焊接应力与变形

1、 焊焊 接接 结结 构构第三章第三章 焊接应力与变形焊接应力与变形Welding stress and deformation材料成型及控制工程2012.9 焊接结构焊接结构本本 章章 内内 容容3.1 内应力与变形的基本知识内应力与变形的基本知识3.2 焊接应力与变形机理分析焊接应力与变形机理分析3.3 焊接残余应力焊接残余应力3.4 焊接残余变形焊接残余变形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焊接残余应力及残余变形的概念、焊接残余应力及残余变形的概念、焊接应力及变形的形成过程、焊接应力及变形的形成过程、焊接残余应力的分布、影响、控制及消除措施、焊接残余应力的

2、分布、影响、控制及消除措施、焊接残余变形的形式、影响、控制及消除措施焊接残余变形的形式、影响、控制及消除措施 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构3.1 内应力与变形的基本知识内应力与变形的基本知识 Welding Stress and Deformation3.1.1 焊接应力的基本知识焊接应力的基本知识（1）内应力的概念）内应力的概念l内应力定义内应力定义 指在指在无外力无外力作用作用下下平衡平衡于物体内部于物体内部的应力。的应力。l内应力特点内应力特点 拉压共存；拉压平衡；在应力分拉压共存；拉压平衡；在应力分 布图上至少有布图上至少有3块面块面积。积。l内应力别名内应力别

3、名 初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。l内应力举例内应力举例铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力铆钉铆钉工件工件x内应力内应力 焊接结构焊接结构两边区域受压两边区域受压xy中心区域受拉中心区域受拉 焊接结构焊接结构内应力是一种普遍存在的现象内应力是一种普遍存在的现象l 内应力作用的可能结果：内应力作用的可能结果：菜板为什么会裂？菜板为什么会裂？熟好的西瓜为什么容易裂开？熟好的西瓜为什么容易裂开？腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？钢筋混凝土预制构件中有无内应力？钢筋混凝土预

4、制构件中有无内应力？铸件、焊件为什么会开裂？铸件、焊件为什么会开裂？ 焊接结构焊接结构（2）产生原因）产生原因 不均匀不均匀塑性变形塑性变形：冷轧、冷弯：冷轧、冷弯 不均匀不均匀温度场温度场：焊接：焊接 不均匀不均匀相变相变：如奥氏体马氏体转变：如奥氏体马氏体转变 钢中膨胀系数由大到小的顺序为：钢中膨胀系数由大到小的顺序为： 奥氏体奥氏体铁素体铁素体珠光体珠光体上、下贝氏体上、下贝氏体马氏体；马氏体； 比容变化相反：比容变化相反： 马氏体马氏体铁素体铁素体珠光体珠光体奥氏体奥氏体碳化物碳化物 奥氏体马氏体转变奥氏体马氏体转变体积？体积？ 不均匀不均匀化学反应化学反应 约约3%的膨胀的膨胀 焊接

5、结构焊接结构热胀冷缩热胀冷缩不均匀不均匀 焊接结构焊接结构例例:高速钢高速钢莱氏体钢，含有大量合金元素莱氏体钢，含有大量合金元素l 过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢从收缩状态逆转为膨胀状态，从收缩状态逆转为膨胀状态，l 组织应力：组织应力：金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力l 热应热应 力：力：大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度不一致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力不一

6、致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力l 附加应力：附加应力：刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形不一致形成的内应力。不一致形成的内应力。l 当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。 焊接结构焊接结构（3）内应力分类）内应力分类 按分布范围分：按分布范围分：宏观内应力：平衡范围整个结构宏观内应力：平衡范围整个结构 第一类内应力第一类内应力 微观内应力：平衡范围晶粒之间微观内应力：平衡范围晶粒之间 第二类内应力第二类内应力超微观内应力：平衡范围晶格之间超

7、微观内应力：平衡范围晶格之间 第三类内应力第三类内应力 按应力变化与时间的关系分按应力变化与时间的关系分：瞬时应力：应力随时间变化瞬时应力：应力随时间变化 残余应力：应力不随时间变化残余应力：应力不随时间变化 焊接结构焊接结构按产生原因分为按产生原因分为:l 热应力热应力(又称温度应力又称温度应力)由于焊件经受了不协调的热变形所致。由于焊件经受了不协调的热变形所致。l 相变应力相变应力由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的比容变化所致。比容变化所致。l 拘束应力拘束应力由于工件自身或外加夹具的拘束作用产生的内应力。由于工件自身或外加夹具

8、的拘束作用产生的内应力。l 凝缩应力凝缩应力因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。l 氢致集中应力氢致集中应力因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成氢压所致的内应力。氢压所致的内应力。 焊接结构焊接结构 按应力状态分为：按应力状态分为：l 单向应力单向应力又称线应力，存在于窄板条结构；又称线应力，存在于窄板条结构；l 双向应力双向应力又称平面应力，存在于薄板结构；又称平面应力，存在于薄板结构；l 三向应力三向应力又称体积应力，存在于厚板结构。又称体积应力，存在于厚板结构。 三向应力的符号表示：三向应力的符号

9、表示：x , y , z 。 x 纵向应力，即平行焊缝方向的内应力；纵向应力，即平行焊缝方向的内应力； y 横向应力，即垂直焊缝方向的内应力；横向应力，即垂直焊缝方向的内应力； z 板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。 焊接结构焊接结构3.1.2 焊接变形的基本知识焊接变形的基本知识（1 1）焊接变形的概念）焊接变形的概念 焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状的改变。焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状的改变。（2 2）焊接变形的分类）焊接变形的分类： 按产生时序分为：按产生时序分为：l 瞬时变形瞬时变形即指焊接过程中工件的即指焊接过程中工件的动态动态变形；

