焊接结构讲课完整版2013-5-20

1、焊接结构力学主讲：刘雪松联系方式：联系方式0451-86418433 哈工大哈工大 材料学院材料学院817室室第3章 焊接应力与变形 3-1 内应力的产生 3.1.1内应力及产生原因 按分布范围分为： 第一类内应力（宏观，工程中主要研究对象） 第二类内应力（微观内应力，晶粒尺寸） 第三类内应力（超微观内应力，晶格尺寸）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：受热不均匀或构件受外部拘束 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、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

2、。图图3-1 加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线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3.1.2热应变和相变应变T= (T1-T0)= T= （T） 温度场变化引起热应变和相变应变，造成应力和变形温度场变化引起热应变和相变应变，造成应力和变形图图3-2 奥氏体钢和珠光体钢的热膨胀曲线奥氏体钢和珠光体钢的热膨胀曲线a）无相变奥氏体钢）无相变奥氏体钢 b）有相变珠光体钢）有相变珠光体钢加热与冷却时的屈服强度滞后现象图图3-3 HY-80高强钢屈服强度与温度的关系以及屈服之后现象高强钢屈服强度与温度的关系以及屈服之后现象3.2

3、 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： Lee =Le /L0 内部变形： L =(LT Le) =L /L0 内应力内应力 = E =E (e T)3.2.1简单杆件的应力与变形 图图3-4 金属杆件的受热变形金属杆件的受热变形a）自由变形量）自由变形量b）外观变形量）外观变形量杆件的温度、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，则存在弹性和塑性变形， p= e -T - s；图图3-5 低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线对于低碳钢，假定杆件中的

4、对于低碳钢，假定杆件中的应力应力达到达到s后就不再升高后就不再升高即将低碳钢视为理想弹塑性体即将低碳钢视为理想弹塑性体金属高温性能随温度变化对于低碳钢：CTCTcCTcsss600, 0600500, 0500,（增补内容）受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程)(. 1TesE弹性状态，无残余应力CETECTsTeMAXs100)(500,. 2有塑性变形及残余应力CTMAXs600,. 3残余应力等于材料屈服极限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）图图3-6 长板条中心加热示意图长板条中

5、心加热示意图截取板条的单位长度研究dxYBB.2/2/dxEBBTe2/2/)(0)(2/2/dxxfEBBe温度低，无塑性变形,应力平衡：图图3-7 长板条中心长板条中心加热时的变形加热时的变形2222)(YBBpeBBdxEdx222222)(BCeCCpeCBedxEdxxfEdxE温度高，产生塑性变形，残余应力：0)()(22BBpeedxxfECBE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:)(xfpp则残余应力为：则残余应力为： )(xfEpe残余应力和变形的平衡条件可表达为：残余应

6、力和变形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，不能发生图图3-8 板条一侧不对称受热时的应力和变形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内应力 = E =E (e T)图图3-9板条单边加热到不同温度时的应力与变形板条单边加热到不同温度时的应力与变形BBdxxMdxY0000力矩平衡：内应力平衡：长板条单侧加热内应力平衡及力矩平衡分几种情况考虑： 1）加热温度低，无塑性变形时 = E =E (e T)T=(T1-T0)0)()(0000BeBTeBdxTTEdxEdxY0)()(0000BeBTeBxdxTTExdxExd

7、xM由于此时截面发生转动，即e不再是常数，而是x的线性函数，即：)(00eeBeeBx求解可得到求解可得到e0和和eB，并进而可求出，并进而可求出e和和。此外还可以求出板条的平均变形率此外还可以求出板条的平均变形率em：2)(0eBeem板条在该截面内的曲率板条在该截面内的曲率C： BCeeB)(0结论：在这种情况下，内部变形小于金属屈服极限的变形率，则温度恢复后，板条中即不存在残余应力，也不存在残余变形。2）加热温度较高，使板条在靠近高温一侧的（B-Xs）局部范围内产生塑性变形 )()0()(0BxxTTsssTBessBxsxeTedxTTxBdxdxTTdxss00000)()()()(

8、BessBxsxeTexdxTTxBxdxxdxTTxdxss002000)()(2)()(3)当加热温度很高，造成板边（B-x2）一段内的s=0，即变形抗力为零（见图3-9(c)）。此时，在（B-x2）一段内，由于温度很高，使变形抗力为零，在此区域内发生完全塑性变形，而应力=0。在（x2-x1）范围内，塑性变形抗力从x2处的=0线性变化到x1处的=s=Es，在此区域内可将应力表示为=s(T)=Es。在（x1xs）范围内，发生塑性变形，塑性变形抗力为s，即=s，并且有=s。在（xs0）范围内为弹性变形区。采用与前述相同的处理办法，可得：0)()()(2)(0112000211dxTTExxEx

9、xEdxEdxEdxEdxEdxYesssxxsxxsxTeBBsssssxesssxxsxxsxTeBBxdxTTExxExxxxxxxExdxExdxExdxExdxExdxM00221212223132210000)()(2)(23)(211可以求出可以求出xs、e0、eB等参数，并进而求出等参数，并进而求出e和和。 Tess:另有结论：当s时产生残余应力和残余变形（如图27）；当s时不产生残余应力和残余变形；3.2.3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。 焊接过程中焊接过程中所发生的应

10、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。1.引起焊接应力与变形的机理及影响因素图图3-10 引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系焊接温度场特点：a.变化范围大；b.温度梯度大温度场特点会导致两方面问题：（1）高温下金属性能发生显著变化；（2）平面假设的准确性降低，相变、物理和力学参数变化， 进一步影响应力应变分布规律。图图3-11 几种典型金属材料的屈服强度随温度变化几种典型金属材料的屈服强度随温度变化图图3-

