焊接结构中的应力与变形课件

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

一1-1应力及变形的基本概念

1.内应力/焊接应力所谓内应力是指在没有外力条件下平衡于物体内部的应力.在焊接结构中存在的这种内部互相平衡的应力就称为焊接内应力，简称焊接应力.

分类：1.应力按其分布范围可分为宏观内应力和微观内应力;2.内应力按其作用时间可分为瞬时应力和残余应力.

瞬时应力随时间而变化,由构件各处受热不均匀/膨胀或收缩变形不一致，互相约束而产生.当物体温度恢复到原始均匀状态后构件中仍然存有的内应力，称为残余应力.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概1(1)焊接温度场：将焊接过程中某一瞬间,接头中各点温度分布状态称为焊接温度场.

在焊接热源作用下，构件上各点温度在不断地变化，可以认为达到某一极限热状态时温度场不再改变，该温度场称为极限温度场.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

(1)焊接温度场：第一章焊接结构中的应力与变2第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概32.有关力学和物理性能假定1)平截面假定:假定杆件在焊前所取横截面焊后仍保持为平面.2)金属性能假定：材料某些物理性能如线胀系数(α)、比热容(c)、热导率(λ)均不随温度变化而变化.3)金属屈服点假定:在500℃以下时同常温时屈服点，而600℃以上时呈完全塑性状态，即屈服点为零.4)应力应变关系假设:材料呈理想弹-塑性状态，即材料屈服后不发生强化.

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

2.有关力学和物理性能假定第一章焊接结构中的应力与变形

§4

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应5

低碳钢应力应变关系(本构关系)低碳钢应力应变关系(本构关系)6

二构件中焊接应力与变形产生

–均匀加热的应力和变形产生1）自由变形

当金属物体温度有改变或发生相变，其尺寸和形状要发生变化，如变化没有受到外界任何阻碍而自由地进行，称之为自由变形.

其中:α——热膨胀系数2）自由变形率所谓自由变形率指单位长度上的自由变形量。用表示：

二构件中焊接应力与变形产生–均匀加热的应力和变形产生7焊接结构中的应力与变形课件8¾）外观变形和内部变形当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地表现出来，我们把能够表现出来的这部分变形称为外观变形（或实际变形），而未表现出来的那部分变形，称为内部变形.

外观变形用表示．内部变形是自由变形和外观变形之差，用表示，表达式为：

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

¾）外观变形和内部变形第一章焊接结构中的应力与变形

95）外观变形率所谓外观变形率指的是单位长度上的外观变形量，用来表示,表达式为：6）内部变形率:指是单位长度上的内部变形量，用表示，表达式为：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

5）外观变形率第一章焊接结构中的应力与变形

§10

1)低碳钢热循环的最高温度小于500℃时:1.加热温度较低:

材料变形在弹性范围内---当杆件温度恢复到初始温度，杆件将自由收缩到原来长度压应力将全部消失.2.加热温度较高:

当压缩变形率超过材料屈服变形率时，杆件将发生压缩塑性变形，变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述1)低碳钢热循环的最高温度小于500℃时:第一章112)低碳钢热循环最高温度超过600℃:A.加热过程：杆件受到完全约束而没有任何自由变形，开始加热即产生压缩弹性变形.随温度升高，达到屈服应变出现压缩塑性变形.温度达500℃继续升温，弹性变形减少而塑性变形增大.温度升高/随屈服点降低/压应力降低.在温度600℃,材料屈服点降到零，材料处于全塑性状态/压应力消失/变形全为塑性变形.B.冷却过程：杆件冷却到600℃性能开始恢复，屈服点逐渐升高，此时随杆件冷却，杆端将不以4‘为起点而以4为起点收缩.由于收缩时又受到约束，杆内必将产生拉伸变形和拉应力.当温度已下降至500℃，材料完全恢复弹性，拉伸塑性变形不断增加，而拉应力达到屈服点则不再增加.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述2)低碳钢热循环最高温度超过600℃:第一章焊接12

结论：构件均匀加热时，如在升温过程中产生了塑性变形，那么在自由冷却时，此变形将保留下来而形成残余变形。对于完全约束的杆件，在不高的温度(对低碳钢可推导出这个温度约为100℃)时即产生压缩塑性变形，该变形在自由冷却后将被保留下来。如果在冷却时受约束，则必然会产生拉应变和拉应力。完全受约束杆件，即使加热温度不高(对低碳钢而言，加热温度超过200℃)，产生的压缩塑性变形也足以使其在冷却时产生拉应力达到材料拉伸屈服点.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述结论：构件均匀加热时，如在升温过程中产生了塑性变13第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概14焊接结构中的应力与变形课件15第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概16焊接结构中的应力与变形课件17第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

内部变形(率)<s:发生弹性变形;当

>s时--产生弹性/塑性变形.

板条分四个区域：1)完全弹性变形区:变形率均小于s，冷却后无残留塑性变形.2)T≤500℃区域是弹性区和部分塑性变形区.冷却后塑性变形部分保留.3)500℃≤T<600℃区域是部分塑性变形到完全塑性变形区,冷却后塑性变形则全部保留.4)T>600℃的区域是完全塑性区.600℃以上纤维在伸长和缩短时都没有任何阻力，该区塑性变形冷却时将不保留.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概18第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概19结论1:

板条堆焊后其残余应力分布和变形大小完全取决于加热过程中所产生压缩塑性变形区大小和分布.凡是影响压缩塑性变形区大小和分布因素都会对板条中残余应力和变形产生影响.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述结论1:第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力20第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述结论2:

内部变形率小于金属屈服限变形率s,不存在残余应力和变形；内部变形率大于金属屈服限变形率s，将出现残余应力,板条将产生残余弯曲变形和收缩变形，但方向与加热相反.变形位置则由平衡条件决定.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概214．相变对应力和变形的影响低碳钢相变点Ac1温度(723℃)---材料呈完全塑性状态，奥氏体转变时体积变化不受任何阻力，所以对应力和变形不产生影响.

