焊接变形和应力的分析

膨胀 和 收缩 却 是 在这 条 焊缝 的不 同部 位 产 生 ，这 种
在 焊 接 接 头 中会 有 三 个 方 向的 拉 伸 残 余 应 力 ， 因为在 厚 度 方 向上 的两 处 开坡 口是 不 对称 的 ，会 有
这 两 种形 式 的开 坡 口 ， 又 因 为接 头 处 厚 度方 向上
的应 力 造 成焊 后 残 余 塑性 变形 而 引起 的 。焊接 应 力
受 到周 围 的金 属 的制 约 。 为 了保 证 在 施 焊 过 程 中的
方便 、 减少填充金属使用量 、 降低坡 口加工费用和减
少 焊接 变形 、 预 防裂 纹 的产 生 、 减 少 焊接 金 属 中 的 原 材料 的 比例 ， 我们需 要在 接 口处 开 Ｊ ， 、 ， 形 焊缝 接 口形
式， 达到 方便 的送进 焊 条 。因 为原材 料 在熔 入 第 一层 焊 缝金 属 的 比例达 到 ２ ５ ％左 右 ，我 们 应 在第 一 层 焊 缝 焊接 时采 用 微 小 电流 、缓 慢 的焊 接速 度 从 而 达 到
和 塑 性 变 形 是 由 于焊 接 过 程 中受 热 不 均匀 产 生 的 ，
情 况 会 持续 到 温 度恢 复到 室 温 的时候 热 变 形才 会 停 止 。焊 接 时焊 接变 形 的存 在 因素有 ： 金 属局 部产 生伸
缩 与 收缩 变形 后 所 产 生 的 内应 力 、构件 内部 由于温
的应力 分布 是不 均匀 的 ， 所以 ｊ 形坡 口的焊 缝 拉 力远
大于 另一边 的拉 力 。因此 这 种焊 接接 头 时 ， 构 件 焊缝 厚度 方 向会 出现 比较 大 的不 对称 的拉 伸 应力 是 因为
Ｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎ ｏ ． ５， ２ ０ １ ３

（2）组织应力 金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相
变导致体积变化而引起的应力叫组织应力。 我们知道金属加热冷却时，材料内部组织
要发生相变，而相变时体积也将发生变化，冷 却时的相变往往是体积增大，如果这个增大是 发生在金属的刚性恢复温度之下，那么周围恢 复了刚性的部分金属将阻碍这个体积增大，这 就将产生新的应力：组织应力，也叫相变应力。 对于低碳钢，刚性恢复温度是600度，而它 的奥氏体转变温度是600~700度之间，600度以 下没有相变发生，所以低碳钢不存在组织应力。 有不少合金元素能降低金属的相变点，所以合 金钢焊接时往往产生组织应力。
2、对接接头 （1）原因 有两个原因： 一方面：焊接时随热源的移动，焊件被加
1、堆焊 （1）原因： 加热不同时 → 前后各点温度不同 → 膨胀受阻
→ 压缩塑变 → 横向收缩 在实际焊接过程中，在焊缝长度上的加热
并不是同时进行的，因此焊缝长度方向上各点 的温度不一致，在热源附近的金属膨胀变形， 不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低处 的金属的限制和拘束，使之承受压力而在宽度 方向上产生压缩塑性变形由此产生横向收缩变 形。
3、弹性内部应变（ε’）和塑性内部应变（ε”）
不可见应变既然没有表现出来，它就一定
会以另一种形式顽强的表现自己，这种形式就 是应力，它以应力的形式存在于物体内部，应 力的大小服从虎克定律，即σ=Eε,应力的大小 与内部应变量ε成正比，当内部应变量ε不太大 的内部话应，变它是产弹生性的的应力,叫小弹于性屈内服部极应限变σ，S ,以这ε时’表的示， 弹性内部应变是可以恢复的，也就是说，当温 度将由 逐T步1恢减复小到并T消0时失，。随着温度的下降，ε’和σ
度杆恢件复将到 缩短T0ε之”。后，塑性内部应变将保留下来，这样原 这里杆件的缩短可能不好理解，大家也可以这样看，

焊接变形
ε ε 低碳钢应力应变关系 ε-变形率， εe-外观变形率，
σ= E·ε=E ( e － T)
εT-自由变形率
1)伸长受阻但可自由收缩 2)伸长受阻自由收缩
结论：
1)当ε﹤εs时，杆件可以 恢复到原来的长度，则 杆件中不存在应力；
2)当ε﹥εs时产生残余
变形
不均匀温度场作用下的变形和应力
s 0,T 600C
受拘束体在热循环中应力与变形
1. s E(e T )
弹性状态， 无残余应力
受拘束体在热循环中应力与变形
2. s ,TMAX 500C E(e T ) Ts s 100C
E
α-线膨胀系数
有塑性变形 及残余应力
残余应力等于材料屈服极限
3. s ,TMAX 600C
横向应力产生的原因
2) 由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力
焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位 的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力， 而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用， 因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果， 在焊缝的最末段也将产生压应力。 上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。
不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：M=P•Z 构件的挠度可由下式求得： f ML2 PZL2
8EI 8EI
式中：P-不对称纵向焊缝形成的偏心力 Z-塑性区中心到截面中性轴距离 L-构件长度；I-构件截面惯性矩
(四)横向收缩引起的挠曲变形
横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横 向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯 曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。
焊接结构中经常会出现多轴应力状态

减少焊接接应力和焊接变形的措施1.选择适当的焊接参数：根据材料的种类和厚度选择合适的焊接电流、电压和焊接速度等参数，以降低焊接接应力和变形的风险。

同时，选择低温软化点的金属填充材料，如铜等，可以降低焊接接应力。

2.采用适当的焊接序列：通过改变焊接顺序，可以降低焊接过程中的接应力和变形。

在多次焊接时，从最中心的部位开始焊接，逐渐向两边延伸。

这样可以避免焊接热量集中在一个地方，减少局部热变形。

3.采用预热和后热处理：预热可以提高焊接材料的可塑性，改善焊接接头的焊接性能。

一般情况下，预热温度为焊接材料的临界温度的50%-70%。

预热后的焊接接头，在焊接完成后应进行后热处理，即将焊接接头加热至临界温度以下保温一段时间，然后缓慢冷却，以进一步消除焊接接头内应力。

4.使用焊接夹具：焊接夹具可以固定工件，减少焊接过程中的变形。

夹具应设计合理，以便保证焊接接头位置准确，但对于自由热变形而言，应当尽量减少夹具的使用。

5.控制焊接热输入量：合理控制焊接过程中的热输入量，以确保焊接接头不过热。

可以采用间歇焊接的方法，在焊接过程中适时停止加热，让工件冷却一段时间以减少热输入。

6.采用适当的接头形状：通过改变焊缝的形状，可以减少焊接过程中的接应力。

一般情况下，V型焊缝和锂阳角焊缝对于减少焊接变形效果较好。

7.选择适当的焊接方式：对于大型工件，可以采用多层焊接或间断焊接的方式进行，以减少焊接材料的热量。

对于特殊形状的工件，可以选择其他焊接方法，如电阻焊、激光焊等。

8.控制冷却速度：焊接完成后，要注意控制冷却速度，避免过快的冷却。

可以采用包裹式焊接，焊接完毕后用保温材料将焊接接头包裹起来，使其缓慢冷却，以减少残余应力。