焊接应力和集中

焊接应力和集中第1页，课件共67页，创作于2023年2月焊接应力与变形的产生

一、应力与变形的基本知识1.应力—物体单位截面上表现的内力。分类热应力应力内应力工作应力残余应力装配应力相变应力第2页，课件共67页，创作于2023年2月2.变形—物体在外力的作用下，其内部原子的相对位置发生变化，其宏观表现为形状和尺寸的变化。分类

按物体变形的性质分为：

按变形的拘束条件分为：弹性变形塑性变形自由变形非自由变形焊接应力与变形的产生

第3页，课件共67页，创作于2023年2月自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。单位长度的自由变形量：焊接应力与变形的产生

第4页，课件共67页，创作于2023年2月外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形。内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。

焊接应力与变形的产生

第5页，课件共67页，创作于2023年2月焊接变形：由焊接而引起焊件的尺寸改变称为焊接变形。焊接变形分类：焊接瞬时变形焊接残余变形焊接应力与变形的产生

第6页，课件共67页，创作于2023年2月二、研究焊接应力与变形的基本假定：（1）平截面假定（2）金属性能不变的假定

是与温度变化无关的参数（3）金属屈服点的假定焊接应力与变形的产生

第7页，课件共67页，创作于2023年2月三、焊接应力与变形产生的原因根本原因——焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。1.杆件的不均匀受热.焊接应力与变形的产生

（1）长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形。钢板条中心加热和冷却时的应力与变形第8页，课件共67页，创作于2023年2月（2）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形。焊接应力与变形的产生

钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形

第9页，课件共67页，创作于2023年2月(3)杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力。焊接应力与变形的产生

第10页，课件共67页，创作于2023年2月(4)长板条非对称加热引起的变形和应力

焊接应力与变形的产生

2.焊缝金属的收缩。3.金属组织的变化。4.焊件的刚性和拘束。第11页，课件共67页，创作于2023年2月本节主要内容：一、焊接变形的种类二、控制焊接变形的措施三、矫正焊接变形的措施焊接残余变形第12页，课件共67页，创作于2023年2月一、焊接变形的种类焊接变形分为5种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。

焊接残余变形第13页，课件共67页，创作于2023年2月1．收缩变形—焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形。分为纵向缩短和横向缩短。焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向缩短。焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向缩短。焊接残余变形第14页，课件共67页，创作于2023年2月2．角变形

角变形产生的根本原因：由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。角变形的大小以变形角α进行度量。

焊接残余变形几种接头的角变形T形接头的角变形第15页，课件共67页，创作于2023年2月3.弯曲变形弯曲变形主要是结构上的焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称，焊缝收缩引起的变形。弯曲变形的大小用挠度ｆ进行度量．挠度ｆ是指焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离。焊接残余变形第16页，课件共67页，创作于2023年2月（1）纵向收缩引起的弯曲变形焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形（2）横向收缩引起的变曲变形焊缝的横向收缩引起的弯曲变形第17页，课件共67页，创作于2023年2月4.波浪变形波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过程中，又称之为失稳变形。焊接残余变形焊缝角变形引起的波浪变形第18页，课件共67页，创作于2023年2月5.扭曲变形产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。一般发生在有数条平行的长焊缝的焊件上，如焊接工形梁。扭曲变形的产生往往与焊接方向或顺序不当有关。焊接残余变形工字梁的扭曲变形第19页，课件共67页，创作于2023年2月焊接残余变形第20页，课件共67页，创作于2023年2月二、控制焊接变形的措施1.设计措施（1）合理地选择焊缝的尺寸和形状（如图）

在保证结构承载力的情况下,尽可能采用较小的焊缝尺寸,减少热输入对材料性能的影响,并降低成本。相同承载力的十字接头箱形梁的不同接头形式焊接残余变形第21页，课件共67页，创作于2023年2月（2）合理选择焊缝长度和数量

只要允许，多采用型材、冲压件；焊缝多且密集处，可以采用铸—焊联合结构，就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度，以减少肋板数量，或者采用压型结构代替肋板结构，都对防止薄板结构的变形有利。某人行天桥加强筋状况焊接残余变形第22页，课件共67页，创作于2023年2月（3）合理地安排焊缝的位置

