第一章焊接应力与变形
第一节焊接应力与变形的产生
一、焊接应力与变形的基本知识
1、焊接变形
物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。当使物体产生变形的外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。当外力或其他因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。
2、应力
物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力称为内力。另外，在物理、化学或物理化学变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，在特体内部也会产生内力。
作用在物体单位面积上的内力叫做应力。
根据引起内力原因的不同，可将应力分为工作应力和内应力。工作应力是由外力作用于物体而引起的应力；内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。
3、焊接应力与焊接变形
焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。
三、焊接应力与变形产生的原因
1、焊件的不均匀受热
（1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。
（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形
如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T﹥T=600），则杆件中产生压缩塑性变形，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：①如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力；②如果杆件受
绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；③如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。
（3）长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形
（4）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形
2、焊缝金属的收缩当焊缝金属冷却、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。这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。
3、金属组织的变化
4、焊件的刚性和拘束
焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。
第二节焊接残余应力及分布
一、焊接残余应力是焊件焊完冷却后残留在焊件内的焊接应力，焊接残余应力对焊接结构的强度、耐蚀性和尺寸稳定性等使用性能有影响。
二、焊接残余应力的分布
1、纵向残余应力σx的分布
作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。
2、横向残余应力σy的分布
垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。
（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力σ?y 图1-8a （2）横向收缩所引起的横向残余应力σ??y
总之，横向残余应力的两个组成部σ?y、σ??y同时存在，焊件中的横向残余应力σy是由σ?y、σ??y合成的，但它的大小要受σs的限制。
三、焊接残余应力对焊接结构的影响
1、对焊接结构强度的影响
焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。
2、对构件加工尺寸精度的影响
3、对受压杆件稳定性的影响
4、对疲劳强度的影响
四、减小焊接残余应力的措施
1、设计措施
1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸
2）避免焊缝过分集中
3）采用刚度较小的接头形式
2、工艺措施
（1）采用合理的装配焊接顺序和方向
在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由，如图1-20所示的拼板焊接，合理的焊接顺序应是图1-20中的1~10，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。
收缩量最大的焊缝应先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小。如图1-21所示的带盖板的双工字梁结构，应先焊盖板上的对接焊缝1，后焊盖板与工字梁之间的角焊缝2，原因是对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。
工作时受力最大的焊缝应先焊。如图1-22所示的大型工字梁，应先焊受力最大的翼板对接焊缝1，再焊腹板对接焊缝2，最后焊预先留出来的一段角焊缝3。
焊接平面交叉焊缝时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接残余应力。
图1-24为对接焊缝与角焊缝交叉的结构。
（2）预热法
（3）冷焊法冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其他部位间的温度差。
（4）降低焊缝的拘束度
（5）加热“减应区”法焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接残余应力的作用。
五、消除焊接残余应力的方法
1、热处理法包括整体高温回火和局部回火
（1）整体热处理是将整个构件缓慢加热到一定的温度（低碳钢为650℃），并在该温度下保温一定的时间（一般按每毫米板厚保温2~4min，但总时间不少于
30min），然后空冷或随炉冷却。
（2）局部热处理
2、机械拉伸法
在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，和起重机的静载试验，其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。