11、12 平板中心焊接时的内应力分布平板中心焊接时的内应力分布平面假设近似成立的条件：焊接速度快、材料导热性差（低碳钢、低合金钢）图图3-13 薄板焊接时的温度场薄板焊接时的温度场2.焊接应力与变形的演变过程(*）图图3-14 薄板中心堆焊时横截面上的纵向应力变形演变过程薄板中心堆焊时横截面上的纵向应力变形演变过程纵向残余应力产生原理及应力平衡3.焊接热应变循环 图图3-15 低碳钢焊接近缝区的热循环与热应变循环示意图低碳钢焊接近缝区的热循环与热应变循环示意图a)离焊缝较远、最高温度低于相变温度离焊缝较远、最高温度低于相变温度b)离焊缝较近、最高温度高于相变温度离焊缝较近、最高温度高于相变温度4.

12、在热循环过程中，材料性能的变化在热循环过程中，材料性能的变化 (焊接热裂纹形成条件)金属降温通过金属降温通过TB时是否发生开裂，时是否发生开裂，取决于三个因素：拉伸应变随温度取决于三个因素：拉伸应变随温度的变化率的变化率 （即通过（即通过TU点的射线的点的射线的斜率）的大小、脆性温度区间斜率）的大小、脆性温度区间TB的大小和金属处在这个区间内时所的大小和金属处在这个区间内时所具有的最小延性具有的最小延性min。 T316-3,)(中射线图产生裂纹cTT216-3,)(中射线不产生裂纹，图cTT图图3-16 金属在高温时的延性和断裂金属在高温时的延性和断裂116-3)(中射线为临界值，图cT在焊

13、接冷却过程中，特别是在在焊接冷却过程中，特别是在200300范围内的塑性变形会消耗金属的范围内的塑性变形会消耗金属的一部分延性，对金属在室温和低温下的一部分延性，对金属在室温和低温下的延性有较大的影响，使其发生延性耗竭。延性有较大的影响，使其发生延性耗竭。这种现象在低碳钢，特别是沸腾钢中表这种现象在低碳钢，特别是沸腾钢中表现得更为明显，这被称之为热应变脆化。现得更为明显，这被称之为热应变脆化。 3.3焊接残余应力焊接残余应力这一节讨论焊接残余应力的分布、影响、测量及调控。这一节讨论焊接残余应力的分布、影响、测量及调控。 3.3.1 3.3.1 焊接残余应力的分布焊接残余应力的分布 一般焊接结构

14、制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，在板厚小于在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，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，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。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

15、向残余应力的分布x图图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）此图对于低碳钢适用，焊缝足够长）*焊缝长度较短时，焊缝长度较短时， xs焊缝越短纵向应力焊缝越短纵向应力x的数值就越小。（对于低碳钢适用）的数值就越小。（对于低碳钢适用）图图3-18不同焊缝长度不同焊缝长度x值的变化值的变化不同尺寸、不同截面上纵向残余应力x x的分布（对于低碳钢适用）（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图3-19 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布焊缝纵向应力沿板材横向上的分布a)低碳钢低碳钢 b)铝

16、合金铝合金一般情况下铝合金与钛合金焊件上xs，其原因是： 铝合金和钛合金的铝合金和钛合金的x分布规律与低碳钢基本相似，分布规律与低碳钢基本相似，但焊缝中心的纵向应力值比较低。对于铝合金来说，但焊缝中心的纵向应力值比较低。对于铝合金来说，由于其导热系数比较高，使其温度场近似于正圆形，由于其导热系数比较高，使其温度场近似于正圆形，与沿焊缝长度同时加热的模型相差悬殊，造成了与与沿焊缝长度同时加热的模型相差悬殊，造成了与平面变形假设的出入比较大。在焊接过程中，铝合平面变形假设的出入比较大。在焊接过程中，铝合金受热膨胀，实际受到的限制比平面假设时的要小，金受热膨胀，实际受到的限制比平面假设时的要小，因此

17、压缩塑性变形量降低，残余应力也因而降低，因此压缩塑性变形量降低，残余应力也因而降低，一般一般x只能达到只能达到0.50.8s。对于钛合金来说，由于。对于钛合金来说，由于其膨胀系数和弹性模量都比较低，大约只有低碳钢其膨胀系数和弹性模量都比较低，大约只有低碳钢的的1/3，所以造成其，所以造成其x比较低，只能达到比较低，只能达到0.50.8s。圆筒环焊缝上的纵向（圆筒的周向）应力分布 图图3-20 圆筒环焊缝纵向残余应力的分布圆筒环焊缝纵向残余应力的分布环焊缝纵向应力与圆筒尺寸及焊接塑性变形区宽度的关系 图图3-21 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环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊接塑

18、性变形区宽度的关系2 2横向残余应力的分布横向残余应力的分布 图图3-22 由纵向收缩所引起的横向应力的分布由纵向收缩所引起的横向应力的分布（1）纵向收缩的影响）纵向收缩的影响-y焊缝较长时，中心部分拉应力焊缝较长时，中心部分拉应力y有所下降有所下降图图3-23 不同长度焊缝上的横向应力的比较不同长度焊缝上的横向应力的比较（2）横向收缩的影响-y图图3-24 不同焊接方向对横向应力分布的影响不同焊接方向对横向应力分布的影响 图图3-25 横向应力沿板宽方向的分布横向应力沿板宽方向的分布 几种情况下横向残余应力的分布规律几种情况下横向残余应力的分布规律y= y+ y3. 厚板中的残余应力图图3-