10、变形；l 残余变形残余变形焊后，残留于工件中的变形。焊后，残留于工件中的变形。 瞬时变形是一个过程；瞬时变形是一个过程； 残余变形是最终结果。残余变形是最终结果。 焊接结构焊接结构 按焊接变形的形貌分为：按焊接变形的形貌分为：纵向收缩纵向收缩?L工件在焊缝方向的尺寸缩短行为；工件在焊缝方向的尺寸缩短行为；横向收缩横向收缩?B在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为；在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为；角变形角变形 工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移；工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移；波浪变形波浪变形薄板工件在板平面上产生的凸凹不平；薄板工件在板平面上产生的凸凹不平；弯曲变形弯曲变形工件轴线产生的挠曲变形；工件

11、轴线产生的挠曲变形；扭曲变形扭曲变形工件整体产生的螺旋变形；工件整体产生的螺旋变形；焊接错边焊接错边工件的坡口两侧母材产生局部不平。工件的坡口两侧母材产生局部不平。 焊接结构焊接结构收缩变形收缩变形纵向、横向纵向、横向 焊接结构焊接结构角变形角变形 焊接结构焊接结构波浪变形波浪变形失稳变形失稳变形弯曲变形弯曲变形 焊接结构焊接结构扭曲变形扭曲变形 焊接结构焊接结构错边错边变形变形 焊接结构焊接结构a.区别伪波浪变形与真正波浪变形的本质不同；区别伪波浪变形与真正波浪变形的本质不同；b.注意焊接错边与装配错边的本质不同；注意焊接错边与装配错边的本质不同；c.注意分析各种变形的产生原因及相互关系。注

12、意分析各种变形的产生原因及相互关系。解释与提示：解释与提示：伪波浪变形的本质是：伪波浪变形的本质是：角变形的连续角变形的连续 表象；表象；真正波浪变形本质是：薄板真正波浪变形本质是：薄板受压失稳受压失稳 行为；行为； 它们都是构件它们都是构件 刚性不足刚性不足 的表现形式。的表现形式。装配错边是机械装配精度不足所为；装配错边是机械装配精度不足所为； 是是铆工铆工的责任！的责任！（3）焊接变形的几点说明）焊接变形的几点说明 焊接结构焊接结构d) 焊接错边的本质原因是：焊接错边的本质原因是： 焊接件坡口两侧母材热变形不一致或受热状态不同所焊接件坡口两侧母材热变形不一致或受热状态不同所致。具体原因可

13、能是：致。具体原因可能是： 1）电弧偏吹；）电弧偏吹； 2）异质接头；）异质接头； 3）不等厚接头；）不等厚接头； 4）散热条件不同；）散热条件不同； 5）拘束条件不同。）拘束条件不同。 焊接结构焊接结构（4）各种变形的相互联系）各种变形的相互联系 纵向收缩纵向收缩 横向收缩横向收缩 角变形的本质是：横向收缩在角变形的本质是：横向收缩在厚度方向厚度方向上的不等量分布所上的不等量分布所致。致。 扭曲变形的本质是：角变形在焊缝长度方向上的不等量分扭曲变形的本质是：角变形在焊缝长度方向上的不等量分布与布与不对称焊接不对称焊接所致。所致。 弯曲变形可能是：纵向收缩和弯曲变形可能是：纵向收缩和/或横向收

14、缩造成的。即把或横向收缩造成的。即把焊缝的偏心收缩产生的偏心力矩理解为偏心压缩！焊缝的偏心收缩产生的偏心力矩理解为偏心压缩！是两种是两种基本变形基本变形形式，是二维收缩的结果形式，是二维收缩的结果！ 焊接结构焊接结构3.2 焊接应力与变形机理分析焊接应力与变形机理分析3.2.1 焊接应力与变形的基本概念焊接应力与变形的基本概念提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过程热循环中提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过程热循环中的热变形与热应力循环的热变形与热应力循环 的分析，使我们深刻理解焊接应的分析，使我们深刻理解焊接应力与变形的产生过程及残余应力与变形的产生机理。力与变形的产生过程及残余

15、应力与变形的产生机理。方法方法：利用应力、应变循环图直观分析。：利用应力、应变循环图直观分析。基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。基本符号：基本符号： L T Le L应变表示：应变表示： T e 焊接结构焊接结构三种基本变形的定义三种基本变形的定义自由变形自由变形 在温度变化时试件的变形不受任何限制，能够充分表现出在温度变化时试件的变形不受任何限制，能够充分表现出来的变形来的变形外观变形外观变形 由于某种拘束作用的限制，使得试件的热变形不能充分表由于某种拘束作用的限制，使得试件的热变形不能充分表现出来，把其中现出来，把其中表现出来的部分变形称为外观

16、变形表现出来的部分变形称为外观变形内部变形内部变形未表现出来未表现出来的那部分就称为的那部分就称为内部变形内部变形 焊接结构焊接结构 三种基本变形的图解三种基本变形的图解 L0L可见可见， L=| L T Le| 考虑到拉压关系考虑到拉压关系应力分析的重要公式应力分析的重要公式LTLe又有又有, L= Le L T 即即, Le = L T + L 焊接结构焊接结构三种变形的应变形式三种变形的应变形式 只要将公式只要将公式 Le = L T + L 两边同除以试件两边同除以试件 的原始长度的原始长度L0，即得到各自的应变形式：，即得到各自的应变形式： e T 其中，其中， L T L0 可计算

17、可计算 Le 可测量可测量 因而，因而， L 可间接计算得到可间接计算得到 焊接结构焊接结构三种变形的分析结论：三种变形的分析结论： 外观变形在数值上外观变形在数值上等于等于自由变形与内部变形的自由变形与内部变形的代代数和。数和。 它的应变表达式为：它的应变表达式为： e e T T 它的等价形式为：它的等价形式为： e e T T 这两个公式一定要牢记！ 焊接结构焊接结构3.2.2 试件内部的应力试件内部的应力提示：提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束等效于外等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。

