焊接内应力及变形Ⅰ、Ⅱ

1、焊接内应力及变形焊接内应力及变形、(IWE-3/4.11-12)焊接内应力及变形导论w焊接的热效应导致焊接内产生焊接内应力，不同的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（钢的为15000）至室温（约为20）。焊接内应力及变形导论w在不同的温度，不同的位置及不同的时刻，将产生不同的热变形，延伸或收缩，由此导致产生塑性变形及内应力。同样的过程也存在于板材及型材轧制使得冷却过程中。焊接内应力及变形导论w以钢棒为例，在自由状态下，钢棒被加热而延伸，在冷却时又恢复到原始长度，在整个过程中不存在延伸和收缩阻力，因此在钢棒中不存在内应力，见图3。w在自由延伸限制收缩的状

2、态下，钢棒被加热时自由延伸，在冷却时其收缩却受到限制，因此冷却后钢棒内将产生拉应力。当拉应力大于材料抗拉强度时，导致钢棒断裂，见图4。焊接内应力及变形导论w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,随温度提高，屈服极限下降并导致“锻粗”，压应力随之下降。在冷却时对收缩没有限制，而“锻粗”部位不能恢复原态，故钢棒缩短,但不存在内应力，见图5。w在限制延伸限制收缩的状态下，钢棒被加热时延伸受限，产生压应力，温度升高使钢棒的屈服极限下降，直至产生“锻粗”，压应力随之减小。在冷却时其收缩受到限制，导致在钢棒内产生拉应力（收缩应力）。见图6。焊接内应力及变形导论w拉伸试验与温度的关系焊

3、接内应力及变形内应力的产生及分布w典型钢棒内应力的分析 将钢棒固定在刚性结构上并加热，由于钢棒的延伸受到限制，在钢棒内会产生压应力。钢棒材料：St37(Re=235N/mm2）长度l=100mmt = 60/80/100/120l=l0t，= l/l0 ， =/E，=t Et = 60 =151N/mm2，t = 80 =201N/mm2，t = 100 =252N/mm2，t = 120 =302N/mm2，=/E=(235/210000)100% =0.11%焊接内应力及变形内应力的产生及分布w钢棒一端固定并加热到1500，随温度升高，钢棒变形抗力下降，出现延伸及墩粗。当冷却到室温时，钢棒

4、缩短了约2%，该2%即为铸造时所考虑的收缩量。见图9。w钢棒两端固定并如上加热及冷却，当冷却到室温时，钢棒大约被拉长2%（其中一部分为塑性变形，另一部分为弹性变形），由弹性部分导致了残余应力，即拉应力。根据平衡原理，在固定钢棒的钢结构中，也有应力存在。见图9。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w钢的屈服极限s在0500时基本是一常数。当温度超过500时， s发生陡降，当温度达到600时， s接近于零。说明钢材此时几乎处于完全塑性状态，在很小的外力作用下就可以发生塑性变形。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w纵向应力产生的原因w自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，假设被焊钢板是由无数可以

5、自由伸缩的小板条组成。在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样就不会出现内应力。w如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应力，低温部分产生拉应力。w当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸，产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w横向应力产生的原因：1. 由纵向收缩变形引起的横向应力w两块板对接焊时，相当于两块板进行对称的单边堆焊

6、，其挠曲变形方向相反，由于相互制约，将在焊缝中部产生横向拉应力，在焊缝两端出现横向压应力，见图12b）。w单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起挠曲变形，如图12a）。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w横向应力产生的原因：2. 由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力 焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力，而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用，因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果，在焊缝的最末段也将产生压应力。 上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。焊接内应力及变形内应力的产生及

7、分布w应力分布状态焊接内应力及变形内应力的产生及分布w应力分布状态焊接内应力及变形内应力的产生及分布w应力分布状态当板材较厚，不能按照平面应力假设考虑时，厚度方向的内应力也起作用，这就产生了三轴应力状态，如图16。多轴应力状态下，材料的屈服极限不再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得的结果，甚至可能发生不出现明显屈服就断裂的情况。其断裂强度至少要超过标准屈服极限的二倍。焊接结构中经常会出现多轴应力状态。焊接内应力及变形内应力的产生及分布手工焊及埋弧焊T形接头的应力分布情况应力测量试件焊接内应力及变形 不同应力状态下的应力应变图缺口导致局部出现多轴应力状态。利用开缺口的试样进行拉伸，可反映出多轴应力状