焊后出现低温马氏体转变:马氏体转变温度为200—300℃---材料已完全恢复弹性，马氏体转变时体积膨胀受到周围金属阻碍而产生相变应力.在焊缝金属马氏体膨胀使得该区内残余拉应力减小，甚至出现压应力.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述4．相变对应力和变形的影响第一章焊接结构中的应力与变形

§225．影响焊接应力与变形的主要因素

1)焊缝/近缝区不均匀加热范围和程度.包括焊缝尺寸/数量及位置/材料热物理性能/焊接工艺方法和参数(电流/电压/焊速)以及焊接操作方法(直通焊/分段跳焊/逆向分段焊)因素.2)焊件刚度/周围环境拘束度(如焊接构件尺寸和形状/焊接夹具)/焊缝布置及装配焊接次序.构件在小拘束条件下焊接变形大/应力小；反之，焊接变形小/应力大.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述5．影响焊接应力与变形的主要因素第一章焊接结构中的应力与变23

概念：在焊接过程全部结束，焊件完全冷却后残余在焊件中的内应力叫做焊接残余应力.

在厚度δ<15～20mm的常规焊接结构中残余应力呈现双轴分布，厚度方向应力很小.在大厚度焊接结构中厚度方向应力比较大.a.沿焊缝方向作用的残余应力称为纵向焊接残余应力σx.b.沿垂直于焊缝方向作用的残余应力称为横向焊接残余应力σy.c.沿厚度方向作用的残余应力用σz表示.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力概念：在焊接过程全部结束，焊件完全冷却24

1.纵向焊接残余应力残余应力分布与焊接过程形成塑性压缩变形的大小/分布有关，影响压缩塑性变形因素都能影响残余应力分布.a.构件几何尺寸/结构形式；

b.焊接方法/焊接参数.

分四种情况分析：1）板边堆焊；2）等宽度板对接焊缝；3）不等边板对接焊缝；4）相变影响.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力1.纵向焊接残余应力第一章焊接结构中的应力与变形25焊接结构中的应力与变形课件26焊接结构中的应力与变形课件27焊接结构中的应力与变形课件28焊接结构中的应力与变形课件292．横向残余应力分布横向残余应力产生原因复杂:1）在焊接过程中焊缝及近缝区金属横向收缩先后次序不同，使对接两块板有产生平面内弯曲趋势而出现横向残余应力；2）纵向收缩造成板平面内弯曲趋势也引起横向残余应力.

横向应力σy由两部分组成：一由于焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩所引起，用σy’表示,分布规律为中部为拉而两端为压；另一个是由焊缝及附近塑性变形区横向收缩不同时性所引起，用σy”表示.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力2．横向残余应力分布第一章焊接结构中的应力与变形

§30焊接结构中的应力与变形课件31

横向应力另一个组成部分σy”.由于焊缝不是同时完成，各部分有先焊和后焊之分.

先焊部分先冷却/先收缩，后焊部分后冷.却/后收缩.先焊/先冷却部分又限制后焊/后冷却部分横向收缩，这种限制和反限制构成了横向σy”.

注意：σy”分布与焊接方向、分段方法以及焊接顺序有关.

分段退焊法可使横向残余应力出现拉压交替分布状态，应力峰值较低，分布较为均匀.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力横向应力另一个组成部分σy”.由于焊缝不是同时完32焊接结构中的应力与变形课件33焊接结构中的应力与变形课件343．厚板中残余应力分布3．厚板中残余应力分布35焊接结构中的应力与变形课件364．焊接工(H形)形/箱形/T形结构的残余应力4．焊接工(H形)形/箱形/T形结构的残余应力375．拘束条件下焊接的残余应力5．拘束条件下焊接的残余应力385．拘束条件下焊接的残余应力条件:a.构件在拘束状态下焊接b.构件本身刚度大.概念:构件在拘束状态下焊接产生的应力，称为拘束应力.规律:a.焊缝较短时拘束应力大小不变,焊缝较长则拘束应力沿焊接方向逐渐增大.b.拘束长度(两固定端之距离)越大则拘束应力越小.c板厚增大拘束应力变大.d.焊接热输入增大拘束应力则增大.总结:1)拘束条件下焊接应力是拘束应力与自由状态下焊接残余应力这两项应力综合.2)拘束应力是拉应力，它对构件影响较大，需采取措施减小构件刚度，防止产生过大拘束应力.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力5．拘束条件下焊接的残余应力第一章焊接结构中的应力与变形

39焊接结构中的应力与变形课件40焊接结构中的应力与变形课件41焊接结构中的应力与变形课件426.圆筒纵/环缝焊接残余应力圆筒纵向焊缝焊接残余应力分布类似于平板对接时应力分布.

环焊缝残余应力分布规律:a.环焊缝残余应力分布与筒体刚度和材料有关.b.环缝残余应力小于平板对接焊缝中相应应力数值.c.环缝径向收缩导致弯曲应力产生,一般内外表面上的分布是对称的.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力6.圆筒纵/环缝焊接残余应力第一章焊接结构中的应力与变形

43焊接结构中的应力与变形课件44二焊接残余应力对焊接结构使用性能的影响1.对结构强度的影响结论1：对于延性材料内应力对静强度没影响.

材料处于脆性状态不能进行塑性变形，随着外力增加构件不能产生应力均匀化，应力峰值不断增加，直到材料强度极限σb而发生局部破坏.结论2：对于脆性材料内应力对静强度有不利影响.

塑性变形产生的必要条件是切应力的存在，而在三轴等值拉应力作用下切应力τmax=0,不可能产生塑性变形.结论3：无论是脆性材料还是延性材料，三轴拉伸内应力将阻碍塑性变形产生，承载能力（静强度）有不利影响.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力二焊接残余应力对焊接结构使用性能的影响第一章焊接结构中45焊接结构中的应力与变形课件46焊接结构中的应力与变形课件472.对结构加工尺寸精度的影响机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡，使工件产生变形，加工精度也就受到了影响.保证加工精度办法：

1.先消除焊接内应力然后再进行机械加工；

2.调整机加工工艺,如分次加工与交替加工.

