T型材角接焊的变形和残余应力分析

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。

焊件焊接应力分析及防变形的工艺措施摘要：焊接是一种特殊而又重要的加工工艺，随着焊接技术的发展，一个重要技术课题是控制焊接件的焊接变形以提高产品制造精度，使焊件焊后加工量减少或不加工即可用于精度要求高的机械产品中，因此，了解焊接应力产生机理，掌握结构件焊接变形规律，在焊接工艺中采取措施进行控制和消除，从而保证焊接质量。

本文主要探讨了焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施，以供参考。

关键词：控制焊接变形；焊接应力；措施1焊接变形的概念焊接变形主要是指在焊接过程中由于焊接工作而导致的焊接件变形。

焊接变形的开始时间是焊接开始的一瞬间。

焊接变形结束的节点是焊接结束后焊接件的温度降低到焊接初始温度。

焊接变形有两种情况，第一种是焊接过程中出现的焊接变形；第二种是焊接完成后出现的焊接变形。

2.随焊挤压旋转控制法在对铝合金框架车身弧焊焊接应力进行控制的多种方法中，随焊挤压旋转控制法，即WTRE的应用，能够有效改善铝合金框架车身结构中焊接接头位置的性能和组织结构，细化焊缝结晶的晶粒大小，使晶粒具有杂乱的生长方向，进而提高铝合金焊缝位置的力学性能。

实践显示，在采用了随焊挤压旋转控制法之后，铝合金材料焊接接头能够增强40MPa左右的抗拉强度。

除此之外，对于热裂纹，随焊挤压旋转控制法也能发挥良好的控制作用。

而且，随焊挤压旋转控制法的操作方法和设施都比较简便，能够优化操作人员的工作强度和环境，在自动化操作方面也具有显著的优势。

随焊旋转挤压控制法是在铝合金焊缝冷却凝固的时候，对其使用圆柱挤压头进行挤压旋转，焊缝金属因此会出现拉伸应变，同附近位置的残余拉应力互相抵消，最终实现降低铝合金框架车身由于失稳而产生应力变形的可能。

随焊挤压旋转控制法应用过程中的挤压旋转装置的主要构成部件包括挤压头、焊枪、焊接夹具以及填丝机构。

其中，挤压头需要对铝合金框架车身的焊缝位置同时施加垂直压力和旋转力，机械装置和挤压头本身的重力是垂直压力的主要来源，电动机则为挤压头提供旋转动力。

焊接应力与变形的分析及改善措施作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。

然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，如果严重的话甚至会导致焊件报废。

有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量1 焊接变形的基本类型分析焊接变形的基本类型。

所谓焊接变形是指钢结构在焊接过程中，由于施焊电弧高温引起的变形，以及焊接完成后在构件中的残余变形现象。

在这两类变形中，焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素，也是破坏性最强的变形类型。

焊接残余变形对结构的不同层次的影响分为整体变形和局部变形；根据变形的不同特点则可分为：角变形、弯曲变形、收缩变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形。

在这些变形类型中，角变形和波浪变形属于局部变形，而其他类型的变形属于整体变形。

钢结构发生较多的变形类型是整体变形。

2. 焊接变形产生的原因分析。

钢结构刚度：刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力。

钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。

图给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。

焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。

热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和变形。

材料因素主要包括有材料特性、热物理常数及力学性能（热膨胀系数α＝f （T），弹性模量E＝f（T），屈服强度σs＝f（T），σs（T）≈0时的温度TK或称“力学熔化温度”以及相变等）；在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。

制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性）则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。

焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。

通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下。

- 40 -工 业 技 术１　焊接应力的机理和产生原因焊接应力是在焊接结构过程中产生的内应力，按照实际的时间进行划分，可分为2种——焊接瞬时应力和焊接残余应力。

在焊接中，构件的焊接应力有着复杂性，并且不同构件存在的焊接应力也有明显差别。

在不同的温度场下，构件自身的力学、物理等性能也存在较大的差异，同时，不均匀温度场会多个因素变化，如焊接工艺等。

在相同温度条件下和不同的固定状态下，可能产生的变形情况有3种，分别是自由变形和不完全自由变形以及无任何变形，这是由于不同的固定状态，造成构件被热长度影响，生成的压应力不同，利用公式ΔL T /L 0=a （T 1-T 0）、E r =ΔL T /L 0=a （T 1-T 0）可计算出变形率，然后确定构件的焊接应力，并有针对性地采取消除措施。

导致焊接应力的原因有很多，概括起来主要有如下几种：一是焊缝尺寸与接头形式设计缺乏合理性。

构件间的搭接方式主要有坡口形式、接头间隙、焊缝余高等，如果焊缝尺寸过大，就会导致受热面积过大，使焊接完成后残余应力增加；二是焊缝数量及其分布不够科学。

焊缝疏密度不均、相互交叉、封闭性焊缝较多等，都会导致构件挠度变形及残余应力出现；三是焊接方式及其工艺参数选择不合理，没有根据构件自身材质、薄厚、形状、结构等进行选择；四是构件焊接顺序及设计不科学，不同的焊接顺序会导致焊接拘束度变化，进而影响焊接应力分布。

２　焊接工艺对Ｔ形接头构件焊接应力分布的影响及消除对策２．１　Ｔ形接头焊接应力测试Q235B 钢板的塑性和韧性都很好，并且他们有很好的强度和冷弯性能，并且有着很好的焊接性，所以被普遍应用在建筑和路桥的制造中。

选用E4303焊条来焊接Q235B 钢，焊接时不需预热、控制道间温度和后热，焊接后的接头塑性和冲击韧性良好，也不需要进行热处理来改善组织。

使用HK-21三维应力分布磁测仪来测试焊接应力。

在T 形接头中，主要利用600 mm×100 mm×4 mm 与100 mm×50 mm×3 mm 的Q235B 钢板进行装配，如图1所示。

工字梁T型对接及角焊缝组合焊缝焊接变形的探讨发表时间：2018-06-08T09:18:32.993Z 来源：《防护工程》2018年第3期作者：王浪陈东方[导读] 规范上的推荐坡口只是一个粗略的推荐，不能完全照搬照套，最终的坡口要根据实际的焊接工艺试验和现场条件确定。

中交二航局结构工程有限公司湖北武汉 430000摘要：结合梁纵梁工字梁腹板与上下翼板T型对接及角焊缝组合焊缝焊后易产生较大不对称焊接变形。

通过分析，找出了坡口开设不合理是焊接变形过大的主要原因，并提出相应改进措施。

0 概况西固黄河大桥主纵梁采用2500x1000x36（80）mm工字型截面。

腹板与上下翼缘板要求熔透，腹板板厚28mm，焊接量大，如何控制变形是制造的关键。

焊接规范参数通过试验确定，一般不会是造成焊接变形过大的因素。

本文主要探讨分析主纵梁工字钢焊接变形的两个主要原因：焊接顺序和焊接破口。

1 纵梁焊接工艺1.1 焊接方法纵梁工字成型焊缝采用采用药芯焊丝CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充盖面，药芯焊丝为E501T-1LΦ1.2mm，埋弧焊丝为H08Mn2E Φ4.0mm，焊剂为SJ101q。

