。,E：弹性模量；L：构件长度；F：外力；A：构件截面积。,伸长量,刚度,(1)拉伸残余应力,刚度减小,加载过程,b区域：,B-b区域：,外力作用消失，各区的应力均

29、匀下降,卸载过程,回弹量,(),卸载后，相对于卸载前伸长了,b区域：,B-b区域：,假使构件中存在着与外力方向一致的内应力，而内应力的数值又达到，则在外力作用下刚度将降低，而且在卸载后构件的原来尺寸也不能完全恢复。刚度的降低程度与b/B的比值有关，b所占的比例越大，对刚度的影响也越大。,(2)拉伸残余应力,加载过程,卸载过程,即焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，只要其大小不超过前一次，内应力就不再起作用，外载也不影响内应力的分布。只适用于静载，对频率较高、次数较多的变载荷另当别论，,重要结论,2.3.2.3 焊接残余应力对杆件受压稳定性的影响,两端铰支的受压杆件，在弹性范围内工作时，其失

30、稳的临界应力，可由下式求得：,E：弹性模量；l：受压杆件的自由长度；I：为构件截面惯性矩；A：截面积。,：细长比；：截面惯性距半径。,受压前,受压后,F,受压焊接柱的弹性区与拉伸残余应力相对应，如果能使残余拉应力区远离截面中性轴，则会大大提高有效截面惯性距，从而提高临界应力。,气体火焰加热翼板边缘,两板叠焊,内应力的影响只在构件的一定的长细比范围内起作用。即30 150范围内较明显。,图2-58 残余应力对焊接杆件受压失稳强度的影响,2.3.2.4 焊接残余应力对构件精度和尺寸稳定性的影响,焊接应力稳定性：即焊接应力是否会在长期存放过程中随时间变化，而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度。,原因：

31、焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证。,图2-59 机械加工引起的内应力释放和变形,造成构件尺寸不稳定的原因主要有两方面：一是蠕变和应力松弛；二是不稳定组织的存在。为保证尺寸稳定，焊后要进行热处理，使组织稳定，并使残余应力消除，然后再进行机械加工。,第四节 焊接变形与残余应力的调控措施,2.4.1 焊前预防措施设计措施,在焊接设计的时候就要考虑到的防止和减少焊接变形和应力的措施。这会在很大程度上降低构件后续加工的难

32、度并有利于保证构件的质量。,(1)合理选择焊缝形式和尺寸设计原则：在保证结构有足够承载能力的前提下，尽量选用应力集中小的焊接接头，并采用较小的焊缝尺寸,焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大,但并不是焊缝越小越好，因为焊接尺寸太小的焊缝，冷却速度过大，容易产生一系列焊接缺陷，如裂纹、HAZ硬度过高等。,a)角变形大 b)角变形小 图 T形接头的坡口,图 相同承载能力的十字接头,避免应力集中：焊缝不要设计在高应力和断面突变的地方,图 焊缝设计位置分析,采用刚性较小的接头形式，减小接头拘束度，减小焊缝残余应力,图 接头形式对拘束度及焊接残余应力的影响,(2)尽可能减少焊缝的数量 设计原则：在焊

33、接结构中应该力求减少焊缝数量和总长度，避免不必要的焊缝。,图2-60 轴承的加固形式,用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊。,（a）压形板（b）拼焊板图2-61 两种隔舱板的形式,采用压型结构代替肋板结构，防止薄板结构变形,(3)合理安排焊缝的位置 设计原则：焊缝尽可能对称于截面中性轴或接近中性轴；尽量避免焊缝的密集与交叉。,减少弯曲变形,图2-62 箱形梁的焊缝布置,图2-63 避免焊缝交叉的措施与最优焊接顺序,2.4.2 焊中控制措施工艺措施,指在焊接过程中同步采取的防止和减小焊接应力和变形的措施。在焊接过程中对焊接变形和应力进行随时的调控具有重要的意义，同时也是调控焊接变形和应力的重要措施

