焊接应力与变形课件

1、第二章焊接应力与变形 第一节焊接应力与变形的产生原因 第二节焊接残余变形 第三节焊接残余应力返回第一节焊接应力与变形的产生原因一、焊接应力与变形的基本知识 1.应力 物体受到外力作用而发生改变时，物体的任意一部分与另一部分之间同时发生的相互作用的力称为内力。作用在物体单位面积上的内力叫做应力。 2.变形 物体在外力或温度等因素的作用下，形状和尺寸的改变称为物体的变形。当外力或其他因素去除后，变形也随之消失，物体恢复原状，这样的变形称为弹性变形;当外力或其他因素去除后，变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。 下一页返回第一节焊接应力与变形的产生原因3.焊接应力与变形 焊接构件由

2、焊接而产生的内应力称为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它随时间而变化。而焊后在室温条件下残存于焊件内的应力称为焊接残余应力。二、焊接应力与变形的产生原因 焊接应力与变形是多种因素交互作用的结果。焊接应力按产生来源可分为三种情况:一是焊接不均匀加热和冷却引起焊件各部分温度差产生的焊接应力，它是形成焊接残余应力的主要来源;二是焊前加工状况和焊件的刚性及外界约束焊件造成的应力;三是金属加热和冷却时发生相变造成的比容变化而产生的应力。焊接应力导致焊件尺寸改变而产生焊接变形。下面着重讨论上述三个因素。上一页下一页返回第一节焊接应力与变

3、形的产生原因 1.焊件的不均匀受热 首先讨论金属在不同条件下产生的应力与变形的情况。 (1)不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形。不受约束的杆件在均匀加热时，其变形为自由变形，即杆件变形没有受到外界任何阻碍而自由地进行，如图2-1(a)。 (2)受约束的杆件均匀加热时的应力与变形。受约束的杆件均匀加热时，其变形为非自由变形即杆件要受到阻碍不能自由地进行下去。对于非自由变形，我们把能够表现出来的这部分变形称为外观变形，如图2-1(b) (3)长板条中心加热引起的应力与变形。如图2-2(a)所示为中长板条中心加热，出现图示中T曲线的温度分布，即靠近热源部分的材料温度高，远离热源部分的材料温度低。

4、上一页下一页返回第一节焊接应力与变形的产生原因 2.焊前加工状况和焊件的刚性以及外界约束造成的应力 构件若经过轧制、拉拔、剪切、弯曲、冲压、锻造等冷热加工会产生残余应力，这种应力在某种场合下会叠加到焊接应力上去，而在焊后的变形过程中也有附加性 焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形有很大影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力;而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关;而拘束是一种外部条件。焊件自身的刚性及周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力就越大;反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊件变形越大，而焊件应力越小 上一页下一页返回第一

5、节焊接应力与变形的产生原因3.金属组织的变化 钢在加热和冷却过程中发生相变可得到不同组织。当金属发生相变时，其比容将有一个突变，例如碳钢当由奥氏体转变为铁素体或马氏体时，其比容将增大;相反方向的转变比容将减小。伴随这种相变所出现的体积变化将产生新的内应力。在室温下，如果相变产物保留下来，那么就产生相变应力。但一般情况下，这种影响必须要考虑发生相变的温度和平均冷却速度。上一页返回第二节焊接残余变形一、焊接残余变形的分类焊接残余变形是焊接结构生产中经常出现的问题。焊接残余变形大致可以分为六类: 1.收缩变形 收缩变形包括纵向收缩变形和横向收缩变形。 纵向收缩变形是构件焊后在焊缝方向上发生的收缩，横