安排焊缝尽可能对称与截面中性轴,或使焊缝接近中性轴,这对减少梁柱的挠曲变形有良好的效果。箱形和工字梁的焊缝布置（后者较好）焊接残余变形第23页，课件共67页，创作于2023年2月2.工艺措施

（1）反变形法(如图)

几种反变形措施焊接残余变形第24页，课件共67页，创作于2023年2月（2）留余量法在下料时，将零件的实际长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。

留余量法主要用于防止焊件的收缩变形。焊接残余变形第25页，课件共67页，创作于2023年2月（3）刚性固定法1）将焊件固定在刚性平台上。焊接残余变形薄板拼接时的刚性固定第26页，课件共67页，创作于2023年2月2）将焊件组合成刚性更大或对称的结构。焊接残余变形T形梁的刚性固定和反变形第27页，课件共67页，创作于2023年2月3）利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。焊接残余变形对接拼板时的刚性固定第28页，课件共67页，创作于2023年2月4）利用临时支撑增加结构的拘束。焊接残余变形防护罩焊接时的临时支撑第29页，课件共67页，创作于2023年2月（4）选择合理的装配焊接顺序。装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。

1）大型而复杂的焊接结构，只要条件允许，把它分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后再总装成整体。2）正在施焊的焊缝应昼靠近结构截面的中性轴。焊接残余变形主梁装配焊接第30页，课件共67页，创作于2023年2月3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。压力机压型上模的焊接顺序焊接残余变形第31页，课件共67页，创作于2023年2月4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。焊接残余变形圆筒体对接焊缝焊接顺序第32页，课件共67页，创作于2023年2月5）长焊缝（1m以上）焊接时，可采用下图所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形。焊接残余变形第33页，课件共67页，创作于2023年2月

（5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数焊接残余变形非对称截面结构的焊接第34页，课件共67页，创作于2023年2月

（6）热平衡法

采用热平衡法防止焊接变形

焊接残余变形第35页，课件共67页，创作于2023年2月（7）散热法

散热法示意图焊接残余变形第36页，课件共67页，创作于2023年2月三、矫正焊接变形的措施

1.手工矫正法2.机械矫正法用机械方法矫正变形的原理就是将缩短的尺寸拉长，使之与较长的部分相适应，从而恢复到原来的尺寸，或达到技术条件对几何尺寸的要求。机械矫正法会使金属材料因冷作硬化而变脆，并产生附加应力，因此一般适用于变形不大的小型结构件。焊接残余变形机械矫正法矫正梁的弯曲变形第37页，课件共67页，创作于2023年2月3.火焰加热矫正法

火焰矫正的原理与机械矫正相反，它是通过局部加热并随之快冷，使焊件伸长的部位缩短，达到矫正变形的目的。火焰加热的方式有点状加热、线状加热和三角形加热。此法一般使用的是气焊炬，不需专门设备。操作简单方便，机动灵活，可以在大型复杂结构上进行矫正。焊接残余变形第38页，课件共67页，创作于2023年2月（2）线状加热（1）点状加热

焊接残余变形第39页，课件共67页，创作于2023年2月

（3）三角形加热工字梁弯曲变形的火焰矫正火焰加热矫正焊接变形的取决于下列三个因素：（1）加热方式（2）加热位置（3）加热温度和加热区的面积焊接残余变形第40页，课件共67页，创作于2023年2月焊接残余应力本节主要内容：一、焊接残余应力的分类；二、焊接残余应力的分布；三、焊接残余应力对焊接接头的影响；四、减小焊接残余应力的措施；五、消除残余应力的措施；六、焊接残余应力的测定方法。第41页，课件共67页，创作于2023年2月概念——如果不均匀的温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使构件局部发生塑性变形（加热杆件中将出现压缩塑性变形），当温度恢复均匀后，产生的内应力会残留在物体里。故称之为残余应力。焊接残余应力第42页，课件共67页，创作于2023年2月一、焊接残余应力的分类：按应力的分布范围根据结构中的空间位置焊接残余应力第43页，课件共67页，创作于2023年2月根据应力与焊缝的相对位置根据应力产生作用的时间根据应力形成原因

焊接残余应力第44页，课件共67页，创作于2023年2月二、焊接残余应力的分布1.纵向残余应力的分布焊接残余应力对接接头在焊缝横截面上的分布第45页，课件共67页，创作于2023年2月2.横向残余应力分布由纵向焊接应力引起的横向应力分布不同焊接方向时横向应力分布焊接残余应力（1）焊接及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力（2）横向收缩年引起的机工向应力

