课件-焊接应力

1、HuaQiao UniversityOF Technology焊接基础焊接基础机电及自动化学院6 焊接应力与变形HuaQiao UniversityOF Technology焊接基础焊接基础机电及自动化学院6 6 焊接应力与变形焊接应力与变形一一. 焊接焊接应力与变形的概念应力与变形的概念焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力。焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力。按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。物体在受到外力的作用时，会出现形状、尺寸的变化，这就称为物体物体在受到外力的作用时，会出现形状、尺寸的变化，这就称为物体的变形。的变形。焊

2、接变形是焊件由焊接而产生的变形（尺寸和形状的改变）。焊接变形是焊件由焊接而产生的变形（尺寸和形状的改变）。焊后焊件残留的变形称为焊接残余变形。焊后焊件残留的变形称为焊接残余变形。在物体受到外力作用发生变形的同时，在内部会出现一种抵抗变形的力，在物体受到外力作用发生变形的同时，在内部会出现一种抵抗变形的力，这种力叫内力。这种力叫内力。在单位截面积上的内力叫应力。在单位截面积上的内力叫应力。内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力 温度应力（热应力） 产生条件：受热不均匀 温度均匀结果：应力残留或消失举例过程：加热-承受压应力-屈服（250）-应力降低、压应变继续增加；750 开始冷却拉应力应变上

3、升-室温-残余应力和相变应力。图图3-1 加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线（二）残余应力 产生原因：不均匀加热 产生条件：局部区域产生塑性变形或相变加热中心杆，温度均匀加热中心杆，温度均匀化后，热应力消失。化后，热应力消失。6.2 焊接应力与变形的形成过程 自由变形、外观变形和内部变形 自由变形： LT=L0(T1-T0) T=LT /L0 = (T1-T0) 外观变形： Lee =Le /L0 内部变形： L =(LT Le) =L /L0 内应力内应力 = E =E (e T)3.2.1简单杆件的应力与变形 图图3-4 金属杆件的受热变形金属杆件的受

4、热变形a）自由变形量）自由变形量b）外观变形量）外观变形量杆件的温度、变形与内应力演变规律 T1温度下1s，则只存在弹性变形； T2温度下2s，则只存在塑性变形， p= e -T - s；图图3-5 低碳钢的应力低碳钢的应力-应变曲线应变曲线对于低碳钢，假定杆件中的对于低碳钢，假定杆件中的应力应力达到达到s后就不再升高后就不再升高即将低碳钢视为理想弹塑性体即将低碳钢视为理想弹塑性体3.2.2不均匀温度场作用下的应力与变形 研究的前提条件：平面假设原理 长板条中心加热（对称加热）图图3-6 长板条中心加热示意图长板条中心加热示意图截取板条的单位长度研究dxYBB.2/2/dxEBBTe2/2/)

5、(0)(2/2/dxxfEBBe温度低，无塑性变形,应力平衡：图图3-7 长板条中心长板条中心加热时的变形加热时的变形2222)(YBBpeBBdxEdx222222)(BCeCCpeCBedxEdxxfEdxE温度高，产生塑性变形，残余应力：0)()(22BBpeedxxfECBE当加热温度高，板中心将发生塑性变形，如果已知塑性区压缩变形的分布规律为当加热温度高，板中心将发生塑性变形，如果已知塑性区压缩变形的分布规律为:)(xfpp则残余应力为：则残余应力为： )(xfEpe残余应力和变形的平衡条件可表达为：残余应力和变形的平衡条件可表达为： 长板条单侧加热（非对称加热）b)和c)两种情况为

6、不平衡力矩，不能发生图图3-8 板条一侧不对称受热时的应力和变形板条一侧不对称受热时的应力和变形板条截面上应力及力矩平衡方程内应力内应力 = E =E (e T)图图3-9板条单边加热到不同温度时的应力与变形板条单边加热到不同温度时的应力与变形BBdxxMdxY0000力矩平衡：内应力平衡：6.2.3焊接引起的应力与变形 焊接时发生焊接应力和变形的原因是焊件受到不均匀加热，同时因加热引起的热变形和组织变形（相变）受到焊件本身刚度的约束。 焊接过程中焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和试件完全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或剩余的应力变形。 焊接残余应力和残