4、锤击焊缝
锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接残余应力的作用。
5、振动法
第三节焊接变形
焊接变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分成局部变形和整体变形；五种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。插[1]表2-1
三、矫正焊接变形的方法
1、手工矫正法
手工矫正法就是利用锤子、大锤等工具锤击焊件的变形处。
2、机械矫正法
机械矫正法就是利用机器或工具来矫正焊接变形。
3、火焰加热矫正法
火焰加热矫正法就是利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形去抵消焊接变形。
4.2 焊接应力与变形： 4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响： 焊接变形 1.影响工件形状、尺寸精度 2.影响组装质量 3.增大制造成本———矫正变形费工、费时 4.降低承载能力———变形产生了附加应力 焊接应力 1.降低承载能力 2.引起焊接裂纹，甚至脆断 3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹 4.引起变形 4.2.2 焊接变形和应力的产生原因： 根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8 焊接应力 焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示） 远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示） 焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力 焊接变形：当焊接应力超过金属σs时，焊件将产生变形 焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。 4.2.3 焊接变形的控制和矫正：
4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9 如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型 1、2---纵向收缩量3---横向收缩量4、5---角变形量f---挠度 （1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。如图5-2-9 a （2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。如图5-2-9b （3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。如图5-2-9c （4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。如图5-2-9d （5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。如图5-2-9e 4.2.3.2 控制焊接变形的措施 （1）设计措施（详见焊接结构设计） 尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。如图6-2-10
如何控制焊接应力和变形- - 摘要:为有效控制钢结构因焊件的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形,就焊接变形和焊接应力的各种影响因素进行分析,提出了相应的控制措施。 在建筑钢结构发展如火如荼的今天,形式各异的焊接机械、焊接方法日新月异,焊接技术成了一个关键的课题。但在施工过程中,由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形,严重影响着工程的质量、安装进度和结构承载力(即使用功能),因而,急需采用合理的方法予以控制。 钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程,但由于不均匀温度场,导致焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有:1)纵向应力;2)横向应力;3)厚度方向应力。常见的焊接变形有:1)纵向收缩变形;2)横向收缩变形;3)角变形;4)弯曲变形;5)扭曲变形;6)波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布,追溯根源,具体进行研究控制。1焊接变形的控制措施 全面分析各因素对焊接变形的影响,掌握其影响规律,即可采取合理的控制措施。 1.1焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大,冷却时收缩引起的塑性变形量越大,焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的,而且是起主要的影响,因此,在板厚相同时,坡口尺寸越大,收缩变形越大。 1.2焊接热输入的影响 一般情况下,热输入大时,加热的高温区范围大,冷却速度慢,使接头塑性变形区增大。 1.3焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别较大,在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中,除电渣以外,埋弧焊热 输入最大,在其他条件如焊缝断面积等相同情况下,收缩变形最大,手工电弧焊居中,ＣＯ2气体保护焊最小。 1.4接头形式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时,不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)表面堆焊时,焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束,而且加热只限于工件表面一定深度 而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束,因此,变形相对较小。 2)Ｔ形角接接头和搭接接头时,其焊缝横向收缩情况与堆焊相似,其横向收缩值与角焊缝面积成正比,与板厚成反比。 3)对接接头在单道(层)焊的情况下,其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大,在单面焊时坡口角度大,板厚上、下收缩量差别大,因而角变形较大。 双面焊时情况有所不同,随着坡口角度和间隙的减小,横向收缩减小,同时角变形也减小。 1.5焊接层数的影响 1)横向收缩:在对接接头多层焊接时,第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律,第 一层以后相当于无间隙对接焊,接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似,因此,收缩变形相对较小。
