焊接应力与焊接变形

1、焊接应力与焊接变形1.内应力及其分类2.焊接应力和变形产生的原因3.焊接应力的特性4.焊接应力的复杂性5.焊接残余应力对焊件使用性能的影响6.焊接残余应力引起的事故实例第一讲 焊接应力和变形的产生与影响3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 概述焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种方法。焊接生产过程是指采用焊接工艺方法把毛坯、零件和部件连接起来 制成焊接结构的生产过程。焊接生产在工程建设和工程施工中是最主要的环节之一。石化企业的建设焊接工作量约占1/3；输油气管道建设中是大规模的焊接过程。例如，不计附属设施焊接，西气东输工程6000km的管道，若每根

2、管子长12m，仅焊接接头就50万个。 因此，焊接质量在一定程度上决定了工程质量。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 概述保证焊接质量就要保证结构焊接接头的良好形状和力学性能；最少的焊接缺陷；以及结构的最小残余应力和变形，残余应力和变形对焊件的使用性能影响很大，因此必须采取消除和降低措施。由于残余应力的隐蔽性、复杂性、多变性等，因此，在采取措施时，应在结构制造过程的多环节中采取多样化的技术措施。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 内应力及其分类 焊接应力(Welding Stress)属于内应力(Internal Stress)1.1 内应力定义 内应力是在没有外力作用下而

3、存在于物体内 部的应力，产生于制造的各工艺环节，如：铸、锻、焊、轧制、机加工、热处理、表面工程以及组装等。1.2内应力的产生原因不均匀的塑性变形：加工载荷不均匀、金相组织变化、内部的位相差等。不均匀的温度场；物体各部位热胀冷缩的不协调 。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 内应力及其分类不均匀的相变：金属发生相变时,由于体积变化发生而引起。如： AF；A M。1.3 内应力的分类第一类内应力 在物体实际尺寸范围内平衡和分布的内应力，故又称宏观内应力。例如焊管成型：如图2-1不均匀的化学变化：物体各部分的材料在各种作用下发生的化学变化的部位相互作用（由表及里）而产生的，如渗碳、渗氮

4、等表面热处理工艺 1.3.1 按平衡范围分类3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 内应力及其分类图1-1 弯曲引起内应力宏观示意图注意：产生残余内应力的方向和弯曲时受力方向正 好相反3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 内应力及其分类第二类内应力 在金属晶粒尺寸范围内平衡和存在的内应力，故又称为微观内应力，这是由于相邻晶粒（或晶块）之间的位相差或各向异向引起的不均匀塑性变形，在几个晶粒（或晶块）之间平衡形成的内应力。如图2-2图2-2 发生不均匀变形的三个晶粒3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 内应力及其分类第三类内应力 在平衡于晶格尺寸范围的内应力，故又

5、称为超微观内应力。例如，晶粒滑移后发生的晶格畸变多引起的在几个晶胞范围内的内应力 研究焊接应力主要是第一、二类内应力。1.3.2 按产生原因不同分类不均匀塑性变形引起的内应力热应力 焊接应力属热应力 相变应力化学作用引起的内应力3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 内应力及其分类瞬时内应力 应力值的大小和分布随时间而变化的内应力1.3.3 按内应力随时间变化的关系分类 焊接过程产生的内应力属瞬时内应力，焊接结束后产生的内应力属残余内应力。残余内应力 应力值和分布不随时间变化，是去除外力或（和）温差后仍留存在物体内部的应力。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和

6、变形产生的原因焊接应力是在焊接过程中和焊接焊接完成后在工件中产生的内应力。焊接过程中产生瞬时内应力。瞬时应力可能引起焊接变形和焊接热裂纹。焊接后产生残余应力。残余应力的存在是产生焊接冷裂纹主要原因之一，如延迟裂纹、应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹等。焊接过程的不均匀热涨和冷缩，不仅产生焊接应力，同时产生焊接变形。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产生的原因 焊接瞬时应力来源于焊接热源对工件的局部加热而引起的不均匀温度场，从焊接开始到工件温度恢复到初始温度以前，焊件中的内应力始终随温度场的变化而变化。温度场的变化分为两种情况。2.1 焊接瞬时应力的产生2.1.1 加热温度较低

