焊接应力和变形影响因素分析

世界桥梁　２０１９年第４７卷第１期(总第１９７期)

钢桥面板U肋焊接残余应力影响因素分析

王会利１,王　犇１,２,谢常领１,秦泗凤３

(１．大连理工大学桥梁研究所,辽宁大连１１６０２３;２．北京市市政工程设计研究总院,

北京１０００８２;３．大连大学材料破坏力学数值试验研究中心,辽宁大连１１６０２２)

摘　要:为了进行钢桥面板U肋焊接残余应力精确计算及影响因素定量分析,以星海湾跨海大桥钢桥面板U肋为研究对象,

在ABAQUS有限元软件中,建立钢桥面板U肋局部模型,通过自编的Dflux子程序,进行双椭球热源的加载,模拟V型坡口

焊的焊接过程,得到顶板与U肋板残余应力分布,从而研究顶板板厚与焊接坡口角度２种因素对U肋焊接残余应力的影响.

结果表明:本文的分析方法得到的焊接残余应力计算结果与前人试验数据结果对比,两者吻合较好,本文分析方法有效;顶板

与U肋板在靠近焊缝处都出现最大残余拉应力,且均超过材料的屈服极限;随着顶板板厚增大,顶板与U肋板的残余拉应力

峰值增大;而随着坡口角度增大,顶板与U肋板的残余拉应力峰值则减小.

关键词:钢桥面板U肋;板厚;焊接坡口角度;双椭球热源;V型坡口焊;残余应力;数值模拟

中图分类号:U４４１．５;TG４０４文献标志码:A文章编号:１６７１－７７６７(２０１９)０１－００５３－０６

收稿日期:２０１８－０７－２５基金项目:辽宁省博士科研启动基金项目(２０１７０５２０１３８);辽宁省教育厅科学研究项目(L２０１４０２７);中央高校基本科研业务费专项资金资助(DUT１５QY３４)作者简介:王会利(１９７９－),男,副教授,２００１年毕业于大连理工大学水利水电建筑工程专业,工学学士,２００７年毕业于大连理工大学桥梁与隧道工程专业,工学博士(EＧmail:wanghuili＠dlut．edu．cn).１　引　言

目前,钢桥面板U肋的结构形式在桥面板结构

中被广泛应用,钢桥面板U肋与顶板由焊接而成,

焊接过程中高温促使结构发生不均匀的塑性变形,

焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响分析

发表时间：2019-03-28T14:29:25.613Z 来源：《基层建设》2018年第35期 作者： 田洪祥 孙广鹏

[导读] 摘要：堆焊过程中不均匀的热输入容易导致焊件产生残余应力和一定程度的变形，影响焊件的结构强度和使用寿命。

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：堆焊过程中不均匀的热输入容易导致焊件产生残余应力和一定程度的变形，影响焊件的结构强度和使用寿命。基于此，本文主要对焊接热输入对堆焊残余应力以及变形相关影响进行了简要的分析，希望可以为相关工作人员提供一定借鉴。

关键词：焊接热输入；堆焊；残余应力；变形；影响分析

引言

随着我国各个行业的不断发展，对焊接性与抗高温性能提出了更高的要求。本文中隔一天研究了焊接热输入对堆焊残余应力和变形影响，并优化了堆焊焊接工艺。

1残余应力以及变形相关概述

1.1残余应力

残余应力对焊接结构的寿命有不利影响，一般情况下，高运行应力与高残余拉应力叠加，将促使焊接结构断裂的发生。残余应力还提高蠕变、疲劳和环境损伤发展的速率。在焊接加热过程中，焊缝熔融金属周围由于热和膨胀会产生压缩屈服。焊接冷却过程中则相反，由

于焊缝冷却和收缩沿焊缝纵向会产生残余拉应力，因此，焊接结构的残余应力的产生是由于局部不均匀的加热和冷却导致的。当残余拉应

力超过材料的屈服强度极限，将导致结构发生变形，焊接过程中为避免发生更大的变形，对焊接构件进行约束将产生更大的残余应力。然

而，残余压应力一般认为是有益的，但是它会引起焊接结构抗屈曲能力的下降。所以，应根据焊接构件的服役条件控制焊接残余应力。

1.2变形

钢材的焊接通常采用熔化焊方法。在接头处局部加热，使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液体金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开的钢材连接成整体。由于焊接加热，融合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收