焊接应力和变形. 教学目的：了解应力和变形的概念、产生原因；了解焊接变形的种类；掌握预防和减小焊接应力和变形的措施。 教学重点：预防和减小焊接应力和变形的措施 教学难点：应力和变形的概念、产生原因 教学课时：16课时 第一节应力和变形的概念 一、变形 钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。 二、应力 焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。 三、应力形成 两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600 C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。 四、焊接应力的分类 1.根据焊接应力在空间的位置 单向应力、双向应力、三向应力。 2.根据焊接应力发生和互相平衡所在的范围大小 第一类应力、第二类应力、第三类应力。 3.根据焊接应力在焊缝中的方向不同 纵向应力、横向应力、厚度方向应力 第二节焊接应力和变形的产生原因 焊件进行局部的、不均匀的加热是产生焊接应力和变形的原因。 一、金属棒的均匀加热和冷却 金属棒在均匀加热时，产生过压缩塑性变形，则冷却后必定产生缩短变形。 二、纵向焊接应力和变形
焊接时，在电弧热的作用下，使金属局部达到熔化温度，但离电弧较远处的金属温度则较低，这样焊件就出现了不均匀的膨胀。沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。 三、横向焊接应力和变形 焊件在于海峰轴线垂直的方向上，焊缝及热影响区金属在加热过程中也受到压应力，发生压缩塑性变形，在冷却后则存在着残余应力和变形，称为横向焊接应力和变形。 四、影响焊接应力和变形的因素 影响焊接应力和变形的因素主要包括以下几点：焊接规范、焊缝尺寸、焊缝在结构中位置的布置、焊缝分段和焊接方向、焊接程序、焊接结构的刚性以及层数。 第三节焊接变形的种类 一、纵向变形 指平行于焊缝方向的变形。多层焊比单层焊的变形量小。 二、横向变形 指垂直于焊缝方向的变形。角焊缝和对接焊缝焊后都会引起横向变形，同时，与焊接方法有关。 三、弯曲变形 T型梁焊接后，由于焊缝布置不对称，焊缝多的一面收缩量大，引起的工件弯曲。 四、角变形 由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起的变形。 五、扭曲变形 由于焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又称为螺旋形变形，多出现在工字梁的焊接加工过程中。 六、波浪变形 这种变形易发生在波板焊接过程中。是由于焊缝收缩使薄板局部引起较大的压应力而失去稳定性，焊后使构件成波浪形。 第四节预防和减小焊接应力和变形的措施 一、从结构设计方面的预防措施 1、尽量减少焊缝数量。
焊接应力和变形的产生及其消除
焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。 减少焊接应力与变形的工艺措施主要有： 一、预留收缩变形量 根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊 后工件达到所要求的形状、尺寸。 二、反变形法 根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊焊接件变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。 三、刚性固定法 焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 四、选择合理的焊接顺序 尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形合理的装配和焊接顺序。具体如下： 1）先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝； 2）焊缝较长的焊件可以采用分中对称焊法、跳焊法，分段逐步退焊法。交替焊法； 3）焊件焊接时要先将所焊接的焊缝都点固后，再统一焊接。能够提高焊接焊件的刚度，点焊固定后在进行焊接，其将增加焊接结构的刚度的部件先焊，使结构具有抵抗变形的足够刚度； 4）具有对称焊缝的焊件最好成双的对称焊接使各焊道引起的变形相互抵消；
5）焊件焊缝不对称时要先焊接焊缝少的一侧。； 6）采用对称与中和轴的焊接和由中间向两侧焊接都有利于抵抗焊接变形。 7）在焊接结构中，当钢板拼接时，同时存在着横向的端接焊缝和纵向的边接焊缝。应该先焊接端接焊缝再焊接边接焊缝。 8）在焊接箱体时，同时存在着对接和角接焊缝时，首先尽量焊接对接焊缝，然后焊接角焊缝。 9）十字接头和丁字接头焊接时，应该正确采取焊接顺序，避免焊接应力集中，以保证焊缝获得良好的焊接质量。对称与中轴的焊缝，应由内向外进行对称焊接。 10）焊接操作时，减少焊接时的热输入，（如：降低电流、加快焊接速度、）。 10-1）焊接操作时，减少熔敷金属量（焊接时采用小坡口、减少焊缝宽度、焊接角焊时减少焊缝尺寸）。 10-2)逐步退焊法，常用于较短裂纹的焊缝。施焊前把焊缝分成适当的小段，标明次序，进行后退焊补。焊缝边缘区段的焊补，从裂纹的终端向中心方向进行，其它各区段接首尾相接的方法进行 五、锤击焊缝法在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。 六、加热“减应区”法 1）焊接前，在焊接部位附近区域(称减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，与焊缝一起收缩，可有效减小焊接应力和变形。 2）焊接后，在焊接部位附近区域进行加热，同样可减少焊接应力和变形。 七、焊前预热和焊后缓冷预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接应力与变形。在温差相较不大的情况下可称为冷焊。 八．合理的焊接工艺方法，采用焊接热源比较集中的焊接方法进行焊接可降低焊接变形。如CO2气体保护焊，埋弧焊等