8、态对强度的影响。下图为对应左图不同缺口形式下的应力应变曲线。钢结构中不希望咬边存在，因为咬边处会出现很高的应力值。焊接内应力及变形裂纹的形成w构件在承载之前就存在焊接应力并可能存在焊接裂纹。导致焊接裂纹的产生有两方面的原因：应力超过材料的断裂强度；应变超过材料的延伸率。焊接内应力及变形消除内应力的措施1. 预热w可降低厚大件的应力峰值w可避免高强钢及合金钢的淬硬倾向及冷裂纹w可以改善点固焊和第一条焊道的热循环状态w补偿冷空气的影响w提高材料的导热能力，改善高导热材料的熔合w降低冷却速度，减弱淬火效应，避免淬硬倾向焊接内应力及变形消除内应力的措施2. 消除应力退火w消除焊接内应力的最佳办法是对焊

9、件进行整体消除应力退火，这样不仅可以消除焊接内应力，还可以消除构件在轧制及校形过程中产生的内应力。当残余应力在50-100N/mm2时，可认为是安全的。最佳的退火温度在580650之间，并按退火温度曲线图进行退火。焊接内应力及变形消除内应力的措施3. 局部退火w对不能进行整体退火的构件，可考虑进行局部退火。但应注意，局部加热会造成构件内的温度分布不均匀，并因而产生热应力。因此，局部退火的作用取决于退火面积。实际中，局部退火经常应用于环焊缝，如锅炉管道等。焊接内应力及变形消除内应力的措施4. 火焰加热法消除应力w用两把火焰枪加热近缝区，使近缝区温度保持在200左右，而焊缝中心的温度维持在100左

10、右，火焰加热区的外侧用水冷却，这将在焊缝的横截面上造成一个双峰分布的温度场，处于高温的近缝区会对焊缝金属产生拉伸作用，减小焊缝的纵向收缩，并由此减小焊缝的纵向拉应力。同时，双峰分布的温度场在横向上对焊缝也有一定的挤压作用，如能产生塑性变形，也可减小结构的内应力。焊接内应力及变形消除内应力的措施5. 机械法消除应力w锤击：对韧性材料的厚大件，在每道焊缝冷却后都对焊缝进行锤击，既可以消除内应力，又可以避免收缩裂纹。但是，如果材料的韧性较差，锤击时也可能产生裂纹。w碾压：用碾压机对焊缝进行碾压，使焊缝得以延展，从而减小内应力。焊接内应力及变形内应力的测量w内应力的测量及再现对结构的设计及各类结构的安

11、全性评定具有重要意义。1.X射线衍射应力测量法：是目前唯一的无损检测内应力的方法，但其仅能测量表层0.01mm厚度范围内的应力。激光全息法也是一种无损检测内应力的新方法。焊接内应力及变形内应力的测量2、机械应变测量法：各种机械应变测量方法几乎都是破坏性测量方法，如：切条法和小孔法。其测量原理是根据破坏后所测量部位的回弹量来推算内应力。切条法焊接内应力及变形内应力的测量小孔法：焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w材料的选择材料的选择w选材时主要考虑的因素为：应力状态、构件作用、工作温度、工件厚度及冷作成形性等。w焊接填充材料：表1给出了按DIN1913标准要求的部分焊条的机械性能。w低温下焊接时

12、应采取的预低温下焊接时应采取的预防措施：防措施：w用帐篷保护焊接区域w在帐篷内加热w焊接部位预热（焊缝两侧30mm范围）w缓慢冷却型号延伸率(%)冲击功(J) ISO-V-试样 +20A5AR7AR1127-3227-3224-2870-10080-11065-80R3RR6RR8RR1122-2522-2624-2825-3060-8060-9070-11055-85R(C)3RR(C)622-2623-2760-9055-85C428-3380-110RR(B) 7RR(B)826-3026-2980-11080-110B9B10B1225-3028-3426-30120-155160-1

13、95110-140焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w避免采用厚翼板结构形式避免采用厚翼板结构形式w控制角焊缝厚度控制角焊缝厚度w在考虑到热输入量的条件下，按DIN18800标准来选择角焊缝的厚度：5 . 0maxminta焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w避免用十字接头避免用十字接头w在焊接结构中应尽量避免采用十字接头，其次还应考虑选择合理焊接顺序，以降低应力水平。焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w分件组焊分件组焊w在考虑内应力的情况下，焊接时应尽量使单一构件可以自由伸缩，如：从中间向两边焊。而固定整个构件的焊缝应放在最后焊接。w在考虑变形的情况下，安排焊道的顺序时，应从外向内焊，先焊固

14、定整个构件的焊缝。焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w抗弯梁的现场组对焊接抗弯梁的现场组对焊接焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w抗弯梁的现场组对焊接抗弯梁的现场组对焊接w焊接工序焊接工序w车间：将腹板与翼板间的角焊缝焊至距接头200300mm。w原因：1）安装时装配组对精度高。 2）在组对焊接时，可使内应力均匀分布。w安装：下翼板的焊接受拉区 上翼板的焊接或上下翼板同时焊接 焊接腹板 焊接颈部焊缝和焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w抗弯梁的现场组对焊接抗弯梁的现场组对焊接w坡口准备（下翼板）和焊接顺序焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w抗弯梁的现场组对焊接抗弯梁的现场组对焊接w翼板的焊接及