7、余变形会在某种程度上影响焊接结构的承载能力和服役寿命。1.引起焊接应力与变形的机理及影响因素图图3-10 引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系6.3焊接残余应力焊接残余应力这一节讨论焊接残余应力的分布、影响。这一节讨论焊接残余应力的分布、影响。 6.3.1 6.3.1 焊接残余应力的分布焊接残余应力的分布 一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，在板厚小于在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，的薄板和中厚板制造的焊接结构中，厚度方向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴的，厚度方

8、向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴的，即为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中，在即为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向上才有较大的残余应力。厚度方向上才有较大的残余应力。 应力通常表示方法： 将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以x表示； 将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以y表示； 对厚度方向上的残余应力以z表示。1、纵向残余应力的分布x图图3-17 平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布（*此图对于低碳钢适用，焊缝足够长）此图对于低碳钢适用，焊缝足够长）*焊缝长度较短时，焊缝长度较短时， xs焊缝

9、越短纵向应力焊缝越短纵向应力x的数值就越小。（对于低碳钢适用）的数值就越小。（对于低碳钢适用）图图3-18不同焊缝长度不同焊缝长度x值的变化值的变化不同尺寸、不同截面上纵向残余应力x x的分布（对于低碳钢适用）（对于低碳钢适用）不同材料上纵向残余应力在横截面上的分布图图3-19 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布焊缝纵向应力沿板材横向上的分布a)低碳钢低碳钢 b)铝合金铝合金2 2横向残余应力的分布横向残余应力的分布 图图3-22 由纵向收缩所引起的横向应力的分布由纵向收缩所引起的横向应力的分布（1）纵向收缩的影响）纵向收缩的影响-y焊缝较长时，中心部分拉应力焊缝较长时，中心部分拉应力y有所下降有

10、所下降图图3-23 不同长度焊缝上的横向应力的比较不同长度焊缝上的横向应力的比较（2）横向收缩的影响-y图图3-24 不同焊接方向对横向应力分布的影响不同焊接方向对横向应力分布的影响 图图3-25 横向应力沿板宽方向的分布横向应力沿板宽方向的分布 3.4 焊接残余变形3.4.1 焊接残余变形的分类 （1）纵向收缩变形）纵向收缩变形 （2）横向收缩变形）横向收缩变形 图图3-48 纵向和横向收缩变形纵向和横向收缩变形（3）挠曲变形）挠曲变形 :挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起 图图3-49 挠曲变形挠曲变形a）由纵向收缩引起的挠曲变形）由纵向收缩引

11、起的挠曲变形 b）由横向收缩引起的挠曲变形）由横向收缩引起的挠曲变形（4）角变形）角变形 表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移 图图3-50 角变形角变形 （5）波浪变形）波浪变形 （6）错边变形）错边变形 图图3-51 波浪变形波浪变形图图3-52 错边变形错边变形a）长度方向的错边）长度方向的错边 b）厚度方向的错边）厚度方向的错边（7）螺旋形变形 图图3-53 螺旋形变形螺旋形变形焊接变形带来的影响：影响外形和承载能力图图3-54 角变形引起的不圆度角变形引起的不圆度图图3-55 不等厚板搭接接头的角变形不等厚板搭接接头的角变形3. 纵向收缩引起的

12、挠曲变形纵向收缩引起的挠曲变形 eFMf弯矩为：图图3-60焊缝在结构中的位置不对称所引起的焊接变形焊缝在结构中的位置不对称所引起的焊接变形弯矩弯矩M的作用使构件终端的横截的作用使构件终端的横截面发生转角面发生转角和挠度和挠度f。转角。转角可如可如下计算：下计算：IELePf构件的挠度构件的挠度f可由下式获得：可由下式获得：IELePff82平面上的封闭环焊缝导致失稳变形平面上的封闭环焊缝导致失稳变形 图图3-86 平面封闭环焊缝引起的马鞍形变形（计算结果）平面封闭环焊缝引起的马鞍形变形（计算结果）角变形产生的波浪变形角变形产生的波浪变形 图图3-87 角变形引起的波浪变形角变形引起的波浪变形

