第3章 连接-6

1、第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形3.4.1 焊接残余应力和变形的原因焊接残余应力和变形的原因1.1.焊接残余应力的分类焊接残余应力的分类 纵向焊接应力：长度方向的应力纵向焊接应力：长度方向的应力 横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力面的应力 ； 厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。件表面的应力。 3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第第3 3

2、章章 连连 接接 Chapter 3 Connections3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形+-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm施焊时焊缝附近达施焊时焊缝附近达16001600以上，而邻近区域温度骤降。以上，而邻近区域温度骤降。焊缝周围焊缝周围产生不均产生不均匀温度场匀温度场l 焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩；焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩；l 焊缝冷却时收缩又受

3、到限制而产生拉应力；焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力；l 拉应力大小可达钢材屈服点拉应力大小可达钢材屈服点 fy;l 远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。（1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力2.2.焊接残余应力的成因焊接残余应力的成因-+第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections（2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力l焊缝纵向收缩，焊件有反向焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，在焊缝处的趋势，在焊缝处中中部受拉，两端受压部受拉，两端受压；l先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，

4、发生横向塑性先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生后焊焊缝收缩受限产生拉应力拉应力，先先焊焊缝产生压应力焊焊缝产生压应力；l应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关；l横向应力是上述两种应力合成。横向应力是上述两种应力合成。3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的

5、横向应力xy第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections（2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力l焊缝纵向收缩，焊件有反向焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，在焊缝处的趋势，在焊缝处中中部受拉，两端受压部受拉，两端受压；l先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生后焊焊缝收缩受限产生拉应力拉应力，先先焊焊缝产生压应力焊焊缝产生压应力；l应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关；l横向应力是上述两种应力合成。横向应力是上述两种应力合成

6、。3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的横向应力xy3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections-+施施焊焊方方向向(e)xy-+-施施焊焊方方向向( f )yx不同施焊方向下不同施焊方向下, ,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力焊

7、缝横向收缩时产生的横向残余应力第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections（2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力l焊缝纵向收缩，焊件有反向焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，在焊缝处的趋势，在焊缝处中中部受拉，两端受压部受拉，两端受压；l先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生后焊焊缝收缩受限产生拉应力拉应力，先先焊焊缝产生压应力焊焊缝产生压应力；l应力分布与施焊方向有关应力分布与施焊方向有关；l横向应力是上述两种应力合成。横向应力

8、是上述两种应力合成。3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向应力时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向焊缝横向残余应力残余应力yx3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections（3 3）沿厚度方向的焊接残余应力）沿厚度方向的焊接残余应力l在厚

9、钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。-+-321x xy yz zl冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形 因此除了横向和纵向焊接残余应力因此除了横向和纵向焊接残余应力 x x ， y y外，还存在沿厚度方外，还存在沿厚度方向的焊接残余应

10、力向的焊接残余应力 z z ，这三种应力形成同号三向拉应力，这三种应力形成同号三向拉应力，大大降低大大降低连接的塑性连接的塑性。第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections 在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：图图3.4.4 焊接变形焊接变形3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形横向收缩横向收缩弯曲变形弯曲变形角变形角变形波浪变形波浪变形扭曲变形扭曲变形3.3.焊接残余变形的产生焊接残余变形的

11、产生第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections（1 1）对结构静力强度的影响）对结构静力强度的影响+-b bf fy yNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：因焊接残余应力自相平衡，故： yytyftBftbBNN 当板件全截面达到当板件全截面达到fy，即即N=Ny时：时：结论：结论：焊接残余应力焊接残余应力不会不会影响结构影响结构的静力强度的静力强度+-f fy yb bB Bt ttbBNftbN)(cyt3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响焊接应力和变形对结构工作性能的影响1.1.焊接应力的影响焊接应力的影响3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残

12、余应力和焊接变形+-b bf fy yN Nc cN Nt tN NN N第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections（2 2）对结构刚度的影响）对结构刚度的影响当焊接残余应力存在时，因截面的当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到部分拉应力已经达到fy ，故该故该部分刚度为零（屈服），这时在部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：作用下应变增量为： EtbBN 1 +-b bfy yNN+-fy yNNb bB Bt t1 22NBtE当截面上没有焊接残余应力时，在当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：作用下应变增量为：结论：焊接残余

13、结论：焊接残余应力使结构变形应力使结构变形增大，即降低了增大，即降低了结构的刚度。结构的刚度。3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections（3 3）对低温冷脆的影响）对低温冷脆的影响（4 4）对疲劳强度的影响）对疲劳强度的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要所以，降低或消除

14、焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。措施。 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。对结构的疲劳强度有明显的不利影响。 对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压降低压杆的稳定承载力。杆的稳定承载力。（5 5）对压杆稳定的影响）对压杆稳定的影响3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第第

15、3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections焊接应力的影响焊接应力的影响 常温下不影响结构的静力强度；常温下不影响结构的静力强度； 增大结构的变形，降低结构的刚度；增大结构的变形，降低结构的刚度； 降低疲劳强度；降低疲劳强度； 在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性变形，在低温下使裂纹易发生和发展；变形，在低温下使裂纹易发生和发展； 降低压杆的稳定性。降低压杆的稳定性。2.2.焊接变形的影响焊接变形的影响 焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正；焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正； 影响构件的尺寸和

16、外形美观，还可能降低结构的承载影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载 力，引起事故。力，引起事故。3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形第第3 3章章 连连 接接 Chapter 3 Connections3.4.3 减少焊接应力和变形的措施减少焊接应力和变形的措施1.1.合理的焊缝设计合理的焊缝设计（1 1）合理的选择焊缝的尺寸和形式）合理的选择焊缝的尺寸和形式（2 2）合理的安排焊缝的位置）合理的安排焊缝的位置（3 3）尽量避免焊缝的过分集中和交叉）尽量避免焊缝的过分集中和交叉（4 4）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力3.4 3.4 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形图图3.4.5 减小焊接残余应力的设计措施减小焊接残余应力的设计措施第第3 3章章 连连 接接 Chap