焊接内应力及调控措施

1、国际焊接学会授权的培训机构国际焊接学会授权的培训机构 哈尔滨焊接技术培训中心哈尔滨焊接技术培训中心 Harbin Welding Training Institute 国际焊接工程师培训课程国际焊接工程师培训课程Training Course for International Welding EngineerIIW Authorised Training Body焊接内应力及调控措施焊接内应力及调控措施吉林大学吉林大学 李桂中李桂中IIW Authorised Training Body 1、导论、导论 图1 a）气焊和 b）电弧焊温度场的分布（板厚为5mm） 焊接的热效应导致焊件内产生焊接

2、内应力，不同焊接工艺在焊接部位产生 不同形状的温度场。该温度场的温度变化区间为从金属的熔点（钢为1500） 至室温（约为20）。 图1 为气焊和电弧焊温度场的分布情况。 IIW Authorised Training Body 焊接热过程中，温度场是动态变化的。等温线也是逐渐扩展的。工件上某一点处的温度也是随时改变着的。习惯上把该点温度随时间的变化规律称为该点的焊接热循环曲线（如图2所示）。 不同时间、不同位置、有不同的温度！必将产生不同的热变形，甚至膨胀和收缩也不同步。这种不均匀、不同时、不同步的热变形，就会导致工件内部的相互拘束，因此就会导致内应力及热塑性变形的产生。 最终还会导致残余应力

3、和残余变形。Tt 图2 工件上某一点处的热循环曲线 焊接温度场的整体描述： T = f（x，y，z，t） 即焊接温度场是时间和 空间的函数。IIW Authorised Training Body温度场的整体描述 横看成岭纵呈峰； 远近温升各不同； 等温环线有疏密； 最终回归热平衡。 IIW Authorised Training Body 图3 自由延伸自由收缩 图3属于自由状态，即钢棒加热时能自由延伸；冷却时又可自由收缩，最终恢复到原始长度。在整个过程中不存在变形阻力，更不会产生任何塑性变形。因此钢棒内在热循环过程中不存在任何内应力。 一组小试件均匀加热和冷却的变形循环与分析（1）无拘束条

4、件IIW Authorised Training Body 图4 自由延伸限制收缩 图4属于自由延伸限制收缩状态，即钢棒在加热过程中可自由延伸；而在冷却时其收缩却受到刚性限制刚性限制，这样冷却后在钢棒内将产生拉应力，当拉应力大于该材料的抗拉强度时，导致钢棒断裂。 （2）自由延伸-限制收缩IIW Authorised Training Body 图5 限制延伸自由收缩 图5属于限制延伸自由收缩状态下，钢棒受热时不能自由延伸而产生压应力，随着加热温度的提高，屈服极限随之下降，并导致“锻粗”，即产生压缩塑性变形。在冷却时却对钢棒的收缩没有限制，已产生的“锻粗”部位不能恢复原态，故钢棒最终将变短，但不

5、存在残余应力。 （3）限制延伸-自由收缩IIW Authorised Training Body（3）（3）限制膨胀限制膨胀 特征：特征：e 0， T 自由收缩自由收缩 特征：特征： e T T, T ,e, T, T ,e,a）TMAXTS= 100 b) TMAX= 300 |max| s ,p= 0 |max|s 无残余应力与残余变形！ | p max| = 2 s t0 t1 t2100200300有残余变形，无残余应力！t0 t1 t2 t3 t4 IIW Authorised Training Body 图6 限制延伸限制收缩 图6属于限制延伸限制收缩状态，即加热时钢棒的延伸受到限

6、制，产生压应力，随着温度的增加，钢棒的屈服极限下降，直至产生“锻粗”，压应力随之减小。在冷却时，钢棒收缩受到限制，导致在钢棒内产生较大的拉应力 。甚至产生较大的拉伸塑性变形！（4 4）限制延伸限制延伸- -限制收缩限制收缩IIW Authorised Training Body（2）刚性拘束刚性拘束 特征：特征：e 0， T T, T ,e,T, T ,e,a）TMAXTS= 100 b) TMAX= 300 |max| s ,p= 0 |max|s 无残余应力与残余变形！ | p max| = 2 s t0 t1 t2+100200300有残余应力，无残余变形！IIW Authorised

7、Training Body2 2、拉伸试验与温度的关系、拉伸试验与温度的关系 图7表示了碳钢在不同温度下进行拉伸试验的特征曲线变化趋势。 图7 材料特性值与温度的关系（1碳钢 2低合金钢） IIW Authorised Training Body 3. 3. 焊接内应力的产生及分布焊接内应力的产生及分布 3.1 典型钢棒内应力的分析 将一钢棒固定在刚性结构上后加热（如图8所示），由于钢棒的延伸受到限制，则在钢棒内将产生压应力。 图8 固定钢棒所产生的压应力 IIW Authorised Training Body 钢棒：材料S235（Re=235N/2） 长度=100 t=60/80/100/