6、向收缩变形是构件焊后在垂直焊缝方向上发生的收缩。如图2-4所示。 2.挠曲变形 挠曲变形是由于结构上的焊缝不对称或焊件断面形状不对称，由焊缝的纵向收缩或横向收缩而引起的弯曲变形，如图2-5所示。3.角变形角变形就是焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移，如图2-6所示。下一页返回第二节焊接残余变形4.波浪变形 波浪变形就是焊后构件呈波浪形，如图2-7所示。这种变形易在薄板结构中发生。 5.错边变形 在焊接过程中，两焊件热膨胀不一致，可能引起长度方向或厚度方向上的错边，如图2-8所示。 6.扭曲变形 焊后沿构件的长度方向上出现的螺旋形变形，如图2-9所示。常发生在框架、杆件或梁柱等刚性较大的工件上。

7、二、焊接残余变形产生的原因及影响因素 1.纵向收缩变形和横向收缩变形上一页下一页返回第二节焊接残余变形 (1)纵向收缩变形。根据前面的分析，在焊接时，焊缝及其附近的金属由于高温下的自由变形受到阻碍产生压缩塑性变形，产生压缩塑性变形的区域称为塑性变形区。 (2)横向收缩变形。对接接头横向收缩变形大小主要与焊接线能量、焊缝坡口形式、焊缝截面积大小和焊接工艺有关。焊接线能量越大，横向收缩变形越大;坡口角度越大，间隙越大，横向收缩变形越大。焊缝截面积越大，横向收缩变形越大。实际上这三个因素是有关联的，坡口角度越大，间隙越大，焊缝截面积也越大，所需焊接线能量越大，焊接横向变形越大 2.弯曲变形 弯曲变形

8、主要是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称引起的。 上一页下一页返回第二节焊接残余变形(1)纵向收缩引起的弯曲变形，如图2-10所示 (2)横向收缩变形引起的弯曲变形。横向收缩变形引起的弯曲变形在生产中常见的情况:采用很多筋板或加强板，并且在结构上布置不对称。 3.角变形焊接接头角变形产生的根本原因是横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。焊缝的正面变形大，背面的变形小，造成了构件平面的偏转 对接接头角变形影响因素如下。 (1)坡口角度。坡口角度越大，焊接接头上部及下部横向收缩量差别就越大，因而角变形越大。由于自动焊的熔深比手工焊大得多，因此焊接相同厚度时，采用自动焊比手工焊坡口角度

9、小，使自动焊比手工焊角变形小 上一页下一页返回第二节焊接残余变形(2)焊缝截面形状。采用对称坡口，有利于减小角变形。如X形坡口代替V形坡口。但是采用X形或双U形坡口时，如不采取合理的焊接顺序，仍可能产生角变形。一般采用双面交替焊，用最少的翻转次数求得最小的角变形。如图2-12(a)所示 (3)焊接方式有关。对于同样的板厚和坡口形式，多层焊比单层焊角变形大，层数越多，角变形越大，多道焊比多层焊角变形大 4.波浪变形 波浪变形常发生在薄板焊接结构中，薄板焊后焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力，当压应力达到某一临界值(称为临界应力)时，薄板因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象我们称之为失

10、稳。上一页下一页返回第二节焊接残余变形5.焊接错边由于焊接产生的错边主要原因之一是焊接过程中对接边的热不平衡。如图2-13所示的是热不平衡的几个例子。 6.扭曲变形 这类变形目前研究的还比较少，常见产生的扭曲变形是焊缝角变形沿长度上的不均匀分布。如图2-14所示。三、预防焊接残余变形的措施 焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决 1.设计措施 (1)选择合理的焊缝形式和尺寸 对于如图2-15所示受力较大的T形接头或十字接头，在保证相同的强度条件下，采用开坡口的角焊缝可以减少焊缝金属，对减少变形有利。上一页下一页返回第二节焊接残余变形 (2)尽量减少焊缝数量。如图2-16所示是采用压型结构代