1.2 焊接顺序纵梁工字型钢的断面为对称结构，焊前先将翼板与腹板点固成工字形截面，焊接时再按照图1顺序焊接。

1、2侧为大坡口侧，3、4为清根侧。

图1 焊接顺序图2 焊接坡口1.3 焊接坡口腹板开设如图2所示坡口，考虑到满足熔透要求反面需清根后再焊接，所以坡口为不对称坡口，先焊接大坡口侧，后焊接小坡口侧。

1.4 焊接规范焊接规范经试验验证，热输入符合要求，焊接试板检验均为合格，变形较小，且满足生产要求的效率。

2 问题理想状态下焊接完成后纵梁工字梁翼缘板应仅有关于腹板对称的较小的角变形，实际焊完后则如图3所示。

从示意图及现场照片可以明显看出，焊接完成后，翼板与腹板垂直度出现较大偏差，且该偏差相对于腹板左右不对称，即翼板较明显的偏向一侧。

较大的焊接变形，后期矫正处理工作量大，浪费工时和资源，且难以保证质量。

焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施3200字摘要：随着焊接技术也已经发展的越来越普及，但是焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响非常大，必须加强对焊接质量研究。

本文对焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整进行了探讨分析。

毕业关键词：焊接残余应力；焊接变形；钢结构；消除和调整1 焊接残余应力产生的原因1.1 塑性压缩造成的纵向残余应力在焊接的过程中，由于温度上的差距，焊缝及其周围都会受到因热膨胀和周围温度较低的金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。

当焊接完成之后，温度骤减，母性材料就会制约着焊缝和近缝区域之间的收缩，这就在很大程度上导致了残余应力的存在。

并且残余应力的范围将会和高温环境下造成的塑性范围相一致，弹性拉伸区域和残余拉应力也是相对应的。

从这些都可以看出来，塑性压缩就是造成焊接过程中纵向残余应力的主要原因。

1.2 塑性压缩的应变导致的横向残余应力塑性压缩的应变，除了能够说成是造成纵向残余应力的主要原因，同时也能理解为造成横向残余应力的原因之一，但是造成横向残余应力的主要原因是母材的收缩。

当对母材进行焊接时，母材会出现膨胀现象，并且当焊接缝的金属材料逐渐形成固体时，膨胀中的母材必定会受到压缩，这种塑性压缩是横向收缩中的重要的一部分，焊缝自身那一小部分收缩仅仅只占到横向收缩的十分之一左右。

主要的横向收缩那部分存在于焊接缝沿着焊缝轴线进行切割后的中心区域，那才是拉应力中的横向应力。

2消除残余应力的方法2.1 热处理的方法这种方法对于焊件的性能有着至关重要的作用，它不仅可以消除残余应力，还能够改进焊接接头的性能。

热处理方法就是在焊件还处在高温条件下的时候，去降低屈服点和蠕变现象，从而实现去除残余应力的一种方法。

这种方法分为两个步骤，首先就是总体热处理，其次是局部热处理。

在总体热处理的过程中，加热的温度和保温时间和加热以及冷却速度都会影响到去除焊接残余应力的效果。

在局部热处理的过程中，一般只能降低残余应力的峰值，而不能直接消除残余应力。

文章编号:100926825(2007)0820057202T 型钢节点焊接残余应力及变形研究收稿日期:2006210224作者简介翟晓鹏(82),男,长江大学城市建设学院钢结构研究所硕士研究生,湖北荆州　33张系斌(562),男,教授,长江大学,湖北荆州　33刘泰凤(832),女,长江大学硕士研究生,湖北荆州　33翟晓鹏　张系斌　刘泰凤摘　要:运用有限元方法分析研究了T 型节点焊接的残余应力与变形,重点阐述了该T 型焊接变形的类型、残余应力分布规律及控制焊接变形的措施,供类似工程参考。

关键词:T 型节点,焊接变形,残余应力中图分类号:TU758.11文献标识码:A1　研究目的焊接过程中,应力变形是随时间而改变的。

当焊件温度降至常温时残存于焊件中的应力称为焊接残余应力[1],残留的变形称为焊接残余变形。

常见的焊接变形有:纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。

近年来,大跨度管桁架结构广泛应用于歌剧院、训练馆、体育场等公用设施。

在桁架结构中由于大多是管状结构,所以节点形式大多采用相贯焊接,但其残余应力比较大,同时残余变形比较难控制。

文中拟采用T 型节点取代管管相贯焊缝,并对T 型节点焊接残余应力与变形进行分析研究。

2　残余应力计算方法[2]当物体各部分温度发生变化时物体将由于热变形而产生线应变α(<-<0)。

其中,α为材料的线膨胀系数;<为弹性体内任一点现时的温度值;<0为初始温度值。

如果物体各部分的热变形不受任何约束,则物体上有变形而不引起应力,但是物体由于约束或各部分温度变化不均匀热变形不能自由进行时,则在物体中产生应力,物体由于温度的变化而引起的应力称为热应力。