焊接中防止变形和减少内应力的方法 焊接 在机械修理中焊接是非常重要的一种方法，但是如果焊接不好就会产生变形和内应力，甚至焊后的零件无法使用而报废。 一、减少内应力的方法 1．锤打和锻冶——机械法 当焊修较长的裂缝和堆焊层，需要以一端连续焊到另一端时，在焊修进行中，趁着焊缝和堆焊层在炽热的状态下，用手锤敲打，这样可以减少焊缝的收缩和减少内应力。敲打时，焊修金属温度800℃时效果最好。若温度下降，敲打力也随之减小。温度过低，在300℃左右就不允许敲打了，以免发生裂纹。锻冶方法的道理与上述基本一致，不同的是要把焊件全部加热后再敲打。 2．预热和缓冷——热力法 此种方法就是焊修前将需焊的工件放在炉内，加热到一定的温度(100～600℃)，在焊接过程中要防止加热后的工件急剧冷却。这样处理的目的是降低焊修部分温度和基体金属温度的差值，从而减少内应力。缓冷的方法是将焊接后的工件加热到600℃，放到退火炉中慢慢地冷却。 3．“先破后立”法 铸铁件用普通碳素钢焊条焊接时，很容易产生裂纹，用铸铁焊条又不经济。现介绍一种“先破后立”用碳素钢焊条焊接的方法：先沿焊缝用小电流切割，注意只开槽而不切透，然后趁热焊接。由于切割时消除了裂纹周围局部应力，不会产生新裂纹，焊接效果很好。 在焊接过程中减少内应力有以上三种方法，现举例如下：铸铁泵壳裂缝的焊接。 (1)在裂缝的两端点钻止裂孔(φ10mm)，以防焊接中裂缝进一步向外扩展。 (2)用手动磨光机在裂缝的位置开坡口，坡口顶宽8～9mm，略成V字形，深32mm(此泵泵壳壁厚为40mm)，使得能够焊入电焊液。 (3)焊接为手工焊，采用φ3.2mm专用铸铁电焊条，使用直流电焊机，反接，电流为150A，实施间断焊，即每焊长15～20mm电焊缝，停等片刻。在停焊间隙，当焊接熔液凝固后，由白热状态到红热状态时，用小尖锤捶击电焊缝，捶击用力要轻，速度要快，次数要多，使焊缝金属减薄向四周伸长，抵消一些焊缝收缩并减少焊接应力，这样能有效地提高焊缝金属的抗裂性(注意使用小锤头必须是半径为10mm左右的圆弧形的)。待焊接熔池冷却到暗红色消失后再接着焊。 (4)对于较长的裂缝，为避免开裂，必须分段焊补。分段的原则是先焊能自由伸缩的那段。如分三段，应首先焊中间的一段，当此段冷至暗红色消失时，立即施焊另一段，然后焊最后一段。 (5)施焊前，先对焊缝区进行预热，焊后保温，以降低冷却速度。预热、保温不仅能提高焊缝金属的抗裂性，而且还有益于降低熔合线附近区域的硬度。
焊接残余应力和焊接变形 焊接残余应力（welding residual stresses）简称焊接应力，有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。 1、纵向焊接应力 焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力 2、横向焊接应力 横向焊接应力产生的原因有二：一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的
收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。 3、厚度方向的焊接应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接应力σx、σy外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。 3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响 一、焊接应力的影响 1、对结构静力强度的影响 对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。设轴心受拉构件在受荷前（N=0）截面上就存在纵向焊接应力。在轴心力N作用下，截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy，应力不再增加，如果钢材具有一定的塑性，拉力N就仅由受压的弹性区承担。两侧受压区应力由原来受压逐渐变为受拉，最后应力也达到屈服点fy，这时全截面应力都达到fy 2、对结构刚度的影响 构件上的焊接应力会降低结构的刚度。由于截面的bt部分的拉应力已达fy，这部分的刚度为零，则具有所示残余应力的拉杆的抗
1．焊接应力的分类 焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形， 这时焊件中的应力称为焊接残余应力。焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。 2．焊接残余应力对结构性能的影响 （1）对结构静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。（2）对结构刚度的影响：焊接残余应力降低结构的刚度。 （3）对受压构件承载力的影响：焊接残余应力降低受压构件的承 载力。 （4）对低温冷脆的影响：增加钢材在低温下的脆断倾向。 （5）对疲劳强度的影响：焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显 不利影响。 焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭 曲变形等。 焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和 变形的根本原因。 减少焊接应力与变形的工艺措施主要有： 一、预留收缩变形量。根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加