11、替筋板结构来防止薄板结构的变形。 (3)合理安排焊缝布局和接头位置。对于易产生弯曲变形的梁、柱等结构，设计时，焊缝尽可能接近中性轴或对称于截面中性轴，如 图2-17所示 2.工艺措施 进入生产阶段，采用焊前预防或焊接过程中主动的工艺措施，可以减小焊接变形。 (1)焊前预防措施 反变形。事先估计好结构变形的大小和方向，然后在装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件满足设计要求。反变形法主要用于控制角变形和弯曲变形。 上一页下一页返回第二节焊接残余变形如图2-18中，(a)图对接接头角变形，预先在坡口处垫高;(b)图是工字形梁翼缘板反变形;(c)图是薄壳结构支承座焊接的反变形如图2

12、-19所示是锅炉集箱焊接时的弹性反变形。 刚性固定法。刚性固定法是将构件加以固定来限制焊接变形。这种方法主要用来防止角变形和波浪变形。由于刚性固定法增加了焊接时的拘束度，所以焊接收缩量大约减少40%-70 %，但是会产生较大的焊接残余应力。 如图2-20所示是焊接法兰盘时，采用刚性固定法，可有效防止法兰盘的角变形。上一页下一页返回第二节焊接残余变形 如图2-21(a)所示为翻斗车的斗体，其外部轮廓有曲面，也有平面，上平面装有角钢，所有焊缝均为连续角焊缝。施焊后，由于角钢与斗体焊缝的纵向收缩，会使角钢产生弯曲而向外凸，因此在生产中，也用角钢作为临时支撑点固定在斗体内侧，控制焊接后的变形。图2-2

13、1(b)所示的电铲配重箱是由底板、带孔盖板、四周围板、中间的隔板装焊而成。 (2)焊接过程采取的措施 合理地选择焊接方法和规范。由于焊接变形是焊接过程中不均匀加热的结果，所以总的原则是，在焊接过程中应采用最小的总加热量，变形量就会最小。合理地选择装配顺序和焊接顺序。上一页下一页返回第二节焊接残余变形装配和焊接顺序对焊接变形的影响极大，因此质量要求较高的焊接结构，需合理安排装配、焊接顺序，把变形降至最低。如图2-11所示工字形梁不同装配焊接顺序。如图2-22所示圆筒体的对称焊。如图2-23所示的排管的焊接顺序。如图2-24所示是长焊缝分段焊接的几种焊接方式。装配焊接顺序对变形影响的例子如图2-2

14、5所示焊接梁。 散热法。靠直接水冷或铜冷却块来限制和缩小焊接热场的分布，可以达到减小变形的目的，如图2-26所示，但对淬硬性较高的材料慎用。如图2-27所示是利用水冷焊接压盖防止变形。上一页下一页返回第二节焊接残余变形四、矫正焊接残余变形的方法 焊接结构产生的变形，尽可能采取前述的预防措施，如果变形仍然超出技术要求，就需矫正措施来减小或消除已发生的变形。矫正的方法有以下两类 1.机械矫正法 机械矫正法是冷作矫正金属变形的一种方法，是利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，达到恢复原形位的方法。采用机械设备矫正法比较普遍，其矫正质量好，效率高，劳动条件好。常用的机械设备矫正设备有:拉伸机

15、、压力机、卷板机、板材矫平机、型材矫正机和管材矫正机等 如图2-28所示的是薄板波浪变形的矫正。上一页下一页返回第二节焊接残余变形如图2-29是工字形梁上拱和旁弯的机械矫正。 2.火焰加热矫正法 火焰加热矫正法是利用火焰对焊件局部伸长部分加热，使其在较高温度下发生塑性变形，冷却后收缩变短，使构件变形得到矫正。火焰加热法采用一般的气焊焊炬。 如图2-30所示是锅炉集箱弯曲变形的火焰矫正实例。如图2-31(a)所示为T形梁角变形的线状加热矫正实例。图2-31(b)所示为工字梁弯曲变形火焰加热矫正的实例。上一页返回第三节焊接残余应力一、焊接残余应力的分类 前面已讨论过残余应力的有些分类，现将焊接应力