18、计算方法：计算方法： 在弹性范围内在弹性范围内 E E E E（ e e T T ） 超出弹性范围超出弹性范围 则有则有 s s 焊接结构焊接结构3.2.3 材料屈服限的变化材料屈服限的变化 （1）低碳钢应力应变曲线示意图）低碳钢应力应变曲线示意图 焊接结构焊接结构（2） 材料屈服限的变化材料屈服限的变化 提示：材料的机械性能随温度的变化而变化，当温度变化提示：材料的机械性能随温度的变化而变化，当温度变化幅度较大时，其性能变化幅度也是十分惊人的！幅度较大时，其性能变化幅度也是十分惊人的！ 低碳钢低碳钢屈服限随加热温度的变化关系屈服限随加热温度的变化关系T T500500600600塑性温度塑性

19、温度600 焊接结构焊接结构（3） TP与与TS TP 指金属在升温过程中达到指金属在升温过程中达到s为为0时所对时所对 对应临对应临界温度。界温度。 TS指金属在升温过程中，内部应力达到指金属在升温过程中，内部应力达到s时所对时所对对应临界温度。对应临界温度。 举例：对于低碳钢举例：对于低碳钢TP600； TS的讨论：的讨论： 分析低碳钢小试件在不同拘束条件的分析低碳钢小试件在不同拘束条件的TS ？ 焊接结构焊接结构低碳钢在绝对刚性拘束时的低碳钢在绝对刚性拘束时的TS 绝对刚性拘束，绝对刚性拘束，等价等价 e 0 ！ 因此，因此， T = 达到达到TS时时, 试件中对应的应力值为试件中对应的

20、应力值为s ！低碳钢的相关材料常数：低碳钢的相关材料常数： 12106/， E=2105 N / mm2 s =240N / mm2 代入具体参数可得：代入具体参数可得： s sE E E Es s整理后，得整理后，得 s s / /（ E E ） 240/(2240/(210105 512121010-6-6） 100 100 即在绝对刚性拘束下，即在绝对刚性拘束下，只要温度升高只要温度升高100，低碳钢小试件便达到屈低碳钢小试件便达到屈服状态！服状态！ 焊接结构焊接结构3.2.4 典型拘束状态的表征典型拘束状态的表征 绝对自由拘束绝对自由拘束： e T ， 0 绝对刚性拘束：绝对刚性拘束：

21、 T ，e 0 弹性拘束：弹性拘束： e T ， 0 上述几种上述几种拘束状态的表征，在以后的应力分析中会拘束状态的表征，在以后的应力分析中会经常提到！经常提到！ 焊接结构焊接结构拘束条件不同时，同样加热到拘束条件不同时，同样加热到400，冷却后有什，冷却后有什么变化？么变化？t, TTTteT0eT在任意时刻，在任意时刻，杆件的内部应变杆件的内部应变杆件内应力为杆件内应力为0。 焊接结构焊接结构3.2.5 刚性拘束板条残余变形与残余应力刚性拘束板条残余变形与残余应力 （1）当温升）当温升T TS时，时，内部变形内部变形 s ； 材料内部材料内部没有塑性变形没有塑性变形，即，即p 0； 材料处

22、于材料处于完全弹性状态完全弹性状态。 因此，加热循环结束后，试件也因此，加热循环结束后，试件也没有任何残余变形。没有任何残余变形。试件最终恢复原始状态，所以，其内部也试件最终恢复原始状态，所以，其内部也没有残余应力没有残余应力！ 焊接结构焊接结构 （2）当温升）当温升 T TS时，内部变形时，内部变形 s ； 材料内部材料内部就会产生就会产生塑性变形塑性变形， 即即|p | 0；(假设假设 s ) 材料处于材料处于弹弹塑性状态塑性状态。 因此，在冷却过程中：因此，在冷却过程中： 若允许试件自由收缩，热循环结束后，试件就会产生若允许试件自由收缩，热循环结束后，试件就会产生尺寸缩短尺寸缩短|p |

23、的的 残余变形残余变形！ 若不允许试件自由收缩，那么，冷却过程就会产生若不允许试件自由收缩，那么，冷却过程就会产生拉拉应力应力，最终，就会产生，最终，就会产生残余拉应力残余拉应力！ 焊接结构焊接结构 （3）当温升）当温升 T TS时，时， 内部变形内部变形| | s ； 这时，材料内部这时，材料内部产生的产生的塑性变形塑性变形一旦达到：一旦达到： |p | s 的状态，那么，冷却终了时，试件中不但的状态，那么，冷却终了时，试件中不但会产生达到会产生达到s 的拉应力，还会产生新的拉伸塑性变形的拉应力，还会产生新的拉伸塑性变形p ！ 这就是所谓的这就是所谓的热塑性变形循环热塑性变形循环！ 焊接结构

24、焊接结构T,Tt1t2tT 1t （4）刚性拘束板条）刚性拘束板条 Tmax100 焊接结构焊接结构内部应变小于屈服应变，内部应变小于屈服应变，Tmax200 1t2t4tsTTp3t 焊接结构焊接结构200Tmax5001t2t4tsTTp3t5ts 焊接结构焊接结构500Tmax6001t2t4tsTTp3t5ts6ts7ts 焊接结构焊接结构当杆件所受拘束不是刚性拘束，如在膨胀过程中可以部分自由变当杆件所受拘束不是刚性拘束，如在膨胀过程中可以部分自由变形，或在收缩过程中可以自由收缩等，在这种条件下杆件内部的形，或在收缩过程中可以自由收缩等，在这种条件下杆件内部的应力、变形？应力、变形？1

