焊接变形与应力讲解

焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊接是一种局部加热的加工方法，热源集中在焊缝处加热，因而造成焊件上温分布不均匀，最终导致在焊接结构内部产生了焊接变形与焊接应力。

一、焊接变形1. 焊接变形的概念由焊接而引起的焊件尺寸和形状的改变称为焊接变形。

焊接过程结束后，残国在焊接结构中的变形，称为焊接残余变形。

本书中提到的焊接变形指的是焊接残余变形。

2. 焊接变形的类型及产生原因焊接变形可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等几种形式焊件局部（焊缝和焊缝附近的金属）不均匀加热和冷却是产生焊接变形的根本用因。

焊接时，加热是通过移动的高温电弧热源进行的，焊缝和焊缝附近的金属温度很高，受热金属要膨胀，其余大部分金属不受热，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，生了压缩塑性变形。

焊完冷却后，焊缝和附近的金属因收缩而变短，却又受到周围受热金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形。

各类焊接变形的具体原因各不相同，与焊缝在焊件中的位置、加热方法、焊接序等因素密切相关。

焊接变形的类型及产生原因见表2-3-7。

3. 预防和矫正焊接变形的方法及措施（1）预防焊接变形的方法及措施预防焊接变形可以从焊接结构设计和焊接工艺两方面进行。

在焊接结构设计时要在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸;对称布置焊缝;必要时预先留出收缩余量;采用冲压结构代替焊接结构;将焊缝布置在最大工作应力之外等。

预防焊接残余变形的工艺措施主要有∶1）选择合理的装配焊接顺序。

装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。

对称焊接、不对称焊缝先焊焊缝少的一侧和减少长道直焊缝等都可以很大程度上减少焊接变形量。

如图2-3-13所示的工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然结构的焊缝对称，焊后仍将产生较大的上拱弯曲变形，但如果改为将工字梁1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的60%～70%，然后将工字果翻转180°焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完。

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T1温度下所产生的内部变形率ε1小于材料屈服时的变形率εs，则杆件中的应力值也小于材料的屈服强度，σ<σs 。

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T2，是杆件中的内部变形率ε2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=σs，同时还会产生压缩塑性变形εp 。

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△Lp。

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εs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εs，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。

弹性阶段：①加热时，中间受压，两边受拉；②冷却时，不受力，不变。

塑性阶段：①加热时，中间受压，两边受拉；②冷却时，中间受拉，两边受压。

6、长板条单侧加热：①当加热温度较低时，在板条的任何区域内均不发生塑性变形的前提下，内部变形小于金属屈服强度的变形率则，温度恢复后，板条中不存在参与应力与参与变形；②当加热温度较高时，板条在靠近高温一侧的局部范围内产生塑性变形；③加热温度很高时，造成板边一段内的σs=0，，即变形抗力为零，发生完全塑性变形。

第五节焊接结构中的应力与变形在焊接生产中，焊接应力与变形的产生是不可避免的。

焊接过程结束，焊件冷却后残余在焊件的内应力即焊接残余应力往往是造成裂纹的直接原因，同时也降低了结构的承载能力和使用寿命。

焊接后产生的变形即焊接残余变形造成了焊件尺寸、形状的变化，这给正常的焊接生产带来一定困难。

因此，在焊接生产中的一项重要任务就是控制焊接残余应力和焊接残余变形。

一、焊接残余应力1．焊接残余应力的产生及其对焊接结构的影响焊接时，不均匀地加热与冷却是产生焊接残余应力的主要原因。

以低碳钢（20钢）为例，在加热时，随着温度的升高，特别是在300℃以上的温度时其强度迅速降低。

当温度达到600℃左右时，屈服便接近于零（图6-5)。

焊接过程中由于加热的不均匀，在高温时，金属的屈服为零的情况下，处于自由变形状态。

当焊接热源移开后，金属恢复强度时其收缩变形受到周围金属的限制，同时组织转变过程中又发生体积的变化，从而产生了焊接残余应力。

一般来说，在焊接条件下主要存在下面几种应力。

图6-5低碳钢屈服与温度的关系---实测曲线一简化曲线(1)温度应力温度应力又称热应力，它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且互相约束而产生的应力。

焊接过程中温度应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服点，因此必然发生塑性变形。

焊接结束冷却后，也必然有残余应力保留下来。

(2)组织应力焊接过程中，金属组织进行相变时将产生体积变化，主要是由于各种组织具有不同的热物理性能（表6-5）。

当焊缝金属从高温冷却，奥氏体分解时产生的铁素体、珠光体、马氏体等都会产生体积膨胀，转变后的这些组织都具有较小的膨胀系数。

奥氏体分解产生的体积膨胀并不是在自由状态下进行的，而是受到周围金属的约束。

同时，由于焊接的不均匀加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力。

对于低碳钢和一些低合金高强钢焊后冷却时，奥氏体分解为珠光体和贝氏体的温度较高的低碳钢的相变点为723℃），此时金属呈好的塑性，奥氏体转变时发生的体积变化阻力很小，因此不会造成很大的应力。

