焊接应力与变形

第四部分焊接应力应变与焊接结构设计第一节焊接应力与变形

一、焊接残余变形二、焊接残余应力焊接应力与变形产生原因的概述焊接结构有较大的焊接变形

绝大多数焊接方法都要采用局部加热，故不可避免地将产生内应力和变形。焊接应力和变形不但可能引起工艺缺陷，一定条件下将影响结构的承载能力：诸如强度、刚度和受压稳定性。除此这外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。因此，在设计和施工时充分考虑焊接应力和变形这一点是十分重要的。为方便大家理解，下布告我介绍相关的基础知识及基本概念。

焊接应力与变形产生原因的概述弹性：钢材在外力的作用下产生的形变，一旦外力除去，仍能恢复原状的性质，叫做弹性。塑性：当外力除去后，不能恢复原状，而仍能保持变形的状态的性质，叫做塑性。屈服极限：指钢材在开始塑性变形时，单位面积上所能承受的拉力，这个指标表示钢材抵抗塑性变形的能力。内应力及变形的一些基本概念内应力：是在没有外力的条件下平衡于物体内部的压力，这种应力存在于许多的工程结构中。如铸造、焊接结构中。内应力的种类：按其产生原因可分为温度应力和残余应力几种。焊接应力与变形产生原因的概述温度应力（热应力）的产生原因温度应力是由于构件受热不均匀引起的举例说明图示是一个金属柜架，如果只让框架的中心杆受热，而两侧杆件的温度保持不变，则前者由于温度上升而伸长，但是这种伸长的趋势受到两侧杆件的阻止，不能自由地进行，因此中心杆件就受到压缩，产生压应力。而两侧的杆件在阻碍中心杆件膨胀伸长的同时受到中心杆件的反作用而产生拉应力。这种应力是在没有外力作用下出现的，拉应力与压应力在柜架中相互平衡，就构成了内应力。因为是由于不均匀的温度造成的，所以称之为温度应力或热应力。如果温度应力不高（低于材料的屈服极限），在柜架里不产生塑性变形。那么当框架的温度均匀以后，热应力亦随之消失。焊接应力与变形产生原因的概述残余应力如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生新的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中的。故称之为残余应力。举例介绍弹性变形与塑性变形。焊接应力与变形产生原因的概述以上图1-1分析：在金属柜架中，如果中心杆件产生的压应力达到材料的屈服极限，杆件中将出现压缩塑性变形。当杆件温度恢复到原始状态时，若任其自由收缩，那么它的长度必然比原来的短。实际上柜架两侧杆件阻碍着中心杆件自由收缩，使它受到拉应力，而两侧杆件本身，则由于中心杆件的反作用而产生压应力。这样们就在柜架中形成了一个新的内应力体系，即残余应力。如图1-2，中心杆件受拉，而两侧杆件受压缩，产生压应力。焊接应力与变形产生原因产生焊接应力和变形的原因很多，下面分析一下其中的主要原因：焊接时焊件不均匀加热熔敷金属的收缩金属组织的变化焊件的刚性焊接应力与变形产生原因

焊接时焊件不均匀加热由于焊接时局部加热到熔化状态，形成焊件上温度不均匀分布。如图1-3

电弧周围温度较高，而远离电弧的部位温度较低。焊接应力与变形产生原因焊条电弧焊温度不均匀分布而引起的焊接应力与变形过程设有一块钢板条，沿边缘进行堆焊。见图1-4，如果钢板是由无数块互相能自由滑动的板条组成，板条受热而伸长，伸长的多少与温度的高低成正比。实际上钢板是一整体，受热部分金属要受下面未受热部分金属的约束，不能自由伸长。因此堆焊部分金属伸长时，带着整块钢板绕中性面向上弯曲变形，受到压缩应力。当温度继续升高时，压缩应力继续增加。钢板随温度升高，，屈服极限不断降低，在600℃左右屈服极限几乎接近于零。因此堆焊部分的金属在压应力作用下产生塑性变形。焊接应力与变形产生原因冷却时，堆焊金属逐渐收缩而使内部的压缩应力逐渐消失；同时在高温时产生的压缩变形保留下来，即堆焊金属冷却下来后比原始长度要缩短。同样，缩短时也受到原来未加热部分金属的约束，其结果供整块钢板产生向下弯曲变形，同时，堆焊外金属受到拉伸应力。见图1-5