25、t2t4tsTTp3t5ts 焊接结构焊接结构1t2t4tsTTp3t5t6t非刚性约束非刚性约束 焊接结构焊接结构3.2.6 长板条中心加热试件分析长板条中心加热试件分析 分析前提分析前提平面变形假设平面变形假设 表述：表述：试件上处在同一平面的点，在整个热变形过程中始试件上处在同一平面的点，在整个热变形过程中始终保持在同一平面上！终保持在同一平面上！ 加热条件：加热条件：长板条中心加热长板条中心加热 1) TMAX TS 2) TMAX TS 焊接结构焊接结构(1) TMAX TS 的最高温度状态的最高温度状态T假想状态假想状态 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

26、 | s Te 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构冷却终了：冷却终了：l 由于由于TMAX TS ，故内部变形故内部变形 s ；l 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；l 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。l 因此，加热循环结束后，单元体因此，加热循环结束后，单元体没有任何残余变形，没有任何残余变形，最最终恢复到原始状态。所以，单元体内部也终恢复到原始状态。所以，单元体内部也没有任何残余应没有任何残余应力力！ 焊接结构焊接结构 (2) TMAX TSs|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

27、边受拉 中心受拉，两边受压中心受拉，两边受压ee 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构(3) 长板条中心焊接试件分析长板条中心焊接试件分析特点特点: :应力场应力场两边受拉两边受拉, ,中中部受压部受压; ;总体平衡！总体平衡！中心区中心区应力为零应力为零;压缩塑性变形最大；压缩塑性变形最大；外观变形外观变形平移伸长平移伸长；材料处于三种状态：材料处于三种状态： a）弹性状态；）弹性状态； b）弹塑性状态；）弹塑性状态； c）完全塑性状态。）完全塑性状态。 焊接结构焊接结构 残余应力分布残余应力分布 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，产

28、生拉伸塑性变形，产生拉伸塑性变形 P P冷却至室温的应力分布图冷却至室温的应力分布图 焊接结构焊接结构3.2.7长板条一侧加热长板条一侧加热 长板条一侧堆焊时的变形与应力分布会是怎样？长板条一侧堆焊时的变形与应力分布会是怎样？ 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构n 有屈服区高温有屈服区高温 n 有屈服区降温后有屈服区降温后 焊接结构焊接结构3.2 焊接应力与变形机理分析 分析不同时刻的应力分析不同时刻的应力 平衡及演变过程特征平衡及演变过程特征在焊接试件中取出单元体1B3.2.1 焊接应力与变形的演变过程焊接应力与变形的演变过程 焊接结构焊接结构基本思路：基本思路： 在单元体

29、内，沿焊缝方向的温度场近似均匀，在板宽方向其温度场在单元体内，沿焊缝方向的温度场近似均匀，在板宽方向其温度场对称分布；对称分布； 将单元体沿焊缝方向细分为若干小条，每个小条近似看作一个小试将单元体沿焊缝方向细分为若干小条，每个小条近似看作一个小试件；件； 然后，运用平面变形假设及自由变形，外观变形，内部变形关系，然后，运用平面变形假设及自由变形，外观变形，内部变形关系，分析焊接过程不同时刻的应力与变形循环。分析焊接过程不同时刻的应力与变形循环。 焊接结构焊接结构热源过后试件某一截面四个典型的时刻：热源过后试件某一截面四个典型的时刻： t1进入冷却后进入冷却后600等温线最宽等温线最宽(bp区区

30、)的时刻；的时刻； t2最高温度为最高温度为600的时刻；的时刻； t3最高温度为最高温度为400以下的某时刻；以下的某时刻； t4恢复到室温的时刻。恢复到室温的时刻。 通过典型时刻的对比，看清演变的动向和趋势！通过典型时刻的对比，看清演变的动向和趋势！图 3-14 焊接结构焊接结构 t1时刻的温度场与应力场时刻的温度场与应力场： 600500eTPST, , 特征：两边受拉，中部受压；特征：两边受拉，中部受压； 中心区域中心区域压缩塑性变形极大压缩塑性变形极大； 最大压应力幅值为最大压应力幅值为S ！ 中心区域中心区域 TTP 出现零应力区！出现零应力区！ 应力场满足拉压平衡关系。应力场满足

31、拉压平衡关系。 焊接结构焊接结构两侧两侧 t2时刻的的温度场与应力场：时刻的的温度场与应力场：600e500TP T1T2PT, , 演变特征：演变特征：温度温度 有升有降；有升有降； 中心区在急剧降温；中心区在急剧降温； 两侧低温区在升温！两侧低温区在升温！塑性区塑性区有所扩展；有所扩展； 压缩塑性变形区向两侧推进；压缩塑性变形区向两侧推进； 拉伸塑性变形区中心凸现。拉伸塑性变形区中心凸现。应力场应力场明显变化；明显变化；中心从无到有；压应力区向两侧移中心从无到有；压应力区向两侧移动；两侧原来的拉应力区有所减小动；两侧原来的拉应力区有所减小 焊接结构焊接结构两侧两侧 t3时刻的的温度场与应力

32、场：时刻的的温度场与应力场：600PT3T2eT P”T, , 演变特征：演变特征：温度 有升有降； 中心区在急剧降温； 两侧低温区在升温！塑性区有所扩展； 压缩塑性变形区向两侧推进； 拉伸塑性变形区在中心发展。应力场 明显变化； 中心拉应力达到s； 压应力区继续向两侧移动； 两侧的拉应力区进一步减小。 焊接结构焊接结构 t4时刻的的温度场与应力场：时刻的的温度场与应力场： P”T3T4Te T, , 演变特征：演变特征：温度 全面下降； 中心区降温幅度大； 两侧低温区降温幅度小； t4时刻总体恢复到室温室温！塑性变形区： 压缩塑性区宽度基本不变； 拉伸塑性变形继续增大。应力场明显变化； 中心