19、26 厚板厚板V形坡口对接焊缝的三个方向残余应力的分布形坡口对接焊缝的三个方向残余应力的分布a)横向残余应力横向残余应力y yb)厚度方向残余应力厚度方向残余应力zc)纵向残余应力纵向残余应力xyy的作用：的作用：由于每焊一层就产生一次弯曲作用（如图中坡口两侧由于每焊一层就产生一次弯曲作用（如图中坡口两侧箭头所示），多次拉伸塑性变形的积累造成焊缝根部应变硬化，使箭头所示），多次拉伸塑性变形的积累造成焊缝根部应变硬化，使应力不断升高。严重时，甚至会因塑性耗竭而导致焊缝根部开裂。应力不断升高。严重时，甚至会因塑性耗竭而导致焊缝根部开裂。 图图3-27 厚板厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布形坡

20、口多层焊时沿厚度上的应力分布a)z在厚度上的分布在厚度上的分布 b) x在厚度上的分布在厚度上的分布 c) y在厚度上的分布在厚度上的分布图图3-28厚板对层焊时横向残余应力分布的分析模型厚板对层焊时横向残余应力分布的分析模型图图3-29 厚板窄间隙多层焊残余应力分布的有限元计算结果厚板窄间隙多层焊残余应力分布的有限元计算结果图图3-30 25mm厚低碳钢板多层对接焊的残余应力沿板厚方向的分布实测结果厚低碳钢板多层对接焊的残余应力沿板厚方向的分布实测结果 4. 拘束状态下焊接的内应力 图图3-31拘束条件下焊接的内应力拘束条件下焊接的内应力4.封闭焊缝引起的内应力图图3-32 容器接管焊缝容器

21、接管焊缝 图图3-33 圆盘镶块封闭焊缝所引起的焊接残余应力分布圆盘镶块封闭焊缝所引起的焊接残余应力分布 6. 6. 相变应力相变应力 图图3-34 钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线 过程：铁素体过程：铁素体-奥氏体奥氏体-铁素体或马氏体铁素体或马氏体图3-35 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 相变对残余应力场的影响相变应力分布特点图图3-36 横向相变应力横向相变应力my的分布的分布a)由由mx引起的引起的my沿纵向的分布沿纵向的分布 b) 由由mz引起的引起的my在厚度上的分布在厚度上的分布3.3.2

22、 焊接残余应力的影响 内应力对静载强度的影响内应力对静载强度的影响 内应力对刚度的影响内应力对刚度的影响 内应力对杆件受压稳定性的影响内应力对杆件受压稳定性的影响 内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响 内应力对应力腐蚀开裂的影响内应力对应力腐蚀开裂的影响 内应力对疲劳强度的影响内应力对疲劳强度的影响1. 1. 内应力对静载强度的影响内应力对静载强度的影响 图图3-37 外载荷作用下塑性材料构件中应力的变化外载荷作用下塑性材料构件中应力的变化a) 塑性材料塑性材料 b) 脆性材料脆性材料分三种情况讨论:1)塑性(韧性)材料;2)脆性材料;3)材料处于三轴(拉)应力

23、状态;图图3-38 单轴和三轴应力状态单轴和三轴应力状态 三轴应力状态举例:厚大件上的缺口效应图图3-39 缺口根部应力分布示意图缺口根部应力分布示意图2. 内应力对刚度的影响 图图3-40 残余应力对刚度的影响残余应力对刚度的影响EBLPEFLPLLFELPtgEbBLPL)(LPtg小即有焊接应力时刚度减，结果是：gttg图图3-41焊接梁工作时的刚度分析焊接梁工作时的刚度分析 3. 3. 内应力对杆件受压稳定性的影响内应力对杆件受压稳定性的影响 2222EFlEIcr临界失稳应力：图图3-42 受压焊接杆件工作应力的分布受压焊接杆件工作应力的分布a) 受压前受压前 b) 受压后受压后FI

24、r 构件长细比,/rl1223bxBI受压前：12)(23bxBI受压后FIlrlFIlrlxxxxxx结论：受压可能使临界失稳应力下降结论：受压可能使临界失稳应力下降图图3-43 带气割边及带盖板的焊接杆件的内应力分布带气割边及带盖板的焊接杆件的内应力分布 图图3-44 焊接箱形杆件的内应力分布焊接箱形杆件的内应力分布 4. 内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响 图图3-46 机械加工引起的内应力释放和变形机械加工引起的内应力释放和变形 5. 内应力对应力腐蚀开裂的影响 图图3-47 不锈钢的应力腐蚀开裂曲线不锈钢的应力腐蚀开裂曲线3.4 焊接残余变形3.4.1 焊接残余变形的分类 （1）纵向

25、收缩变形）纵向收缩变形 （2）横向收缩变形）横向收缩变形 图图3-48 纵向和横向收缩变形纵向和横向收缩变形（3）挠曲变形）挠曲变形 :挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起 图图3-49 挠曲变形挠曲变形a）由纵向收缩引起的挠曲变形）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）由横向收缩引起的挠曲变形（4）角变形）角变形 表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移 图图3-50 角变形角变形 （5）波浪变形）波浪变形 （6）错边变形）错边变形 图图3-51 波浪变形波浪变形图图3-52 错边变形错边变形a