34、。,合理选择焊接方法选择合理的焊接规范合理安排装配焊接顺序,2.4.2.1 合理选择焊接方法、焊接规范和装配顺序,一般情况下焊缝深宽比大的焊接方法，其焊接变形要小。,(1)合理选择焊接方法,图2-64 防止非对称截面弯曲变形的焊接,(2)选择合理的焊接规范,e1,2e3,4,f1,2f3,4,选择线能量较低的焊接方法采用多层焊代替单层焊选择高能量密度的焊接方法采用冷却方式限制、缩小焊接热场,(3)合理安排装配焊接顺序,图2-65 带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序,第一种焊接顺序：焊缝3、1、2弯曲变形：f1+f2+f3 第二种焊接顺序：焊缝1、2、3弯曲变形：f1+f2-f3 第三种焊接顺序：焊

35、缝2、1、3弯曲变形：f1-f3,大型储油罐的焊接,2.4.2.2 合理采用辅助措施和工艺,反变形法 刚性固定法,此法的要点是事先估算好结构变形的大小和方向，再给予与焊接变形相抵的反向变形。,(1)反变形法,反变形法举例：下料反变形措施 对于纵向收缩和横向收缩反映在长度与宽度尺寸上预先加余量；对于挠曲变形预制拱度；,a）按图纸下料 b）焊后残余变形 c）预制反变形,下挠,上拱,平直,装配反变形举例：a）没有预制反变形 b）预制反变形,焊前 焊后,焊前 焊后,图2-67 焊接梁柱结构的反变形,(2)刚性固定法,这种方法是将待焊接的构件设法固定，限制焊接变形，用于防止角变形和波浪变形效果较好，但对

36、于防止弯曲变形效果远不及反变形法。基本原理：力图使焊缝区在冷却过程产生较大的拉伸塑性变形，以抵偿加热过程产生的热压缩塑性变形。基本应用：适用于控制薄板波浪变形和角变形！,应用举例：,工件,压板,控制薄板T形接头的 角变形!,图2-68 刚性固定法焊接法兰盘,（a）采用压铁（b）用角钢临时增加近缝区刚性图2-69 防止薄板波浪变形的辅助措施,2.4.2.3 随焊温度场调控方法,该方法是通过加热或者冷却不同的部位，调整焊接温度场，控制焊缝和近缝区塑性应变的发展，减小塑性变形的大小和范围，达到控制焊接变形和调整焊接应力的目的。随焊温差拉伸法 随焊激冷法,(1)随焊温差拉伸法,方法要点：三要素 位置、

37、形状、温度。在焊缝两侧母材带状加热至200左右。利用加热带自身的热胀效应，对焊缝产生直接的拉伸作用并产生拉伸塑性变形，从而松弛应力。,图2-70 温差拉伸专用夹具,(2)随焊激冷法,图2-71 随焊激冷法的原理,基本原理是利用与焊接加热过程相反的方法，采用冷却介质使焊接区获得比相邻区域（母材）更低的负温差，在冷却过程中，焊接区由于受到周围金属的拉伸而产生伸长塑性变形，从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性变形，达到消除残余应力的目的。,2.4.2.4 随焊逆变形调控法,通过在焊接过程中引入一些特殊的机械手段，使不均匀的焊接温度场造成的焊缝及近缝区不均匀的变形均匀化，从而达到调控焊接变形和残余应力的目

38、的。预拉伸法 随焊碾压法 随焊锤击法 随焊冲击碾压法,通过在近缝区施加拉伸载荷，使得焊缝和近缝区由于受热不均造成的不均匀变形均匀化，从而达到调控焊接变形和残余应力的作用。应用对象：对塑性好的材料适用。,图2-72 施加预拉伸载荷的几种方案,(1)预拉伸法,(2)随焊碾压法,随焊碾压法是将碾压方法与焊接过程同时进行,采用本方法的主要目的是为了减小焊接变形和降低残余应力，可以用平面轮或凸面轮直接碾压焊缝金属或近缝区。,(3)随焊锤击法,将锤击方法在焊接进行的过程中使用就构成了本方法。,焊枪 2-汽锤 3-固定平台 4-锤头 5-工件图2-74随焊锤击实施方案,(4)随焊冲击碾压法,这种方法是将随焊