7、不产生塑性变形。(低碳钢不超过500，一般结构钢不超过600) 为了把抽象问题形象化建立弹簧模型说明之。如图3-1A受热自由深长L，三个弹簧固定后伸长了L，A受压，BC受拉3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产生的原因图2-1 内应力的三弹簧模型L和L大小随温度大小变化，但都在弹性范围。当A恢复到原始温度时，变形为零，应力也为零。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产生的原因只要高温区仍有弹性（弹性下降），该区总是受压，距热源较远低温受拉，在降温过程的前段仍保持此态势，但应力值大小持续变化。2.1.2.当加热温度较高，在热源附近产生塑性变

8、形 当降温到一定程度，高温区逐渐变为受拉，整个过程是动态的。在任何时刻，正负应力区的应力和为零。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产生的原因试验 ： 3根同材料、同长度纲棒，均匀加热，加热温度900C。如图2-2 假如构件是均匀加热并能自由收缩，则不产生残余应力和变形；若均匀加热，由于约束作用，而产生压缩变形，但能自由收缩，则产生残余变形而无残余应力；若不均匀加热，同时，不能自由收缩，则产生残余应力，又产生残余变形，焊接属于最后一种。2.2.1均匀加热引起的应力与变形2.2.焊接残余应力和变形的产生3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产

9、生的原因图2-2 钢棒在加热和冷却时的变形结果：a)不受约束的均匀加热，自由伸长，自由收缩 ， 无残余应力与变 形； b) 均匀加热，900C被压缩，之后自由收缩， 有残余变形，无残余应力； c) 杆件均匀加热伸长受阻，冷却时自由收缩， 则有残余变形，而无残余应力。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产生的原因试验：在平板上，堆焊一条纵向焊缝，属不均匀加热和冷却。如图2-32.2.2.不均匀加热引起的应力变形3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产生的原因图2-3 低碳钢平板焊接时的应力和变形过程：a)加热时，焊缝区受压(-)而远离焊缝 区

10、受拉(+)，产生压缩塑性变形； b)冷却时，由于压缩塑性变形，试板回不 到原来位置，产生残余 变形L，此时焊 缝区受拉(+)，而远离焊缝区受压(-)。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接应力和变形产生的原因金属不均匀受热时，只要加热温度高于屈服温度，加热时产生压缩塑性变形，焊后会同时产生残余应力和残余变形。2.2.3 小结焊接过程中的变形和残余变形方向相反。焊接加热时焊缝附近产生压缩塑性变形，冷却后收缩充分（材料塑性好，刚度小）， 则变形大、应力小，反之亦然。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 焊接应力的特性自相平衡性是一切内应力的基础特征，在构件范围内无论瞬时

11、应力还是残余应力都是平衡力系，即：3.1 焊接应力的特性 3.1.1 自相平衡性3.1.2 遵循叠加原理在焊接应力产生和演变过程中，如果热应力、组织应力和约束应力同时存在两种或三种，最终结果为两种或三种应力的叠加。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 焊接应力的特性投入使用的焊接结构残余应力与工作载荷引起的应力方向一致，叠加后可能影响承载能力。当残余应力与工作应力方向相反时，叠加结果使实际应力下降，可提高承载能力和使用寿命。两种应力同向时，叠加结果使构件局部应力增加到接近甚至超过屈服极限。当局部应力超过 ，对于高塑性材料不影响主要强度，但降低刚度；对于低塑性或者脆性材料，可能导致局

12、部破坏或早期失效。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 焊接应力的特性投入使用的焊接结构残余应力与工作载荷引起的应力叠加可能影响承载能力。当残余应力与工作应力相反时，叠加结果使实际应力下降，提高承载能力和使用寿命。两种应力同向时，叠加结果使构件局部应力增加到接近甚至超过屈服极限 。当局部应力超过 ， 对于高塑性材料不影响主要强度，但降低刚度；对于低塑性或者脆性材料，可能导致局部破坏或早期失效。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 焊接应力的特性当焊件工作或环境变化（加热、加载）引起的应力与残余应力相叠加超过材料的屈服强度 时，残余应力的分布状况也将发生变化，一般应力峰值