16、的所有分类总结见表2-1。二、焊接残余应力的分布 在厚度不大(15-20) mm)的中厚和薄板焊接结构中，焊接残余应力场为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向的残余应力较大。1.纵向应力。 平板对接直线焊缝所引起的纵向残余应力如图2-32所示，可以看出，焊缝及其附近区域是拉应力(低碳钢和不锈钢上数值一般达到材料的屈服极限)，远离焊缝的区域为压应力。下一页返回第三节焊接残余应力同时可以看出，靠近板的横向板边时应力降低，在横向板边应力为零。图2-33是不同长度焊缝中的分布。 圆筒对接环焊缝引起的纵向应力(即切向应力)如图2-34所示。2.横向应力 y 横向应力较为复杂，它是由焊缝及

17、附近塑性变形区的纵向收缩所引起的和焊缝及其附近塑性变形区横向收缩的不同时性引起的合成。其中，焊缝冷却的横向收缩是直接原因，焊缝的纵向收缩是间接原因。另外，表面和内部不同的冷却过程，以及可能叠加的相变过程也是影响因素。上一页下一页返回第三节焊接残余应力 平板对接时，通常焊缝中心截面上的在两端为压应力，中间为拉应力，由此可引发焊缝端部的裂纹。的数值与板的尺寸有关，如 图2-35(a)图所示。图2-36是两块25 mm x 910mmx 1 000 mm板多层焊焊接后y的分布。 3.厚板中的残余应力 图2-37是80 mm低碳钢厚板V形坡口多层焊焊缝残余应力的分布。如图2-38所示是240 mm厚电

18、渣焊焊缝中心的应力分布。4.构束状态下焊接的内应力如图2-39所示为中间杆件对接焊缝的横向收缩。上一页下一页返回第三节焊接残余应力 5.封闭圆形焊缝所引起的内应力 在容器、船舶等板壳结构上，圆形封闭焊缝多用于接管、镶块和法兰盘的连接，封闭圆焊缝是在较大的拘束状态下焊接的，其内应力比自由状态下大。如图2-40中径向应力为拉应力。 6.焊接梁柱中的残余应力 梁柱属细长比值较大的焊接构件，易发生纵向弯曲变形，所以往往注重分析纵向残余应力的分布。如图2-41所示是T形梁、工字形梁和箱形梁中纵向焊接残余应力的分布。 7.相变对平板对接焊缝残余应力的影响 金属相变时，比容将发生变化例如奥氏体转变为铁素体或

19、马氏体，比容增大。如图2-42所示是相变应力与叠加后，在相变区的残余应力可能为压应力。上一页下一页返回第三节焊接残余应力三、焊接残余应力对焊接结构的影响 1.焊接残余应力对结构静载强度的影响对于光滑构件，只要材料有足够的塑性，塑性变形可使截面上的应力均匀化，残余应力的存在并不影响构件的承载能力，即对静载强度没有影响;如果材料处于脆性状态或经热处理的材料以及三向应力作用下的材料，由于材料不能塑性变形，构件截面上的应力不能均匀化，残余拉应力与工作应力叠加，使结构局部破坏，导致整个构件断裂 对于带缺口的构件，由于严重的应力集中，可能同时存在着较高的拉伸内应力。当构件中因其中的某种原因受到大的作用引力

20、时，拉伸内应力和严重应力集中的共同作用，将降低结构的静载强度，使之在远低于屈服点的外载应力作用下发生脆性断裂。上一页下一页返回第三节焊接残余应力 2.焊接残余应力对疲劳强度的影响 焊接残余应力对疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特征系数有关，在 min / max比值较低时，影响较大，有应力集中时影响更大。当试件，特别是试件表面上有压缩残余应力时，可提高疲劳强度。因而，提高焊接结构的疲劳强度，不仅要降低残余拉应力，而且要减少产生接头应力集中的因素如余高过大、角焊缝过于凸起等。另外，采取喷丸、点状加热、超载处理等方式在构件中引入压缩残余应力，可以改善焊接结构抗疲劳性能。 3.焊接残余应力对机械加