8、120t=60 =151N/2 t=80 =201N/2t=100 =252N/2 t=120 =302N/2 图9为一端固定的钢棒。将钢棒加热到1500（理论上），随着温度的升高，钢棒的抗变形能力下降，出现延伸及墩粗。当冷却到室温时，钢棒缩短了2%，该2%即为铸造时所考虑的收缩量。 Et Elltll,00图9 一端固定的钢棒 0.001IIW Authorised Training Body图10 二端固定的钢棒 图10为二端固定的钢棒。加热及冷却过程如上述一样，当冷却至室温时，钢棒将被拉长大约2% （其中一部分为塑性的，一部分为弹性的）。由弹性部分导致了残余应力,即拉应力。根据平衡原理，

9、在固定钢棒的刚性结构中也有应力存在。 IIW Authorised Training Body 3.2 3.2 焊件内应力的产生和分布焊件内应力的产生和分布 平板侧面堆焊和平板对接焊缝焊接过程中的温度分布如图11所示。 图11 侧面堆焊和平板对接焊温度分布图 从图7可分析到钢的屈服极限在0500时，金属基本是一个常数，当温度升至500以上时，发生陡降，当温度达到600时，接近于零。说明此时金属几乎处于完全塑性状态完全塑性状态，在很小的外力作用下即可以产生塑性变形塑性变形。 sssIIW Authorised Training Body 3.2.1 纵向应力产生的原因 金属在加热时的伸长量与温度

10、成正比（自由状态下）。我们假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成，在焊接过程中，它们由于各自受热情况不同，将按温度分布情况伸长；同时在冷却时，各小板条又将收缩回原处，这样就不会有内应力出现。然而我们假设的小板条之间是互相联系的，互相牵制的。因此，焊接时，温度高伸长大的板条就受到温度低伸长小的板条拘束（产生压缩塑性变形）；而温度低伸长小的板条又会受到温度高伸长大的板条拉伸。因此，高温部分就会产生压应力，而低温部分就会产生拉应力。 当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区压缩塑性变形的存在，就会产生较大的收缩量。根据平面假设原理，这部分压缩塑性变形区会被拉伸，产生拉应力，焊件低温区则产生压应力。 II

11、W Authorised Training Body具体分析1) TMAX TS 的最高温度状态的最高温度状态T假象状态假象状态 实际状态实际状态 平面变形平面变形 各自独立各自独立|max | s TeIIW Authorised Training Body 冷却终了： 由于由于TMAX TS ，故内部变形故内部变形 s ； 单元体内部单元体内部没有塑性变形没有塑性变形，即，即p 0； 单元体内每个小窄条处于单元体内每个小窄条处于完全弹性状态完全弹性状态。 因此，加热循环结束后，单元体因此，加热循环结束后，单元体没有没有 任何残余变形，任何残余变形，最终恢复到原始状态。最终恢复到原始状态。

12、所以，单元体内部也所以，单元体内部也没有任何残余应力没有任何残余应力！具体分析IIW Authorised Training Body 2) TMAX TS具体分析s|max | s p 加热状态加热状态冷却终了冷却终了中心受压，两边受拉中心受压，两边受拉 中心受拉，两边受压中心受拉，两边受压ee IIW Authorised Training Body2.1.12 长板条中心焊接试件分析长板条中心焊接试件分析 提示： 1. 加热最高温度远超过加热最高温度远超过T TP P; ; 2. 最大塑性变形最大塑性变形P P远超过远超过s； 因此，因此， 应力分布图出现新的变化；应力分布图出现新的变化

13、； 残余应力的峰值将达到残余应力的峰值将达到s 。IIW Authorised Training Body加热至最高温度时的应力分布加热至最高温度时的应力分布 长板条中心焊接长板条中心焊接+加热至最高温度状态加热至最高温度状态seT P特点:应力场两边受拉,中部受压;总体平衡！中心区中心区应力为零;压缩塑性变形最大；外观变形平移伸长；材料处于三种状态： a）弹性状态； b）弹塑性状态； c）完全塑性状态。IIW Authorised Training Body冷却至室温的应力分布图 残余应力分布Pe 冷却终了：冷却终了：两边受压，中心受拉；两边受压，中心受拉； 峰值应力达到峰值应力达到s s，