13、会下降，如果应力叠加产生全面屈服，则残余应力会消除。3.1.3 应力重分布现象残余应力的分布状态变化称为应力重分布，伴随应力重分布所产生的变形成为二次变形。应力重分布的正面影响是降低残余应力的峰值，提高承载能力和使用寿命，如焊接钢管的扩径，或增大水压试验的压力。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3焊接应力的特性. 应力重分布的负面影响是可能降低工件的尺寸精度和尺寸稳定性，如水压试验后的焊管的“胀管”或尺寸超标。3.1.4 无明显的外观表现焊接应力和焊接变形是同时产生的，但后者在工程上给予极大关注，前者往往关注不够甚至被忽视，原因是焊接变形比较直观，焊接应力比较隐秘。焊接应力测试困难和

14、计算方法复杂是引起重视不够的主要原因 ，人们在发生事故或者在付出代价后，才能加强对焊接应力的重视。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊接应力问题的复杂性 焊接应力源于焊接过程的局部加热造成的不均匀塑性变形，因此焊接温度场的特性及焊接材料的力学和物理性能的变化对焊接应力的分布和演变有直接影响。焊接应力问题复杂也源于焊接温度场的复杂性。4.1 焊接温度场的温度范围大焊接温度经历了常温熔点以上常温的过程。材料的物理和力学性能随温度的变化而变化。如图4-1，反映了不同材料的物理和力学性能随温度变化的情况。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊接应力问题的复杂性图4-1 金

15、属屈服极限与温度的关系1-钛合金2-低碳钢3-铝3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊接应力问题的复杂性材料不同，焊接时所处温度场的瞬时位置不同，材料所表现的物理和力学性能不同，所产生的力学行为（弹性、弹塑比、和塑性）也不同，所以焊接应力的分布异常复杂。4.2 焊接温度场的温度分布极不均匀焊接温度场的温度分布不均匀性给焊接应力分析时的模型、分析和计算带来困难。以薄平板在焊接某一瞬间的温度为例，如图4-2 (此为最简单的温度分布图)以薄平板在焊接某一瞬间的温度为例，如图4-2 (此为最简单的温度分布图)3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊接应力问题的复杂性图4-2

16、焊接温度场3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊接应力问题的复杂性焊缝的固液转变和相变可能造成在热应力的基础上叠加相变应力，从而改变焊接应力的大小分布。4.3 在焊接温度场温度变化的同时伴随着固液转变 和相变3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5.焊接残余应力对焊件使用性能的影响对于塑性很好的材料，在承载静拉力时，因为材料是足够的延性进行塑性变形，因此残余应力不影响焊件的承载能力，如图5-15.1 对强度的影响图5-1 塑性好的材料内应力对承载内应力影响示意图3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5.焊接残余应力对焊件使用性能的影响对于脆性材料或在高残余拉应力区存在

17、缺陷，或在脆韧转变温度以下服役的焊件，由于处于脆性状态，或受三向拉应力作用，材料不能发生塑性变形，当外力与内应力叠加达到材料的抗拉强度时则可能发生局部断裂。5.2 对刚度的影响焊接残余应力与外载引起的应力叠加，可能使得焊件局部提前屈服产生塑性变形，焊件的刚度因此而降低。在循环应力作用下，如果在应力集中处存在残余应力，则将使得焊件的疲劳强度降低。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5.焊接残余应力对焊件使用性能的影响残余应力处在应力区，主要降低受外压薄壁筒体或其他受压构件的稳定性，是使得薄壁壳体焊后或使用过程产生失稳破坏的主要原因之一，如减压塔 以及接管与筒体连接都要补强或用加强圈。5.

18、3 对受压焊件稳定性的影响5.4 对加工精度的影响由于焊件残余应力的存在和加工过程中的应力释放，对工件的加工精度有不同程度的影响，焊件的刚度越小，对精度的影响越大，在机加工过程中常出现的“黑皮”或加工后尺寸超标。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5.焊接残余应力对焊件使用性能的影响焊接残余应力随时间发生变化，使残余应力的释放转化为残余变形，焊件尺寸随之变化。焊件尺寸稳定性受残余应力稳定性的影响，如机床时效5.5 对尺寸稳定性的影响5.6 对耐腐蚀性的影响焊接残余应力和载荷力一样能导致焊件的应力腐蚀开裂，即使没有载荷应力，也会导致焊件的氢脆。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量