工时预先考虑收缩余量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸。 二、反变形法。根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的 方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。 三、刚性固定法。焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到 室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 四、选择合理的焊接顺序。尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的 结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接 处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分 布较均匀，从而减少了焊接应力和变形。 五、锤击焊缝法。在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤 击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而 减小焊接应力和变形。 六、加热“减应区”法。焊接前，在焊接部位附近区域(称为减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减 小焊接应力和变形。 七、焊前预热和焊后缓冷。预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部 分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从 而减少焊接应力与变形。
焊接变形与残余应力的预测 目录 焊接变形和残余应力的基本原理 在焊接由焊接产生的动态应力应变过程及随后出现的残余应力和残余变形是导致焊接裂纹和接头强度和性能下降的重要因素。 焊接应力和焊接变形由焊接过程中的不均匀加热引起,由于其形成原因复杂多变,而且完全不可确定,因此我们只能通过总结焊接应力与变形的产生和存在的一般规律以及大家总结出原来的施工经验,对即将进行的工程构件焊接情况进行分析和预测。 焊接应力与焊接变形存在一定的关系,当焊接应力完全释放的时候焊接变形达到最大值;当焊接结构处于完全刚性的时候,几乎可以完全控制焊接变形,而此时由于无法进行应力释放,焊接残余应力将达到最大值。 如何选择和理的焊接结构、焊接方法、焊接材料和焊接工艺,以取得最佳的焊接残余应力和焊接变形状态时钢结构焊接的重要课题。 焊接变形和残余应力的常用计算方法 焊接应力与变形的形成原因极为复杂,因为直接影响应力与变形的金属材料的力学性能和热物理性能随着温度的变化而变化,而起决定作用的焊接温度场又因焊接接头的形状和尺寸、焊接工艺参数等的变化而变化。因此在计算焊接应力与焊接变形时,常常作出一些假定和简化,从而从最简单焊接的分析入手,并推断出结论。 目前常用的预测焊接变形的方法主要有残余塑变解析法、三维实体单元固有应变有限元法、板壳单元固有应变有限元法,以及热弹性有限元法等。
残余塑变解析法仅适用于简单构件、规则梁,计算过程需要经验及试验数据的累积,分析焊接构件几何参数及焊接规范参数,在本工程中适用于梁柱对接的应力分析。 三维实体单元固有应变有限元法主要适用于实体复杂结构,在本工程中适用于主要节点的焊后构件变形,需要划分网格、加载固有应变后进行三维弹性分析。 板壳单元固有应变有限元法适用于薄壁复杂结构,在本工程中可应用性不大。 对于整体结构的焊接变形预测,需要使用热弹塑性有限元法进行分析,计算步骤为:划分网格、模拟焊接温度场、热弹塑性分析,其计算过程需要跟踪焊接热力学的全部过程,计算量极大、计算时间很长,在目前的短时间内不可能得到准确的结果。 因此本章以后部分仅从理论角度对焊接应力和焊接变形做出基本的计算和预测。 分析焊接应力与变形的主要假定 常规分析假定 1.由于焊接过程十分复杂,因此在焊接应力的分析过程我们依据传统经验作出以下简化假 定 2.金属的热物理性能与温度无关 3.金属的力学性能与温度无关 4.除厚板焊接外,认为沿焊接方向的温度是均匀的;电弧为一个线状热源;温度场稳定并
焊接与焊接应力 在建筑钢结构发展如火如荼的今天，形式各异的焊接机械、焊接方法日新月异，焊接技术成了一个关键的课题。但在施工过程中，由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形，严重影响着工程的质量、安装进度和结构承载力(即使用功能)，因而，急需采用合理的方法予以控制。 钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：1)纵向应力；2)横向应力；3)厚度方向应力。常见的焊接变形有：1)纵向收缩变形；2)横向收缩变形；3)角变形；4)弯曲变形；5)扭曲变形；6)波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布，追溯根源，具体进行研究控制。 1焊接变形的控制措施 全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。 1.1焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。 1.2焊接热输入的影响 一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。 1.3焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。 1.4接头形式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。 2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。 3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。 双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。 1.5焊接层数的影响 1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。 2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。 在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施： 1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)。 2)对屈服强度345MPA以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适