焊接应力和变形对钢结构承载力的影响分析

摘要：随着钢结构建筑的增加，焊接应力和变形对钢结构的承载力的影响越来越引起工程界的关注。本文从焊接应力和变形产生的原因着手，对钢结构框架是否考虑焊接应力和变形进行承载力对比分析。

关键词：焊接应力和变形热弹塑性分析承载力

钢结构成为目前应用日益普遍的一种结构形式，多用于大跨度公共建筑、工业厂房和一些对建筑空间、建筑体型、建筑功能有特殊要求的建筑物和构筑物中。焊接已成为钢结构制作和施工过程重要的连接方式，目前应用最多的是手工电弧焊和自动(或半自动)埋弧焊。它们均利用电弧产生的热能使连接处的焊件材料和焊条(或焊丝)熔化使两焊件连成一体。焊接时焊缝及周围产生局部高温的不均匀温度场，高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约束形成焊接应力，焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形称为焊接变形。焊接应力和变形对结构承载力影响程度对于工程经济至关重要。

1 焊接应力和变形产生的原因

1.1、焊接应力产生原因

焊接应力按作用方向分为平行于焊缝长度方向的纵向应力、垂直于焊缝轴线的横向应力和厚度方向应力。在焊接过程中，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用；焊接完毕，焊件自然冷却，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力称为纵向应力。横向焊接应力可分为焊缝的纵向和横向两个方向收缩应力。在焊接过程中，两块板沿焊缝长度方向中部产生横向拉应力，两端产生压应力。冷却时，焊缝冷却时间不同，先焊的先冷却并产生强度，约束了后焊的焊缝在横向的膨胀。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生焊缝需要多层焊中，温度沿厚度方向分布不均，表面先冷却，中间后冷却，中间部分收缩时，受到表面已凝固焊缝阻止，中间层受拉，而外层受压。

1.2、焊接变形产生原因

浅析焊接变形和焊接应力的危害及防治措施

【摘要】本文通过焊接应力和焊接变形原因的讨论，对焊接变形和焊接应的危害及防治进措施进行了简单的探讨。

【关键词】焊接变形；焊接应力；危害；措施

1.序

在我们从事建筑生产活动中，焊接工艺在整个施工过程中（钢筋、钢结构、管道等焊接）起着举足轻重的作用，焊接的好坏也直接影响到建筑物的质量。然而绝大多数的焊接方法都要采用局部加热，不可避免的产生内应力和变形，从而引起质量缺陷。因此，如何在设计和施工时减小焊接应力和焊接变形十分重要。

2.焊接应力和焊接变形产生的原因

焊接过程是一个不均匀加热的过程。在焊接过程中，焊件上的不同位置会有不同的温度，而在焊缝和施焊附近的温度最高，可达1600℃以上，由于受到空气中温度的影响，在施焊附近的区域温度则会直线降低。由于被焊元件温度不均匀，所以在施焊周围会产生的膨胀。温度高的区域膨胀大，但受到其他周围温度较低、膨胀较小的焊件限制，会产生热态塑性压缩。但在焊接完毕，焊接处钢材冷却时，被塑性压缩后的焊缝趋向于紧缩，受到周围钢材的限制而产生拉应力。若焊件为低碳钢或合金钢，这种拉应力通常会达到钢材的极限屈服强度。所谓的焊接应力其实是一种无荷载作用下的内部应力，因此这种应力会在施焊钢材内部自相平衡，所以一定会在距离焊接位置稍远的位置产生应力。

而在这种应力的作用下，若是被焊的钢材约束度比较小（例如焊件处于无约束状态、焊件相对比较薄），就会在被焊位置产生一定程度的焊接变形。焊接变形是焊接元器件在焊接时，由于局部加热及冷却后产生的不可恢复形变（焊接变形包括弯曲变形、纵向收缩、角变形、横向收缩、扭曲变形等等）。在我们建筑单位通常的施工中，多数是几种变形同时存在的。焊接施工完毕时，我们应该对焊件进行检验，任何一处焊接变形超过验收标准时，都应该进行补救、矫正，避免减小焊件在使用过程中的承载能力。倘若施焊的钢材约束度比较大（例如焊接元器件的形状复杂、厚度较大的钢板、或者因为夹具的影响而产生了较大的约束状态时），此时被焊元器件就不能产生较大的自由变形，但在焊缝处的钢材则会发生很大的残余应力。