注意：焊接应力是否长期稳定，亦即焊接应力是否会在长期存放过程中随时间变化而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力2.对结构加工尺寸精度的影响第一章焊接结构中的应力与变形

48焊接结构中的应力与变形课件493.对结构刚度的影响构件伸长与外力关系：

P—外力；L—长度；E―弹性模量；F―截面积假设tgα＝P／△L=E×F/L表征构件刚度:

假设b区拉伸内应力σ1=σs，两侧为压应力σ2.b区应力达到σs，应力不能增加,由（B－b)×δ承受,△L’

△L,导致tgα’=P/△L’＝(B－b)×δ×E/L比没有内应力时小，tgα’<tgα.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力3.对结构刚度的影响构件伸长与外力关系：第一章焊50结论1：

如果构件中存在着与外力方向一致的内应力而数值达到σs，则在外力作用下刚度降低，,刚度降低程度与b/B有关，b占比例越大对刚度影响越大.结论2：

焊接构件经过一次加载和卸载后如再加载，只要不超过前一次，内应力不再起作用，外载也不影响内应力分布.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力结论1：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余51如果σ1＜σs：

1）外力作用初期，b区可以承受一部分载荷，构件整个截面上应力都增加，与无内应力情况完全一致，一直持续到外载引起应力与σ1之和达到σs为止.2）如果进一步增加P值，b区中应力不再上升，而只产生塑性变形，这时构件有效承载面积缩小，构件刚度降低.

结论3：如果焊接构件内应力σ1＜σs，在加载初期内应力不影响构件刚度；当内应力与外载之和等于σs之后，内应力降低焊接构件刚度.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力如果σ1＜σs：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-252焊接结构中的应力与变形课件53焊接结构中的应力与变形课件544.稳定性的影响结论：

a.构件压缩内应力与外载应力之和达到σs之后，焊接构件临界应力将比没有内应力时降低.b.内应力对整体稳定性的影响只在构件一定长细比λ范围内起作用。

1）构件临界应力较低或内应力数值较低而外载应力与内应力之和在失稳前仍未达到σs，内应力对稳定性不产生影响.2）构件临界应力较大而偏心不大，其临界应力决定于构件全面屈服，内应力对其稳定性不产生影响.3）对大宽度与厚度比值（B／δb）构件，压缩焊接内应力通过降低局部稳定性引起构件整体失稳.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力4.稳定性的影响第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2555．对应力腐蚀的影响应力腐蚀是拉应力与腐蚀介质共同作用下产生裂纹的一种现象.由于焊接结构在没有外加载荷的情况下就存在残余应力，因而在腐蚀介质作用下结构虽无外力也会发生应力腐蚀.

应力腐蚀机理:当构件受到拉应力作用时,由于应力集中作用，在裂纹尖端形成很高拉应力场，它阻止裂纹尖端表面钝化膜形成或将裂纹尖端已形成钝化膜破坏，使裂纹尖端暴露在腐蚀介质中，裂纹尖端材料不断地通过阳极过程溶解，裂纹向前扩展.

高强度钢和超高强度钢应力腐蚀开裂尤为突出.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力5．对应力腐蚀的影响第一章焊接结构中的应力与变形

§1-56三预防和消除焊接残余应力的措施

减小焊接残余应力和改善残余应力分布途径:a.设计(焊前）b.工艺(焊接过程)c.处理(焊后)1.减少和调整焊接残余应力分布的设计原则1)尽量减小焊缝截面尺寸/减少填充金属数量;2)降低局部刚度而使焊缝比较自由收缩;3)将焊缝尽量布置在最大工作应力区之外;4)尽量防止焊缝密集/交叉;5)采用合理接头形式.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力三预防和消除焊接残余应力的措施第一章焊接结构中的应力与57焊接结构中的应力与变形课件58焊接结构中的应力与变形课件59焊接结构中的应力与变形课件602.焊接过程减少/调整焊接残余应力分布方法1)合理地选择装配焊接顺序a.先焊大收缩量焊缝/后焊小收缩量焊缝.b.先焊工作时受力大焊缝.2)使用局部加热方法减小应力

3)锤击

4)采用反变形减小残余应力

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力2.焊接过程减少/调整焊接残余应力分布方法第一章焊接结构中61焊接结构中的应力与变形课件62焊接结构中的应力与变形课件63焊接结构中的应力与变形课件64焊接结构中的应力与变形课件653.焊后消除焊接残余应力的方法

(1)整体热处理

概念:将构件整体加热到回火温度，保温一定时间后冷却.机理:金属材料在高温下发生残余应力诱导蠕变且屈服点降低使应力松弛.热处理作用:a.消除焊接残余应力.b.改善焊接接头组织/性能(细化晶粒/驱氢).焊后消除应力热处理可能出现问题：1)母材/焊缝金属性能恶化(强度降低/韧性降低).2)热影响区有发生再热裂纹危险.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力3.焊后消除焊接残余应力的方法第一章焊接结构中的应力与变66热处理规范选择注意事项:1)热处理温度--保证最大可能地松弛残余应力且不造成接头性能不良影响.2)保温时间--取决于壁厚及材质.3)最大加热速度--防止加热过快造成过大温度梯度而产生裂纹.4)冷却速度—防止冷却过快造成过大温度梯度而产生新残余应力和变形.JB／T6046规定:a.加热速度应小于等于220×25／6(℃/h);b.冷却速度应小于等于275×25／6(℃/h);c.对加热/冷却时任意两点温差作了规定，保证构件各部位温度基本均匀.整体热处理形式：1)炉内整体热处理;2)整体内热处理(整体炉外热处理).处理方法:外部绝热材料保温,容器内热源加热.加热方法:a.燃气加热;b.远红外电加热;c.电热元件加热.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力热处理规范选择注意事项:第一章焊接结构中的应力与变形

§67第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(2)局部热处理

作用:a.降低结构残余应力;b.改善焊接接头组织和力学性能.局部热处理规范:a.JB/T6046规定-环缝每侧环形加热带宽度应大于容器壁厚2-3倍;b.英国BS2633规定均温带宽度为1.5(为管壁厚)，加热宽度为2.5;c.ISOTCll规定加热宽度为2.5.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(268加热方法：1)电阻炉加2)感应加热(工频感应加热加热快且温差小;中频感应加热温差大/厚管壁时不宜采用).3)远红外加热(特点:管内外壁温差小).4)采用高速喷嘴喷出燃气加热.