由上面分析可知，焊件局部不均匀受热是产生变形和应力的主要原因，焊后，在焊逢附近金属受拉应力，离焊逢较远处的金属受压应力。

焊接应力与变形产生原因1、熔敷金属的收缩

焊缝金属在凝固和冷却过程中，体积要发生收缩，这种收缩使焊件产变形和内应力。焊逢金属的收缩量决定于熔化金属的数量。例如平板对接采用V型坡口接头时，焊缝上部宽，熔化金属多，收缩量大，上下收缩量不一致，故发生角变形。见图1-6焊接应力与变形产生原因2、金属组织的变化金属加热到很高温度并随后冷却下，金属内部组织要发生变化。由于各种组织的比容不同，所以金属冷却下来时要发生体积的变化。这种体积变化也受到周围没有组织变化的金属的约束，其结果金属内部产生内应力，这种应力称为组织应力。

钢中常见的组织钢中常见组织奥氐体铁素体珠光体渗碳体马氏体比容(cm³/g)

0.13-0.15

0.127

0.12860.13

0.127-0.131焊接应力与变形产生原因3、焊件的刚性焊件的刚性本身就限制了焊件在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小不同。如焊件夹持在夹具中进行焊接，由于夹具夹紧力的限止，焊件不能随温度的变化自由膨胀和收缩，这样也就有效地减少了焊件的变形，但焊件中产生了较大的内应力。

结论

在焊接过程中多种因素影响应力与变形的变化，如焊接方法、速度、焊件的装配间隙、对口质量、焊件的自重，特别是装配顺序和焊接顺序对焊接应力有较大的影响。焊接应力与变形产生原因焊接应力与变形的关系

金属结构在焊接过程中产生各式各样的焊接变形和大小不同的焊接应力。若焊件在焊接时能自由收缩，则焊后焊件的变形较大，而应力较小；如果由于外力的限制或自身刚性较大，焊件不能自由收缩，则焊后焊件的变形较小而应力较大。焊接残余应力的的分布

前面已经讨论过内应力的一般概念，以及焊接应力的产生过程，下而将讨论焊接后残存在结构中的应力的分布情况，以便我们在焊接工作中采取消除和降低焊接残余应力的措施。在厚度不大（15-20mm）的常规的焊接结构中，残余应力基本上是双轴分布的，厚度方向的应力很小。只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大。为了便于分析，我们把焊缝方向的应力称为纵向应力，垂直于焊缝方向的应力称为横向应力。焊接残余应力的的分布

对接接头中的残余应力纵向残余应力

对接接头中纵向残余应力的分布在焊缝及其附近区域出现拉应力，一般都达到或超过材料的屈服极限，随至焊缝距离的增加，拉应力急剧下降为零并转变为压应力，如图示10-4当两板是等宽时，则产生的纵向应力与焊缝是对称的。

焊接残余应力的的分布横向残余应力

横向残余应力是由于焊缝金属的纵向收缩造成板的弯曲变形和金属的横向收缩造成板的横向移动而产生的。如图所示图示10-6对接接头的横向残余应力分布

焊接残余应力的的分布图示10-6对接接头的纵向X向、横向Y向残余应力分布

结论：在一块钢材上，纵向应力的峰值在焊缝中心线上，可接近材料的屈服强度，而横向应力的数值较小。

焊接残余变形的种类纵向收缩变形横向收缩变形角变形弯曲变形波浪变形扭曲变形焊接变形的种类

1、收缩变形

钢板焊后，沿长度方向和宽度方向上都比原来缩短了，钢板的缩短是由于焊缝的纵向收缩和横向收缩造成的。

1）、细长构件如梁柱等纵向引起的纵向收缩ΔL,一方面取决于焊缝截面及其两侧区域内的单位面积的收缩量；另一方面取决于构件长度L和截面积F。前者与焊接线能量和焊接工艺有关。