21、工精度和尺寸稳定性的影响 如果工件中存在焊接残余应力，机械切削加工在切去部分材料的同时，也会把切去材料中的残余应力一起去掉，从而破坏工件中的应力平衡，使工件产生变形，加工精度也就受到影响。上一页下一页返回第三节焊接残余应力如图2-43中，当加工完之后，松开夹具时变形就能表现出来。 4.焊接残余应力对受压杆件稳定性的影响 当杆件受压时，杆件截面上的压缩残余应力将与外载所引起的应力叠加，使杆件上压应力区先到达屈服极限，该区应力不再增加，从而使该区丧失进一步承受外载能力，相当于削弱了杆件的有效截面，使压杆的临界应力下降，对压杆的稳定性有不利的影响。压杆内应力对稳定性的影响与压杆的截面形状和残余应力的

22、分布有关，若能使有效截面远离压杆的中性轴，可以改善其稳定性 5.焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响应力腐蚀开裂是拉应力,腐蚀介质共同作用下产生裂纹的一种现象,焊接后的残余应力与工作应力叠加促使焊缝附近很快产生应力腐蚀开裂。上一页下一页返回第三节焊接残余应力因此，对于受腐蚀的结构，采取适当的消除残余应力的措施，是有利于提高抗腐蚀能力的。 6.焊接残余应力对结构刚度的影响 焊接后，焊缝及其附近区域产生拉应力，远离焊缝的区域产生压应力，并且拉应力达到材料的屈服极限。因此，当构件受拉时，该区不能承受负载，相当于有效承载面积减小了，导致刚度有所下降。四、降低焊接残余应力的措施 在设计焊接结构时遵循设计规范

23、，使得结构在制造过程中产生的焊接残余应力得到有效的控制。同时，在焊接过程中采取一些工艺措施可在降低应力峰值的同时，使应力的分布也更为合理上一页下一页返回第三节焊接残余应力1.设计措施 (1)尽量减少焊缝数量和采用小的焊缝尺寸 (2)避免焊缝密集和交叉。如图2-44中用切口来避免焊缝的交汇，不过，在需考虑结构疲劳强度时应有条件的采用切口。 (3)采用刚性小的接头形式或开减应力槽，减小局部刚度，降低焊缝拘束度 (4)采用尽可能小的板厚。当板厚较大时，易产生三轴拉伸应力促使发生脆性断裂。 (5)选用热输入小和能量集中的焊接方法。 (6)在残余拉应力区避免焊缝几何形状不连续性和应力集中。 上一页下一页

24、返回第三节焊接残余应力(7)由于焊后处理会对结构产生不利影响，因而需要合理制定焊后消除应力的技术要求，减少不必要的焊后处理 2.工艺措施 (1)采用合理的焊接顺序和方向。 先焊收缩量较大的焊缝和受力较大的焊缝。如图2-45中应先焊对接焊缝1，后焊角焊缝2，使得焊缝1能自由收缩，从而减少内应力。 如图2-46中应先焊受力较大的翼缘对接焊缝1再焊腹板对接焊缝2，最后焊角焊缝3，使腹板收缩有一定的余地 拼板时，应先焊错开的短焊缝，然后焊直通长焊缝。如图2-47所示为大型容器底部拼板的焊接顺序上一页下一页返回第三节焊接残余应力 采用分段退焊法。分段退焊法也能减少焊接接头的横向与纵向收缩，若焊接作业连续