局部热处理需注意问题:a.对加热和冷却速度应进行控制.b.消除残余应力效果不如整体热处理.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力加热方法：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残69(3)振动法

概念:如果使焊接构件在激振器的作用下发生谐振，那么经过若干时间后残余应力将逐渐降低，这种方法叫做振动消除应力法.机理:构件在发生谐振时振幅较大，引起应力与残余应力叠加达到材料屈服点而发生应力松弛，从而使残余应力峰值降低.特点:a.时间短/b.成本低/c.适合处理再热裂纹敏感性高材料制成构件.振动法缺点:a.有降低结构疲劳强度危险.b.消除焊接残余应力效果亦存在争论.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(3)振动法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-270(4)爆炸法概念:它是利用炸药爆炸时冲击波的能量使产生残余应力的相关区产生塑性变形，从而达到消除残余应力的目的.缺点:消耗金属材料部分塑性，对低温和动载结构要慎重选用.(5)碾压法(滚压法)概念:用滚轮施加一定压力在焊缝表面进行滚压，使焊缝金属产生局部塑性变形来减小残余应力或改善其分布的一种方法.特点:a.适于处理规则焊缝;b.对焊缝组织/力学性能影响不大;c.可与矫形处理同时进行;d.适用于薄壁焊接结构.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(4)爆炸法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接71焊接结构中的应力与变形课件72(6)过载法

概念:在构件上施加一定的拉应力，使其与焊缝区的拉伸残余应力相叠加，以便达到消除残余应力的目的.缺点:只能用于降低残余应力峰值.典型范例:a.压力容器水压试验/b.起重机过载试吊/c.新建桥梁超载运行(7)温差拉伸法

概念:采用低温局部加热使焊缝区产生拉伸以减小其峰值应力,与过载法原理相同.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(6)过载法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-273焊接结构中的应力与变形课件74焊接结构中的应力与变形课件75四焊接残余应力的测定研究焊接残余应力大小/分布情况有三种方法:1)理论分析—定性/阐述残余应力形成机理或演变过程;2)热弹塑性有限元分析—定量/理论上精确而实际精度难确定;3)实验法测定焊接残余应力—定量/较精确.分非破坏性测试（物理)和全部局部破坏性方法(机械)两类:1.机械方法(应力释放法)概念:利用机械加工把试件切开/切去一部分，测定由此释放弹性应变来推算构件原有残余应力大小和分布.(1)裁条法测量原理:利用切削把试件裁成一定宽度板条，裁条前在板上贴上应变片（钻出测量长度标距孔）并记录原始读数,然后将板条切开，待应力释放后再测出应变值（标距孔距离），根据应力－应变关系计算残余应力.特点：精确/全破坏/加工量大第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力四焊接残余应力的测定第一章焊接结构中的应力与变形

§76焊接结构中的应力与变形课件77(2)小孔法

概念：在残余应力场中钻孔，部分应力则被释放，孔周围应力将重新分布而达到新平衡状态，测出孔周围区域钻孔前后应变变化，根据弹性力学公式，算出该处原有应力分布.特点：a.破坏较小b.设备简单c.精度一般第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(2)小孔法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-278计算公式：式中1/2

—主应力；

—主应力与第一个应变片轴线夹角；

—与有关中间变量；1/2/3—应变值；A/B—与应变片尺寸和其距孔中心距离/孔半径R/被测材料物理性能.弹性力学解：

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力

计算公式：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残79(3)盲孔法

盲孔法与小孔法测残余应力原理相同.

特点：a.轻微破坏;b.设备简单;c.精度一般.

测试方法：a.盲孔法测试过程相同于小孔法；b.钻孔直径2～3mm;c.孔深与孔径相同时应变值趋于稳定;d.残余应力计算公式与小孔法相同;e.

系数A/B两由试验标定得出.

计算公式则简化为：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(3)盲孔法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-280焊接结构中的应力与变形课件81第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(4)套孔法

概念：套孔法(切槽法)是用套料钻加工环形槽使残余应力得到释放的方法.测量过程：套钻前在孔心处粘贴应变片（打出标距），套钻后重新测量，测出其应变再代入公式算出主应力.特点:破坏性比释放法小/结果较小孔法精确/实施难度中等.(5)逐层铣削法

测量原理：当具有残余应力工件被铣去一层时，部分应力释放后残余应力重新分布，试件要发生变形，如果在对面(非铣削面)粘贴应变片，则可以测出每铣削一层后对面应变值，根据这些数值则可以推算出在不同铣削层上的残余应力.缺点：加工和计算量大/破坏性大.优点:可测内应力梯度.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(482第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力2.物理方法(1)X射线衍射法原理：晶体在应力作用下原子间距离发生变化，其变化与应力成正比，测得晶格尺寸可不破坏物体直接测出内应力数值.当X射线以掠角θ入射到晶面上满足公式：

2dsinθ=nλ

式中：d－晶面间距；λ－X射线波长，n－正整数，则X射线在反射角方向上将因干涉而加强.

根据这一原理可以求出d值,用x射线以不同角度入射物体表面，则可测出不同方向d值，从而求得表面内应力.优点:非破坏性/精度高缺点：1）只能测表面应力；2）对被测表面要求较高；

3）测试设备昂贵.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力2.83焊接结构中的应力与变形课件84

STRESSX3000残余应力X射线衍射仪STRESSX3000残余应力X射线衍射仪85

STRESSX3000残余应力X射线衍射仪参数选取图

STRESSX3000残余应力X射线衍射仪参数选取图86(2)超声波法

测量原理：根据金属密度在应力作用下发生微小变化，而使得超声波在穿越时其速度或衰减程度发生变化的原理来测量残余应力.测量过程：它采用试验标定方法，确定某种材料应力对超声波衰减程度影响，作出应力与衰减程度相关曲线，再来比较和推算出构件中残余应力水平.特点：a.非破坏性;b.可测深层残余应力.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(2)超声波法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-287