26、）长度方向的错边）长度方向的错边 b）厚度方向的错边）厚度方向的错边（7）螺旋形变形 图图3-53 螺旋形变形螺旋形变形焊接变形带来的影响：影响外形和承载能力图图3-54 角变形引起的不圆度角变形引起的不圆度图图3-55 不等厚板搭接接头的角变形不等厚板搭接接头的角变形3.4.2 纵向收缩变形及其引起的挠曲变形图图3-56 焊接缩短变形的分布焊接缩短变形的分布pFpfdFEF可以将变形区的产生设想成在焊缝部可以将变形区的产生设想成在焊缝部位存在一个收缩力，这一收缩力作用位存在一个收缩力，这一收缩力作用在原始无应力的构件上，使构件产生在原始无应力的构件上，使构件产生压缩变形。收缩力的大小可以表示

27、为：压缩变形。收缩力的大小可以表示为： 1. 纵向收缩力模型纵向收缩力模型 纵向收缩力简化计算纵向收缩力简化计算图图3-57 板边无约束的带有中心纵向焊缝的板条的简化应力分布板边无约束的带有中心纵向焊缝的板条的简化应力分布假设焊缝横截面上作用有达到了材料屈服极限的拉应力假设焊缝横截面上作用有达到了材料屈服极限的拉应力tr=s，拉应力，拉应力tr的作用宽度近似等于塑性区的宽度的作用宽度近似等于塑性区的宽度Bp，见图，见图3-57。根据平衡条件，。根据平衡条件，压缩应力压缩应力c为为： ppspptrcBBBBBBpcspctrfBBF)()(BFcf可以求出假设的收缩力可以求出假设的收缩力Pf为

28、：为： 比较图比较图3-57，还可以得出：，还可以得出： 即收缩力由整个截面来承受。即收缩力由整个截面来承受。只有在（纵向）刚性支撑（或无限宽弹性）板条的情况下，才有：只有在（纵向）刚性支撑（或无限宽弹性）板条的情况下，才有：psptrfBBF2. 纵向收缩纵向收缩 图图3-59 收缩力作用下的纵向收缩变形收缩力作用下的纵向收缩变形FdFLFELPLpFpf缩短变形区的存在相当于构件受到收缩力缩短变形区的存在相当于构件受到收缩力Ff的作用，使的作用，使构件产生纵向收缩构件产生纵向收缩L，如图，如图3-59，其数值为：，其数值为：Fqcwp13. 纵向收缩引起的挠曲变形纵向收缩引起的挠曲变形 e

29、FMf弯矩为：图图3-60焊缝在结构中的位置不对称所引起的焊接变形焊缝在结构中的位置不对称所引起的焊接变形弯矩弯矩M的作用使构件终端的横截的作用使构件终端的横截面发生转角面发生转角和挠度和挠度f。转角。转角可如可如下计算：下计算：IELePf构件的挠度构件的挠度f可由下式获得：可由下式获得：IELePff82举例：工字梁挠曲变形控制举例：工字梁挠曲变形控制图图3-61 工字形梁的几种组焊顺序工字形梁的几种组焊顺序 TTfTEILeFf82IIfIEILeFf82可以判断出，可以判断出，fT与与fI的方的方向相反。但是，尽管向相反。但是，尽管eTeI，而，而ITII，所以，所以eI / II f

30、I，两者，两者不能相互抵消，焊后仍不能相互抵消，焊后仍有较大的挠曲变形。有较大的挠曲变形。 解决方案：焊前先将腹板和翼板点固成工字形截面，施焊时按照图解决方案：焊前先将腹板和翼板点固成工字形截面，施焊时按照图3-61b）中括号内的顺序进行，则）中括号内的顺序进行，则是构件在焊接过程中的惯性矩基本不变，因而偏心矩也相同这样就可以使两对角焊缝所引起的挠曲是构件在焊接过程中的惯性矩基本不变，因而偏心矩也相同这样就可以使两对角焊缝所引起的挠曲变形可以相互抵消，保持构件基本平直。变形可以相互抵消，保持构件基本平直。 *需注意角变形的控制需注意角变形的控制3.4.3横向收缩变形及其引起的挠曲变形 1. 横

31、向收缩力模型横向收缩力模型 BEBB图图3-62 与焊缝垂直的残余应力与焊缝垂直的残余应力BAFBB图图3-63 横向焊缝拉伸试样的反向加载图横向焊缝拉伸试样的反向加载图a）应变长度较长）应变长度较长 b）应变长度较短）应变长度较短LELPRB*tan以力以力-位移曲线的倾角位移曲线的倾角表征的夹表征的夹紧板刚度紧板刚度R，被称为作用在焊缝，被称为作用在焊缝上的拘束强度：上的拘束强度： 板内单位长度的反作用应力板内单位长度的反作用应力 （为板厚），或焊为板厚），或焊缝内的反作用应力缝内的反作用应力 （a为焊缝厚度），可结合（为焊缝厚度），可结合（3-50）式来确定。考虑到在）式来确定。考虑到在

32、 时，有时，有 ，结，结果有：果有：图图3-64 横向焊缝拉伸试样拘束强度横向焊缝拉伸试样拘束强度R的形状因子与厚度比的关系的形状因子与厚度比的关系/*BBPaPBB/*LW*BLBRBaBRB*2. 横向收缩变形横向收缩变形 图图3-65 平板表面火焰加热产生变形的动态过程平板表面火焰加热产生变形的动态过程BcqTw0cqBw由于由于B=T0B，则则vqB5102 . 1图图3-66 横向收缩与线能量和板厚的关系横向收缩与线能量和板厚的关系板厚为板厚为6、10、15、20mm的低碳钢板的低碳钢板进行表面堆焊，其进行表面堆焊，其横向收缩与线能量横向收缩与线能量及板厚的近似关系及板厚的近似关系可

