焊接應力和集中第1頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一焊接應力與變形的產生

一、應力與變形的基本知識1.應力—物體單位截面上表現的內力。分類熱應力應力內應力工作應力殘余應力裝配應力相變應力第2頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.變形—物體在外力的作用下，其內部原子的相對位置發生變化，其宏觀表現為形狀和尺寸的變化。分類

按物體變形的性質分為：

按變形的拘束條件分為：彈性變形塑性變形自由變形非自由變形焊接應力與變形的產生

第3頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一自由變形：當金屬物體溫度發生變化，或發生了相變，其尺寸和形狀就要發生變化，如果這種變化沒有受到外界的阻礙而自由的進行。單位長度的自由變形量：焊接應力與變形的產生

第4頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一外觀變形：當金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，不能完全的自由變形，把能表現出來的這部分變形，稱為外觀變形。內部變形：把未表現出來的那部分變形，稱為內部變形。

焊接應力與變形的產生

第5頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一焊接變形：由焊接而引起焊件的尺寸改變稱為焊接變形。焊接變形分類：焊接瞬時變形焊接殘余變形焊接應力與變形的產生

第6頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一二、研究焊接應力與變形的基本假定：（1）平截面假定（2）金屬性能不變的假定

是與溫度變化無關的參數（3）金屬屈服點的假定焊接應力與變形的產生

第7頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一三、焊接應力與變形產生的原因根本原因——焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮。1.桿件的不均勻受熱.焊接應力與變形的產生

（1）長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應力與變形。鋼板條中心加熱和冷卻時的應力與變形第8頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（2）長板條一側加熱（相當于板邊堆焊）引起的應力與變形。焊接應力與變形的產生

鋼板邊緣一側加熱和冷卻時的應力與變形

第9頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一(3)桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時皆不能自由變形的變形和應力。焊接應力與變形的產生

第10頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一(4)長板條非對稱加熱引起的變形和應力

焊接應力與變形的產生

2.焊縫金屬的收縮。3.金屬組織的變化。4.焊件的剛性和拘束。第11頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一本節主要內容：一、焊接變形的種類二、控制焊接變形的措施三、矯正焊接變形的措施焊接殘余變形第12頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一一、焊接變形的種類焊接變形分為5種基本變形形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。

焊接殘余變形第13頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1．收縮變形—焊件尺寸比焊前縮短的現象稱為收縮變形。分為縱向縮短和橫向縮短。焊件在焊后沿焊縫長度方間的收縮稱為縱向縮短。焊件在焊后垂直于焊縫方向的收縮叫橫向縮短。焊接殘余變形第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2．角變形

角變形產生的根本原因：由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致。角變形的大小以變形角α進行度量。

焊接殘余變形幾種接頭的角變形T形接頭的角變形第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.彎曲變形彎曲變形主要是結構上的焊縫布置不對稱或焊件斷面形狀不對稱，焊縫收縮引起的變形。彎曲變形的大小用撓度ｆ進行度量．撓度ｆ是指焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離。焊接殘余變形第16頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（1）縱向收縮引起的彎曲變形焊縫的縱向收縮引起的彎曲變形（2）橫向收縮引起的變曲變形焊縫的橫向收縮引起的彎曲變形第17頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4.波浪變形波浪變形常發生于板厚小于6mm的薄板焊接過程中，又稱之為失穩變形。焊接殘余變形焊縫角變形引起的波浪變形第18頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一5.扭曲變形產生扭曲變形的原因主要是焊縫角變形沿焊縫長度方向分布不均勻。一般發生在有數條平行的長焊縫的焊件上，如焊接工形梁。扭曲變形的產生往往與焊接方向或順序不當有關。焊接殘余變形工字梁的扭曲變形第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一焊接殘余變形第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一二、控制焊接變形的措施1.設計措施（1）合理地選擇焊縫的尺寸和形狀（如圖）

在保證結構承載力的情況下,盡可能采用較小的焊縫尺寸,減少熱輸入對材料性能的影響,并降低成本。相同承載力的十字接頭箱形梁的不同接頭形式焊接殘余變形第21頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（2）合理選擇焊縫長度和數量

只要允許，多采用型材、沖壓件；焊縫多且密集處，可以采用鑄—焊聯合結構，就可以減少焊縫數量。此外，適當增加壁板厚度，以減少肋板數量，或者采用壓型結構代替肋板結構，都對防止薄板結構的變形有利。某人行天橋加強筋狀況焊接殘余變形第22頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（3）合理地安排焊縫的位置