焊接应力与变形： 4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响： 焊接变形{ 1.影响工件形状、尺寸精度 2.影响组装质量 3.增大制造成本———矫正变形费工、费时 4.降低承载能力———变形产生了附加应力 焊接应力{ 1.降低承载能力 2.引起焊接裂纹，甚至脆断 3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹 4.引起变形 4.2.2 焊接变形和应力的产生原因： 根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8 焊接应力{焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示） 远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示） 焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力 焊接变形：当焊接应力超过金属σs时，焊件将产生变形 焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。 4.2.3 焊接变形的控制和矫正： 4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9
如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型 1、2---纵向收缩量 3---横向收缩量 4、5---角变形量 f---挠度 （1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。如图5-2-9 a （2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。如图5-2-9b （3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。如图5-2-9c （4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。如图5-2-9d （5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。如图5-2-9e 4.2.3.2 控制焊接变形的措施 （1）设计措施（详见焊接结构设计） 尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。如图6-2-10
浅谈焊接应力与焊接变形的关系 焊接技术对整个工艺流程起到决定性的作用，焊接质量是一个永恒的主题。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。本文分析了电力焊接生产中的应力与变形控制措施，旨在指导电力工程焊接技术人员在施工中提高焊接水平，保证焊接质量。 引言：焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形;焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是电力焊接生产中进行控制。 1.焊接应力的控制措施 电力构件焊接时产生瞬时内应力，焊接后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是不可避免的现象。焊接变形的矫正费时费工，构件制造和安装企业首先考虑的是控制变形，往往对控制残余应力较为忽视，常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制变形，与此同时实际上增大了焊后的残余应力。对于一些本身刚性较大的构件，如板厚较大，截面本身的惯性矩较大时，虽然变形会较小，但却同时产生较大的内应力，甚至产生裂纹。因此，对于一些构件截面厚大，焊接节点复杂，拘束度大，钢材强度级别高，使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布，其控制措施有以下几种： （1）减小焊缝尺寸：焊接内应力由局部加热循环而引起，为此，在满足设计要求的条件下，不应加大焊缝尺寸和层高，要转变焊缝越大越安全的观念。 （2）减小焊接拘束度：拘束度越大，焊接应力越大，首先应尽量使焊缝在较小拘束度下焊接，尽可能不用刚性固定的方法控制变形，以免增大焊接拘束度。 （3）采取合理的焊接顺序：在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝;先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。 （4）降低焊件刚度，创造自由收缩的条件。 （5）锤击法减小焊接残余应力：在每层焊道焊完后立即用圆头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲击焊缝金属，使其产生塑性延伸变形，并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。但根部焊道、坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击，以免出现熔合线和近缝区的硬化或裂纹。高强度低合金钢，如屈服强度级别大于345MPa时，也不宜用锤击法消除焊接残余应力。
关于焊接变形和焊接应力的探讨 摘要：在工业生产中，焊接工作的有效科学发展能够推动我国的机械行业的健 康发展，因此我们在焊接工作进行过程中，一定要注意焊接的质量，同时对于影 响焊接质量的各种因素给予及时的发现并且处理，只有这样我国的焊接工作才能 够有更好更快的发展。 关键词：焊接变形；焊接应力；探讨 在机械焊接的过程中，难免会出现焊接变形问题，同时还会产生焊接应力。 焊接变形同焊接应用对于焊接工作有着非常大的影响，会严重的影响焊接的质量。因此文章针对焊接过程中的焊接变形和焊接应力进行详细的阐述和分析，希望通 过文章的阐述和分析，能够为我国的机械行业的焊接加工质量及工作的提升作出 一定的贡献。 1 焊接应力与焊接变形的定义 1.1 焊接应力 钢材在焊接过程中，焊件部位会因为焊接时的局部高温产生不均的温度场。 高温时，有一部分钢材会产生很大的膨胀和伸长，但由于受到邻近钢材的约束影响，会在焊件内部产生较大的收缩应力。在焊接的过程中，这种收缩应力伴随着 焊接时间的变化和温度的升降变化不断的改变，而这种收缩应力就被定义为焊接 应力。 1.2 焊接变形 焊接构件在焊接及逐渐冷却的过程中，由于焊接构件局部受热且受热不均， 同时焊接构件冷却也不均，因此焊接构件不仅会产生焊接应力，还会产生各种变形。这种焊件产生的变形，被称为焊接变形。 2 焊接变形及焊接应力出现的主要原因 2.1 焊接件受热不均匀 按照有关的实践分析可知，在焊接过程中出现焊接应力与变形的根本原因为 在焊接操作时受力不均匀所导致。焊接件焊机的位置引焊接操作的实施而发生热 涨状况，但是没有焊接的位置因不存在热涨现象进而阻止了热涨变形。因此，导 致焊接完成后发生严重的焊接变形。 2.2 焊接金属出现收缩 焊接工作实际就是将要融化焊接木材然后再进行金属填充，在常态下是一种 全塑状态，在焊接操作的过程中只会出现自身的变形而没有带动亦或拉动其他的 金属变形，从而导致金属发生收缩的现象，造成焊接变形的出现。 2.3 焊接件刚性约束 焊接件本身存在的刚性约束同焊接过程中出现焊接应力及焊接变形之间存在 着必要的联系。焊接件的刚性约束同焊接变形以及焊接应力发生概率呈现反比例 关系。刚性约束越大，发生焊接变形与焊接应力的概率则越小。 2.4 其它因素导致焊接残余应力产生 在火车焊接加工中，不仅受到热源和材料、力学性能因素的影响，而且受到 其它因素的影响，也会出现不同的残余应力。例如：如果在焊接加工操作之前， 使钢结构局部零件以及器材进行轧刹，也会影响火车焊接加工过程，使火车焊接 加工中出现不同的残余应力。此外，在火车焊接加工中，还要重点考虑其它多方