33、以表达为：可以表达为： 横向收缩变形的规律横向收缩变形的规律图图3-67 横向收缩在焊缝长度方向上的分布横向收缩在焊缝长度方向上的分布横向收缩变形的规律横向收缩变形的规律-T形接头形接头图图3-68 T形接头的形接头的a/与横向收缩的关系曲线与横向收缩的关系曲线对接焊有无间隙时的横向收缩不同对接焊有无间隙时的横向收缩不同图图3-69 平板对接焊时的横向收缩变形过程平板对接焊时的横向收缩变形过程a）留有坡口间隙）留有坡口间隙 b）不留间隙）不留间隙纵向变形对横向收缩的影响纵向变形对横向收缩的影响图图3-70 平板对接焊的纵向膨胀所引起的横向变形平板对接焊的纵向膨胀所引起的横向变形多层焊时的横向收

34、缩多层焊时的横向收缩图图3-71 对接接头的横向收缩对接接头的横向收缩a）不同坡口不同焊接方法）不同坡口不同焊接方法 b）不同角度的）不同角度的V型坡口型坡口 c）不同角度的）不同角度的X型坡口型坡口 d）200mm厚不锈钢板双厚不锈钢板双U型坡口型坡口3. 横向收缩引起的挠曲变形横向收缩引起的挠曲变形 图图3-72 筋板焊缝横向收缩所引起的挠曲变形筋板焊缝横向收缩所引起的挠曲变形 ISB111)22(111hFSISB222ehS212lllllf23454. 4. 角变形角变形 图图3-73 表面堆焊或对接时熔深表面堆焊或对接时熔深H和板厚和板厚之比对角变形的影响示意图之比对角变形的影响示

35、意图图图3-74不同焊接速度下，角变形与单位长度热输入及焊缝厚度或板厚的关系不同焊接速度下，角变形与单位长度热输入及焊缝厚度或板厚的关系 要求：要求：熟悉角变形特点、规律，熟悉角变形特点、规律，能够解释原因。能够解释原因。图图3-75 角变形在焊缝长度上的分布角变形在焊缝长度上的分布 jjiimm:形代数和，即是各道焊缝引起的角变多道焊时，最终角变形3.4.5 薄壁焊接构件的翘曲（波浪变形）薄壁焊接构件的翘曲（波浪变形） 2)(BKcr图图3-80 薄板受压失稳薄板受压失稳 产生条件：受压失稳产生条件：受压失稳波浪变形举例：波浪变形举例：图图3-81 周围有框架的薄板结构的残余应力和波浪变形周

36、围有框架的薄板结构的残余应力和波浪变形 图图3-82 舱口的波浪变形舱口的波浪变形 纵向收缩力引起平板焊件的翘曲纵向收缩力引起平板焊件的翘曲 图图3-84 带有中心纵缝的板条的翘曲带有中心纵缝的板条的翘曲平面上的封闭环焊缝导致失稳变形平面上的封闭环焊缝导致失稳变形 图图3-86 平面封闭环焊缝引起的马鞍形变形（计算结果）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角变形产生的波浪变形 图图3-87 角变形引起的波浪变形角变形引起的波浪变形6. 焊接错边和扭曲变形(螺旋形变形) 图图3-88 焊接过程中对接边的焊接过程中对接边的热输入不平衡导致错边热输入不平衡导致错边 图图3-

37、89 封头与筒身环焊缝封头与筒身环焊缝对接边错边的产生过程对接边错边的产生过程扭曲变形扭曲变形(螺旋形变形螺旋形变形)举例举例图图3-91 工字形梁的扭曲变形工字形梁的扭曲变形a）焊前）焊前 b）焊后）焊后 图图3-92 由纵向焊接错边引起的由纵向焊接错边引起的箱形构件的扭曲变形箱形构件的扭曲变形 3.5 焊接残余应力与变形的测量和调控焊接残余应力与变形的测量和调控3.5.1 焊接过程中应变、位移及焊接变形的测量焊接过程中应变、位移及焊接变形的测量 图图3-93 焊缝横向和纵向应变的测量焊缝横向和纵向应变的测量图图3-95 焊缝位移的测量焊缝位移的测量a），），b）横向和纵向位移的测量）横向和

38、纵向位移的测量 c），），d）焊缝的偏移）焊缝的偏移 图图3-96 变形测量变形测量a)在测量板上测量弯曲变形在测量板上测量弯曲变形 b)拉线测量拉线测量 c) 用直角尺测量角收缩用直角尺测量角收缩d)，e)挠度的连续测量挠度的连续测量f)收缩测量收缩测量 g)倾斜测量倾斜测量3.5.2 焊接残余应力的测量3.5.2.1 焊接残余应力的破坏性测量（1）单轴焊接残余应力的测量）单轴焊接残余应力的测量 1）切条法）切条法xxE（2）双轴焊接残余应力的测量）双轴焊接残余应力的测量 图图3-99用于对接焊缝板的切块法用于对接焊缝板的切块法 )(12yxxE)(12xyyE钻孔法、盲孔法、套孔法钻孔法、

39、盲孔法、套孔法（3）三轴焊接残余应力的测量）三轴焊接残余应力的测量 套取芯棒法图图3-103 内孔壁展开尺寸及应变片粘贴位置内孔壁展开尺寸及应变片粘贴位置a）内孔壁或纸筒）内孔壁或纸筒 b）应变片粘贴位置）应变片粘贴位置 xzyxxEE1)()21)(1 (yzyxyEE1)()21)(1 (zzyxzEE1)()21)(1 (2. 焊接残余应力的非破坏性测量 （1）X射线衍射法射线衍射法图图3-104 X射线反射法残余应力测量射线反射法残余应力测量 （2）中子衍射法）中子衍射法图图3-105 中子衍射残余应力测定中子衍射残余应力测定其它无损测试应力技术其它无损测试应力技术 超声波测试法超声波