安排焊縫盡可能對稱與截面中性軸,或使焊縫接近中性軸,這對減少梁柱的撓曲變形有良好的效果。箱形和工字梁的焊縫布置（后者較好）焊接殘余變形第23頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.工藝措施

（1）反變形法(如圖)

幾種反變形措施焊接殘余變形第24頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（2）留余量法在下料時，將零件的實際長度或寬度尺寸比設計尺寸適當加大，以補償焊件的收縮。

留余量法主要用于防止焊件的收縮變形。焊接殘余變形第25頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（3）剛性固定法1）將焊件固定在剛性平臺上。焊接殘余變形薄板拼接時的剛性固定第26頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2）將焊件組合成剛性更大或對稱的結構。焊接殘余變形T形梁的剛性固定和反變形第27頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3）利用焊接夾具增加結構的剛性和拘束。焊接殘余變形對接拼板時的剛性固定第28頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4）利用臨時支撐增加結構的拘束。焊接殘余變形防護罩焊接時的臨時支撐第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（4）選擇合理的裝配焊接順序。裝配焊接順序對焊接結構變形的影響很大。

1）大型而復雜的焊接結構，只要條件允許，把它分成若干個結構簡單的部件，單獨進行焊接，然后再總裝成整體。2）正在施焊的焊縫應晝靠近結構截面的中性軸。焊接殘余變形主梁裝配焊接第30頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3）對于焊縫非對稱布置的結構，裝配焊接時應先焊焊縫少的一側。壓力機壓型上模的焊接順序焊接殘余變形第31頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4）焊縫對稱布置的結構，應由偶數焊工對稱地施焊。焊接殘余變形圓筒體對接焊縫焊接順序第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一5）長焊縫（1m以上）焊接時，可采用下圖所示的方向和順序進行焊接，以減小其焊后的收縮變形。焊接殘余變形第33頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

（5）合理地選擇焊接方法和焊接工藝參數焊接殘余變形非對稱截面結構的焊接第34頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

（6）熱平衡法

采用熱平衡法防止焊接變形

焊接殘余變形第35頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（7）散熱法

散熱法示意圖焊接殘余變形第36頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一三、矯正焊接變形的措施

1.手工矯正法2.機械矯正法用機械方法矯正變形的原理就是將縮短的尺寸拉長，使之與較長的部分相適應，從而恢復到原來的尺寸，或達到技術條件對幾何尺寸的要求。機械矯正法會使金屬材料因冷作硬化而變脆，并產生附加應力，因此一般適用于變形不大的小型結構件。焊接殘余變形機械矯正法矯正梁的彎曲變形第37頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.火焰加熱矯正法

火焰矯正的原理與機械矯正相反，它是通過局部加熱并隨之快冷，使焊件伸長的部位縮短，達到矯正變形的目的。火焰加熱的方式有點狀加熱、線狀加熱和三角形加熱。此法一般使用的是氣焊炬，不需專門設備。操作簡單方便，機動靈活，可以在大型復雜結構上進行矯正。焊接殘余變形第38頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一（2）線狀加熱（1）點狀加熱

焊接殘余變形第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一

（3）三角形加熱工字梁彎曲變形的火焰矯正火焰加熱矯正焊接變形的取決于下列三個因素：（1）加熱方式（2）加熱位置（3）加熱溫度和加熱區的面積焊接殘余變形第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一焊接殘余應力本節主要內容：一、焊接殘余應力的分類；二、焊接殘余應力的分布；三、焊接殘余應力對焊接接頭的影響；四、減小焊接殘余應力的措施；五、消除殘余應力的措施；六、焊接殘余應力的測定方法。第41頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一概念——如果不均勻的溫度場所造成的內應力達到材料的屈服極限，使構件局部發生塑性變形（加熱桿件中將出現壓縮塑性變形），當溫度恢復均勻后，產生的內應力會殘留在物體里。故稱之為殘余應力。焊接殘余應力第42頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一一、焊接殘余應力的分類：按應力的分布范圍根據結構中的空間位置焊接殘余應力第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一根據應力與焊縫的相對位置根據應力產生作用的時間根據應力形成原因