33、拉应力区有所扩大； 两侧原有的拉应力区消失； 压应力区推移至两侧。 最终形成3块面积： 中心受拉，两侧受压。中心受拉，两侧受压。 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构演变过程小结演变过程小结 基本依据：基本依据：1）平面变形原理平面变形原理； 2） e T ； 3）T TP ,S = 0 。 关键关键找到每一时刻的找到每一时刻的 T 的分布规律 ； 认清e 线就是应力分布图的零线。 数值关系：数值关系： |P压缩| max =P 拉伸拉伸 S 残余应力：拉应力区峰值为 S ！ 分布规律：中心受拉，两边受压！ 焊接结构焊接结构3.2.2 焊接过程中的应变循环焊接过程中的应变循环无低温相变点无低温相

34、变点-应变循环应变循环AF、M 体积增大、体积增大、放热放热F、MA 体积变小、体积变小、吸热吸热 TTet1t2t3Tpt4t5 焊接结构焊接结构 有低温相变点应变循环有低温相变点应变循环AF、M 体积增大、放体积增大、放热热F、MA 体积变小、吸体积变小、吸热热 TeP 焊接结构焊接结构3.2.3 热循环过程中材料性能的变化热循环过程中材料性能的变化T T500500600600塑性温度塑性温度600 焊接结构焊接结构3.4 焊接残余应力 内容提要内容提要：1. 了解了解焊接残余应力的焊接残余应力的危害危害； 2. 掌握掌握焊接残余应力的焊接残余应力的分布规律分布规律； 3. 了解了解影响

35、影响焊接残余应力分布的焊接残余应力分布的因素因素 以便以便改善改善焊接残余应力的焊接残余应力的分布分布； 4. 掌握掌握调控调控及及消除消除焊接残余应力的方法焊接残余应力的方法 以便处理实际工程问题。以便处理实际工程问题。 焊接结构焊接结构1 1）对产品制造工艺的影响对产品制造工艺的影响 a a）影响构件的）影响构件的尺寸稳定性尺寸稳定性及及加工精度加工精度； b b）严重时，导致焊接）严重时，导致焊接裂纹裂纹产生，造成产品返修，产生，造成产品返修， 甚至甚至报废报废！（铸铁补焊时极易发生）！（铸铁补焊时极易发生）2）对结构静载强度的影响）对结构静载强度的影响 a a）塑性好的材料塑性好的材料

36、没有影响没有影响能实现整个截面能实现整个截面 上的上的全面屈服全面屈服。 b b）塑性差的材料塑性差的材料有影响有影响局部首先达到材料局部首先达到材料 的强度极限！的强度极限！ c c）注意注意缺口效应缺口效应缺口尖端出现缺口尖端出现三向拉应力三向拉应力， 导致导致 材料变脆材料变脆。3.4.1 焊接残余应力的焊接残余应力的危害危害 焊接结构焊接结构3）对压杆稳定性的影响对压杆稳定性的影响 实质：实质：降低降低构件的构件的有效承载截面有效承载截面！ 使其使其抗弯能力不足抗弯能力不足。4）对结构刚度的影响）对结构刚度的影响 实质：实质：降低降低构件的构件的有效承载截面有效承载截面！ 使其使其刚度

37、下降刚度下降。5 5）对应力腐蚀开裂的影响）对应力腐蚀开裂的影响 实质：实质：拉应力拉应力使裂纹表面的使裂纹表面的钝化膜破坏钝化膜破坏。 起到起到“引狼入室引狼入室”的助裂作用！的助裂作用！6 6）对动载强度的影响）对动载强度的影响 应作辩证分析，在应作辩证分析，在第五章第五章详细介绍详细介绍。 焊接结构焊接结构压杆稳定性下降的压杆稳定性下降的分析 压杆稳定性的降低压杆稳定性的降低(参考图例参考图例)sxx 残余应力的存在残余应力的存在,使使截面惯性矩截面惯性矩I IX X大大下降大大下降!相当于相当于有效承载截面大大削弱有效承载截面大大削弱( 收缩为蓝区收缩为蓝区)屈服区屈服区承载区承载区残

38、余残余 外载外载 叠加叠加 焊接结构焊接结构结构刚度降低分析结构刚度降低分析分析图分析图sBbp原始承载截面: : F1 = F1 = B残余应力存在残余应力存在, , bp区金属已区金属已经屈服。经屈服。使有效使有效承载截面变为: F2F2 = (B bp) 显然显然: : F2 F1F2 F1 即，即，承载截面下降！ 焊接结构焊接结构 刚度的表征刚度的表征单位变形所需力的大小，单位变形所需力的大小， 即构件抵抗变形的能力。即构件抵抗变形的能力。PL tg=P/L = EF/ L = KF K=E/L=常数常数结论：刚度与承载截面结论：刚度与承载截面 成正比。因此：成正比。因此：刚度表达式：

39、P L关系图关系图 有效承载截面下降刚度下降！有效承载截面下降刚度下降！ 焊接结构焊接结构 1) 1)焊接残余应力的表示方法：焊接残余应力的表示方法： 三个主应力：三个主应力： x 纵向应力；纵向应力； y y 横向应力；横向应力； z z 厚度方向应力。厚度方向应力。 2 2）焊接残余应力分布的表示：焊接残余应力分布的表示： x（y） 纵向应力沿横向的分布；纵向应力沿横向的分布； x（x） 纵向应力沿纵向的分布；纵向应力沿纵向的分布； y（x） 横向应力沿纵向的分布；横向应力沿纵向的分布； y（y） 横向应力沿横向的分布；横向应力沿横向的分布； 3.4.2 焊接残余应力的分布Z向向z纵向纵向