40、测试法 压痕测试法压痕测试法 电磁测试法电磁测试法3 .利用相似关系测试应力的原理利用相似关系测试应力的原理 对于很大的构件，用缩小尺寸的模型进行焊接试验可以降低试对于很大的构件，用缩小尺寸的模型进行焊接试验可以降低试验成本。相反，当研究很小的薄壁构件时，也可以用放大的模验成本。相反，当研究很小的薄壁构件时，也可以用放大的模型进行试验，这样做是为了更好的安排试验。在模型几何相似型进行试验，这样做是为了更好的安排试验。在模型几何相似并用同样材料制造的条件下，两种情况所面对的问题都是在焊并用同样材料制造的条件下，两种情况所面对的问题都是在焊接过程中及焊后的力、位移、应力和应变的相似关系。接过程中及

41、焊后的力、位移、应力和应变的相似关系。 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）合理地选择焊缝的形状和尺寸 图图3-106 焊接箱形梁的不同形式焊接箱形梁的不同形式 应遵循的原则是：应遵循的原则是：尽可能使焊缝长度尽可能使焊缝长度最短；尽可能使板最短；尽可能使板厚小；尽可能使焊厚小；尽可能使焊脚尺寸小；断续焊脚尺寸小；断续焊缝和连续焊缝相比，缝和连续焊缝相比，优先采用断续焊缝；优先采用断续焊缝；角焊缝与对接焊缝角焊缝与对接焊缝相比，优先采用角相比，优先采用角焊缝以及复杂结构焊缝以及复杂结构最好采

42、用分部组合最好采用分部组合焊接。焊接。 (2)尽量避免焊缝的密集与交叉非常重要尽量避免焊缝的密集与交叉非常重要 图图3-107 避免焊缝交避免焊缝交叉的措施与最优焊叉的措施与最优焊接顺序接顺序 图图3-108 轴承的加固形式轴承的加固形式 (3)采用压形板来提高平板的刚性和稳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定性，也可以减小焊接量和减小变形 图图3-109 两种隔舱板的形式两种隔舱板的形式a）压形板）压形板 b）拼焊板）拼焊板(4)改变接头设计改变接头设计图图3-110 减小联系焊缝的变形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）用断续角

43、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）用塞焊连接则变形较小（5）预变形法（反变形法）预变形法（反变形法）图图3-111 几种反变形的措施几种反变形的措施预变形法举例二预变形法举例二图图3-112 薄壳结构支座焊接的反变形薄壳结构支座焊接的反变形图图3-113 减小减小T型接头的角变形型接头的角变形 2. 焊后调控焊接残余应力与变形的措施 （1）机械方法）机械方法图图3-114 用压力机校正工字梁的挠曲变形用压力机校正工字梁的挠曲变形 图图3-115 锤击法调节中厚板多层焊时的残余应力在厚度（锤击法调节中厚板多层焊时的残余应力在厚度（z向）上的分布向）上的分布锤击法的优

44、点是节省能源、降低成本、提高效率，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。缺点是劳动强度大，并且工件表面质量差。 a)焊后状态焊后状态 b）只锤击最后一道焊缝）只锤击最后一道焊缝 c）逐层锤击）逐层锤击3-116 碾压矫形碾压矫形对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压的方法对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压的方法 对于形状不规则的焊缝，可以采用逐点挤压法对于形状不规则的焊缝，可以采用逐点挤压法 图图3-117 点状加压形成的残余应力点状加压形成的残余应力图图3-118 在焊缝端部缺口处在焊缝端部缺口处进行点状加压后形成的残余应力进行点状加压后形成的

45、残余应力过载拉伸法过载拉伸法图图3-119 机械加载降低内应力机械加载降低内应力机械振动法机械振动法图图3-120 振动循环次数与消除应力的效果振动循环次数与消除应力的效果初始应力分布初始应力分布b)试件截面试件截面 c)经过经过6.2106次循环后的内应力分布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经不同循环次数作用后内应力峰值的变化 （2）加热方法）加热方法一方面材料的屈服极限会因温度的升高而降低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。另一方面，高温时材料的蠕变速度加快，蠕变引起应力松弛。 图图3-121 钢的弹

46、性模量和屈服极限与温度的关系钢的弹性模量和屈服极限与温度的关系 表表3-2 不同材料消除焊接残余应力的回火温度不同材料消除焊接残余应力的回火温度材料种类材料种类碳钢及低合金钢碳钢及低合金钢奥氏体钢奥氏体钢铝合金铝合金镁合金镁合金钛合金钛合金铌合金铌合金铸铁铸铁回火温度回火温度/580680850105025030025030055060011001200600650局部加热消除应力局部加热消除应力 图图3-123 局部热处理的加热区宽度局部热处理的加热区宽度a)环焊缝环焊缝 b)长构件对接焊缝长构件对接焊缝RB5:经验公式翘曲变形的矫正方法举例翘曲变形的矫正方法举例图图3-125 薄板结构点状