单道焊缝的纵向收缩可由下式粗略估算

ΔL＝0.86×10-6qvLqv＝ηUI/ν

η＿焊条电弧焊取0.7-0.8；埋弧焊取0.8-0.9；CO2气保焊取0.7

如果末确定焊接参数则可根据焊缝熔敷金属截面积FH和角焊缝的焊脚K确定焊接线能量。（用于低碳钢和屈服点低于350MPa的低合金）焊条电弧焊qv＝40000K2

qv＝(42000-50000)FH

埋弧焊qv＝30000K2

qv＝（61000-66000）FH

CO2气保焊qv＝20000K2

qv＝37000FH

焊接变形的种类多道焊缝

每道焊缝的变形区域互相重叠，FH

改用一道焊缝的截面积，再乘以系数K1

。

K1＝1＋８５εｓn（εｓ＿材料的屈服应变、ｎ焊道数）

对于两面各有一条焊脚相同的角焊缝的Ｔ形接头构件的纵向收缩，FH取一条角焊缝的截面积，再乘以系数１.３-１.４５。奥氏体钢的构件的变形比低碳钢的大，应乘以1.44。对于长度为a，中心距为l的断续焊缝，其ΔL应乘以系数a/l。

2）焊缝纵向收缩引起的弯曲变形若焊缝与构件横截面的中性轴线不重合时，焊缝纵向收缩还会引起构件的弯曲变形。如由角焊缝连接而成的T形构件的纵向弯曲挠度，与角焊缝的尺寸的关系为随着焊缝尺寸的增大挠度增大。对于构件由纵向焊缝引起的弯曲挠度的估算，可按下式进行。

f＝0.86×10-6×(eqvL2/8I)I为截面惯性矩

e焊缝中心到截面中性轴的距离焊接变形的种类2.焊接横向收缩变形

1）对接焊缝的横向收缩单道对接焊缝中的横向变形主要是因热源附近高温区金属的热膨胀受到拘束，产生了性应变，熔池凝固后，沓缝附近金属开始降温而收缩，这是焊缝横向收缩的主要组成部分；而焊缝本身的收缩仅占总量的10%。

在钢结构上，单道对接焊缝的横向收缩变形量的值，比纵向收缩量要大得多，可用下式估算：

ΔB＝Aqv

（α／ｃγδ）Ａ经验系数，电弧焊1.0-1.2α材料线胀系数ｃ材料比热容γ材料密度在角焊缝和堆焊缝上，ΔB值比对接焊时小。大厚度板开坡口多道焊时，ΔB值层递减；V形坡口ΔB值比X形和双U形坡口时都大。坡口角度和间隙越大，ΔB值也越大。在同样的材料上，气焊时ΔB值最大，电弧焊次之，电子束和激光焊时最小。在电弧焊中，焊条电弧焊的ΔB值比埋弧焊的大，用气体保护焊时的ΔB值相对而较小。焊接变形的种类多层焊时，每层焊缝所产生的横向收缩量以第一层为最大，随后则逐层递减。例如在厚度为180mm的20MnSi钢对接U形对称坡口焊接时，第一层的横向收缩量可达1mm，而前三层的横向收缩量达总收缩量的70%.可见，控制多层焊缝横向收缩的关键在于控制最初几层。焊条电弧焊对接接头的横向收缩量可参照下面公式粗略估算：

ΔB＝0.2FH/δT形接头和搭接接头的横向收缩量随焊脚的增大而增大、随焊件的打基础度增大尴降低。2）焊缝横向收缩变形引起的构件弯曲变形如果横向焊缝在构件上分布不对称，例如工字型梁上翼板一侧上的短筋板焊缝，则焊缝横向收缩也会引起弯曲变形。详细内容省略。焊接变形的种类3、角变形在堆焊、对接、搭接和丁字接头的时，往往会引起角变形。这种变形发生的根本原因是横向收缩变形在厚度方向上的不均匀不均匀分布。焊缝正面的变形大，背面的变形小。这样就造成了构件平面的偏转。虽然基本原因相同，但不同的焊缝及接头形式具有不同的特点。

