焊接应力与变形

第十三章

焊接应力与变形

§13.1焊接应力和变形的形成过程§13.2焊接剩余应力§13.3焊接剩余变形§13.1焊接应力与变形

内应力的特点一、内应力的特点所谓内应力是指在没有任何外力作用下，平衡于弹性体内的应力。其主要特点是内应力在弹性体内构成一个平衡力系，即内力和内力矩的总合都为零。

§13.1内应力及变形根本概念

应力分类1．按内应力涉及范围分(1)

第一类内应力。(2)

第二类内应力。(3)

第三类内应力。2.按内应力产生原因分温度应力:由于构件受热不均匀或虽加热均匀，但组成结构材料物理性能不同而造成的应力。(2)剩余应力:由于不均匀的非弹性体应变引起的内应力。§13.1内应力及变形根本概念

应力产生机理分析图§13.2均匀受热杆件应力变形

根本概念1．自由变形率2.外观变形率

3.内部变形率§13.2均匀受热杆件应力变形

应力与变形的演变过程

§13.2均匀受热杆件应力变形

应力与变形的演变过程

§13.2均匀受热杆件应力变形

应力与变形的演变过程

§13.3板条不均加热应力变形

板条中心加热

§13.3板条不均加热应力变形

板条中心加热

§13.3板条不均加热应力变形

长板条非对称加热

§13.3板条不均加热应力变形

长板条非对称加热

§13.4焊接剩余变形

剩余变形的类型1.纵向收缩变形；

2.横向收缩变形；3.弯曲变形；

4.角变形；5.波浪变形；

6.错边变形；

7.螺旋形变形。§13.4焊接剩余变形

纵向收缩变形FP—塑性变形区面积；

F—构件截面积；E—弹性模量；L－焊缝长度；P―塑性应变；

§13.4焊接剩余变形

影响纵向收缩变形因素大小取决于焊缝长度、构件截面积及压缩塑性变形区体积。当构件材料和尺寸一定时，仅与焊接方法，焊接线能量和焊接工艺等因素有关，其中与焊接线能量关系最大。多层焊比单层焊线能量小；预热相当于增大线能量；间断焊纵向变形比连续焊小。

§13.4焊接剩余变形

横向收缩变形

横向收缩变形指垂直于焊缝方向变形。其影响因素有：

(1)板厚：板厚增加，横向收缩变形减小。

(2)材质：材料导热率和热膨胀系数越大，横向收缩变形越小。(3)拘束：拘束度增加，横向收缩变形减小。§13.4焊接剩余变形

横向收缩变形〔4〕焊接工艺①焊根间隙：焊根间隙增大，横向收缩变形明显增大；②坡口形状：单面V形坡口的对接接头比双面V形坡口的横向变形大。因为焊缝截面积增大；③焊接线能量：线能量增加，横向变形增大；④焊接层数：焊接层数增加，总的横向变形减小§13.4焊接剩余变形

弯曲变形(纵向收缩引起)1.纵向收缩引起的弯曲变形当纵向焊缝位置偏离构件截面的中心轴时，不仅产生纵向收缩，而且由于等效收缩力Pf而产生弯曲变形。根据材料力学，其产生的最大挠度为：

e―偏心矩；L―焊缝长度；

I―截面惯性矩。

§13.4焊接剩余变形

弯曲变形计算图§13.4焊接剩余变形

弯曲变形(横向收缩引起)§13.4焊接剩余变形

角变形堆焊时产生的角变形

2.对接接头的角变形

3.角焊缝的角变形

§13.4焊接剩余变形

波浪变形薄板构件受压的失稳变形。使构件失稳的最小平均应力称为构件失稳临界应力为

式中K―与支承情况有关的系数；δ―板厚；B―板宽板越薄，板宽越大，那么失稳应力就越小，构件就易失稳变形。§13.4焊接剩余变形

螺旋形变形产生原因是焊缝角变形沿长度上的分布不均匀和工件的纵向错边造成的。在工字梁焊接中，由于角变形沿焊缝长度方向逐渐增大，导致产生螺旋形变形。该变形很难矫正，通过改变焊接次序和方向可以防止。§13.4焊接剩余变形

控制剩余变形措施(设计)合理安排焊缝位置。使焊缝尽可能对称于构件截面的中性轴，尽量使焊缝产生的弯曲变形抵消；或者使焊缝尽量靠近中性轴。(2)合理选择焊缝尺寸和坡口形式。在保证结构承载的条件下，应采用较小的焊缝尺寸。间断焊变形小于连续焊；X形坡口变形小于V形坡口；〔3〕尽量减小不必要的焊缝。尽量采用型钢和冲压件组成焊接结构。§13.4焊接剩余变形

控制剩余变形措施(图形)§13.4焊接剩余变形

控制剩余变形措施(工艺)(1)