47、加热矫形薄板结构点状加热矫形 温差拉伸法 图图3-128 温差拉伸法温差拉伸法 角变形规律的工程应用角变形规律的工程应用-火焰成形火焰成形图图3-124 气体火焰局部加热矫形气体火焰局部加热矫形图图3-126 火焰成形的三种方法火焰成形的三种方法图图3-127 火焰成形的典型实例火焰成形的典型实例3 .3 .随焊调控焊接应力与变形的措施随焊调控焊接应力与变形的措施 （1）刚性固定法）刚性固定法 图图3-129 刚性固定法焊接法兰盘刚性固定法焊接法兰盘图图3-130 采用焊接夹具防止波浪变形采用焊接夹具防止波浪变形图图3-131 防止薄板波浪变形的辅助措施防止薄板波浪变形的辅助措施a）采用压铁）

48、采用压铁b）用角钢临时增加近缝区刚性）用角钢临时增加近缝区刚性 （2）减小焊缝的热输入）减小焊缝的热输入 图图3-132 防止非对称截面挠曲变形的焊接防止非对称截面挠曲变形的焊接直接水冷（图直接水冷（图3-133a）采用铜冷却块（图采用铜冷却块（图3-133b）来限制焊接热场）来限制焊接热场 图图3-133 通过加强冷却来减小焊接变形的方法通过加强冷却来减小焊接变形的方法a）直接水冷）直接水冷 b）采用铜冷却块）采用铜冷却块 （3）合理安排装配焊接的顺序）合理安排装配焊接的顺序 321321fff挠度焊接次序213321fff挠度焊接次序31321312fffff挠度焊接次序图图3-134 带

49、盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序 方案一方案二方案三321213fff挠度焊接次序（4）预拉伸法）预拉伸法 (预置应力法预置应力法)图图3-135 施加预拉伸载荷的几种方案施加预拉伸载荷的几种方案 图图3-136 常温下预拉伸的纵向应力场常温下预拉伸的纵向应力场a）平板）平板 b）筒体）筒体（5）焊时温差拉伸法）焊时温差拉伸法 图图3-137温差拉伸专用夹具温差拉伸专用夹具随焊温差拉伸的效果随焊温差拉伸的效果图图3-138 Tp为为150时的焊接温度场时的焊接温度场 图图3-139 温差拉伸作用下的焊缝纵向残余应力温差拉伸作用下的焊缝纵向残余应力（6）随焊激冷）随焊激

50、冷 （又称为逆焊接加热处理（又称为逆焊接加热处理 ）图图3-140 随焊激冷法的原理随焊激冷法的原理图图3-141几种随焊激冷方案几种随焊激冷方案图图3-142 柔性随焊激冷器柔性随焊激冷器图图3-143 常规焊与随焊激冷焊接的温度场常规焊与随焊激冷焊接的温度场（7）随焊碾压）随焊碾压 图图3-144 随焊碾压防止热裂的原理随焊碾压防止热裂的原理（8）随焊锤击）随焊锤击 图图3-145随焊锤击实施方案随焊锤击实施方案1-焊枪焊枪 2-汽锤汽锤 3-固定平台固定平台 4-锤头锤头 5-工件工件图图3-146 两种随焊锤击方式两种随焊锤击方式a) 强化焊趾强化焊趾 b)强化焊缝强化焊缝 随焊锤击方

51、法的主要缺点随焊锤击方法的主要缺点是焊缝的表面质量不佳，是焊缝的表面质量不佳，存在明显的锤痕。存在明显的锤痕。 随焊锤击技术不仅可以减随焊锤击技术不仅可以减小变形，降低残余应力，小变形，降低残余应力，防止焊接热裂纹，而且可防止焊接热裂纹，而且可以使焊缝的力学性能得到以使焊缝的力学性能得到改善。改善。 随焊锤击随焊锤击 法的作用效果法的作用效果图图3-147 常规焊与随焊锤击处理后残余应力的对比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）随焊冲击碾压 图图3-148 平直焊缝随焊冲击碾压装置的照片平直焊缝随焊冲击碾压装置的照片 图图3-149 随焊冲击碾压装置结构图随焊冲击碾压装置结

52、构图 图图3-150 冲击碾压作用下的剪切塑性应变的分布冲击碾压作用下的剪切塑性应变的分布 第四章 焊接接头4.1 焊接接头的一般性能4.1.1 焊接接头的基本概念图图4-1 熔化焊焊接接头的组织熔化焊焊接接头的组织对接接头断面图对接接头断面图 b）搭接接头断面图）搭接接头断面图1焊缝金属焊缝金属 2熔合区熔合区 3热影响区热影响区 4母材母材焊接接头的不均匀性焊接接头的不均匀性力学、材质力学、材质图图4-2 影响焊接接头性能的主要因素示意图影响焊接接头性能的主要因素示意图 4.1.2 焊接接头的不均匀性及其力学行为 1. 热影响区的力学性能热影响区的力学性能（1）热影响区强度和延性的变化）热

53、影响区强度和延性的变化 加热温度在加热温度在1200以上区域以上区域加热温度在加热温度在1200Ac3范围范围 加热温度在加热温度在900700区域区域加热温度低于加热温度低于700的区域的区域 图图4-3 热影响区强度与延性分布示意图热影响区强度与延性分布示意图（2）热影响区韧性的变化 图图4-4 热影响区韧性分布示意图热影响区韧性分布示意图 低韧性的区段有两个：低韧性的区段有两个： 1200以上的粗晶区到熔合区部分以上的粗晶区到熔合区部分 低碳钢的脆化区常在近缝区的低碳钢的脆化区常在近缝区的400200之间，高强钢的脆化之间，高强钢的脆化区往往在靠近区往往在靠近A1A3的相变点的相变点之间