40、Y横向横向X 焊接结构焊接结构纵向残余应力方向纵向残余应力方向横向残余应力方向横向残余应力方向纵向残余应力作用面纵向残余应力作用面横向残余应力作用面横向残余应力作用面 焊接结构焊接结构（1）x（y）的分布规律）的分布规律 特征：特征：焊缝及附近焊缝及附近热影响区受拉热影响区受拉， 远离焊缝的母远离焊缝的母 材材 受压；受压； 满足：满足：拉压共存拉压共存、拉压平衡拉压平衡关系；关系； 分布图分布图至少有三块面积至少有三块面积。 举例：举例： 1）中心焊接试板中心焊接试板中心焊缝区受拉，两侧母材受压；中心焊缝区受拉，两侧母材受压； 2）板边堆焊试板板边堆焊试板板边焊缝区受拉，中间母材受压；板边焊

41、缝区受拉，中间母材受压； 焊接结构焊接结构 3）中部横截面x（y）的分布图 a）中心焊接中心焊接 b b）板边堆焊）板边堆焊 焊接结构焊接结构宽板宽板管子环焊缝管子环焊缝 焊接结构焊接结构4）纵向残余应力的幅值）纵向残余应力的幅值l 低碳钢的参与拉应力可达屈服极限低碳钢的参与拉应力可达屈服极限l Al、Ti的残余拉应力一般达不到屈服极限的残余拉应力一般达不到屈服极限l 原因是其物理、力学性能不同：导热系数、线胀系数、弹原因是其物理、力学性能不同：导热系数、线胀系数、弹性模量、屈服强度性模量、屈服强度 sAlsTi)8 . 06 . 0()8 . 05 . 0( 焊接结构焊接结构（2） x（x）

42、 纵向应力沿纵向的分布；纵向应力沿纵向的分布； 焊缝中心截面纵向应力的分布焊缝中心截面纵向应力的分布分布特点：两端过渡区：由分布特点：两端过渡区：由0 s； 稳定区：应力为稳定区：应力为s。s 焊接结构焊接结构（3）y（x） 横向应力沿纵向的分布；横向应力沿纵向的分布； 它由两部分构成，即它由两部分构成，即 y（x） y（x） y”（x） 其中其中: y（x）由纵向收缩引起；由纵向收缩引起； y”（x）由焊接次序不同引起。由焊接次序不同引起。 因此，最终结果由二者合成决定！因此，最终结果由二者合成决定！ y（x）的分布特点：）的分布特点： 两端受压，中部受拉。满足拉压平衡。两端受压，中部受拉。

43、满足拉压平衡。 y”（x）的分布规律，由焊接方向决定。）的分布规律，由焊接方向决定。 焊接结构焊接结构y（x）分析）分析a）实际情况）实际情况b）假想状态）假想状态 c）应力分布）应力分布 焊接结构焊接结构 直通焊、从中心向两端焊接直通焊、从中心向两端焊接 焊接方向焊接方向 应力分布规律：后焊区受拉！应力分布规律：后焊区受拉！y”（x）分析）分析 焊接结构焊接结构y”（x）分析 从两端向中心焊接从两端向中心焊接 焊接方向焊接方向 应力分布规律：后焊区受拉！应力分布规律：后焊区受拉！ 焊接结构焊接结构 由于横向收缩不同时性引起的横向残余应力后焊的部由于横向收缩不同时性引起的横向残余应力后焊的部分

44、总是受拉，其他部分的应力要与之平衡分总是受拉，其他部分的应力要与之平衡 与焊接顺序、焊接方向、分段方法有关与焊接顺序、焊接方向、分段方法有关 分段焊还可能出现拉压的多次交替分段焊还可能出现拉压的多次交替 y”（x）分析）分析 焊接结构焊接结构纵向残余应力纵向残余应力(单位单位:MPa)横向残余应力横向残余应力(单位单位:MPa ) 有限元法有限元法 多人分段焊进行焊接可以有效地降低焊接残余应力多人分段焊进行焊接可以有效地降低焊接残余应力,纵向应力纵向应力和横向应力的降幅分别在和横向应力的降幅分别在30 %和和40 %左右左右.宗培，焊接过程对焊接残余应力及残余变形的影响，海军工程大学学报，宗培

45、，焊接过程对焊接残余应力及残余变形的影响，海军工程大学学报，2002,Vol.14（4）：）：86-88 焊接结构焊接结构(4) (4) y（y） 横向应力沿横向的分布横向应力沿横向的分布yy（y） 分布特点：板边为零，中心最高，分布对称！分布特点：板边为零，中心最高，分布对称！ 焊接结构焊接结构(5)(5)典型工件的残余应力分布典型工件的残余应力分布 1）焊接工字梁）焊接工字梁 2）箱形梁）箱形梁 盖板应力分布盖板应力分布腹板应力分布腹板应力分布焊接箱形梁残余应力分布焊接箱形梁残余应力分布 焊接结构焊接结构多多层层焊焊焊根部的纵向应力、横向应力都比较高，都高于低碳钢的屈服强度，焊根部的纵向应

46、力、横向应力都比较高，都高于低碳钢的屈服强度，主要原因为多层焊，每一次焊都产生角变形，塑性应变积累使材料主要原因为多层焊，每一次焊都产生角变形，塑性应变积累使材料发生应变硬化，应力上升。在根部位易形成裂纹。发生应变硬化，应力上升。在根部位易形成裂纹。 zxy3）厚板多层焊）厚板多层焊 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构X坡口双面交替焊接坡口双面交替焊接zxy 焊接结构焊接结构4) 拘束状态下焊接应力拘束状态下焊接应力 焊接结构焊接结构5）封闭焊缝）封闭焊缝 焊接结构焊接结构（6）相变应力）相变应力 焊接结构焊接结构3.4.3 影响残余应力分布的因素1）焊缝长度的影响）焊缝长度的影响L1L2 L