当弹性体的温度场已经求得时,就可以进一步求出弹性体各部分的热应力。

由于热变形产生的应变可以看作是物体的初应变,计算热应力时只需算出热变形引起的初应变ε0,求得相应的初应变引起的等效节点载荷P ε0,与其他载荷项合在一起,求得包括热应力在内的综合应力,计算应力公式为σ=D (ε-ε0)。

浅析焊接残余应力变形及消除调整措施前言随着钢结构的广泛应用，对钢结构的要求也越来越高。

如钢结构需满足跨度大、稳定性好、刚度大、抗弯性能好等要求。

焊接作为钢结构最主要的连接方式，对焊接工艺和焊接质量的要求也在不断地提高。

研究焊接残余应力和焊接变形对钢构件的影响，通过合理的设计和制造以及相应的措施减小焊接残余应力和焊接变形对构件的影响，将有效的提高钢结构的性能，满足建设的需求。

一、残余应力产生原因及影响分析钢材的焊接是一个不均匀的加热和冷却的过程。

在施焊时，焊缝及其附近区域的温度很高，而临近区域温度则急剧的下降，导致不均匀的温度场。

不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，温度低的区域膨胀量小限制了高温度区域钢材的膨胀。

当焊接温度场消失后，构件内部产生应力，这种应力称为焊接残余应力。

构件焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，并同时产生残余变形，这是客观规律。

一般我们在制作过程中重视的是控制变形，往往采取措施来增大被焊构件的刚性，以求减小变形，而忽略与此同时所增加的瞬时应力与焊接残余应力。

但是刚性大、板材厚的构件，虽然残余变形相对较小，但同时会产生巨大的拉应力，甚至导致裂纹。

在未产生裂纹的情况下，残余应力在结构受载时内力均匀化的过程中往往导致构件失稳、变形甚至破坏。

因此焊接应力的控制与消除在钢结构制作过程中显得十分重要，应优先于构件的残余变形给予考虑。

1、对钢结构刚度的影响。

焊接残余应力使构件的有效截面减小，丧失进一步承受外载的能力。

焊接残余应力的存在还会增大结构的变形，降低结构的刚度。

2、对静力强度的影响。

由于焊接应力的自相平衡，使受压区和受拉区的面积相等。

构件全截面达到屈服强度所承受的外力与无焊接应力的轴心受拉构件全截面达到屈服强度时的应力相等，因此不影响静力强度。

3、对疲劳强度的影响。

残余应力的存在使应力循环发生偏移。

这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。

当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。

2020年 第2期 热加工50不同焊接顺序对T 形接头焊接变形及残余应力的影响赵小康，张海燕，姚正锋，侯国清广西柳工机械股份有限公司 广西柳州 545007摘要：建立焊接结构中常见的T形长接头焊接有限元模型，利用热-力耦合计算分析了不同焊接顺序对T形长接头焊接温度场，变形及残余应力的影响，优化了焊接顺序。

结果表明：焊接顺序不同，工件在焊接过程中经历的热循环次数不一样；在无约束情况下焊接时，采用两侧同时同方向施焊方式焊接时可有效减小焊接变形。

相比较无约束情况下，工件在约束条件焊接时可大大减小焊接变形，缩小了不同焊接顺序下的变形差异优势；在分段焊接时，通常在分段接头的位置存在应力值降低的情况。

关键词：T形长接头；热-力耦合；焊接顺序；温度场；变形；残余应力1 序言焊接接头在焊接过程中由于受到局部加热，与焊件其他未施焊部位存在明显的温度梯度，由于焊接时不同区域温度场的差异，造成焊件在焊接结束后存在不同程度的焊接残余应力和焊后变形。