54、。之间。 （3）热影响区的热塑变脆化 图图4-5 经过热应变后刻槽尖端硬度升高（韧性降低）经过热应变后刻槽尖端硬度升高（韧性降低） 2. 焊缝金属的力学性能单层焊与多层焊 图图4-6 单层焊与多层焊的接头组织单层焊与多层焊的接头组织a）单层焊时的柱状晶组织）单层焊时的柱状晶组织 b）多层焊第二层对第一层柱状晶的细化）多层焊第二层对第一层柱状晶的细化2. 焊缝金属的力学性能线能量的影响（1）用较低的线能量进行单层焊时，由于冷却速率大，焊）用较低的线能量进行单层焊时，由于冷却速率大，焊缝金属的组织细化，焊缝金属变硬，强度升高。缝金属的组织细化，焊缝金属变硬，强度升高。 （2）增加焊接热输入，提高层

55、间预热温度对高强钢施焊，由于）增加焊接热输入，提高层间预热温度对高强钢施焊，由于焊前增加预热，冷却减慢，焊缝金属的组织较粗大，焊缝金属的焊前增加预热，冷却减慢，焊缝金属的组织较粗大，焊缝金属的强度与韧性有明显下降。强度与韧性有明显下降。 图图4-7 高强钢焊缝金属强度与线能量关系高强钢焊缝金属强度与线能量关系 图图4-8 脆性转变温度与线能量关系脆性转变温度与线能量关系 3. 低强焊缝金属接头的力学性能 焊接接头力学性能与母材和焊缝二者之间的强度如何匹配有关。焊接接头力学性能与母材和焊缝二者之间的强度如何匹配有关。焊缝金属强度比母材强度高的称为高组配接头，比母材强度低的焊缝金属强度比母材强度高

56、的称为高组配接头，比母材强度低的称为低组配接头。称为低组配接头。 图图4-9 对接接头不同组配的应力与应变关系对接接头不同组配的应力与应变关系W焊缝金属焊缝金属曲线曲线 B母材的母材的曲线曲线 J接头的接头的曲线曲线 低组配接头实验举例：当把低组配接头实验举例：当把软夹层软夹层接头的接头的软层软层宽度减少到一定宽度减少到一定程度，接头的强度随着程度，接头的强度随着软层软层宽度的降低而提高，逐渐接近于母材宽度的降低而提高，逐渐接近于母材金属的强度，形成一个超过金属焊缝强度很多的接头。金属的强度，形成一个超过金属焊缝强度很多的接头。 图图4-10 低强焊缝金属接头强度试验结果低强焊缝金属接头强度试

57、验结果低强度材料：低强度材料：b=440 MPa，s=268 MPa高强度材料：高强度材料：b=733 MPa，s=461 MPa低组配接头强化机理：软夹层接头的强度随相对厚度降低而上升的原因 图图4-11 厚板低组配焊缝金属的应力状态厚板低组配焊缝金属的应力状态 低组配接头强度简化计算低组配接头强度简化计算1/BbWbrSJb对接宽板时，若已知焊缝金属与母材的抗拉强度比对接宽板时，若已知焊缝金属与母材的抗拉强度比Sr：和相对厚度和相对厚度Xh(Xh=H/h)，可从下面近似公式求得接头的抗拉强度，可从下面近似公式求得接头的抗拉强度的近似值。的近似值。WbeqJbX) 186. 31(8 . 0

58、式中：当式中：当Xhm ,则则Xeq=Xh；当；当Xhm, 则则Xeq=0.5(Xh+m)，其中，其中8 . 01)1 (86. 32rrSSm4.1.3 焊缝及接头的基本形式、分类及表示方法（自学内容）图图4-13 对接焊缝的典型坡口形式对接焊缝的典型坡口形式 图图4-14 角焊缝截面形状及其设计断面角焊缝截面形状及其设计断面a) 平角焊缝平角焊缝 b) 凹角焊缝凹角焊缝 c) 凸角焊缝凸角焊缝 d) 不等腰角焊缝不等腰角焊缝 图图4-15 焊接接头的基本形式焊接接头的基本形式a） 对接接头对接接头 b） 搭接接头搭接接头 c） 丁字接头丁字接头 d） 角接头角接头图图4-18 塞焊（电铆焊

59、）接头塞焊（电铆焊）接头 图图4-17 开槽焊搭接接头开槽焊搭接接头 图图4-16 斜焊缝对接接头斜焊缝对接接头 图图4-19 锯齿缝搭接接头锯齿缝搭接接头图图4-20 常见常见形（十字）接头形（十字）接头 图图4-21 形接头的承载能力形接头的承载能力 图图4-22 角接接头形式角接接头形式4.2焊接接头的工作应力分布和工作性能4.2.1应力集中的概念avTKmax所谓应力集中，是指接头局部区域的最大应力值（所谓应力集中，是指接头局部区域的最大应力值（max）比平均应）比平均应力值（力值（av）高的现象。而应力集中的大小，常以应力集中系数）高的现象。而应力集中的大小，常以应力集中系数KT表示

60、表示 ：max截面中最大应力值；截面中最大应力值； av截面中平均应力值截面中平均应力值 一般可用实验方法确定一般可用实验方法确定KT值，亦可用解析法求得。值，亦可用解析法求得。 图图4-24 对接接头的应力分布对接接头的应力分布焊接接头工作应力的分布的不均匀性 1. 焊缝中存在工艺缺陷焊缝中存在工艺缺陷 2. 焊缝外形不合理焊缝外形不合理 3. 焊接接头设计不合理焊接接头设计不合理 4.2.24.2.2电弧焊接头的工作应力分布和工作性能电弧焊接头的工作应力分布和工作性能 1. 对接接头对接接头 应力集中小应力集中小图图4-25 余高和过渡半径与应力集中系数的关系余高和过渡半径与应力集中系数的