(3)磁性法测量原理：当铁磁材料中存在着弹性变形时，它的磁导率将发生变化，如果能测出某一小范围内材料在不同方向上磁导率的变化，就可以估计出该处残余应力的数值和分布情况.特点：a.非破坏性;b.测量精确度不高;c.标定困难.(4)密栅云纹法

方法：在试件要测处先贴上或刻上条纹，试件受力后发生应变，则工作栅和比较栅出现干涉而产生云纹.特点：a.非破坏；b.可定性和定量测残余应力大小和分布；c.尚不能广泛应用.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力(3)磁性法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-288焊接结构中的应力与变形课件89总结:1)全释放方法优点：结果较精确/测量工具简单.缺点：破坏性大.2)套孔法特点:破坏性比释放方法小/结果较小孔法精确/实施难度中等.3）小孔法优点：破坏性小/测量工具简单.缺点：精确性不容易保证.4）逐层铣削方法缺点：加工和计算量大/破坏性大.优点:可测内应力梯度.5）X射线衍射法优点:非破坏性/结果较精确/可测内应力梯度.缺点:主要适用于测表面应力/对被测表面要求高/设备昂贵.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力总结:第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应90焊接结构中的应力与变形课件91第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形一焊接残余变形的分类1.总体变形总体变形是指整个结构形状发生变化.1)纵向收缩变形：构件沿焊缝方向上发生的变形.2)横向收缩变形：构件在垂直焊缝方向上发生的变形.3)弯曲变形：构件焊后整体发生的弯曲.4)回转变形：构件一部分相对另一部分发生的回转.5)扭曲变形：焊后构件发生的螺旋形变形.2.局部变形1)角变形：温度沿板厚方向分布不均或熔化金属沿板厚方向收缩不同或两者同时存在，使板件以焊缝为轴心转动而产生的变形.2)波浪变形：薄板结构中压应力使其失稳而引起变形.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形一焊92第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形二焊接残余变形对焊接结构的影响1.焊接残余变形会造成构件形状和尺寸的变化使构件报废.2.严重影响产品外观.3.焊接残余变形影响后续结构组装，降低产品制造的技术经济指标.4.增加材料消耗和加工费用.5.影响其承载能力.注意：焊接变形比残余应力对结构件性能的影响更为显著.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形二93第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形三各种焊接残余变形产生机理及变形量估算1．纵向/横向收缩变形产生及变形值估算产生机理：在焊接热循环作用下，近缝区金属受热膨胀时受到周围金属的阻碍，产生压缩塑性变形,冷却过程压缩塑性变形区和焊缝一起收缩产生了纵向和横向收缩变形.

影响因素：1)金属材料热物理性能2)施焊方法/焊接热输入a.多层焊比单层焊纵向收缩少;b.焊接热输入大收缩变形量增大.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形三各94焊接结构中的应力与变形课件95第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形在单层焊时其纵向收缩可用下式估算：式中

——焊接热输入(J/cm)焊接热输入用下式计算：式中:U——电弧电压(V)；

I——焊接电流(A)

v——焊接速度(cm／s)

——电弧热效率.

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形在单层96经验估算公式：式中:AH——焊缝截面积(mm’)；

A——构件截面积(mm’)；

x

——纵向收缩量(mm)；

L——构件长度(mm)；

k1——系数

K2——多层焊系数，由下式计算：式中s

——屈服应变值

n——层数横向收缩量经验估算公式：

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形——板厚(mm)经验估算公式：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接97焊接结构中的应力与变形课件98焊接结构中的应力与变形课件99第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形4)接头和坡口形式影响

双V比V形坡口横向收缩小;断续焊缝比连续焊缝横向收缩量小.5)板厚影响板厚小于临界厚度横向收缩量由下式计算：——板厚(cm)C——体积比热容[J/(cm3•℃)]；——线胀系数(1/℃)；q——焊接热输入(J/cm)；式中——线胀系数(1/℃)；

q——焊接热输入(J/cm)；

——体积比热容[J/(cm3•℃)]；——板厚(cm)。第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形4)接100焊接结构中的应力与变形课件101焊接结构中的应力与变形课件102焊接结构中的应力与变形课件103第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形2．弯曲变形产生及变形值估算机理：当焊缝在构件中位置不对称时，焊接纵/横向收缩都能引起构件弯曲变形，焊缝位置是影响弯曲变形主要因素.1)纵向收缩引起弯曲变形焊缝纵向收缩引起弯曲变形曲率由下式估算：式中e——焊缝中心距中性轴距离(cm)；J——构件截面惯性矩(cm4)；

K——与被焊材料性质有关系数

qv——焊接热输入第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形2．弯104焊接结构中的应力与变形课件105焊接结构中的应力与变形课件1062)横向收缩引起弯曲变形

机理：横向焊缝在结构上分布不对称，横向收缩可以引起构件弯曲变形.

弯曲曲率：

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形——和构件性质有关的系数a、B、e'——见图1-49J——意义同上

2)横向收缩引起弯曲变形第一章焊接结构中的应力与变形

107焊接结构中的应力与变形课件108焊接结构中的应力与变形课件109第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形3．角变形的产生及变形值的估算产生机理:由于在厚度方向温度分布不均匀导致压缩塑性变形量在厚度方向上不一致，或者是熔化金属在厚度方向上收缩量不一致而引起的.1)平板堆焊角变形

影响因素:热输入固定-板厚增加则角变形增加;板厚大到一定程度，刚度迅速增加，使板变形阻力变大，角变形开始减小.b.板厚固定-热输入增大，角变形增加;热输入增大到一定程度，正背面温差变小,角变形反而减小.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形3．角110焊接结构中的应力与变形课件111第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形2)对接接头角变形

影响因素:坡口角度影响最大.a.V形坡口焊接接头角变形最大.b.板厚增加角变形变大.c.双V坡口角变形小.d.多层焊比单层焊角变形大.e.坡口角度越大，变形量越大.V形坡口一次焊完角变形可由下式估算:

——坡口角度(°).(3)角焊缝产生角变形

T形接头角变形包括两个方面:a.开坡口对接焊缝角变形;b.平板堆焊时引起角变形.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形2)对112焊接结构中的应力与变形课件113焊接结构中的应力与变形课件114焊接结构中的应力与变形课件115焊接结构中的应力与变形课件116焊接结构中的应力与变形课件117焊接结构中的应力与变形课件1184．波浪变形产生机理:在焊接薄板时，远离焊缝的压缩残余应力超过失稳临界应力而出现呈现波浪形状的变形.后果:a.影响产品外观;b.降低构件承载能力.影响失稳临界应力因素:a.与板厚宽比平方成正比.b.与板边约束状态(边界条件)有关,边界自由度越高临界应力越低.防止波浪变形:凡是能降低残余压应力措施都可以减小波浪变形.b,提高板的刚度(压制凸肋/增加骨架数量/减少板自由宽度)第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形4．波浪变形第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残119第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形5.扭曲变形产生机理:焊缝角变形沿长度上分布不均匀性和工件纵向错边有关.解决办法:在夹具中施焊可减少或防止扭曲变形.6．回转变形产生机理:在焊接过程,随焊接热源向前移动，熔池附近母材在焊接方向的热膨胀，使热源前方的坡口间隙发生张开变形，则由于坡口过于张开，使焊接不能再进行,而已焊部分纵横向收缩变形又使焊缝闭合而产生的变形.解决办法:合理采用定位焊缝和适当布置夹具.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形5.120焊接结构中的应力与变形课件121

由纵向焊接错边引起的箱形构件螺旋形变形由纵向焊接错边引起的箱形构件螺旋形变形122焊接结构中的应力与变形课件123焊接结构中的应力与变形课件124焊接结构中的应力与变形课件125三预防和消除焊接残余变形的措施解决焊接变形问题从三方面着手:1)焊前设计;2)焊接过程采用工艺措施;3)焊后采用工艺焊后矫正焊接变形.1.设计措施a.尽量选用对称的构件截面/焊缝位置.b.合理地选择焊缝长度/焊缝数量.c.尽量减小焊缝截面尺寸.d.选用轧制型材/锻件/铸件/钣金成形件构成焊接结构.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形三预防和消除焊接残余变形的措施第一章焊接结构中的应力126焊接结构中的应力与变形课件127焊接结构中的应力与变形课件128焊接结构中的应力与变形课件129第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形2.焊接过程减少焊接变形工艺措施1)反变形法概念:事先估计好焊接变形的大小和方向，然后在装配时预加一个相反变形或在构件上预制出一定量反变形，使之与焊接变形相抵消来防止焊接变形.2)选择合理的装配焊接顺序原则:首先弄清每一条焊缝所引起构件变形的大小和方向，使各条焊缝引起变形相互抵消或使变形不能相互抵消的不对称焊缝在能自由收缩情况下焊接.3)刚性固定法概念:将焊件固定在有足够刚性的胎夹具上或是临时装焊支撑以增加构件刚度来减小焊接变形.缺点:a.增加构件刚度/焊接应力增大;b.消耗材料塑性储备.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形2.焊130焊接结构中的应力与变形课件131焊接结构中的应力与变形课件132焊接结构中的应力与变形课件133焊接结构中的应力与变形课件134焊接结构中的应力与变形课件135焊接结构中的应力与变形课件136焊接结构中的应力与变形课件137焊接结构中的应力与变形课件1384)预拉伸法概念和原理:在焊前将薄板用机械方法拉伸或用加热方法使之伸长；然后再与其他构件(框架/肋条)装配焊接在一起,由于焊接是在有预张力或预先膨胀条件下进行，故而焊后去除预张力或冷却回复时薄板已为焊接在一起的其他构件(如框架或肋条)固定，则有效地降低板中残余应力，减少平面变形(如波浪变形).实施方法:a.拉伸(SS)法;b.加热(SH)法;c.拉伸加热(SSH)法.

5)热平衡法概念和原理:在与焊缝对称位置用气体火焰与焊接同步加热，使加热区和焊缝产生同样膨胀变形，焊后其一致收缩，来防止弯曲变形的方法.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形4)预拉伸法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残139焊接结构中的应力与变形课件140焊接结构中的应力与变形课件1416)散热法概念:通过强迫冷却使焊缝附近材料所受热量减少/缩小焊接热场分布而减小焊接变形.缺点:不适合焊接淬硬性钢材.7)合理地选择焊接方法和焊接参数a.选择能量集中的焊接方法;b.尽量选择小焊接热输入;c.选多层焊小规范.8)低应力无变形焊接法a.焊前距焊缝一定距离预热一定宽度;b.焊接坡口下方布置铜水冷垫块散热;c.在预热区两侧用机械或气动夹紧装置使板刚性固定.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形6)散热法第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余142焊接结构中的应力与变形课件143焊接结构中的应力与变形课件1443.焊后消除焊接残余变形方法焊后矫形方法：机械矫正/火焰加热矫正.机械法概念(冷矫正方法):它用机械力使部分金属得到延伸，产生拉伸塑性变形，使变形构件恢复到所要求形状.实施方法:a.滚压焊缝;b.逐点挤压焊缝.机械矫正特点:a.需要专用设备;b.适合小尺寸/成批生产构件;c.消耗材料部分塑性储备.火焰加热矫正(热塑性法)概念:利用气体火焰加热构件伸长部分使其在较高温度下发生压缩塑性变形，当冷却后收缩而变短而使构件变形得以矫正.火焰加热矫正特点:a.不需专门设备;b.简单方便;c.适用单件生产构件;d.适用大型构件;e.消耗材料部分塑性储备.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-3焊接残余变形3.焊后消除焊接残余变形方法第一章焊接结构中的应力与变形

145焊接结构中的应力与变形课件146焊接结构中的应力与变形课件147焊接结构中的应力与变形课件148焊接结构中的应力与变形课件149第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

一1-1应力及变形的基本概念

1.内应力/焊接应力所谓内应力是指在没有外力条件下平衡于物体内部的应力.在焊接结构中存在的这种内部互相平衡的应力就称为焊接内应力，简称焊接应力.

分类：1.应力按其分布范围可分为宏观内应力和微观内应力;2.内应力按其作用时间可分为瞬时应力和残余应力.

