焊接残余应力与变形

焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于各个行业。

然而，在焊接过程中，产生的焊接变形和残余应力往往会对工件的性能和质量造成一定影响。

因此，在焊接技术培训中，对焊接变形和残余应力进行数值模拟分析具有重要意义。

本文将探讨焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟方法，并分析其应用前景。

一、焊接变形数值模拟焊接变形是指在焊接过程中，由于热引起的热应力和相变引起的力学应力而引起的构件变形现象。

为了准确预测焊接变形的情况，可以采用有限元数值模拟方法。

有限元数值模拟方法是一种将实际工程问题离散化为有限个简化的小单元进行计算的方法。

在焊接变形数值模拟中，首先需要建立焊接过程的热力耦合模型。

通过考虑焊接热源的热输入、热传导以及材料的相变特性等因素，可以准确地模拟焊接过程中的温度场变化。

然后，根据热力耦合模型，引入材料的本构关系和相变模型，可以计算得到焊接过程中的变形情况。

在数值模拟中，可以通过调整热源功率、焊缝几何形状以及材料的初始状态等参数，来对焊接变形进行优化。

此外，在数值模拟中还可以分析焊接变形对工件性能的影响，以指导焊接技术的改进和优化。

二、残余应力数值模拟焊接过程中产生的残余应力是指焊接完成后，由于焊缝区域的热胀冷缩差异而引起的应力。

残余应力的存在会降低工件的疲劳寿命和强度，甚至引发裂纹等问题。

因此，对焊接过程中的残余应力进行数值模拟分析是十分重要的。

在焊接残余应力数值模拟中，一般采用后处理方法来分析残余应力的分布和变化。

通过将焊接过程中的温度场和应力场输入到数值模拟软件中，可以得到焊接残余应力的分布情况。

同时，可以通过调整焊接参数和材料性质等因素，来研究焊接残余应力的变化规律。

在实际工程应用中，焊接残余应力数值模拟可以用于评估焊接工艺的可行性，为焊接工艺参数的选择提供依据。

此外，还可以通过优化焊接过程来减小残余应力的产生，提高工件的使用寿命和安全性。

三、数值模拟应用前景焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟方法，在实际应用中具有广阔的前景。

焊接顺序对角接接头残余应力和变形的影响刘利明发布时间：2021-10-27T06:56:34.038Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年15期作者：刘利明周飞[导读] 焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