15、检验w1、静载结构w在翼板焊缝的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，但焊接和检验完成后，再重新封闭焊接。焊接内应力及变形防止裂纹产生的实例w抗弯梁的现场组对焊接抗弯梁的现场组对焊接w翼板的焊接及检验w1、动载结构 在翼板焊缝的范围内的腹板上加工出一个缺口，待焊接和检验完成后再封闭，封闭焊接时要采取全焊透形式。焊接内应力及变形收缩及变形w横向收缩对接接头的横向收缩可按下述公式计算：横向收缩也可按如下公式计算：)(18. 0mmFBH25102 . 1vqB焊接内应力及变形收缩及变形焊接内应力及变形收缩及变形焊接内应力及变形收缩及变形w角变形焊接内应力及变形收缩及变形w纵向收

16、缩w在焊缝长度方向的收缩导致焊接变形，而变形量取决于焊件的厚度和焊缝的位置。w薄板构件：内应力小，变形大w厚板构件：内应力大，变形小焊接内应力及变形影响收缩及变形的因素 参数材料比热CJ/g导热系数J/cms热膨胀系数 mm/m铜0.3953.9500.018钢0.4830.5500.012镍铬钢0.5040.1470.017铝0.9202.1170.026焊接内应力及变形焊接内应力及变形(IWE-3/4.13)哈尔滨工业大学 方洪渊2006.5.13焊接生产制造的相关资料w有关焊接方案的通用规程（DVS1610）焊接方案焊接方案切割工艺规程切割工艺规程点固焊方案点固焊方案焊接顺序方案焊接顺序

17、方案检验方案检验方案w焊接方案及焊接顺序方案的定义（DIN1910T12）w焊接方案：焊接方案：整个焊接生产制造过程的方案，包括焊接顺序方案，焊接条件和焊接参数等。w焊缝排列顺序：焊缝排列顺序：焊接时焊缝在工件上的排列顺序。w焊接顺序方案：焊接顺序方案：整个焊接工作的排列顺序。w焊道排列顺序：焊道排列顺序：每条焊缝中的焊道排列顺序。w点固焊方案（顺序方案）：点固焊方案（顺序方案）：点固焊焊缝的尺寸及排列顺序。制定焊接方案(焊接顺序方案)的意义及依据w为制造高质量的、经济的焊接构件，制定焊接方案（焊接顺序方案）是十分必要的，这项工作再焊接结构的设计时就应予以考虑，并贯穿在整个生产、制造的过程中，

18、焊接方案制定的正确与否将直接影响到整个焊接结构的质量。w制定焊接方案的依据：制定焊接方案的依据：w法律规定、技术规范或供货协议w最佳的经济性w最小的焊接应力及变形w构件的焊接性（包括：材料的焊接性，结构的焊接安全性，生产制造中的焊接可能性。见DIN8528）w事故说明（缺陷的起因）w辅助人员的使用（代替专业人员）焊接方案的内容w母材w坡口形式及坡口准备w装配顺序（予焊件）w焊接方法（经济性）w焊接材料和辅助材料（许用范围）w焊接材料及辅助材料的烘干w企业能力证明、工艺评定、工艺规程w焊接位置（尽量采用平焊位置）w所用设备（吊装、翻转和焊接设备）w要求达到的焊接质量w加热工艺（焊前、焊后及焊接期

19、间）w恶劣的气候条件下保证焊接质量的措施w焊接参数（电流、电压及焊接速度）w焊缝成形（盖面焊道尤为重要）w焊接顺序及焊接方向w预防焊接变形的措施w检验范围（可包括检验时间）w主要尺寸及总重量焊接顺序的基本规则w下面所列出的是焊接顺序的基本规则，使用时应经常验证，是否能最大限度地避免焊接变形和内应力。但当母材、材料厚度及焊接材料或辅助材料一定时，也会出现例外情况。焊接时应尽量减少热输入量和填充金属 例外：对裂纹敏感的材料。组焊结构应合理分配各个组单元，并进行合理的组对焊接 例外：对裂纹不敏感的材料，对变形有特殊限制的结构。位于构件刚性最大的部位最后焊接（尽可能使构件能自由伸缩） 例外：对裂纹不敏感的材料，对变形有特殊限制的结构。焊接顺序的基本规则由中间向两侧对称焊接 例外：全自动焊接时。先焊对接焊缝，后焊角接焊缝焊接顺序的基本规则先焊短焊缝，后焊长焊缝先焊对接焊缝，后焊环焊缝焊接顺序的基本规则当存在焊接应力时，