第3章讲义焊接应力与变形

第3章焊接应力与变形焊接应力与变形的概念是焊接领域的一个非常重要的概念，也是本课的重点与难点，他有较强的系统性和逻辑性。

我们讲课时的思路与书上的差别也比较大，因此要求大家上课注意听讲，做好课堂笔记。

§3-1 基本概念一、内应力及其性质1、何为内应力？在没有外载荷作用时，平衡于物体内部的应力叫内应力。

2、内应力的性质（1）自身平衡满足静力平衡条件，即所有应力的合力等于零，∑F=0；对任意点的合力矩等于零，∑M=0。

（2）不稳定性受到外界因数作用时，如外载荷、温度变化时，自身平衡被打破，当外界作用消失后，内应力数值发生变化，但仍保持自身平衡。

（3）由此可以得出一个推论；内应力的波形图至少应该是三波形的，因为单波形，两波形都不能满足合力为零，合力矩为零。

3、内应力的分类按内应力平衡的范围分第一类内应力：在较大的范围内平衡，其范围可与物体尺寸相比，故称之为宏观内应力。

第二类内应力：它的平衡范围大小可与晶粒尺寸相比，称为微观内应力。

第三类内应力：它的平衡范围更小，只能与晶格尺寸相比，也叫超微观内应力。

焊接应力的平衡范围较大，属于宏观内应力，因此我们以后重点研究宏观内应力。

按内应力产生的原因来分：有热应力和组织应力（1）热应力热应力也叫温度应力，是由于构件受热不均匀而引起的应力，我觉得叫温度应力是不准确的，叫温差应力比较合适，因为并不是任何物体有温度就有应力的，只有物体上的温度分布不均匀，有温度梯度时才有应力。

为什么温度分布不均匀会引起应力呢？举个简单的例子来说明：有一个金属的框架结构，如果让框架的中心杆件受热，而两侧杆件的温度保持不变，则中心杆件由于温度上升而伸长，而两侧由于温度不变保持原来的长度，这样中间杆件的伸长就会受到两侧杆件的阻碍，不能自由的进行，因此中间杆件就会受到压缩，产生压应力，而两侧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，这些应力是由于中心杆件与两则杆件的温度不同即中心杆件的温度高于两则杆件造成的，换句话说，就是构件内温度分布不均匀造成的。

焊接应力与变形学习目的：了解焊接应力与焊接变形产生的原因，掌握控制和消除焊接应力与焊接变形的方法。

第一节焊接应力与变形概述一、焊接应力与变形的概念在焊接过程中，焊接应力和与焊接变形的产生是不可避免的。

焊接过程结束，焊件冷却后残留在焊件上的内应力为焊接应力也叫焊接残应力。

焊接过程中焊接产生了不同程度的变形，焊接过程结束，焊接冷却后残留在焊件上的变形为焊接残余变形。

焊接残余应力是造成裂纹的直接原因，使承载能力和使用寿命降低。

二、焊接应力与变形产生的原因物体在某些外界条件下（如应力、温长等）的影响下，其形状和尺寸可能发生变化。

焊接是一种局部不均匀加热的工艺过程，加热温度高，加热冷却速度快。

焊件局部因为温度升高而膨胀，又因为温度升高，局部材料的强度降低，由于受到接头周围金属的限制而不能自由膨胀，当压应力大于材料的屈服强度时，产生压缩塑性变形。

当焊缝冷却后收缩，由于受到接头周围金属而限制而不能自由的收缩而受到拉伸，产生拉应力即焊接残余应力。

总之，焊接时的局部不均匀加热与冷却是产生焊接应力和焊接变形的主要原因。

第二节焊接残余应力一、焊接残余应力的分类1．按焊接残余应力产生的原因分类（1）温度应力（又称热应力）：它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且相互约束而产生的应力。

焊接过程中温度的应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服强度，因此产生塑性变形，焊接结束并冷却后产生残余应力保存下来。

（2）组织应力：焊接过程中，引起局部金属组织发生转变，随着金属组织的转变，其体积发生变化，而局部体积的变化受到皱纹金属的约束，同时，由于焊接过和中是不均匀的加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力。

（3）拘束应力：焊件结构往往是在拘束条件下焊接的，造成拘束状态的因素有结构的刚度、自重、焊缝的位置以及夹持卡具的松紧程度等。

这种在拘束条件下的焊接，由于受到外界或自身刚度的限制，不能自由变形就产生了拘束应力。

（4）氢致应力：焊缝局部产生显微缺陷，扩散氢向显微缺陷处聚集，局部氢的压力增大，产生氢致应力。

焊接应力与变形一、什么叫应力：物体在受到外力作用发生变形的同时，其内部会出现抵抗变形的力，这个力叫内力，而这个物体单位截面所受的内力叫应力。

在焊接时，当没有外力的存在，由构件不均匀受热或不均匀冷却产生的内应力叫焊接应力。

焊后残余在焊缝内部的应力叫焊接残余应力。

当焊件的内应力突破其屈服点就会产生的变形叫焊接变形。

二、焊接应力和变形产生的原因：假设一根钢筋，在无拘束的情下均匀加热，因受热膨胀它会变长、变粗，然后让其自然冷却，它会变回原来的尺寸和大小，这时它不会产生应力与变形。

如果把它二头进行钢性拘束固定，然后对其进行均匀加热，这时它因为热膨胀会要变长，但由于二头钢性固定阻挡而不能伸长，这时它可能会变弯，由于二头被刚性拘束固定，被自己的内应力压短或弯了，这时让它自然冷却，它会变短、变弯。

