《焊接结构制造工艺及实施 第3版》课件 第二单元 焊接应力与变形

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录01焊接应力与变形基本知识02焊接应力与变形产生原因焊接应力与变形基本知识01焊接应力与变形基本知识焊接变形焊接应力与变形基本知识按物体变形的性质

焊接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塑性变形当外力或其他因素去除后，变形仍然存在，即物体不能恢复到原状态下的变形弹性变形在外力或其他因素作用下发生变形，当外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体恢复原状变形焊接应力与变形基本知识自由变形按变形的拘束条件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进行，产生的变形即为自由变形非自由变形当金属杆件在均匀加热时，变形局部受阻，变形量不能完全表现出来，称为非自由变形焊接应力与变形基本知识2外观变形1非自由变形分为未表现出来的那部分变形，称为内部变形。外观变形当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形。焊接变形由焊接而引起焊件的尺寸改变称为焊接变形瞬时变形：在焊接过程中的某一瞬时的变形值残余变形：焊接后残留于焊件中的变形值焊接变形焊接应力与变形基本知识02焊接应力与变形基本知识焊接应力应力的分类有无外力的作用工作应力内应力应力作的用方向引起应力的原因应力的存在情况纵向应力横向应力厚度方向应力温度应力拘束应力组织应力单向应力双向（平面）应力三向（体积）应力物体单位截面上的内力。应力概念焊接应力与变形基本知识焊接应力焊接应力是一种内应力，是由于焊件不均匀加热和冷却而产生的温度应力。瞬时应力：在焊接过程中的某一瞬时的应力分布及数值残余应力：焊接后残留于焊件中的应力分布及数值焊接结构制造中研究和控制的主要是焊接残余变形与焊接残余应力。焊接应力与变形基本知识焊接应力与变形产生原因焊接应力与变形产生原因不均匀加热刚性与拘束金相组织变化焊缝金属收缩焊接应力与变形产生原因不均匀加热焊接应力与变形产生原因结论长板条中心加热时，中间为压应力，两侧为拉应力；冷却后中间为拉应力，两侧为压应力。钢板条中心加热和冷却时的应力与变形焊接应力与变形产生原因对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要T>TS，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后构件存在残余应力、残余变形0102通常焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反03焊接过程中焊缝及附近区产生压缩塑性变形，冷却后要收缩，若收缩充分则变形大、应力小，反之则变形小、应力大04焊接过程中及焊后，焊件中的应力分布不均匀，焊后焊缝及其附近区域的残余应力通常为拉应力不均匀加热分析得出结论焊缝金属收缩焊接应力与变形产生原因焊缝金属冷却、由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩，另外，一条焊缝是逐步形成的，焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此会产生焊接应力与变形。焊接应力与变形产生原因影响焊接收缩的因素焊缝化学成分例如：18-8型不锈钢收缩大于低碳钢液态金属温度

温度越高，收缩量越大金相组织变化焊接应力与变形产生原因刚性与拘束金属在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容也不一样，由此也会造成焊接应力与变形焊件的刚性——焊件抵抗变形能力。刚性↗，则变形↘，应力↗。拘束——是焊件周围物体对焊件变形的约束。拘束↗，则变形↘，应力↗。Contents目

录03影响焊接变形的因素01焊接残余变形的基本类型02焊接变形对结构的影响焊接残余变形的基本类型收缩变形角变形弯曲变形波浪变形扭曲变形焊接残余变形的基本类型纵向收缩焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩横向收缩

焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩收缩变形：焊件尺寸比焊前缩短的现象。分为纵向收缩和横向收缩。焊接残余变形的基本类型角变形：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，一般多发生在中、厚板的对接接头。角变形焊接残余变形的基本类型焊缝横向收缩构件截面不对称焊缝布置不对称焊缝纵向收缩弯曲变形：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。弯曲变形焊接残余变形的基本类型波浪变形：波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接结构制造中，它是由于纵向和横向的压应力使薄板失去稳定而造成的，又称之为失稳变形。焊接残余变形的基本类型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。扭曲变形容易出现在有相邻焊缝的梁、柱等细长构件中，往往与焊接方向或顺序不当有关。焊接残余变形的基本类型焊接变形对结构的影响焊接残余变形的影响外观尺寸及美观01020304影响后续装配焊接矫正工序（增加成本）降低结构承载能力焊接变形对结构的影响影响焊接变形的因素焊接工艺要点材料的膨胀系数越大，则焊接时产生的塑性变形越大，冷却后纵横向收缩也越大材料的热物理性能一般规律是，随着线能量的增加，压缩塑性变形区扩大，因而收缩量增大纵向收缩随焊缝长度增加而增加，横向收缩随焊缝宽度增加而增加。在同样厚度条件下，V形坡口比X形坡口收缩量大焊缝离中性轴越近，弯曲变形越小。在焊接结构中应尽量使焊缝靠近中性轴或对称在中性轴两侧结构的刚性大小决定于结构的截面形状和尺寸，截面积越大，则结构抗弯刚度越大，弯曲变形越小施焊方法和焊接参数焊缝的长度及截面焊缝在构件中的位置构件刚性和几何尺寸结构装配焊接顺序装焊顺序不同，则焊缝的收缩顺序不同，由此造成的变形情况也不一样影响焊接变形的因素（例）装焊顺序对变形的影响：如工形梁装配好以后，如果先焊焊缝1和2，然后再焊焊缝3和4，则焊接之后工形梁产生上挠变形；如果改变焊接次序，先焊焊缝1和4，后焊焊缝3和2，焊后工形梁的挠曲则可以减小，甚至消除。工形梁装焊顺序对弯曲变形的影响影响焊接变形的因素Contents目

录01控制变形的结构设计措施02控制变形的制造工艺措施控制焊接变形的措施有哪些呢？焊接变形的控制措施控制措施结构设计制造工艺控制变形的结构设计措施合理选择焊缝尺寸和形状合理选择焊缝长度和数量合理安排焊缝位置结构设计措施合理选择焊缝尺寸和形状相同承载力的十字接头箱形梁的不同接头形式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。大厚板焊接，窄间隙U型坡口，生产效率高，焊接变形小。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。焊缝尽可能对称于截面中性轴,或使焊缝接近中性轴作用：减少梁柱的弯曲变形有良好的效果。箱形梁和工字梁的焊缝布置合理安排焊缝位置控制变形的制造工艺措施工艺措施预留收缩余量反变形法刚性固定法合理焊接顺序散热法合理焊接工艺参数合理焊接方法预留收缩余量为了弥补焊后尺寸的缩短，在备料中预先考虑加放收缩余量。加放余量的大小往往采用经验数据或经验公式进行近似估计。焊缝纵向收缩量的近似值（mm/m）对接焊缝连续角焊缝间断角焊缝0.15～0.30～0.40～0.1反变形法预先给出一个方向相反、大小相等的变形，用以抵消结构焊后产生的变形，主要用于防治弯曲变形与角变形。刚性固定法工装夹具刚性固定法点焊固定临时支撑临时支撑点焊焊缝合理焊接顺序薄板拼接时的焊接次序，原则上应当先焊纵向短焊缝焊缝，后焊横向长焊缝。横焊缝的焊接应对称交替焊接（按焊缝7、6、8顺序）进行。焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。合理焊接顺序压力机压型上模的焊接顺序合理焊接顺序焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。合理焊接顺序长焊缝（1m以上）焊接时，可采用右图所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形分段退焊分段跳焊分段跳焊中间往两边焊接合理焊接方法高能量密度的焊接方法：激光焊等离子弧焊电子束焊钨极氩弧焊二氧化碳气体保护焊等合理焊接工艺参数焊接工字梁，1、2采用小规范多层焊，焊后上、下弯曲变形就能抵消，可得到平直的构件。散热法散热法采用快冷的方式，使焊接区热量迅速散失，减小受热面积，从而使变形降低。这种方法不能用于脆硬倾向大的材料。总结理论结合实际