第46页，课件共67页，创作于2023年2月3.厚板焊接接头中的残余应力分布厚板（大于20mm）焊接接头中存在三微的残余应力。厚板焊接接头中的残余应力分布焊接残余应力第47页，课件共67页，创作于2023年2月4.在拘束状态下焊接的残余应力

由于焊接时的焊缝收缩会受到拘束力的制约，产生相应的内应力，将和自由状态下焊接相似的横向（纵向）应力叠加。在拘束状态下焊接的残余应力焊接残余应力第48页，课件共67页，创作于2023年2月5.在封闭焊缝中残余应力的分布：焊接残余应力第49页，课件共67页，创作于2023年2月1.对静载强度的影响只要材料有足够的延性，能够进行塑性变形，内应力的存在不影响构件的承载能力，对强度无影响。如果材料处于脆性状态时，应力达到强度极限时，构件将发生局部破坏，最后导致构件断裂。

三、焊接残余应力对焊接接头的影响焊接残余应力第50页，课件共67页，创作于2023年2月2.残余应力对疲劳强度的影响在疲劳节段专门进行讲解。3.残余应力对机械加工精度的影响机械加工后，原内应力的平衡打破，工件将产生变形。焊接残余应力机械加工引起内应力释放和变形第51页，课件共67页，创作于2023年2月4.残余应力对受压杆件的影响

波浪变形是构件由于内应力产生构件局部失稳造成。当杆件的长细比λ（大于150),失稳临界应力本来就低,或内应力较低时,外载应力与残余应力之和在失稳之前未达到屈服极限,残余应力对稳定性不会产生影响。焊接残余应力第52页，课件共67页，创作于2023年2月当杆件的λ较小(小于30),相对偏心又不大（小于0.1），其失稳临界应力主要取决于杆件的全面屈服，内应力也不致产生影响。对翼缘宽厚比较大的H型截面，压缩残余应力将降低翼缘的局部稳定性。局部失稳可能造成杆件整体失稳。焊接残余应力第53页，课件共67页，创作于2023年2月5.残余应力σ1对刚度的影响构件中存在与外力方向一致的残余应力σ1，而σ1数值又达到屈服极限，则在外力作用下，刚度将降低，而且卸载后构件的原尺寸也不能复员。

6.残余应力对应力腐蚀（开裂）的影响焊接接头区域往往比其他部位的腐蚀速度快，就是因为该区域存在着较大的焊接残余应力。在拉应力和腐蚀介质共同的作用下引起材料产生腐蚀的现象称为应力腐蚀。焊接残余应力第54页，课件共67页，创作于2023年2月四、减小焊接残余应力的措施

1.设计措施:设计上减小焊接应力的核心：正确布置焊缝，以避免应力叠加。1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离。焊接残余应力3）采用刚性较小的接头形式。容器接管焊接减小接头的刚性措施第55页，课件共67页，创作于2023年2月带盖板的双工字梁结构焊接顺序2.工艺措施1）采用合理的装配焊接顺序和方向。①在一个平面上的焊缝，焊接时，应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由。拼接焊缝合理的装配焊接顺序②收缩量最大的焊缝应先焊。焊接残余应力第56页，课件共67页，创作于2023年2月③工作时受力最大的焊缝应先焊。焊接残余应力对接工字梁的焊接顺序④平面交叉焊缝焊接时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接应力。平面交叉焊缝的焊接顺序第57页，课件共67页，创作于2023年2月焊接残余应力⑤对接焊缝与角焊缝交叉的结构。2）预热法。3）冷焊法。4）降低焊缝的拘束度。降低局部刚度减少内应力第58页，课件共67页，创作于2023年2月焊接残余应力

5）加热“减应区”法。加热“减应区”法示意图第59页，课件共67页，创作于2023年2月五、消除残余应力的措施

注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。焊接残余应力第60页，课件共67页，创作于2023年2月六、焊接残余应力的测定

1.应力测定方法的分类按其对结构的是否破坏来分

按测试原理分焊接残余应力第61页，课件共67页，创作于2023年2月应力释放法原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。焊接残余应力第62页，课件共67页，创作于2023年