焊接应力的存在会降低焊接结构的承载能力，影响焊接结构的疲劳寿命，尤其当焊接残余拉应力与焊接缺陷等应力集中部位重合时会极易产生裂纹，并且焊接残余应力的逐步释放会引起焊接结构件尺寸、精度的变化，影响产品使用[1-4]。

焊后变形对结构件之间的装配带来困难，焊接变形不仅影响到其本身结构件的使用寿命，而且由于变形带来的强装配还会引起整机的整体性能，如异响、振动、噪声等。

为了消除焊接变形，焊后需要进行大量复杂的矫正工作，严重的会使焊件报废，影响生产效率[5]。

工程机械中往往面临的是大型复杂结构件的焊接，焊接过程高度非线性，大多依赖于长期经验的积累，对于焊接变形存在不可把控的情况。

基于试验，检测手段获得的残余应力未能反映焊接结构整体的残余应力分布。

对于焊接参数、焊接顺序的选择上，为了提高生产效率，不可能进行多种方案的试验，因此在焊接最优方案的选择上存在盲目性。

针对上述情况，本文采取不同的焊接顺序对T 形接头的焊接过程进行仿真分析，预测焊接温度场、应力场及变形情况，为焊接过程提供最优的焊接方案，用于指导实际焊接过程，提高生产效率和节约成本。

焊接残余应力和残余变形一、焊接残余应力和残余变形的成因钢结构的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，焊缝及附近温度最高，达1600℃以上，其邻近区域则温度急剧下降。

不均匀的温度场要求产生不均匀的膨胀和收缩。

而高温处钢材的膨胀和收缩要受到两侧温度较低、胀缩较小的钢材的限制，从而使焊件内部产生残存应力并引起变形，此即通称的焊接残余应力和残余变形。

二、焊接残余应力和残余变形（一）焊接残余应力焊接残余应力按其方向可分为纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力。

1. 纵向残余应力。

图2-38是焊接残余应力的示例。

图2-38（a）是两块钢板平接连接，焊接时钢板焊缝一边受热，将沿焊缝方向纵向伸长。

但伸长量会因钢板的整体性，受到钢板两侧未加热区域的限制，由于这时焊缝金属是熔化塑性状态，伸长虽受限，却不产生应力（相当于塑性受压）。

随后焊缝金属冷却恢复弹性，收缩受限将导致焊缝金属纵向受拉，两侧钢板则因焊缝收缩倾向牵制而受压，形成图2-38（b）所示的纵向焊接残余应力分布。

它是一组在外荷载作用之前就已产生的自相平衡的内应力。

2. 横向残余应力。

图2-38所示两块钢板平接除产生上述纵向残余应力外，还可能产生垂直于长度方向的残余应力。

由图中可以看到，焊缝纵向收缩将使两块钢板有相向弯曲变形的趋势（如图2-38a中虚线所示）。

但钢板已焊成一体，弯曲变形将受到一定的约束，因此在焊缝中段将产生横向拉应力，在焊缝两侧将产生横向压应力，如图2-38（c）所示。

此外，焊缝冷却时除了纵向收缩外，焊缝横向也将产生收缩。

由于施焊是按一定顺序进行，先焊好的部分冷却凝固恢复弹性较早，将阻碍后焊部分自由收缩，因此，先焊部分就会横向受压，而后焊部分横向受拉，形成如图2-38（d）所示的应力分布。

图2-38（e）是上述两项横向残余应力的叠加，它也是一组自相平衡的内应力。

3. 厚度方向残余应力对于厚度较大的焊缝，外层焊缝因散热较快先冷却，故内层焊缝的收缩将受其限制，从而可能沿厚度方向也产生残余应力，形成三相应力场。