39、锤击的锤头换成可以转动的小尺寸碾压轮，碾压轮在冲击载荷作用的间隙内向前滚动，它保持了随焊锤击的优点，并克服了焊缝表面质量不佳的问题。,2.4.3 焊后调节措施矫正措施,机械方法加热方法,2.4.3.1 机械方法,利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相互抵消，这是减小和消除焊接应力与变形的基本思路之一。机械矫正法 机械拉伸法 振动时效法,(1)机械矫正法,(a)三点弯曲矫形(b)辗压矫形图2-75 机械矫正法的应用,平板：利用平板机或辊床平板，适用于薄板拼接后的波浪变形；碾压：利用圆盘或轮辗压焊道及其两侧，使之产生塑性伸长；特别适 用于塑性好的铝合金；锤击：适用于局部角变形（如

40、客车钢结构总装之前的矫正）；专机：适用于大型结构（如客车厂350t侧墙矫直机）。,(2)机械拉伸法,对焊件施加一次机械拉伸，可以起到减小纵向焊接变形和降低残余应力的效果。因为焊接残余应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，残余应力也就消除的越彻底。,(3)振动时效法,利用偏心轮和变速电动机组成激振器使结构发生共振所产生的应力循环来降低残余应力。,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 图2-76 振动循环次数与消除应力的效果,振动传感器,橡胶垫,构件,激振器,振动主机,偏心块,振动时效

41、工艺,图 振动时效处理工艺,2.4.3.2 加热方法,火焰矫正法高温回火 整体高温回火 局部高温回火,图2-77 火焰矫正法的应用,(1)火焰矫正法调节焊接变形,利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。,火焰矫正三要素：位置、形状、温度。火焰加热位置选择：使火焰加热区新产生的残余变形与已经产生的残余 变形相互抵消！火焰加热形状选择：火焰加热形状有：点状、带状、三角形等。应用时要恰当选择！火焰加热温度选择：火焰加热温度一般选择为：550650,波浪变形,图 点状加热,a),b),c),图 线状加热a)直通加热 b)链状加热 c)带状加热,适用于,角变形

42、,图 工字梁弯曲变形的火焰矫正,弯曲变形,(2)高温回火消除残余应力,依据工件的受热状况不同，分为：整体消应力热处理整体高温回火；局部消应力热处理局部高温回火；这是一种最常用、也最实用的方法。技术原理：利用完全塑性化温度条件，即钢材屈服极限接近为零的性质，松弛焊接应力。高温蠕变也会引起应力松弛。技术要点：将工件加热至一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却。保温时间根据工件厚度确定。,整体高温回火 将整个焊接构件加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度，材料的成分和组织，也和应力状态，保温时间有关。对于同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力也就消除得越彻底。

43、,存在问题：母材和焊缝金属性能恶化。有再热裂纹的倾向。,图2-78 低碳钢消除应力退火温度与时间的关系,局部高温回火 处理的对象只限于比较简单的焊接接头。消除应力的效果与温度分布有关，而温度分布又与加热区的范围有关。为了取得较好的降低应力的效果，应该保证足够的加热宽度。,离焊缝中心B处的温度,第五节 焊接残余应力的测量方法,按其对结构的是否破坏来分 按测试原理分,2.5.1 测量方法的分类,有损测试法无损测试法,全破坏法半破坏法,应力释放法X射线法,原理：利用构件在机加工后应力部分释放，会产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。,(1)应力释放法,钻孔法 是应力破坏性最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推算小孔处的应力。,图 小孔法测内应力,（2）射线衍射法,原理：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用X射线，以掠角入射到晶体表面时，如果能满足2dSin=n，则X射线在反射方向因干涉而加强。缺点：,图 X射线衍射法测应力,