在焊接过程中，由于焊件是不均匀加热，我们可以把焊件的加热分为二部份，一部份是焊缝和离焊缝很近的高温区，还有一部份是离焊缝较远的低温区，而高温区就是上面所说的钢筋，而低温区就是刚性拘束固定的点，当高温区受热时要膨胀、伸长，而低温区会阻碍其自由膨胀、伸长，这时就会产生一个内应力，这个力就是焊接内应力，当焊接内应力突破其屈服点就会产生焊接变形。

三、影响焊接应力与变形的因素：1、焊接工艺，采用不同的焊接工艺，它产生的应力与变形的情况也不同。

2、焊缝的位置，3、装配和焊接的顺序4、焊缝尺寸和坡口的形式5、焊件的形状与尺寸6、焊接参数和施焊的方法四、控制焊接应力与变形的措施：1、设计阶段：①、焊缝尽量不要集中，焊缝间保持足够的距离。

②、尽可能减少焊缝的数量和尺寸。

③、选用填充金属少的坡口形式。

④、尽量不把焊缝布置在工作应力最大的区域。

⑤、在残余应力集中在拉应力区域时，应避免几何不连续性，以免内应力进一步增大。

2、焊接阶段：①采用合理的装配和焊接顺序。

②焊前预热，焊后缓冷。

③焊接时采用小线能量，多层多道焊，焊件刚性大时采用冷焊法。

五、消除应力与变形的方法：①整体或局部高温回火。

焊接应力与焊接变形-课件学习要点：·焊接应力·焊接变形·降低焊接应力的措施·焊接变形的危害性及预防焊接变形的措施一、什么是焊接应力？被焊工件内，由焊接引起的内应力称为焊接应力。

根据焊接应力产生时期的不同，可把焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。

焊接瞬时应力是焊接时随温度变化而变化的应力；焊接残余应力则是被焊工件冷却到初始温度后所残留的应力。

根据焊接应力在被焊工件中的方位不同，可将焊接应力分为纵向应力、横向应力和厚向应力。

实际上，焊接应力都是三维应力，但对于薄板，厚向应力相对较小，可按二维应力处理。

二、什么是焊接变形？焊接过程中被焊工件受到不均匀温度场的作用而产生的形状、尺寸变化称为焊接变形。

随温度变化而变化的称为焊接瞬时变形；被焊工件完全冷却到初始温度时的改变，称为焊接残余变形。

三、降低焊接应力的措施（一）设计措施1.减少焊接量减少焊缝的数量和尺寸，可减小变形量，同时降低焊接应力。

2.改变焊缝分布避免焊缝过于集中，从而避免焊接应力峰值叠加。

3.优化接头形式优化设计结构，如将容器的接管口设计成翻边式，少用承插式。

（二）工艺措施1.采用较小的焊接线能量较小的焊接线能量的输入能有效地减小焊缝热塑变的范围和温度梯度的幅度，从而降低焊接应力。

2.合理安排装配焊接顺序合理的焊接顺序，使焊缝有自由收缩的余地，降低焊接中的残余应力。

例如，在大型储罐底板的焊接中，先进行短焊缝的焊接，所有短焊缝焊接完后再焊接长焊缝。

焊接过程中不要加外力约束，使其能够自由收缩，可以有效地降低短焊缝中的残余应力。

3.层间进行锤击焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属晶粒间的应力得以释放，能有效地减少焊接残余应力从而降低焊接应力。

例如，在进行铸铁部件的焊接时，不及时进行敲击以释放应力，焊缝周边的母材会出现明显的裂纹。

4.预热拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或加热拉伸）对于那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，采用预热或机械方式，使之与焊接区同时拉伸（膨胀）和同时压缩（收缩），就能减小焊接应力，这种方法称为预热拉伸补偿法。

第3讲焊接应力与变形金属结构在焊接过程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。

在实际生产中，焊后总会产生一定的变形，并存在一定的焊接残余应力，变形和应力两者在焊接时同时产生。

3.1 焊接应力及变形产生的原因和影响因素3.1.1 焊接应力与焊接变形的概念物体受到外力作用时，在其单位截面积上所受的力称为应力。

当没有外力存在时，物体内部所出现的应力称为内应力。

内应力在物体内部是相互平衡的，如物体内有拉伸内应力，就必然有压缩内应力，这是内应力的重要特征。

在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，使焊件内部产生的应力，称为焊接内应力，又名焊接残余应力，过大的焊接应力能引起焊件或焊缝产生裂纹，降低结构承载能力，并使结构在腐蚀介质中产生应力腐蚀。

当物体受到外力作用时，它的形状发生变化，这种形状变化称为变形。

当外力消失后，物体形状恢复原样，这种变形称为弹性变形；如果物体所产生变形在外力消失后不能恢复原状，这种变形称为塑性变形。

在焊接应力的作用下，结构所产生的形状和尺寸的变化称为焊接变形，它造成下一道工序施工困难，为矫正焊接变形往往要消耗很多人力和物力，严重的焊接变形，会影响结构承受外力的能力和使用性能，甚至因变形严重无法矫正而报废。

因此焊工必须了解焊接应力、变形的规律，掌握减少焊接应力和控制焊接变形的措施，以保证结构的焊接质量。

3.1.2 焊接应力与焊接变形的形成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。

1. 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。

下面来看看由手工电弧焊温度不均匀分布而引起的焊接应力和变形的过程。

设有一块钢板，沿边缘进行堆焊，见图3-1。

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。