13、扭曲变形扭曲变形(螺旋形变形螺旋形变形)举例举例图图3-91 工字形梁的扭曲变形工字形梁的扭曲变形a）焊前）焊前 b）焊后）焊后 图图3-92 由纵向焊接错边引起的由纵向焊接错边引起的箱形构件的扭曲变形箱形构件的扭曲变形 6.4.2 影响焊接残余变形的因素影响焊接残余变形的因素1. 焊缝在结构中的位置焊缝在结构中的位置a.产生纵向缩短和横向缩短b.产生弯曲变形2. 焊接结构的刚性焊接结构的刚性 拘束度大，刚性大，越不容易变形3. 焊缝的长度和坡口形式焊缝的长度和坡口形式4. 焊接结构的装配及焊接顺序焊接结构的装配及焊接顺序5. 焊接线能量焊接线能量3.5.3 焊接残余应力与变形的调整与控制 1

14、. 调控焊接应力与变形的焊前措施调控焊接应力与变形的焊前措施（1）合理地选择焊缝的形状和尺寸）合理地选择焊缝的形状和尺寸 图图3-106 焊接箱形梁的不同形式焊接箱形梁的不同形式 应遵循的原则是：应遵循的原则是：尽可能使焊缝长度尽可能使焊缝长度最短；尽可能使板最短；尽可能使板厚小；尽可能使焊厚小；尽可能使焊脚尺寸小；断续焊脚尺寸小；断续焊缝和连续焊缝相比，缝和连续焊缝相比，优先采用断续焊缝；优先采用断续焊缝；角焊缝与对接焊缝角焊缝与对接焊缝相比，优先采用角相比，优先采用角焊缝以及复杂结构焊缝以及复杂结构最好采用分部组合最好采用分部组合焊接。焊接。 (2)尽量避免焊缝的密集与交叉非常重要尽量避免

15、焊缝的密集与交叉非常重要 图图3-107 避免焊缝交避免焊缝交叉的措施与最优焊叉的措施与最优焊接顺序接顺序 图图3-108 轴承的加固形式轴承的加固形式 (3)采用压形板来提高平板的刚性和稳采用压形板来提高平板的刚性和稳定性，也可以减小焊接量和减小变形定性，也可以减小焊接量和减小变形 图图3-109 两种隔舱板的形式两种隔舱板的形式a）压形板）压形板 b）拼焊板）拼焊板(4)改变接头设计改变接头设计图图3-110 减小联系焊缝的变形减小联系焊缝的变形 a）用断续角焊缝焊接面板与槽钢顶面时变形相对严重）用断续角焊缝焊接面板与槽钢顶面时变形相对严重 b）用塞焊连接则变形较小）用塞焊连接则变形较小（

16、5）预变形法（反变形法）预变形法（反变形法）图图3-111 几种反变形的措施几种反变形的措施预变形法举例二预变形法举例二图图3-112 薄壳结构支座焊接的反变形薄壳结构支座焊接的反变形图图3-113 减小减小T型接头的角变形型接头的角变形 2. 焊后调控焊接残余应力与变形的措施 （1）机械方法）机械方法图图3-114 用压力机校正工字梁的挠曲变形用压力机校正工字梁的挠曲变形 图图3-115 锤击法调节中厚板多层焊时的残余应力在厚度（锤击法调节中厚板多层焊时的残余应力在厚度（z向）上的分布向）上的分布锤击法的优点是节省能源、降低成本、提高效率，锤击法的优点是节省能源、降低成本、提高效率，缺点是劳

17、动强度大，并且工件表面质量差。缺点是劳动强度大，并且工件表面质量差。 a)焊后状态焊后状态 b）只锤击最后一道焊缝）只锤击最后一道焊缝 c）逐层锤击）逐层锤击3-116 碾压矫形碾压矫形对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压的方法对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压的方法 过载拉伸法过载拉伸法图图3-119 机械加载降低内应力机械加载降低内应力机械振动法机械振动法图图3-120 振动循环次数与消除应力的效果振动循环次数与消除应力的效果初始应力分布初始应力分布b)试件截面试件截面 c)经过经过6.2106次循环后的内应力分布次循环后的内应力分布 d)经不同循环次数作用后内应力峰值的变化经不同循