47、3 L( () ) L1 L2 L3 焊接结构焊接结构2）工件宽度的影响）工件宽度的影响（y）B2B3 B1YB2Y （y） B1L多层、多层、 计算多层焊纵向收缩时将焊缝的截面积改为一层的截面积，计算多层焊纵向收缩时将焊缝的截面积改为一层的截面积，再乘系数再乘系数k2 L奥氏体钢奥氏体钢L低碳钢低碳钢 焊接结构焊接结构一、焊接残余变形、影响因素、计算方法纵向收缩变形 ALAkkLW21k1为不同焊接方法、不同材料的修正系数为不同焊接方法、不同材料的修正系数K2多层系数多层系数 焊接结构焊接结构焊接方法CO2焊埋弧焊焊条电弧焊材料低碳钢低碳钢奥氏体钢k10.0430.0710.0760.048

48、0.0570.076K2=1.151.4 K1取值：取值： 焊接结构焊接结构例：低碳钢工字梁，L5mm，埋弧自动焊一次一条焊缝 l 低碳钢、埋弧焊低碳钢、埋弧焊 k10.073l 双面角焊缝的塑性区基本重合，取系数双面角焊缝的塑性区基本重合，取系数1.15l 焊缝面积焊缝面积 32mm2l 构件面积构件面积 8500 mm2mmALALW16. 32)073. 015. 1 (ALAkkLW21 焊接结构焊接结构2.横向收缩变形 transverse shrinkage wAkB手工电弧焊：手工电弧焊： X形坡口形坡口 k0.12 （1）原因：）原因：焊缝及近缝区高焊缝及近缝区高温发生横向压缩

49、塑性变形温发生横向压缩塑性变形 焊接结构焊接结构2.横向收缩变形（2）影响因素：l 影响横向收缩变形的主要是热输入，热输入越高横向收缩越大，l 坡口越大变形也越大。l 如一般情况下间隙越大，横向收缩变形越大，l 但是间隙在不同情况下是不同的。焊接速度高时塑性区大，间隙大，焊接速度低时塑性区小，间隙小。 焊接结构焊接结构（3）计算V形、坡口横向收缩的经验计算公式 wAkB手工电弧焊：手工电弧焊： V形形 k0.2; X形形 k0.12 焊接结构焊接结构3.挠曲变形 deflection EILeFf82EILeAkkfH8221 焊接结构焊接结构 焊接结构焊接结构3.4.3 焊接残余变形的预防及

50、控制措施焊接残余变形的预防及控制措施3.4.3.1 设计措施设计措施1）接头局部接头局部：选择选择填充量小填充量小的的焊缝尺寸焊缝尺寸及及坡口坡口 形式形式（降低LL，BB）；）； 例如：V型坡口 X或U型坡口 。2）结构总体结构总体：减少减少焊缝数量焊缝数量（降低累积效应）；）； 例如：尽量采用冲压焊接结构，铸焊结构。 对于次要焊缝，可将连续焊改为断续焊。 3）焊缝布局焊缝布局：合理分布焊缝合理分布焊缝（使其使其接近结构接近结构 中性轴中性轴或或对称分布，对称分布，不要过密集）。 焊接结构焊接结构3.4.3 焊接残余变形的预防及控制措施焊接残余变形的预防及控制措施3.4.3.2 工艺措施工艺

51、措施*（1）反变形法反变形法*（2）刚性固定法刚性固定法*（3）限制热场法限制热场法*（4）装焊次序控制法装焊次序控制法* 以下重点展开讲解以下重点展开讲解! 焊接结构焊接结构（1）反变形法反变形法* 工件焊接前，人为工件焊接前，人为预制预制一个与焊接残余变形一个与焊接残余变形趋势相反的变趋势相反的变形形，以，以抵消抵消将要产生的残余变形的工艺措施，称为将要产生的残余变形的工艺措施，称为反变形反变形法。法。反变形法的运用应反变形法的运用应不失时机不失时机，具体分为：，具体分为：下料下料反变形反变形在下料工序实施；在下料工序实施；装配装配反变形反变形在装配工序实施；在装配工序实施；焊接焊接反变形

52、反变形在焊接工序实施。在焊接工序实施。 焊接结构焊接结构反变形法举例反变形法举例 ：1)下料反变形措施下料反变形措施 对于纵向收缩和横向收缩对于纵向收缩和横向收缩反映在长度与宽度尺寸反映在长度与宽度尺寸上上预先预先加余量加余量； 对于挠曲变形对于挠曲变形预制拱度；预制拱度； a）按图纸下料按图纸下料 b）焊后残余变形）焊后残余变形 c）预制反变形）预制反变形下挠下挠 上拱 平直 焊接结构焊接结构2)装配反变形举例：装配反变形举例： a）没有预制反变形）没有预制反变形 b）预制反变形）预制反变形 焊接结构焊接结构3)外力反变形实例外力反变形实例梁结构装配梁结构装配变截面法变截面法 应用背景应用背

53、景：大连起重机厂主梁焊接工艺大连起重机厂主梁焊接工艺 基本原理：利用装配前后基本原理：利用装配前后截面截面惯性矩惯性矩的变的变 化化获得获得剩余变形剩余变形！ 具体分析：具体分析： 焊接结构焊接结构截面惯性矩及截面惯性矩及剩余变形剩余变形分析分析： 1）由上图可知，由上图可知，形梁的截面惯性矩远小于箱形梁的截面惯性矩，即，形梁的截面惯性矩远小于箱形梁的截面惯性矩，即，J J J J口口 ； 2）在装焊前利用夹具施加给主梁的外力矩）在装焊前利用夹具施加给主梁的外力矩M外外与夹具释放后的反弹力矩与夹具释放后的反弹力矩M弹弹大小相等、方向相反，大小相等、方向相反， 即，即，M外外 M弹弹 ； 3）调