14、产生拉伸塑性变形，产生拉伸塑性变形 P PIIW Authorised Training Body 3.2.2 横向应力产生的原因 焊接结构横向应力比较复杂，它是由下面的原因所致焊接结构横向应力比较复杂，它是由下面的原因所致。 1）由由纵向收缩变形纵向收缩变形引起的引起的横向应力横向应力 单边堆焊焊后焊件变形如图单边堆焊焊后焊件变形如图12a12a，如果焊缝位于焊件中心，此时，我们，如果焊缝位于焊件中心，此时，我们可以假设沿焊缝中心将焊件切开，这时切开的焊件便成了两个单边堆焊焊可以假设沿焊缝中心将焊件切开，这时切开的焊件便成了两个单边堆焊焊件，焊后焊缝边缘区发生纵向收缩。件，焊后焊缝边缘区发生

15、纵向收缩。 但实际上焊缝是将这两块板牢牢连接在一起的，因此在焊缝中部将但实际上焊缝是将这两块板牢牢连接在一起的，因此在焊缝中部将 产生横向拉应力，焊缝的两端则出现了横向压应力，如图产生横向拉应力，焊缝的两端则出现了横向压应力，如图12b12b。 图12 单边堆焊和对接焊缝中的横向应力分布 IIW Authorised Training Body图13 不同焊接顺序产生的横向应力分布上述两种原因产生的横向应力是同时存在的，最终的横向应力是两者的合成两者的合成。 2）由焊缝冷却顺序冷却顺序不同形成的横向应力 在生产实践中，同样焊接一条直缝，如果在焊接次序和方向不同，就会出现不同的横向焊接内应力。这

16、是因为整条焊缝不是同时完成的，有先焊后焊之分。 先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却；先冷却的部分会限制后冷却部分的横向收缩，这种行为也是一种拘束现象因而形成了横向应力。 不同焊接顺序产生的横向应力见图13。 IIW Authorised Training Body 3.2.3 应力分布状态 （1）纵向、横向应力分布状态（图14 ）图14 纵向、横向应力分布状态 IIW Authorised Training Body （2）角焊缝焊接结构中的应力分布（图15) 图15 角焊缝的应力分布从图中可见，在由板材组成的构件中同样存在焊接内应力。IIW Authorised Training Body

17、（3）三向应力三向应力状态状态 上述所举的例子中均未考虑板厚方向的收缩应力。可以肯定，随着材料厚度的增加，在厚度方向上的内应力也会增大。这就产生了三轴应力状态，如图16所示。这种应力状态极容易导致脆性断裂。 多轴应力状态见图16。 图16 多轴应力状态 IIW Authorised Training Body（4）焊接工字梁的内应力分布 图17 焊接工字梁中的内应力分布状态由于在焊接结构中总是存在着多轴应力状态，因此不能形成标准的屈服极限，构件的断裂强度至少要超过标准屈服极限的2倍。研究表明拉伸内应力可达500N/ /2 2至600N/ /2 2。 IIW Authorised Trainin

18、g Body 图18、图19为内应力测量试件和在手工焊、埋弧焊时的内应力分布曲线。 图18 内应力测量试件尺寸 IIW Authorised Training Body图19 （）手工焊、（）埋弧焊内应力分布曲线图 IIW Authorised Training Body 4. 不同缺口状态下的应力应变图（图20） 图20 不同缺口状态下的应力和应变图 上图中的a，b，c，d，e，f的试样缺口尺寸见图21。 IIW Authorised Training Body 在单轴和多轴应力状态下 ，材料的行为可简单地通过带有少许或多个缺口的试样进行验证，与未开缺口的试样相比较，开缺口的试样其应力值将发

19、生明显的变化。如下图中f号试样的试验结果所示。 图21 试件的缺口尺寸 IIW Authorised Training Body 从图22可以看出，为什么在钢结构中不希望有焊接造成的咬边咬边存在。因为咬边处，其应力值可达到很高数值。 图22 焊接结构的咬边 IIW Authorised Training Body 5. 裂纹的形成 前面所论述的是在外部载荷作用之前，焊接构件中可能存在的焊接应力的种类，方向和大小。 图23 裂纹形成机理 焊接裂纹通常是由收缩应力而引起的，而实际的关系有时恰好相反。如果材料的抗变形能力差而不能形成收缩应力，则也会产生裂纹，不是收缩应力超过材料的强度，而是材料的抗变