提高产品质量：在生产中要灵活使用焊接变形的控制措施，减少焊接变形。Contents目

录01机械矫正法02火焰加热矫正法机械矫正法将缩短的尺寸拉长，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。矫平机压力机机械方法矫正变形的原理机械矫正法薄板波浪变形的矫正:手工锤击焊缝区的方法在焊件表面垫上平锤,防止锤击印痕薄板波浪变形机械矫正法工字梁焊后弯曲变形的机械矫正a：千斤顶矫正b：拉紧器矫正千斤顶螺旋拉紧器火焰加热矫正法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“什么地方加热，什么地方变短”加热方式加热位置加热范围加热温度火焰矫正工艺参数火焰加热矫正的原理火焰加热矫正法

火焰加热矫正的加热位置火焰矫正的效果主要取决于火焰加热的位置，不同的加热位置可以矫正不同形式的变形加热位置应选择在金属纤维较长的部位，即材料弯曲部分外侧火焰加热矫正法点状加热线状加热三角形加热加热方法火焰加热矫正法

点状加热可以一点或多点加热多点加热时，加热点的分布可呈梅花形，也可以呈链式密点形。火焰加热矫正法加热点的大小d：对厚板来说应大一些，薄板小一些，一般不小于15mm加热点之间的距离：由变形大小决定，变形大，距离小些，变形小，距离大些，一般在50—100mm之间加热点大小计算公示：d=4δ+10mm

加热点大小火焰加热矫正法火焰沿直线缓慢移动或同时作横向摆动，形成一个加热带的加热方式。

线状加热火焰加热矫正法波浪变形角变形弯曲变形火焰加热矫正法加热部位是在弯曲变形构件的凸缘

三角形加热三角形的底边在被矫正构件的边缘，顶点朝内常用于矫正厚度较大、刚性较强构件的弯曲变形火焰加热矫正法加热方式适用范围加热要领点状加热薄板凹凸不平、钢管弯曲等的矫正变形量大，加热点距小，加热点直径适当大些，反之，则点距大，点径小些。薄板加热温度低些，厚度加热温度高些线状加热中厚板的弯曲、T形架、工字梁焊后角变形等到的矫正一般加热线宽约为板厚的0.5-2倍,加热深度为板厚的1/3-1/2。变形越大，加热深度就越大一些三角形加热变形较严重，刚度较大的构件变形的矫正一般加热三角形高度约为材料宽度的0.2倍，加热三角形底部应以变形程度而定，加热区域大，收缩量也较大火焰加热矫正法

三角形加热案例T型梁弯曲变形，立板被拉长，刚度较大。应在立板与平板部位采用倒三角形加热，加热范围应超过工件的几何中心线，效果最为明显。火焰加热矫正法丰富的实践经验技术难度大操作方便基础理论知识加热方式加热位置加热温度矫正步骤小结重点有些情况下，同时采用机械与火焰两种方式矫正焊接变形可以收到更好的效果Contents目

录03焊接残余应力对结构的影响01焊接应力的类型02焊接残余应力的分布焊接应力的类型焊接应力的类型焊接应力的类型应力产生作用的时间瞬时应力残余应力根据应力产生作用的时间焊接应力的类型根据应力形成原因温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力拘束应力：由于焊件热变形受到拘束引起的应力组织应力：由于接头金属组织转变时体积变化受阻焊接应力的类型根据应力与焊缝的相对位置纵向应力：应力作用方向与焊缝平行，σx横向应力：应力作用方向与焊缝垂直,σy工件厚度方向上的应力：用σz表示焊接残余应力的分布01纵向残余应力σx的分布——沿焊缝长度方向焊接残余应力的分布图1板对接接头的纵向残余应力沿焊缝长度方向的分布焊缝较短时，不存在稳定区；焊缝越短，纵向残余应力越小。（a）（b）01纵向残余应力σx的分布——沿焊缝横截面方向焊接残余应力的分布图2板对接接头的纵向残余应力沿焊缝横截面的分布中间为拉应力；两侧为压应力焊接残余应力的分布单击此处添加大标题内容01由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起σy´02由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起σy´´横向残余应力σy分布02横向残余应力σy分布——由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起σy´焊接残余应力的分布图3由纵向收缩引起的横向应力σy´分布两平板对焊焊缝，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的塑性变形区为拉应力，两端为压应力。02