18、环次数作用后内应力峰值的变化 （2）加热方法）加热方法一方面材料的屈服极限会因温度的升高而降低一方面材料的屈服极限会因温度的升高而降低 另一方面，高温时材料的蠕变速度加快，蠕变引起应力松弛。另一方面，高温时材料的蠕变速度加快，蠕变引起应力松弛。 图图3-121 钢的弹性模量和屈服极限与温度的关系钢的弹性模量和屈服极限与温度的关系 表表3-2 不同材料消除焊接残余应力的回火温度不同材料消除焊接残余应力的回火温度材料种材料种类类碳钢及低合碳钢及低合金钢金钢奥氏体奥氏体钢钢铝合铝合金金镁合镁合金金钛合钛合金金铌合金铌合金铸铁铸铁回火温回火温度度/580680850105025030025030055

19、060011001200600650局部加热消除应力局部加热消除应力 图图3-123 局部热处理的加热区宽度局部热处理的加热区宽度a)环焊缝环焊缝 b)长构件对接焊缝长构件对接焊缝RB5:经验公式翘曲变形的矫正方法举例翘曲变形的矫正方法举例图图3-125 薄板结构点状加热矫形薄板结构点状加热矫形 温差拉伸法 图图3-128 温差拉伸法温差拉伸法 角变形规律的工程应用角变形规律的工程应用-火焰成形火焰成形图图3-124 气体火焰局部加热矫形气体火焰局部加热矫形图图3-126 火焰成形的三种方法火焰成形的三种方法图图3-127 火焰成形的典型实例火焰成形的典型实例3 .3 .随焊调控焊接应力与变形

20、的措施随焊调控焊接应力与变形的措施 （1）刚性固定法）刚性固定法 图图3-129 刚性固定法焊接法兰盘刚性固定法焊接法兰盘图图3-130 采用焊接夹具防止波浪变形采用焊接夹具防止波浪变形图图3-131 防止薄板波浪变形的辅助措施防止薄板波浪变形的辅助措施a）采用压铁）采用压铁b）用角钢临时增加近缝区刚性）用角钢临时增加近缝区刚性 （2）减小焊缝的热输入）减小焊缝的热输入 图图3-132 防止非对称截面挠曲变形的焊接防止非对称截面挠曲变形的焊接直接水冷（图直接水冷（图3-133a）采用铜冷却块（图采用铜冷却块（图3-133b）来限制焊接热场）来限制焊接热场 图图3-133 通过加强冷却来减小焊接

21、变形的方法通过加强冷却来减小焊接变形的方法a）直接水冷）直接水冷 b）采用铜冷却块）采用铜冷却块 限制和缩小焊接热场来减小焊接变形（3）合理安排装配焊接的顺序）合理安排装配焊接的顺序 321321fff挠度焊接次序213321fff挠度焊接次序31321312fffff挠度焊接次序图图3-134 带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序 方案一方案二方案三321213fff挠度焊接次序（4）预拉伸法）预拉伸法 (预置应力法预置应力法)图图3-135 施加预拉伸载荷的几种方案施加预拉伸载荷的几种方案 图图3-136 常温下预拉伸的纵向应力场常温下预拉伸的纵向应力场a）平板）平

22、板 b）筒体）筒体（5）焊时温差拉伸法）焊时温差拉伸法 图图3-137温差拉伸专用夹具温差拉伸专用夹具随焊温差拉伸的效果随焊温差拉伸的效果图图3-138 Tp为为150时的焊接温度场时的焊接温度场 图图3-139 温差拉伸作用下的焊缝纵向残余应力温差拉伸作用下的焊缝纵向残余应力（6）随焊激冷）随焊激冷 （又称为逆焊接加热处理（又称为逆焊接加热处理 ）图图3-140 随焊激冷法的原理随焊激冷法的原理图图3-141几种随焊激冷方案几种随焊激冷方案图图3-142 柔性随焊激冷器柔性随焊激冷器图图3-143 常规焊与随焊激冷焊接的温度场常规焊与随焊激冷焊接的温度场（7）随焊碾压）随焊碾压 图图3-144 随焊碾压防止热裂的原理随焊碾压防止热裂的原理（8）随焊锤击）随焊锤击 图图3-145随焊锤击实施方案随焊锤击实施方案1-焊枪焊枪 2-汽锤汽锤 3-固定平台固定平台 4-锤头锤头 5-工件工件图图3-146 两种随焊锤击方式两种随焊锤击方式a) 强化焊趾强化焊趾 b)强化焊缝强化焊缝 随焊锤击方法的主要缺点随焊锤击方法的主要缺点是焊缝的表面质量不佳，是焊缝的表面质量不佳，存在明显的锤