中核工程咨询有限公司广东省阳江市 529500摘要：焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

根据目前的研究现状，主要研究对接接头和丁字接头的焊接部分。

在实际加工制造中，角接头广泛应用于一些特殊的焊接结构，如箱体结构，典型的是传动箱。

这类构件在焊接时的连接方式主要是角接。

采用有效的焊接工艺优化方案，减少焊后变形和焊接残余应力，对提高零件的质量、寿命和精度具有现实意义。

因此，本文以角节点为例，利用有限元软件进行数值模拟，一方面可以弥补试验的固有不足，另一方面可以节约成本，提高工作效率。

通过模拟不同工艺产生的焊接变形和残余应力，总结出焊接顺序对角焊缝焊接残余应力和变形的影响，对以角焊缝为主的构件的实际焊接具有一定的指导意义。

关键词：角接接头；热固耦合；焊接顺序；残余应力；变形1角节点的数值模拟方法基于有限元分析软件ABAQUS，对平板角焊缝的温度场和应力应变场进行了模拟计算。

其中，建立准确的板角焊缝有限元模型是模拟板角焊缝焊接的关键。

首先对模型进行简化，然后在ABAQUS软件中定义材料属性，根据实体模型划分网格，选择合适的单元类型，求解温度场。

其次，根据温度场设置应力场分析步骤和合适的边界条件求解应力应变场。

1.1有限元模型首先在Creo中建立三维几何模型和母件几何模型，板厚16mm，焊接坡口角度40°。

然后利用Hypermesh软件对几何模型进行网格划分。

焊接技能培训中焊接残余应力与变形的控制焊接是常用的金属连接方式之一，但在实际应用中，常常会遇到焊接残余应力和变形的问题。

这不仅会影响焊接件的外观和尺寸精度，还可能导致焊接件的失真和性能下降。

因此，在焊接技能培训中，掌握焊接残余应力与变形的控制方法显得尤为重要。

一、焊接残余应力的形成及影响因素焊接残余应力是指焊接完成后，在焊接接头或焊接件内部产生的应力。

焊接残余应力的形成与以下几个因素密切相关：1. 温度梯度：焊接过程中，焊缝和母材的温度会发生梯度变化，由高温区到低温区，这导致焊接接头内部产生温度梯度。

温度梯度大的区域会产生较大的残余应力。

2. 冷却速度：焊接完成后，焊接接头会通过冷却过程逐渐降温。

冷却速度快会导致材料收缩不均匀，产生残余应力。

3. 焊接过程应力：焊接过程中，焊接接头受到的应力会造成临时的应力集中，这些应力在冷却过程中可能会转变为残余应力。

焊接残余应力的存在会对焊接件的性能造成诸多影响，主要包括以下几个方面：1. 引起焊接件的变形：焊接残余应力会导致焊接件发生变形，甚至出现失真。

特别是对于焊接构件尺寸要求较高的行业，如航空航天和造船业，焊接残余应力的变形问题更加突出。

2. 影响焊接接头的强度：焊接接头受到的应力过大，容易引起焊接接头的裂纹和断裂，降低焊接接头的强度。

3. 导致材料腐蚀和断裂：焊接残余应力会削弱材料的抗腐蚀性能，导致焊接件在使用过程中容易发生断裂。

二、焊接残余应力与变形的控制方法为了控制焊接残余应力与变形，以下是一些常用的方法：1. 预热与后热处理：通过预热可以减小焊接接头的温度梯度，使之更加均匀。

在焊接完成后，进行适当的后热处理，以缓解焊接残余应力。

2. 多道焊接：将焊接接头分成多段焊接，分多次进行焊接作业，以减小焊接接头的温度梯度和残余应力。

3. 应力消除：在焊接完成后，进行适当的热处理或机械加工，以消除焊接接头的残余应力。

4. 紧固装置：在焊接过程中，采用适当的紧固装置可以减小焊接接头的变形。

浅析钢结构焊接变形与残余应力控制方法摘要：在国内建筑工程中，钢结构作为建筑结构主体结构框架，具有绿色环保、空间大和强度高等特点，在网架结构和塔桅建筑、超高层建筑以及大型工业厂房中等建筑工程中得到广泛应用。

随着建筑结构超高层化和大跨度化，高性能钢材应用增多，分析和讨论建筑钢结构焊接生产效率，对于提高建筑工程质量和效率具有重要意义。

关键词：钢结构; 焊接变形; 残余应力; 控制方法引言在钢结构工程的焊接施工中难免会出现焊接应力和焊接变形的情况，这对于焊接接头的强度以及焊接结构尺寸的精度都会产生一定的影响，严重的话会导致构件报废。

此外，钢结构在日后使用中的承载力也与焊接应力与焊接变形有着很大的关联。

因此相关施工人员要切实把握好焊接技术，加强对焊接重难点的技术控制，采取有效措施提高钢结构的质量。

1焊接变形和残余应力（1）焊接变形是焊接过程中不可避免的，施焊电弧高温引起钢构件在焊接处发生缩短、弯曲及角度等变化，即焊接变形。

焊接变形可分为两种形式，一种是因高温导致的变形，该变形在温度冷却后可恢复，为瞬时变形;第二种是因焊接作业产生的永久性变形。

焊接变形对结构安装的精确度影响较大，产生焊接变形极易导致结构无法安装。

（2）残余应力产生于钢构件的焊接及热影响区域，其对钢构件最直接的影响是降低构件的承载能力和增大开裂的可能性，钢构件的开裂大多发生在焊接区域。

在焊接区域，当构件的残余应力和荷载共同作用效果超过焊缝的承载力时，焊缝处就开始产生裂纹，并逐渐扩大成裂缝，构件也就易从裂缝处产生断裂，而此时构件承受的荷载并未达到其极限承载力，却因焊缝的断裂导致整个构件的失效。

2造成导致钢结构发生焊接变形的原因（1）焊接工艺。

即使是材料相同、设备相同，不同工人在焊接过程中，由于焊接工艺会造成焊接变形的出现。

比如焊接过程中，预热时应该结合当地的实际温度、光照亮度等多种因素进行确定等。

由此可见，钢结构的焊接变形受到焊接工艺的影响比较大。

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。

防止和减少焊接残余变形与应力的措施随着现代制造业的发展，焊接在各行各业中扮演着至关重要的角色。

无论是航空航天、汽车制造还是建筑工程，在这些领域中，焊接都是不可或缺的连接工艺。

然而，随之而来的焊接残余变形与应力问题也愈加引起人们的关注。

焊接过程中产生的残余变形与应力，不仅会影响工件的外观质量，还可能引发裂纹和变形等问题，严重影响其使用性能和寿命。

如何有效地预防和减少焊接残余变形与应力，成为了焊接工艺中的重要课题。

1.选材：材料的选择对于焊接残余变形和应力的控制至关重要。

在焊接过程中，通常会选择具有较高熔点和较小线膨胀系数的材料，以减少焊接时热影响区的热变形；还应根据实际情况选择合适的填充材料。

2.焊接方式：合理选择焊接方式是减少焊接残余变形和应力的关键。

一般来说，采用低热输入、低变形的焊接方式，例如脉冲焊、激光焊等，能够有效降低焊接工件的残余变形和应力。

3.焊接顺序：合理规划焊接顺序也是减少残余变形和应力的重要手段。

通常情况下，应该首先焊接边缘，然后逐渐向内焊接，以减少焊接区域的热输入，降低残余变形和应力。

4.预热和后热处理：在一些情况下，通过预热和后热处理也能有效减少焊接残余变形和应力。

预热能够降低材料的硬度，减少焊接残余应力；后热处理则能够通过回火或退火处理，消除残余应力，提高焊接接头的韧性和稳定性。

5.夹具和辅助装置：采用合理的夹具和辅助装置也能有效减少焊接残余变形和应力。

夹具的设计应在尽量避免约束工件的能够保证焊接接头的稳固性；而辅助装置则可以提供额外的支撑，减少工件在焊接过程中的变形。

总结回顾：在焊接工艺中，预防和减少焊接残余变形与应力是至关重要的。

通过合理选材、焊接方式、焊接顺序、预热和后热处理、夹具和辅助装置等措施，可以有效控制焊接过程中的残余变形和应力，保证焊接接头的质量和稳定性。

个人观点：作为焊接工艺的重要环节，防止和减少焊接残余变形与应力对于提高焊接接头的质量和稳定性至关重要。

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作者：李廷凯李玉振来源：《世界家苑》2018年第02期摘要：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。

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。

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。