瞬时应力随时间而变化,由构件各处受热不均匀/膨胀或收缩变形不一致，互相约束而产生.当物体温度恢复到原始均匀状态后构件中仍然存有的内应力，称为残余应力.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概150(1)焊接温度场：将焊接过程中某一瞬间,接头中各点温度分布状态称为焊接温度场.

在焊接热源作用下，构件上各点温度在不断地变化，可以认为达到某一极限热状态时温度场不再改变，该温度场称为极限温度场.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

(1)焊接温度场：第一章焊接结构中的应力与变151第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概1522.有关力学和物理性能假定1)平截面假定:假定杆件在焊前所取横截面焊后仍保持为平面.2)金属性能假定：材料某些物理性能如线胀系数(α)、比热容(c)、热导率(λ)均不随温度变化而变化.3)金属屈服点假定:在500℃以下时同常温时屈服点，而600℃以上时呈完全塑性状态，即屈服点为零.4)应力应变关系假设:材料呈理想弹-塑性状态，即材料屈服后不发生强化.

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

2.有关力学和物理性能假定第一章焊接结构中的应力与变形

§153

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应154

低碳钢应力应变关系(本构关系)低碳钢应力应变关系(本构关系)155

二构件中焊接应力与变形产生

–均匀加热的应力和变形产生1）自由变形

当金属物体温度有改变或发生相变，其尺寸和形状要发生变化，如变化没有受到外界任何阻碍而自由地进行，称之为自由变形.

其中:α——热膨胀系数2）自由变形率所谓自由变形率指单位长度上的自由变形量。用表示：

二构件中焊接应力与变形产生–均匀加热的应力和变形产生156焊接结构中的应力与变形课件157¾）外观变形和内部变形当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地表现出来，我们把能够表现出来的这部分变形称为外观变形（或实际变形），而未表现出来的那部分变形，称为内部变形.

外观变形用表示．内部变形是自由变形和外观变形之差，用表示，表达式为：

第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

¾）外观变形和内部变形第一章焊接结构中的应力与变形

1585）外观变形率所谓外观变形率指的是单位长度上的外观变形量，用来表示,表达式为：6）内部变形率:指是单位长度上的内部变形量，用表示，表达式为：第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

5）外观变形率第一章焊接结构中的应力与变形

§159

1)低碳钢热循环的最高温度小于500℃时:1.加热温度较低:

材料变形在弹性范围内---当杆件温度恢复到初始温度，杆件将自由收缩到原来长度压应力将全部消失.2.加热温度较高:

当压缩变形率超过材料屈服变形率时，杆件将发生压缩塑性变形，变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述1)低碳钢热循环的最高温度小于500℃时:第一章1602)低碳钢热循环最高温度超过600℃:A.加热过程：杆件受到完全约束而没有任何自由变形，开始加热即产生压缩弹性变形.随温度升高，达到屈服应变出现压缩塑性变形.温度达500℃继续升温，弹性变形减少而塑性变形增大.温度升高/随屈服点降低/压应力降低.在温度600℃,材料屈服点降到零，材料处于全塑性状态/压应力消失/变形全为塑性变形.B.冷却过程：杆件冷却到600℃性能开始恢复，屈服点逐渐升高，此时随杆件冷却，杆端将不以4‘为起点而以4为起点收缩.由于收缩时又受到约束，杆内必将产生拉伸变形和拉应力.当温度已下降至500℃，材料完全恢复弹性，拉伸塑性变形不断增加，而拉应力达到屈服点则不再增加.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述2)低碳钢热循环最高温度超过600℃:第一章焊接161

结论：构件均匀加热时，如在升温过程中产生了塑性变形，那么在自由冷却时，此变形将保留下来而形成残余变形。对于完全约束的杆件，在不高的温度(对低碳钢可推导出这个温度约为100℃)时即产生压缩塑性变形，该变形在自由冷却后将被保留下来。如果在冷却时受约束，则必然会产生拉应变和拉应力。完全受约束杆件，即使加热温度不高(对低碳钢而言，加热温度超过200℃)，产生的压缩塑性变形也足以使其在冷却时产生拉应力达到材料拉伸屈服点.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述结论：构件均匀加热时，如在升温过程中产生了塑性变162第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概163焊接结构中的应力与变形课件164第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概165焊接结构中的应力与变形课件166第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述

内部变形(率)<s:发生弹性变形;当

>s时--产生弹性/塑性变形.

板条分四个区域：1)完全弹性变形区:变形率均小于s，冷却后无残留塑性变形.2)T≤500℃区域是弹性区和部分塑性变形区.冷却后塑性变形部分保留.3)500℃≤T<600℃区域是部分塑性变形到完全塑性变形区,冷却后塑性变形则全部保留.4)T>600℃的区域是完全塑性区.600℃以上纤维在伸长和缩短时都没有任何阻力，该区塑性变形冷却时将不保留.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概167第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概168结论1:

板条堆焊后其残余应力分布和变形大小完全取决于加热过程中所产生压缩塑性变形区大小和分布.凡是影响压缩塑性变形区大小和分布因素都会对板条中残余应力和变形产生影响.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述结论1:第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力169第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述结论2:

内部变形率小于金属屈服限变形率s,不存在残余应力和变形；内部变形率大于金属屈服限变形率s，将出现残余应力,板条将产生残余弯曲变形和收缩变形，但方向与加热相反.变形位置则由平衡条件决定.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概1704．相变对应力和变形的影响低碳钢相变点Ac1温度(723℃)---材料呈完全塑性状态，奥氏体转变时体积变化不受任何阻力，所以对应力和变形不产生影响.

焊后出现低温马氏体转变:马氏体转变温度为200—300℃---材料已完全恢复弹性，马氏体转变时体积膨胀受到周围金属阻碍而产生相变应力.在焊缝金属马氏体膨胀使得该区内残余拉应力减小，甚至出现压应力.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述4．相变对应力和变形的影响第一章焊接结构中的应力与变形

§1715．影响焊接应力与变形的主要因素

1)焊缝/近缝区不均匀加热范围和程度.包括焊缝尺寸/数量及位置/材料热物理性能/焊接工艺方法和参数(电流/电压/焊速)以及焊接操作方法(直通焊/分段跳焊/逆向分段焊)因素.2)焊件刚度/周围环境拘束度(如焊接构件尺寸和形状/焊接夹具)/焊缝布置及装配焊接次序.构件在小拘束条件下焊接变形大/应力小；反之，焊接变形小/应力大.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-1焊接应力及变形概述5．影响焊接应力与变形的主要因素第一章焊接结构中的应力与变172

概念：在焊接过程全部结束，焊件完全冷却后残余在焊件中的内应力叫做焊接残余应力.