54、控状态下的挠曲变形）调控状态下的挠曲变形 f k M外外 / J 4) 4) 反弹时的反弹时的挠曲变形挠曲变形 f t M弹弹 / J口口 综上可知综上可知: : f t f k 即获得了剩余变形即获得了剩余变形 f f k f t 。 焊接结构焊接结构 变截面法的应用意义：变截面法的应用意义： 抓住产品生产过程中的有利时机，作为主要抓住产品生产过程中的有利时机，作为主要控制点，适时调节，适时调节主梁上拱度主梁上拱度。 不利方面：不利方面： 构件中存在构件中存在装配应力装配应力! 注意配合注意配合 焊接时，应特别注意配合控制焊接区的应力状焊接时，应特别注意配合控制焊接区的应力状态，态，巩固调节

55、效果巩固调节效果！ 焊接结构焊接结构4)焊接反变形实例焊接反变形实例加热减应区法补焊加热减应区法补焊 双孔试板加热减应区法焊接反变形示意图双孔试板加热减应区法焊接反变形示意图基本原理：热变形协调法热变形协调法 焊接结构焊接结构预拉伸焊接法预拉伸焊接法应用背景：客车侧墙生产（参见结构图）应用背景：客车侧墙生产（参见结构图）基本原理：基本原理：利用反变形释放焊接应力利用反变形释放焊接应力！ 焊接结构焊接结构 焊接反变形焊接反变形实例实例预拉伸预拉伸焊接法焊接法 应用背景：应用背景：客车侧墙生产客车侧墙生产（参见结构图）（参见结构图） 基本原理：基本原理：利用反变形释放焊接应力利用反变形释放焊接应力

56、！ 方法要点：方法要点： 在未焊接立柱、横梁之前，对侧墙板进行预拉伸，使母在未焊接立柱、横梁之前，对侧墙板进行预拉伸，使母材内部达到一定程度的材内部达到一定程度的拉伸效应拉伸效应！最好！最好达到屈服点达到屈服点！ 然后进行立柱、横梁的装配、焊接，直到部件完成装焊。然后进行立柱、横梁的装配、焊接，直到部件完成装焊。 最后，松开夹具，使其内部最后，松开夹具，使其内部应力释放应力释放。这样，能够大大。这样，能够大大减轻侧墙的减轻侧墙的波浪变形波浪变形，控制侧墙部件的，控制侧墙部件的平整度平整度。 焊接结构焊接结构 预拉伸预拉伸焊接法的深入分析：焊接法的深入分析： 用小试件线性加热过程的应力与变形来分

57、析用小试件线性加热过程的应力与变形来分析预拉伸预拉伸焊接法的焊接法的有效性有效性。 残余应力残余应力: 未释放夹具：应力为未释放夹具：应力为s； 释放夹具后：应力为释放夹具后：应力为 0 ！ 焊接结构焊接结构(2)刚性固定法利用夹具利用夹具限制限制焊接过程中的焊接过程中的收缩收缩 变形的工艺措施。变形的工艺措施。 基本原理：力图使焊缝区在冷却过程产生较大的拉伸塑性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。变形，以抵偿加热过程产生的热压缩塑性变形。 基本应用：适用于控制薄板适用于控制薄板波浪变形波浪变形和和角变形角变形！ 应用举例： 控制控制薄板薄板T形接

58、头的形接头的 角变形角变形! 焊接结构焊接结构 法兰盘法兰盘对称焊接夹具对称焊接夹具: 刚性固定法举例 焊接结构焊接结构（3）限制热场法）限制热场法* 通过控制通过控制焊接热输入焊接热输入和改善和改善冷却条件冷却条件来调节来调节热影响区热影响区的的范围大小，达到控制范围大小，达到控制变形量变形量的方法。的方法。基本原理：尽量降低塑性变形区的宽度基本原理：尽量降低塑性变形区的宽度 b p值。值。应用举例：应用举例：深入体会深入体会a）多层）多层/道焊与单道焊对比道焊与单道焊对比具有回火效果具有回火效果 焊接结构焊接结构b）沉水气焊法）沉水气焊法 焊接结构焊接结构限制热场法与焊接方法限制热场法与焊

59、接方法 焊接方法：焊接方法： 气焊气焊 手弧焊手弧焊 CO2焊焊 Ar弧焊弧焊 等离子弧焊等离子弧焊 脉冲脉冲Ar弧焊弧焊 激光焊激光焊 电子束焊电子束焊 超声波焊超声波焊 切割方法：切割方法： 氧乙炔火焰切割氧乙炔火焰切割 等离子弧切割等离子弧切割 激光束切割激光束切割 水下切割水下切割 水切割水切割 这些都是从限制热影响区方面所作的不懈努力！这些都是从限制热影响区方面所作的不懈努力！ 焊接结构焊接结构（4）装焊次序控制法）装焊次序控制法* 是最灵活的控制措施之一。通过改变零部件的是最灵活的控制措施之一。通过改变零部件的装配装配焊接次序焊接次序来调整和控制焊接变形。来调整和控制焊接变形。 基

60、本原理基本原理：通过：通过改变改变零部件的零部件的装配焊接装配焊接 次序次序来来调节变调节变形量形量的大小。的大小。 基本原则基本原则：控制控制（减小减小）变形量、变形变形量、变形对称对称或变形或变形抵消抵消原原则。则。 基础工作基础工作：做好装配、焊接次序的组合分析，找到最佳方：做好装配、焊接次序的组合分析，找到最佳方案。案。 焊接结构焊接结构应用举例应用举例1）X形坡口对接接头：123456123456a)b) 焊接结构焊接结构 形梁形梁装配装配焊接次序焊接次序 方案方案1边装边焊边装边焊： 焊接效果：焊接效果： 形梁产生形梁产生较小较小的挠曲变形！的挠曲变形！ 焊接结构焊接结构 方案方案