第3章 连接-6教材

§3.4焊接残余应力和焊接变形3.4.1焊接残余应力和变形的原因1.焊接残余应力的分类

▲纵向焊接应力：长度方向的应力▲横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力；▲厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。

§3.4焊接残余应力和焊接变形§3.4焊接残余应力和焊接变形+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm施焊时焊缝附近达1600℃以上，而邻近区域温度骤降。焊缝周围产生不均匀温度场焊缝处钢材受热伸长，但受两侧低温区域的限制产生热塑性压缩；焊缝冷却时收缩又受到限制而产生拉应力；拉应力大小可达钢材屈服点fy;

远离焊缝区域产生纵向压应力，焊件内应力自相平衡。（1）纵向焊接残余应力2.焊接残余应力的成因-----++（2）横向焊接残余应力焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处中部受拉，两端受压；先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先焊焊缝产生压应力；应力分布与施焊方向有关；横向应力是上述两种应力合成。§3.4焊接残余应力和焊接变形(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势§3.4焊接残余应力和焊接变形-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy（2）横向焊接残余应力焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处中部受拉，两端受压；先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先焊焊缝产生压应力；应力分布与施焊方向有关；横向应力是上述两种应力合成。§3.4焊接残余应力和焊接变形(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy§3.4焊接残余应力和焊接变形+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy-++施焊方向(e)xy-+-施焊方向(f)yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力（2）横向焊接残余应力焊缝纵向收缩，焊件有反向弯曲变形的趋势，在焊缝处中部受拉，两端受压；先焊焊缝凝固阻止后焊焊缝横向自由膨胀，发生横向塑性压缩变形；焊缝冷却，后焊焊缝收缩受限产生拉应力，先焊焊缝产生压应力；应力分布与施焊方向有关；横向应力是上述两种应力合成。§3.4焊接残余应力和焊接变形(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx§3.4焊接残余应力和焊接变形+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy（3）沿厚度方向的焊接残余应力在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。沿厚度方向先焊焊缝凝固，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。-+-321σxσyσz冷却时外围焊缝散热快先冷固，内层焊缝收缩受限制产生沿厚度方向的拉应力，外部则产生压应力。§3.4焊接残余应力和焊接变形因此除了横向和纵向焊接残余应力

x

，y外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力

z

，这三种应力形成同号三向拉应力，大大降低连接的塑性。在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：图3.4.4焊接变形§3.4焊接残余应力和焊接变形横向收缩弯曲变形角变形波浪变形扭曲变形3.焊接残余变形的产生（1）对结构静力强度的影响+--bfyNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力不会影响结构的静力强度+--fyσbBt3.4.2焊接应力和变形对结构工作性能的影响1.焊接应力的影响§3.4焊接残余应力和焊接变形σ+--bfyNcNtNN（2）对结构刚度的影响当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy

，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：σ+--bfyNN+--fyσNNbBt

1>

2当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度。§3.4焊接残余应力和焊接变形（3）对低温冷脆的影响（4）对疲劳强度的影响

对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。

在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。

对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力。（5）对压杆稳定的影响§3.4焊接残余应力和焊接变形焊接应力的影响

▲常温下不影响结构的静力强度；

▲增大结构的变形，降低结构的刚度；

▲降低疲劳强度；

▲在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性 变形，在低温下使裂纹易发生和发展；

▲降低压杆的稳定性。2.焊接变形的影响▲焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正；▲影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载力，引起事故。§3.4焊接残余应力和焊接变形3.4.3减少焊接应力和变形的措施1.合理的焊缝设计（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式（2）合理的安排焊缝的位置（3）尽量避免焊缝的过分集中和交叉（4）尽量避免母材在厚度方向的收缩应力§3.4焊接残余应力和焊接变形图3.4.5减小焊接残余应力的设计措施