●焊接应力与变形 1.焊接应力与变形产生的原因 焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。 焊接加热时，图F-4(a)中虚线既表示接头横截面的温度分布，也表示金属能自由膨胀时的伸长量分布。实际上接头是个整体，由于受工件未加热部分的冷金属产生的约束，无法进行自由膨胀，平板只能在整个宽度上伸长ΔL,因此焊缝区中心部分因膨胀受阻而产生压应力(用符号“-”表示)，两侧则形成拉应力(用符号“+”表示)。焊缝区中心部分的压应力超过屈服强度时，产生压缩塑性变形，其变形量为图F-4(a)中被虚线包围的无阴影部分。焊后冷却时，金属若能自由收缩，则焊件中将无残余应力，也不会产生焊接变形，但由于焊缝区中心部分已经产生的压缩塑性变形，不能再恢复，冷却到室温将缩短至图F-4(b)中的虚线位置，两侧则缩短到焊前的原长L。这种自由收缩同样是无法实现的，平板各部分收缩会互相牵制，焊缝区两侧将阻碍中心部分的收缩，因此焊缝区中心部分产生拉应力，两侧则形成压应力。在平板的整个宽度上缩短ΔL′，即产生了焊接变形。 图F-4 平板对焊的应力与分布 (a)焊接过程中；(b)冷却后 2.焊接变形的几种基本形式
图F-5 焊接变形的基本形式 (a)收缩变形；(b)角变形；(c)弯曲变形；(d)扭曲变形；(e)波浪变形 1)收缩变形：收缩变形是工件整体尺寸的减小，它包括焊缝的纵向和横向收缩变形。 2)角变形：当焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向收缩上下不均匀，引起角变形。V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。 3)弯曲变形：由于焊缝在结构上不对称分布，焊缝的纵向收缩不对称，引起工件向一侧弯曲，形成弯曲变形。 4)扭曲变形：对多焊缝和长焊缝结构，因焊缝在横截面上的分布不对称或焊接顺序和焊接方向不合理等，工件易出现扭曲变形。 5)波浪变形：焊接薄板结构时，焊接应力使薄板失去稳定性，引起不规则的波浪变形。 实际焊接结构的真正变形往往很复杂，可同时存在几种变形形式。 3.焊接变形的防止与矫正
焊条电弧焊 项目1.4主机座的焊条电弧焊施工 焊接变形与焊接应力的影响因素 影响焊接结构变形的因素很多，这里仅讨论船体焊接结构变形的一些主要因素。 一、焊接工艺参数 焊接工艺参数的影响主要是热输入。一般来说，随着热输入的增加，压缩塑性变形区扩大，收缩量会增大。而决定热输入的主要参数是焊接电流I、电弧电压U和焊接速度V等三个方面。输入的热量愈大，则焊接变形与应力也就愈大。 二、施焊方法 当运用焊条电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊等不同的施焊方法时，因加热区的大小不同，对焊接变形与应力的影响也不同。焊接相同厚度的钢板时，埋弧焊的焊接速度快，电流密度大，加热集中，熔深也大，因而变形比焊条电弧焊小。焊接薄板结构时， CO2气体保护焊用细焊丝，电流密度大，加热集中，CO2气体保护焊变形较小，而焊条电弧焊火焰加热区域较前者宽，热量不集中，因而变形也大些。 三、焊缝的尺寸和长度 一般来说焊缝越长纵向收缩量越大，焊缝越宽，其横向收缩量也增加。焊缝尺寸大，数量多，则焊接变形与应力就增大。焊接时不要随意加大焊脚尺寸，因为焊脚尺寸加大后焊缝面积将增加得更多，使得金属熔化量大，输入的热量大大增加，焊接变形也就明显增大。因此要在保证有足够强度的前提下，尽量减小焊缝长度和尺寸，并合理选择坡口形状。 四、焊缝的位置 焊缝在结构中的位置对称与否是影响弯曲变形的主要因素。焊缝离中性轴越近则弯曲变形越小，离中性轴越远则弯曲变形越大，在船体焊接中，中性轴上下都有很多焊缝，且距离各不相同，则易产生弯曲变形。应使焊缝尽量对称布置来减少弯曲变形的可能性，若实际情况不可能对称布置，在焊接时设法采用合理的焊接顺序或反变形措施。 五、结构的刚度 1.构件的尺寸和形状
桁架制作的焊接应力与焊接变形控制
桁架制作的焊接应力与焊接变形控制 摘要：通过分析焊接应力和焊接变形产生的原因和了解常用的焊接应力和焊接变形的控制措施，结合天津港南疆南至南疆北工程管廊工程中29m长 钢结构桁架的结构特点，总结归纳适合桁架制作的焊接应力与焊接变形 的控制方法。 关键词：单节桁架侧片焊接应力焊接变形控制方法 2010年11月，天津港南疆南至南疆北工程管廊工程中29m长钢结构桁架制作进行到桁架侧片组装焊接阶段，整个桁架侧片长29m，宽4.4m，要求起拱高度58mm。桁架侧片梁及立柱为H型钢，支撑为双角钢，连接钢板厚18mm。为了方便运输，将桁架侧片分成两段制作，采用高强螺栓连接。由于桁架侧片焊缝较多，且焊脚高度要求不小于18mm，焊后易产生焊接应力和焊接变形，为保证安装后29m长桁架达到起拱要求，对单节桁架侧片的焊接应力和焊接变形控制成了突出问题。为处理好单节桁架侧片焊接应力和焊接变形问题，做到“对症下药”，首先应明了焊接应力和焊接变形产生的原因。 1、焊接应力与焊接变形产生的原因 (1) 不均匀的局部加热和冷却 焊接时焊件受到不均匀的局部加热和冷却是产生焊接变形和焊接应力的最主要原因。焊接时，焊件的局部被加热到熔化状态，形成了焊件上温度的不均匀分布区，使焊件出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力，大被加热金属受到的压应力超过其屈服点时，就会产生塑性变形；焊接冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压塑的塑性变形，所以最后的长度要比为加热金属的长度短些，但是这时周围的金属又会阻碍它的缩短，结果在被加热的焊缝金属中产生拉应力，而在周围金属中产生压应力。 (2) 焊缝金属的收缩 焊缝金属在冷却过程中，体积发生收缩，这种收缩使焊件产生变形和应力。焊缝金属的收缩量取决于熔化金属的数量。长焊缝的纵向收缩会对焊件边缘产生压应力，焊缝横向收缩将会造成焊件角变形。 (3) 焊缝金属的组织变化