20、形能力差从而导致裂纹的形成。 IIW Authorised Training Body 6. 消除内应力的措施消除内应力的措施 6.1 预热 焊前对焊接部位进行预热，对消除内应力有许多有利因素。 可降低厚大件的应力峰值； 可避免高强钢及合金钢的淬硬倾向及延迟裂纹（预热温 度100至300）； 对点固焊和第一道焊缝尤为重要，因为在这二种情况下热 循环状态是不利的； 抵偿冷空气的影响（预热温度大约为60）； 降低材料的导热能力，使之更好熔合，如铝及铜等。6.2 消除应力退火 消除焊接内应力的最好和最可靠的办法是对材料整体消除应力 退火。由此可将实际的应力水平降低至原有的15%左右。此时残余 应力大

21、约在50-100N/mm2，而这对该结构构不成危害。IIW Authorised Training Body6.3 6.3 局部消除应力退火局部消除应力退火 如果存在如下情况可进行局部消除应力退火： 焊接结构件尺寸太大进不了退火炉； 退火炉构造和进炉存在问题或成本太高； 由于工期原因整体结构在退火时无专用夹具； 在局部热处理之前应注意，此工艺是与焊接同时进行的。 为达到较明显降低内应力的目的，必须使退火区尽可能宽些（此理论意在等同整体退火处理）。 通过对局部退火的多次试验，推导出局部退火的最佳宽度公式，这一公式与相应的标准和公式是相符合的。 公式中的管半径为“R”，构件壁厚为“t”，最低退火宽

22、度bg可用下列公式表示： 2bg5(Rt)0.5 = 2.5RtIIW Authorised Training Body 前提是焊缝两侧均存在应力。经此处理可在较大范围内使应力降低,故不会出现高的应力峰值。图24 管件局部退火宽度图示IIW Authorised Training Body 6.4 6.4 火焰消应力法（火焰消应力法（温差拉伸法温差拉伸法） 火焰消应力法早在上个世纪50年代就已经在造船和大型储罐中采用了，特别是在消除纵向应力时，采用这种工艺可以显著降低应力峰值。 火焰加热枪沿焊缝两侧布置并沿焊缝平行移动，两侧宽度加热大约至150200，此时焊缝区温度大约为50100。有两个水冷

23、喷嘴紧随其后（见下图）对两侧进行水冷却，由此使加热区受到控制而产生一拉应力，由于拉应力的作用使焊缝区产生塑性变形，冷却后将应力降低。 采用这种方法应注意的一个问题是：钢板正面的应力得到了消除不等于钢板反面也如此，所以反面也应进行同样处理。IIW Authorised Training Body图25 火焰消除应力法时火焰加热枪的布置，温度及应力分布IIW Authorised Training Body 6.5 机械法消除应力 机械法消除应力有以下三种方式： 锤击焊缝 整体冷校正 振动消除应力法 6.5.1 锤击焊缝 在焊厚大件时，应在每道焊缝冷却后都进行锤击，但先决条件是，被焊材料为韧性材料

24、，以免锤击时产生裂纹，有时为避免收缩裂纹可采用锤击法。 6.5.2 整体冷校正（机械拉伸） 在构件实施某一附加负荷，它与构件中的固有应力叠加之后将大大高于该材料的屈服强度，故产生塑性变形使应力值得到下降。IIW Authorised Training Body所减少的应力值屈服极限外部施加应力值图26 构件固有应力在实施附加负荷后对屈服极限的影响 IIW Authorised Training Body采用该种工艺需要考虑以下几点：材料的延展性，包括屈服强度和形变能力缺口效应的影响，包括焊缝的不规则缺陷受力前后应进行无损检验不同厚度材料连接刚性施加外部负荷时的环境温度施加外部负荷时的速度外力施

25、加时和施加后对产生的变形的测量IIW Authorised Training Body6.5.3 振动消除应力 对于一个完整地焊接结构来说，一般不采用这种工艺进行消除应力，因为它必须满足下列一系列的先决条件： 它的应力振幅的最低值必须与该结构的固有振动频率产生共振； 必须用各种不同的频率进行振动，因为它所需要的应力幅值可能仅仅在局部地方发生； 重要一点是对于所要求的频率不可能直接给出定量的数值，为此所花费的时间和成本亦较高 当然对于较简单的构件亦可采用这种方法，特别是在机械加工件在保持它的尺寸精度方面还是一种较好的消除应力的工艺。IIW Authorised Training Body 7.