1）堆焊产生的角变形

在平板上进行堆焊时，堆焊的高温区金属的热膨胀由于受到附近温度较低区金属的阻碍，而受到挤压，产生压缩性变形。但是由于焊接面的温度高于背面，焊接面产生的压缩性变形比背面大，有时背面在弯矩的作用下甚至可能产生拉伸变形，故在冷却后平板产生角变形。角变形的大小取决于压缩性变形的大小和分布性情况，同时取决于板的刚度。焊接变形的种类2）对接接头产生的角变形对接接头的坡口角度以及焊缝截面开头对于对接接着的角变形影响很大，坡口角度越大，焊接接头上部及下部横向收缩量差别就越大。自动焊的熔熔深比焊条电弧焊的大得多，因此在焊接相同厚度的工件时，采用自动焊，其坡口角度比采用焊条电弧时小。采用电子束焊和电渣焊的对接接头时，因其不需要开坡口，整个厚度同时焊接，焊接宽度基本不变，作以角变形小。采用对称坡口例如X型坡口代替V形坡口，亦利于减小角变形。焊接角变形还和焊接方式有关。对于同样板厚度和坡口形式，多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大，多道焊比多层焊角变形大。焊接变形的种类3）角焊缝所产生的角变形丁字接头的角变形包括两个内容：筋板与主板的角度变化和主板本身的角变形。前者相当于对接接头的角变形。而对主板说，它就相当于在夹板上进行堆焊时的角变形。这两种角变形的综合结果，使丁字形接头两板间的角度发生变化，破坏了垂直度，也破坏了平板的平直度。通过开坡口，可以减少筋板与主板这间的焊缝夹角，从而降低了角变形的数值。角变形可采用反变形预防，或根据图表进行估算。焊接变形的种类4波浪变形主要出现在6－8mm以下的薄板中，焊缝纵向收缩对薄板边沿造成的压应力，当压应力达到临界值时、薄板因出现波浪变形而丧失承载能力引起的。在同一焊接工艺条件下，板件的几何尺寸宽长比和厚度决定着临界失稳压应罚的大小。6、扭曲变形

在一些框架、杆件或梁柱类等刚性较大的焊接构件上往往会发生扭曲变形。如在工字梁上有四条纵向焊缝：若同时在向同一方向焊接两条焊缝，或在夹具中施焊，则可以减小或防止扭曲变形。但若焊接方向和顺序不同，因角焊缝引起的角变形逐渐增大，易引起扭曲变形。

可见，焊缝的纵向收缩及横向收缩是引起各种变形的根本原因，同时变形与焊缝在结构上的位置、焊接顺序及焊接方法等因素有关。焊接变形的预防

焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决，从设计上注意焊接变形，往往比单纯从工艺上解决问题方便。一设计措施

1合理地选择焊缝尺寸和形式焊缝尺寸直接关系到焊接变形的大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此，在保证结构承载能力的条件下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸。不合理地加大焊缝尺寸，在角焊缝上表现的更为突出。角焊缝在许多情况下一般受力不大。例如在相当多的架构中，筋板与腹板间的焊缝，并不承受很大的应力，没有必要采用大尺寸的焊缝。因此，应保证焊接质量的前提下，按板的厚度来选取工艺上的可能的最小的焊缝尺寸。焊接变形的预防对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证相同的强度条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属对减少变形有利。例如箱形梁的上下盖板较厚而两块侧板较薄。采用较少焊缝尺寸的接头形式如图示：

焊接变形的预防2尽量可能减少不必要的焊缝在焊接结构中应该力求焊缝数量少，在设计焊缝结构时，常常采用筋板来提高板结构的稳定性和刚性。为了减轻重量采用薄板，不适当地加大量采用筋板，反而不经济。因为这样增加了装配和焊接工作量，焊接变形大，增加校正工时。合理地选择筋板的形状，适当地安排筋板的位置，也可减少焊缝提高筋板加固的效果。焊接变形的预防3合理地安排焊缝的位置设计时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊道接近于中性轴。焊缝对称于中性轴，有可能使焊缝所引起的挠曲变形相互抵消，而焊缝接近断面中性轴，可以较小焊缝所引起的挠曲。图a中的质量在断面中性轴以上，中性轴以下没有焊缝。图b的两条焊缝对称于中性轴图c的两条焊缝在截面中性轴上，因此图b、c的挠曲变形小于a图焊接变形的预防二、工艺措施

1、反变形法这是生产中最常见的方法。事先估计好结构变形的大小和方向，然后在装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消。使焊后结构件保持设计要求。A图为了防止工字梁的翼板产生焊接角变形，可以将翼板预先反向弯曲。如图a焊接变形的预防在焊接梁柱