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1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。

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。

焊接应力与变形焊接应力和变形主要与焊接热循环及拘束度有关，其分布大小取决于：线膨胀系数、弹性模量、屈服点、形状、尺寸和温度场。

温度场又与导热系数、比热、密度及工艺参数和条件相关。

一、T 型梁焊接变形及控制1、焊接变形产生的原因在构件焊接过程中，焊缝中心及周围母材被加热到各种不同的温度，远离电弧区，温度越低，形成极大温度梯度的温度场（电弧区的温度达1500℃以上，热影响区为450℃左右）。

在加热过程中产生了压缩塑性应变，随后冷却到原来温度过程中，构件中便产生了残余应力，并且构件的形状尺寸发生了变形。

2、T型梁焊接变形解决思路。

（1）合理的设计接头T型梁为主要承载部位，为了保证接头的强度，接头设计为全熔透坡口。

为了尽量减少填充金属且保证T型接头的强度，同时要求焊后的变形尽量小布置腹板两侧焊道数量相同。

最终，此T接头采用K型坡口，接头设计要求如图1示。

（2）合理的焊接工艺严格控制热输入，焊前将接头烘干，并将焊件加热至要求最低温度66℃，且将焊接过程中最大层间温度控制为200℃。

由于板厚较大，填充量大，所以采用埋弧焊（横焊）。

焊接时，按接头长度分为四段，分段进行焊接。

并且在施焊过程中，图1 接头设计（K型坡口）从接头腹板的两侧同时焊接，可以防止或减少因先单面焊接而引起的变形。

（3）采用刚性固定从翼缘板一侧施焊，若没有刚性约束，焊后翼缘板将产生如图2所示的变形。

因此在焊前将T型梁的翼缘板焊接于基准胎架的临时定位板之上，并在翼缘板的同侧焊上临时防变形板，可防止或减少焊后翘起变形，如图3所示。

焊接前焊接后侧视图俯视图图2 焊接变形图3 刚性固定当T型接头焊接完后根据标准要求，对腹板的弧度进行测量、矫正。

构件在焊接完毕后产生变形是必然的，矫正可以火焰矫正，也可以机械矫正。

火焰矫正对焊后构件变形的矫正能够起到明显的效果。

3、与理论的联系焊前可根据变形趋势和大小，对构件进行合理的接头设计和工艺设计来控制变形，采用合适的焊接参数、焊接方向、焊接顺序能够改善变形程度，刚性固定可以抵消部分焊接应力。

焊接过程中的变形与残余应力分析引言：焊接是一种常见的金属连接工艺，广泛应用于制造业和建筑工程中。

然而，在焊接过程中，由于高温和冷却过程中的热收缩，会导致焊接件发生变形和残余应力。

本文将探讨焊接过程中的变形和残余应力产生的原因，并介绍一些常见的分析方法和解决方案。

一、焊接过程中的变形1.1 焊接热源对金属的影响焊接过程中，焊接热源的加热会引起焊接件的温度升高，导致焊接件发生热膨胀。

当焊接完成后，焊接件冷却时，会发生热收缩。

这种热膨胀和热收缩会导致焊接件发生变形。

1.2 焊接过程中的应力分布焊接过程中，焊接热源引起的温度变化会导致焊接件内部产生应力。

这些应力会导致焊接件发生变形。

特别是在焊接过程中，焊接件的不同部位会受到不同的应力作用，从而引起焊接件的变形。

二、焊接过程中的残余应力2.1 焊接残余应力的形成机制焊接过程中，焊接件在冷却过程中会发生热收缩，但由于焊接件与周围环境的约束，无法自由收缩。

这导致焊接件内部产生残余应力。

残余应力的大小和分布会影响焊接件的性能和使用寿命。

2.2 焊接残余应力对焊接件的影响焊接残余应力会导致焊接件发生变形、裂纹和变脆等问题。

残余应力还会降低焊接件的疲劳寿命和承载能力。

因此，对焊接残余应力进行分析和控制是确保焊接质量的重要环节。

三、焊接过程中变形与残余应力的分析方法3.1 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的分析焊接过程中变形和残余应力的方法。

通过建立焊接过程的数学模型，可以模拟焊接过程中的温度场和应力场。

这种方法可以预测焊接件的变形和残余应力，并优化焊接工艺参数。

3.2 实验方法实验方法是另一种常用的分析焊接过程中变形和残余应力的方法。

通过测量焊接件的变形和残余应力，可以了解焊接过程中的变形和残余应力分布。

实验方法可以验证数值模拟结果的准确性，并为焊接工艺的优化提供参考。

四、焊接过程中变形与残余应力的解决方案4.1 焊接变形的解决方案为了减少焊接变形，可以采取以下措施：- 优化焊接工艺参数，如焊接速度和焊接顺序，以减小热输入和热影响区域。