在厚度δ<15～20mm的常规焊接结构中残余应力呈现双轴分布，厚度方向应力很小.在大厚度焊接结构中厚度方向应力比较大.a.沿焊缝方向作用的残余应力称为纵向焊接残余应力σx.b.沿垂直于焊缝方向作用的残余应力称为横向焊接残余应力σy.c.沿厚度方向作用的残余应力用σz表示.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力概念：在焊接过程全部结束，焊件完全冷却173

1.纵向焊接残余应力残余应力分布与焊接过程形成塑性压缩变形的大小/分布有关，影响压缩塑性变形因素都能影响残余应力分布.a.构件几何尺寸/结构形式；

b.焊接方法/焊接参数.

分四种情况分析：1）板边堆焊；2）等宽度板对接焊缝；3）不等边板对接焊缝；4）相变影响.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力1.纵向焊接残余应力第一章焊接结构中的应力与变形174焊接结构中的应力与变形课件175焊接结构中的应力与变形课件176焊接结构中的应力与变形课件177焊接结构中的应力与变形课件1782．横向残余应力分布横向残余应力产生原因复杂:1）在焊接过程中焊缝及近缝区金属横向收缩先后次序不同，使对接两块板有产生平面内弯曲趋势而出现横向残余应力；2）纵向收缩造成板平面内弯曲趋势也引起横向残余应力.

横向应力σy由两部分组成：一由于焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩所引起，用σy’表示,分布规律为中部为拉而两端为压；另一个是由焊缝及附近塑性变形区横向收缩不同时性所引起，用σy”表示.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力2．横向残余应力分布第一章焊接结构中的应力与变形

§179焊接结构中的应力与变形课件180

横向应力另一个组成部分σy”.由于焊缝不是同时完成，各部分有先焊和后焊之分.

先焊部分先冷却/先收缩，后焊部分后冷.却/后收缩.先焊/先冷却部分又限制后焊/后冷却部分横向收缩，这种限制和反限制构成了横向σy”.

注意：σy”分布与焊接方向、分段方法以及焊接顺序有关.

分段退焊法可使横向残余应力出现拉压交替分布状态，应力峰值较低，分布较为均匀.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力横向应力另一个组成部分σy”.由于焊缝不是同时完181焊接结构中的应力与变形课件182焊接结构中的应力与变形课件1833．厚板中残余应力分布3．厚板中残余应力分布184焊接结构中的应力与变形课件1854．焊接工(H形)形/箱形/T形结构的残余应力4．焊接工(H形)形/箱形/T形结构的残余应力1865．拘束条件下焊接的残余应力5．拘束条件下焊接的残余应力1875．拘束条件下焊接的残余应力条件:a.构件在拘束状态下焊接b.构件本身刚度大.概念:构件在拘束状态下焊接产生的应力，称为拘束应力.规律:a.焊缝较短时拘束应力大小不变,焊缝较长则拘束应力沿焊接方向逐渐增大.b.拘束长度(两固定端之距离)越大则拘束应力越小.c板厚增大拘束应力变大.d.焊接热输入增大拘束应力则增大.总结:1)拘束条件下焊接应力是拘束应力与自由状态下焊接残余应力这两项应力综合.2)拘束应力是拉应力，它对构件影响较大，需采取措施减小构件刚度，防止产生过大拘束应力.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力5．拘束条件下焊接的残余应力第一章焊接结构中的应力与变形

188焊接结构中的应力与变形课件189焊接结构中的应力与变形课件190焊接结构中的应力与变形课件1916.圆筒纵/环缝焊接残余应力圆筒纵向焊缝焊接残余应力分布类似于平板对接时应力分布.

环焊缝残余应力分布规律:a.环焊缝残余应力分布与筒体刚度和材料有关.b.环缝残余应力小于平板对接焊缝中相应应力数值.c.环缝径向收缩导致弯曲应力产生,一般内外表面上的分布是对称的.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力6.圆筒纵/环缝焊接残余应力第一章焊接结构中的应力与变形

192焊接结构中的应力与变形课件193二焊接残余应力对焊接结构使用性能的影响1.对结构强度的影响结论1：对于延性材料内应力对静强度没影响.

材料处于脆性状态不能进行塑性变形，随着外力增加构件不能产生应力均匀化，应力峰值不断增加，直到材料强度极限σb而发生局部破坏.结论2：对于脆性材料内应力对静强度有不利影响.

塑性变形产生的必要条件是切应力的存在，而在三轴等值拉应力作用下切应力τmax=0,不可能产生塑性变形.结论3：无论是脆性材料还是延性材料，三轴拉伸内应力将阻碍塑性变形产生，承载能力（静强度）有不利影响.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力二焊接残余应力对焊接结构使用性能的影响第一章焊接结构中194焊接结构中的应力与变形课件195焊接结构中的应力与变形课件1962.对结构加工尺寸精度的影响机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡，使工件产生变形，加工精度也就受到了影响.保证加工精度办法：

1.先消除焊接内应力然后再进行机械加工；

2.调整机加工工艺,如分次加工与交替加工.

注意：焊接应力是否长期稳定，亦即焊接应力是否会在长期存放过程中随时间变化而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度.第一章焊接结构中的应力与变形

§1-2焊接残余应力2.对结构加工尺寸精度的影响第一章焊接结构中的应力与变形

197焊接结构中的应力与变形课件1983.对结构刚度的影响构件伸长与外力关系：

P—外力；L—长度；E―弹性模量；F―截面积假设tgα＝P／△L=E×F/L表征构件刚度:

假设b区拉伸内应力σ1=σs，两侧为压应力σ2.b区应力达到σs，应力不能增加,由（