反变形法：塑性反变形法和弹性反变形法(2)预留收缩变形余量(3)刚性固定法(4)合理选择焊接方法和标准(5)选择合理的装焊顺序和焊接方向§13.4焊接剩余变形

控制剩余变形措施(图形)§13.4焊接剩余变形

控制剩余变形措施(图形)§13.4焊接剩余变形

控制剩余变形措施(焊接顺序)方案I：先焊3，由于焊缝3大都分在槽钢中性轴以下，焊缝横向收缩产生上挠度f3.再装焊盖板焊接1，由于焊缝1位于截面中性轴以下，产生上挠度f1。最后焊2，同样产生上挠度f2。总挠度为f=f1+f2+f3。§13.4焊接剩余变形

控制剩余变形措施(焊接顺序)方案II：先装槽钢与盖板并焊1，产生上挠度f1。再装隔板焊2，产生上挠度f2，最后焊3，于槽钢与盖板已形成整体，中性轴从槽钢中心下降，使焊缝3大局部处于中性轴以上，产生下挠度f3，总挠度f=f1+f2–f3。方案III：先装隔板与盖板，焊2，盖板处于自由状态，只产生横向收缩和角变形。即f2为零。装槽钢焊1，产生上挠度f1，再装隔板焊3，产生下挠度f3，总挠度为f=f1–f3。§13.5焊接剩余应力

焊接纵向剩余应力§13.5焊接剩余应力

焊接纵向剩余应力〔1〕焊缝长度的影响短焊缝中的纵向剩余应力比长焊缝中的要小。因此，将长焊缝分段进行焊接，可以减小焊件中的纵向剩余应力峰值。〔2〕材质的影响材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应力的最大值也会随之降低。§13.5焊接剩余应力

焊接纵向剩余应力〔3〕钢的相变对纵向剩余应力的影响当金属发生相变时，其比容将发生改变。低碳钢从奥氏体转变为铁素体或马氏体时，比容将增大。向相反方向转变，比容减小。§13.5焊接剩余应力

焊接横向剩余应力横向剩余应力由两局部组成：一是焊缝及其附近纵向收缩引起的横向剩余应力；二是焊缝及附近横向收缩引起的横向应力。§13.5焊接剩余应力

横向剩余应力产生机理§13.5焊接剩余应力

横向剩余应力产生机理

横向应力产生机理将焊接过程分为三个区段，设区段I恢复弹性，区段II处于全塑性，区段III处于溶化状态，此时区段I金属横向收缩不会受到区段II和区段III的拘束，此时区段I横向收缩不会产生横向应力。当区段II恢复弹性并横向收缩时，将受到区段I的拘束，在区段II的上端和区段I的下端产生横向拉应力，在两者交界处产生横向压应力。当区段III恢复到弹性状态时，其横向收缩必然受到区段I和区段II的拘束。

§13.5焊接剩余应力

横向剩余应力影响因素焊缝长度对横向剩余应力的影响焊接方向和顺序的影响厚板中的剩余应力§13.5焊接剩余应力

封闭焊缝剩余应力§13.5焊接剩余应力

封闭焊缝剩余应力§13.5焊接剩余应力

对性能的影响(静载强度)§13.5焊接剩余应力

对性能的影响(静载强度)外力增加，整个截面应力均匀化，这时外力的大小用面积abcdefghi表示。没有剩余应力,外力使整个截面应力到达的值可以用面积abhi表示。因内应力平衡，面积def=面积bcd+面积fgh，所以面积abcdefhi=面积abhi。材料有足够塑性时，内应力不影响承载能力。当材料处于脆性状态时，因构件应力不会产生均匀化，应力峰值不断增加，直到到达强度极限，发生断裂。因此，内应力使脆性材料的承载能力下降。§13.5焊接剩余应力

对性能的影响(受压杆件稳定性影响)两端铰支受压杆件在弹性范围内，其失稳临界应力为E―弹性模量；

I―构件截面惯性矩；

l―受压杆件自由长度；F―截面积；上式还可以表示为：

§13.5焊接剩余应力

对性能的影响(受压杆件稳定性影响)§13.5焊接剩余应力

对性能的影响(对刚度的影响)对于无剩余应力试板拉伸时，在弹性范围内，绝对伸长量与外力有如下关系式：

P―外力；

L―试板长度；

F―试板横截面积；

E―弹性模量

§13.5焊接剩余应力

对性能的影响(对刚度的影响)§13.5焊接剩余应力

对性能的影响(对应力腐蚀开裂影响)应力越大，发生断裂的时间越短。这里的应力不分工作应力和剩余应力，而是两者之和。防止方法：合理设计结构，防止应力集中；合理施工，降低剩余应力；进行外表处理。如：喷丸，涂保护层等。§13.5焊接剩余应力

减小剩余应力措施(采用合理焊接顺序)尽量使焊缝在焊接过程中能得到自由收缩，并应先焊收缩量大的焊缝。如以下图应先焊受力最大的翼板对接焊缝1，随后焊腹板对接焊缝2，最后再焊角焊缝3。§13.5焊接剩余应力

减小剩余应力措施(减小接头刚度)采用分段退焊，重叠退焊，分段分层焊，阶梯形焊。