焊接殘余應力第44頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一二、焊接殘余應力的分布1.縱向殘余應力的分布焊接殘余應力對接接頭在焊縫橫截面上的分布第45頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.橫向殘余應力分布由縱向焊接應力引起的橫向應力分布不同焊接方向時橫向應力分布焊接殘余應力（1）焊接及其附近塑性變形區的縱向收縮引起的橫向應力（2）橫向收縮年引起的機工向應力

第46頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.厚板焊接接頭中的殘余應力分布厚板（大于20mm）焊接接頭中存在三微的殘余應力。厚板焊接接頭中的殘余應力分布焊接殘余應力第47頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4.在拘束狀態下焊接的殘余應力

由于焊接時的焊縫收縮會受到拘束力的制約，產生相應的內應力，將和自由狀態下焊接相似的橫向（縱向）應力疊加。在拘束狀態下焊接的殘余應力焊接殘余應力第48頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一5.在封閉焊縫中殘余應力的分布：焊接殘余應力第49頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.對靜載強度的影響只要材料有足夠的延性，能夠進行塑性變形，內應力的存在不影響構件的承載能力，對強度無影響。如果材料處于脆性狀態時，應力達到強度極限時，構件將發生局部破壞，最后導致構件斷裂。

三、焊接殘余應力對焊接接頭的影響焊接殘余應力第50頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.殘余應力對疲勞強度的影響在疲勞節段專門進行講解。3.殘余應力對機械加工精度的影響機械加工后，原內應力的平衡打破，工件將產生變形。焊接殘余應力機械加工引起內應力釋放和變形第51頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4.殘余應力對受壓桿件的影響

波浪變形是構件由于內應力產生構件局部失穩造成。當桿件的長細比λ（大于150),失穩臨界應力本來就低,或內應力較低時,外載應力與殘余應力之和在失穩之前未達到屈服極限,殘余應力對穩定性不會產生影響。焊接殘余應力第52頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一當桿件的λ較小(小于30),相對偏心又不大（小于0.1），其失穩臨界應力主要取決于桿件的全面屈服，內應力也不致產生影響。對翼緣寬厚比較大的H型截面，壓縮殘余應力將降低翼緣的局部穩定性。局部失穩可能造成桿件整體失穩。焊接殘余應力第53頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一5.殘余應力σ1對剛度的影響構件中存在與外力方向一致的殘余應力σ1，而σ1數值又達到屈服極限，則在外力作用下，剛度將降低，而且卸載后構件的原尺寸也不能復員。

6.殘余應力對應力腐蝕（開裂）的影響焊接接頭區域往往比其他部位的腐蝕速度快，就是因為該區域存在著較大的焊接殘余應力。在拉應力和腐蝕介質共同的作用下引起材料產生腐蝕的現象稱為應力腐蝕。焊接殘余應力第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一四、減小焊接殘余應力的措施

1.設計措施:設計上減小焊接應力的核心：正確布置焊縫，以避免應力疊加。1）盡量減少結構上焊縫的數量和焊縫尺寸。2）避免焊縫過分集中，焊縫間應保持足夠的距離。焊接殘余應力3）采用剛性較小的接頭形式。容器接管焊接減小接頭的剛性措施第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一帶蓋板的雙工字梁結構焊接順序2.工藝措施1）采用合理的裝配焊接順序和方向。①在一個平面上的焊縫，焊接時，應保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由。拼接焊縫合理的裝配焊接順序②收縮量最大的焊縫應先焊。焊接殘余應力第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一③工作時受力最大的焊縫應先焊。焊接殘余應力對接工字梁的焊接順序④平面交叉焊縫焊接時，在焊縫的交叉點易產生較大的焊接應力。平面交叉焊縫的焊接順序第57頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一焊接殘余應力⑤對接焊縫與角焊縫交叉的結構。2）預熱法。3）冷焊法。4）降低焊縫的拘束度。降低局部剛度減少內應力第58頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一焊接殘余應力

5）加熱“減應區”法。加熱“減應區”法示意圖第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一五、消除殘余應力的措施

注：振動法的優點，從應力消除效果看，振動法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設備簡單，價廉，處理成本低，時間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優點。焊接殘余應力第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一六、焊接殘余應力的測定

1.應力測定方法的分類按其對結構的是否破壞來分

按測試原理分焊接殘余應力第61頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一應力釋放法原理：利用構件在機加工后應力部分釋放，回產生變形來重新分布應力來達到平衡，利用應力應變關系來求出應力。屬于此法的有切條法，車削法，刨削法，套孔法，小孔法。焊接殘余應力第62頁，共67頁，2023年，2月20日