浅谈焊接变形和应力的分析与处理方法摘要：焊缝是由工件金属和焊芯金属构成的，在焊接过程中是一个局部加热的过程，总是要产生焊接变形和应力，焊接变形和应力直接影响结构的制造质量和使用性能，应力的存在有可能导致产生裂纹，而变形则影响结构的形状和尺寸误差，因此我研究理解焊接变形和应力产生的原因、种类、基本规律和影响因素，以便控制和防止一旦发生过大焊接变形和应力后，能设法减少或消除。 关键词：焊接变形；焊接应力；焊后热处理；接头组织； 一、焊接变形和应力产生的原因 焊缝是在自然状态下结晶的，属铸造类型组织，它与基本是扎制状态的工件是不相同的，进缝区的金属在焊接热的作用下也会发生组织变化，像经过了一次热处理一样。在焊接过程中，焊件中产生的随时间而变化的变形和内应力分别称为瞬时变形和焊接瞬时应力，焊后焊件温度冷却至室温时留存于焊件中的变形和应力分别称为焊接残余变形和焊接残余应力。而焊接接头局部区域的加热和冷却是很不均匀的，局部区域内的各部分金属又处于从液态到塑性状态在到弹性状态的不同状态，并随热源的变化而变化，这就是产生焊接应力和变形的根本原因。下面我将分析一下焊缝的化学成分和组织。 二、焊缝的化学成分及焊接接头的金相组织 焊缝的化学成分可以由焊缝中工件金属、焊芯金属所占的比例他们的成分来定，但是对于用药皮焊条的手工电弧焊，电弧气体和起保
护作用的焊渣对焊缝成分有很大影响对焊接质量影响较大的气体有氧化性气体(氧气、二氧化碳)、氮和氢等，它们会烧损合金元素，阻碍焊接过程，产生气孔、夹杂，降低焊缝性能，所以我们要采取措施减少这些气体。 对于解决氧化问题的饿措施可以对于氧化问题突出的金属材料最好采 用氩弧焊，焊接一般钢材时可以采用药皮手工电弧焊，此时除电弧气体和溶渣进行保护并注意操作因素外，还要进行脱氧或消除氧化物带来的危害；氮一旦侵入焊缝就很难消除，控制氮的措施主要是选用能严密隔绝空气的焊接方法，手工电弧焊还可以采取控制焊接规范、控制焊丝成分等方法；对于减少接头含氢量的措施是控制焊接区水分、冶金处理、控制焊接规范、焊后脱氢处理等。 所以我们有必要对焊缝成分进行调整，调整的基础是工件的成分，调整的要求是保持原成分或者要增加、减少某些元素的含量。我们可以用烧损和稀释的方法来减少某些元素的含量，也可有意识增加某元素为渗合金或合金话。 焊接接头的金相组织：焊接接头是焊缝、融合区、和热影响区的总称。根据焊件的成分、热处理规律和原始状态，结合接头内各点的热过程特征就可以得到接头的金相组织。焊缝金属由融池的液态金属凝固而成，融池金属由高温冷却到常温，一般要经过两次组织变化(第一次结晶和第二次结晶)。从液态转变为固态(奥氏体)时的凝固结晶程为第一次。当焊缝金属温度低于相变温度时发生的组织转变(由奥
焊接应力与焊接变形 一、焊接应力与焊接变形的基本知识二、焊接残余应力与分布三、减少与消 除残余应力和措施 一、焊接应力与焊接变形的基本知识我们已经知道,焊缝由于有内部结构上的缺陷和内部应力的释放、焊件将产生焊缝裂缝。同时,在焊接过程中,焊件受到不均匀的电弧加热,受热区域的金属膨胀程度也就不同,此时产生的内应力和变形是暂时的,但当焊接完毕待焊件完全冷却后,剩余的内应力和变形称为残余内应力和变形。 焊接内应力的种类焊接后产生的内应力简称焊接应力,根据其空间位置和相互关系可分以下几种:单向应力焊接薄板的对接焊缝以及在焊件表面上堆焊时,焊件存在的应力是单方向的。双向应力在焊接较厚板的对接焊缝时,焊件存在的应力虽不同向,但均在一个平面内,即应力是双向的。三向应力当焊接厚大焊件的对接焊缝时,焊件存在的应力是沿空间三个方向作用的。当结构焊件三个方向焊缝的交叉处亦有三向应力存在。根据焊接应力相对于焊缝的方向不同,可分为平行于焊缝的纵向应力和垂直于焊缝的横向应力。单向应力对焊件的强度影响不大,有时不必采取特殊的方法消除它们。但当焊缝中存在双向应力和三向应力时,焊缝金属的强度和冲击值都要显著下降,容易产生裂缝。因此,在焊接厚件≥25mm时,焊后一般应对焊件进行热处理,以消除三向应力。三个方向焊缝的,焊缝不应焊到交角的顶点,以避免三向应力的产生。焊接应力按其产生的原因,也可以分为焊接热应力和组织应力。在船体焊接时,一般只考虑焊接热应力。 焊接变形的种类焊接变形的种类,按其对结构影响的大小可分为下面两种:整 体变形整体变形是指整个结构的形状或尺寸发生变化。整体变形是由于焊缝在各个方向收缩所引起的。它包括直线变形、弯曲变形、扭曲变形等。如图所示。直线变形是指结构的长、宽、高尺寸的改变,按其方向又可分为纵向变形和横向变形。纵向变形是指平行于焊缝方向的变形。横向变形是指垂直于焊缝方向的变形。局部变形局部变形是指结构的某种部分发生变形。它包括角变形和波浪变形两种。焊后变
焊接应力与变形 1、内应力：在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。第一类内应力：宏观内应力（主要）、第二类：微观内应力、第三类：超微观内应力。 2、变形是温度变化的唯一反映。热应力是由于构件不均匀受热引起的。 3、自由变形：金属物体的温度发生变化或发生相变时，它的形状和尺寸就要发生变化，若该变化没有受到外界的任何阻碍而自由进行，这种变形就是自由变形。若变形受阻，表现出来的变形叫外观变形，未表现出来的叫内部变形。 4、简单杆件的应力与变形：如果金属杆件在T 1温度下所产生的内部变形率ε 1 小于材料屈服时的变形率ε s ，则杆件中的应力值也小于材料的屈服强度，σ<σ s 。若使杆件温度恢复到T ，并允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度 L ，并且杆中不存在应力。 如果使杆件的温度升高到T 2，是杆件中的内部变形率ε 2 大于材料屈服时的变形 率εs，则杆件中的应力会达到材料的屈服强度，即σ=σ s ，同时还会产生压缩 塑性变形ε p 。当杆件的温度恢复到T 时，若允许其自由收缩，杆件中也不存在 内应力，但杆件的最终长度将比初始长度缩短△L p 。 5、长板条中心加热：当截面上的最大应力小于材料的屈服极限ε s 时，取消加热使板条恢复到初始温度，则板条会恢复到初始长度，应力和应变全部消失。如果加热温度较高，使中心部位产生较大的内部变形并导致其变形率ε大于金属屈 服时的变形率ε s ，则在中心部位会产生塑性变形。此时停止加热，使板条恢复到初始温度，并允许板条自由收缩，则最终板条长度将缩短，其缩短量为残余变形量，并且在板条中形成一个中心受拉，两侧受压的残余应力分布。