横向残余应力σy分布——由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起σy´´焊接残余应力的分布图4不同焊接顺序及焊接方向时横向应力σy´´分布先焊的区域受压应力，后焊的区域受拉应力。03

厚板（厚度大于20mm）焊接接头中的残余应力σx、σy、σz—三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工艺差别很大焊接残余应力的分布图5厚板焊接接头中沿厚度上的残余应力分布04

拘束状态下焊接接头的残余应力σ—焊缝在拘束状态下，由于横向收缩、纵向收缩受到限制，将在横向和纵向上产生反作用内应力σf。焊接残余应力的分布图6拘束状态下焊接接头中横向残余应力分布04

拘束状态下焊接接头的残余应力σ—焊缝在拘束状态下，由于横向收缩、纵向收缩受到限制，将在横向和纵向上产生反作用内应力σf。焊接残余应力的分布图7拘束状态下焊接接头中纵向残余应力分布其中，σ=σx+σfσx表示自由状态下焊接产生的纵向残余应力；σf纵向反作用内应力焊接残余应力对结构的影响01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。1.对结构静载强度的影响焊接残余应力对结构的影响02机械加工后，原内应力的平衡打破，工件将产生变形2.

残余应力对构件加工精度的影响焊接接头的概念与特点03残余压应力降低构件的稳定性；残余拉应力增加构件的稳定性。所以，应改善应力的分布或进行去应力处理。

焊接残余应力还对结构的刚性、动载强度及应力腐蚀开裂也有不同程度的影响。应采取一定的措施降低焊接残余应力，必要时，还要进行消除应力处理。3.

残余应力对构件稳定性的影响Contents目

录01降低焊接应力的结构设计措施02控制焊接应力的工艺措施降低焊接残余应力的结构设计措施降低焊接残余应力的结构设计措施结构上正确布置焊缝，避免应力叠加尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离0102控制焊接应力的工艺措施1.控制焊接线能量线能量过大，焊接后的应力和变形也较大。尤其是淬硬倾向大的材料以及刚性较大的结构焊接时要注意。控制焊接应力的工艺措施2.采用合理的焊接顺序和方向尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝01按收缩量大小确定焊接顺序控制焊接应力的工艺措施2.采用合理的焊接顺序和方向先焊工作时受力较大的焊缝，这样可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。02按受力大小确定焊接顺序控制焊接应力的工艺措施2.采用合理的焊接顺序和方向在拼板时，先焊错开的短焊缝，再焊直通的长焊缝。03按焊缝布置确定焊接顺序控制焊接应力的工艺措施

在焊接交叉（不论是丁字交叉或十字交叉）焊缝时，应该特别注意交叉处的焊缝质量。纵向焊缝横向焊缝控制焊接应力的工艺措施3.降低局部刚度在焊接封闭焊缝或其他刚性较大、自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝的自由度（a）平板边缘翻边

（b）镶板留余量控制焊接应力的工艺措施4.锤击或碾压焊缝每焊一道焊缝用带小圆弧面的风枪或小手锤锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过分产生裂纹。采用辗压焊缝的方法，亦可有效地降低结构内应力。控制焊接应力的工艺措施5.1减小不均匀加热程度——预热法预热法的应用淬硬倾向较大的材料焊接刚性较大或脆性材料焊接

预热法是在施焊前，预先将焊件局部或整体加热到150~650℃。控制焊接应力的工艺措施冷焊法的具体操作尽量采用小的线能量施焊选用小直径焊条冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其它部位间的温度差。尽量采用小的线能量施焊5.2减小不均匀加热程度—冷焊法控制焊接应力的工艺措施在结构适当部位加热使之伸长，加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与