25、进行且无焊件中途完全冷却这一情况发生，则焊接残余应力也得到一定降低，分段退焊广泛应用于船舶或储罐等大型结构的焊接。 (2)采用降低焊缝拘束度的措施，补偿焊缝收缩量对一些圆焊缝可以采用反变形法，降低焊缝拘束度，如图2-48所示。采用加热“减应区”法。如图2-49中修复断口时，在轮缘或轮辐上适当加热，使轮缘或轮辐加热时一起伸长，冷却时一起缩短，从而减小内应力。 采用预热法。 如图2-50所示为ZG310-570铸钢齿轮毛坯上一页下一页返回第三节焊接残余应力 (3)锤击或碾压焊缝。只要金属材料具有足够的塑性，则无论在热态或冷态下，均可用锤击方式沿焊接方向延展焊缝。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过分产

26、生裂纹。对于带有对接焊缝的金属薄板，特别是有色金属的薄壁构件上，采用碾压法(用窄滚轮滚压焊缝和近缝区)比冷锤击更为合适，如图2-51所示。五、消除焊接残余应力的措施 由于焊接残余应力带来前述的影响，因而对一些重要的、法规要求的或具有特别性能要求的结构就需要消除残余应力。焊后消除残余应力的方法见表2-2。上一页下一页返回第三节焊接残余应力 1.高温退火热处理 高温退火热处理是当前焊后消除残余应力的最主要方法。高温退火热处理除消除应力的作用外还可以改善焊接接头的金相组织、力学性能和释放焊接接头中的氢。 (1)整体高温退火。整体高温退火是将整个构件加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。 整体热处

27、理一般在炉内进行，遇到大型结构(如大型容器)无法在炉内处理时，可采用容器外壁覆盖保温层，在容器内部用火焰或电阻加热的办法处理，如图6-38所示 (2)局部高温退火。局部高温退火是将焊缝周围的一个局部区域加热，其效果不如整体热处理，只能降低应力峰值，而不能完全消除。常用于比较简单的、刚度较小的构件上一页下一页返回第三节焊接残余应力 2.机械拉伸法 在焊接过程中，焊缝及其附近区域产生的压缩塑性变形导致了焊接残余应力的存在，机械拉伸法就是焊后对构件加载拉伸，产生拉伸塑性变形，使它的方向和压缩塑性变形相反，减少或消除焊接残余应力的方法。 3.温差拉伸法 温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法

28、相同，不同的是温差拉伸法是局部加热的温差来拉伸焊缝区。适用于中等厚度钢板焊后消除应力。对于焊缝比较规则厚度不大( 40 mm)的板、壳结构具有工程实用价值 上一页下一页返回第三节焊接残余应力如图2-52中在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧-乙炔焰炬加热，在焰炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。 4.振动处理(VSR) 振动消除残余应力是在交变应力作用下，使材料内产生塑性变形，残余应力得到松弛。处理时，将焊后已冷却下来(有时仍热)的构件置于振荡台上，或借助附着式振荡器，以接近于构件固有频率的较高频率(10-100 cps)作5-20 min的低幅振动，并用振动器的功率消耗量来测定构件阻

29、尼的下降。如图2-53是一种大型焊件使用振荡器消除应力的装置。上一页下一页返回第三节焊接残余应力 5.爆炸处理 如图2-54所示，爆炸处理是通过粘贴在焊缝及其近区表面的特种炸药(主要的研究和应用是条状橡胶炸药)的引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，从而消除焊接残余应力的方法。 6.逆焊接加热处理(AWHT) 逆焊接加热处理是近年来在我国出现的一种新的调整焊接残余应力技术，其基本原理如下:利用与焊接加热过程相反的方法即逆向焊接加热，采用冷却介质使焊接区获得比相邻区(母材)为低的负温差(该温差要远低于焊接正温差)，在冷却过程中焊接区由于受到周围金属的拉伸而产生伸长塑性变形，从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性变形，达到消除焊接残余应力的目的。上一页下一页返回第三节焊接残余应力7.喷丸处理 喷丸处理是一种表面清理的方法，其介绍见第四章第一节。喷丸处理也可以降低和消除拉伸残余应力，也可以在工件表面产生压应力，这是其主要优点，因而