26、7. 内应力的测量内应力的测量 l0当标定时=100mm l断开后=99.9mm E210000N/mm2根据虎克定律20/2101001009 .99210000mmNllE 内应力的测量及再现对结构的设计及各类构件的安全性评定具有重大意义。如果有可能最好无破坏地测定工件上任一部位的内应力的方向和大小，以便采取相应措施消除内应力。7.1 X射线衍射应力测量法 X射线衍射法是目前唯一的无损检测内应力的方法 。由于其局限性且只能测量表层约0.01mm0.01mm的厚度范围。7.2 机械应变测量法 所有其它方法均为破坏性应变测量法，其内应力是由所测部位的回弹量来测定的。IIW Authorised

27、 Training Body 小孔释放 电阻应变片 图27 机械应变测量的二种方法 IIW Authorised Training Body 8、防止裂纹产生的措施 8.1 材料的选择 选择材料时主要考虑的因素为：应力状态，构件的作用，工作强度，工件厚度及冷作成型性等。 焊接填充材料： 表1中给出了按DIN1913标准要求的部分焊条的机械性能： IIW Authorised Training Body 在低温下焊接时应采取下列预防措施： 用帐篷保护焊接区域； 在帐篷内加热 焊接部位预热（焊缝两侧300mm范围） 缓慢冷却 8.2 避免采用厚翼板结构形式(见图28)图28 厚翼板结构形式 IIW

28、 Authorised Training Body8.3 控制角焊焊缝厚度 在考虑到热输入量的条件下按ENDIN18800标准来选择角焊缝的厚度。8.4 避免用十字接头 在焊接结构中应尽量避免采用十字接头，其次还应考虑到选择合理的焊接顺序，以降低应力水平（如图29）。图29 避免采用十字接头 IIW Authorised Training Body 8.5 分部件组焊 在考虑到内应力的情况下，焊接时应尽量使单一构件可自由伸缩， 也就是说从中间往两侧焊，而固定整个构件的焊缝应放在最后焊（图30）。 图30 分件组焊顺序 在考虑到变形的情况下，应注意焊道的排列顺序，即从外向内焊， 先焊固定整个构件

29、的焊缝。（有时是不可能的！） IIW Authorised Training Body 8.6 抗弯梁的现场组对焊（图31）图31 抗弯梁现场组对焊接顺序 IIW Authorised Training Body焊接工序：车间：将腹板与翼板间的角焊缝焊至距接头处200300mm原因：1）安装时装配组对精度高。 2）在组对焊时，可使内应力均匀分布。安装： 下翼板的焊接（1）受拉区 上翼板的焊接（2）或上、下翼板同时焊接 焊接腹板（3） 焊接颈部角焊缝（4）和（5） 坡口准备（下翼板）和焊接顺序见图32 图32 下翼板坡口形式和焊接顺序 IIW Authorised Training Body 翼

30、板的焊接及检验 1）静载结构 在翼板焊缝范围内的腹板上加工出一个缺口。这样有利于翼板的焊接和检验，待焊接和检验完成后，再重新封闭焊接。 2）动载结构 在翼板焊缝范围内的腹板上加工一个缺口（见图33），待焊接和检验完成后再封闭焊接上。但封闭焊接时采取全焊透形式。图33 静载和动载翼板缺口形式IIW Authorised Training Body9、收缩及变形 变形存在多种不同型式，但变形的程度与结构的刚性有关。应力与变形的综合关系如下： 薄板 变形较大 应力较小 厚板 变形较小 应力较大图34 变形与应力对收缩量的影响IIW Authorised Training Body9.1 纵向收缩 焊

31、缝纵向应力将导致构件的纵向缩短。 当构件为下述情况时，将不会出现大的变形： 工件厚度较大； 焊缝重心轴的位置与构件重心轴的位置相一致图35 对接和角接焊缝的收缩IIW Authorised Training Body 对接和角接焊缝的收缩量在加工中可以用简化的形式，按下列数值进行计算： 对于壁厚较大构件0.1mm/m焊缝 对于薄壁构件见表2 ： 表2 焊缝与母材截面之比对收缩量的估计焊缝横截面与母材横截面之比收缩量1:1500.11:800.31:501.0注：相邻焊缝应按每条焊缝收缩量合并计算。IIW Authorised Training Body 9.2 弯曲变形和波浪变形 挠曲是构件经常产生的一种变形形式。它是长形构件因不均匀加热和冷却于焊后两端翘起的变形。主要是因为焊缝与构件的重心轴不一致且构件的刚性不高所致。图36 构件重心轴位置对弯曲的影响IIW Authorised Training Body 如果某一结构的板厚很薄而刚度亦不高，则易产生如图37所示的波浪变形，而这种变形的校正将是很困难的。图37 构件的波浪变形IIW Authorised Training Body 9.3 横向收缩 横向收缩量的大小与焊缝截面及热影响区大小有关，而这对于对接焊缝和角接焊缝的影响肯定亦不同，角接焊缝比对接焊缝的横向收缩量要小，因为角焊缝熔深只占它的板厚