19、6. 焊接残余应力引起的事故实例 据报道，美国1984年发生一起单乙醇胺吸收塔的容器焊接接头破坏事故，导致17人死亡，财产损失超过1亿美元。该容器直径为2.6m，长度16.8m，壁厚25.4mm，充填介质为丙烷和硫化氢，工作温度为37.8，内压为1.4Mpa.据1985年发表的研究报公布的结果，其中一个重要原因是该容器焊后没有经过热处理。结果焊接热影响区存在淬硬组织和残余应力，在操作条件下诱发了裂痕，并造成整体破坏，该报告建议，对发生热影响区硬化的焊接接头必须进行预热和焊后热处理。1.焊接残余应力的分类 2.焊接残余应力的分布及其影响因素3.调整和减小焊接残余应力的措施4.焊后消除焊接应力的方

20、法5.介绍几种大型焊件消除残余应力新技术第二讲 焊接应力的消除与调正 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 综 述焊接过程的局部加热并产生压缩塑性变形是产生焊接应力的根本原因，因此，焊接过程产生应力和变形是不可避免的。焊接应力的消除只能理解为消除对焊件使用性能的影响，不能认为焊件的残余应力为零。焊接应力的调整可以从两个方面理解，一是残余应力和残余变形之间的调整；二是对焊接应力峰值的调整。为了掌握消除与调正焊接应力的方法，应对焊接应力的产生、分布及影响因素等规律性东西预以掌握。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1.焊接残余应力的分类根据应力性质划分：拉应力，压应力。根据引起应力的

21、原因划分：热应力、组织应力（相变应力）、拘束应力。根据应力作用的方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力。根据应力在焊接结构中存在的情况划分：单向应力、两向应力、三向应力。根据应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接残余应力的分布及其影响因素纵向残余应力是指应力的作用方向与焊缝平行的残余应力，一般用 表示。2.1 纵向残余应力的分布及其影响因素厚度不大的焊件的残余应力基本上是平面残余应力，厚度方向的应力很小，在讨论纵向、横向残余应力时，暂不考虑厚度方向应力。纵向应力的分布与焊接过程中形成的压缩塑性变形的大小和分布有关

22、，凡影响压缩塑性变形的因素，如输入热（线能量）、刚度、材料性质等都会影响残余应力的分布。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接残余应力的分布及其影响因素不同宽度板料，板边堆焊的残余应力的分布如图2-1所示。2.1.1 板边堆焊的残余应力分布及其影响因素图2-1 板边堆焊残余应力分布3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接残余应力的分布及其影响因素在相同的焊接条件下，构件的几何尺寸不同（W不同），其刚度也不同，较宽板焊缝附近产生高达屈服极限的拉应力（a），较窄的板，焊缝应力值较小，可能为压应力（b） 。窄板焊缝及其附近为压应力，分布较均匀（c）。同样的板宽不同的工艺

23、参数（线能量），由于形成的温度场不同，压缩变形区的大小也不同。实验表明，当板宽为100mm，板边堆焊速度0.72m/min，焊接电流小于150A，堆焊处产生拉伸残余应力；焊接电流超过150A，该处产生压缩残余应力。增大焊速与减小电流相似。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 焊接残余应力的分布及其影响因素沿焊缝方向的纵向应力 在焊缝及其附近一般为拉应力。对于低碳结构钢和强度不高的低合金钢（400Mpa ）焊缝的残余应力 可以达到材料的屈服强度，见图2-2所示。2.1.2平板对焊的残余应力分布及其影响因素图2-2 焊缝中纵向残余应力 分布3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2

24、. 焊接残余应力的分布及其影响因素钢板对接时，应力分布与板宽有关。若以温度场600c以上受热区宽度b来衡量，当b/w490Mpa（50kg级）的调质钢，球罐壁厚控制为不需焊后热处理的范围，即 38mm（我国允许 40mm）；以西欧为代表，采用 490Mpa，壁厚不受限制，焊后整体热处理。3.2 工艺措施3.2.1 采用合理的焊接顺序及方向构件装配时的焊接顺序对残余应力影响很大，选择顺序原则如下：3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 调整和减小焊接残余应力的措施先焊收缩量较大的焊缝，使其焊缝尽量能够自由收缩。如在有对接和角接焊缝的结构中，应当先焊收缩量较大的对接焊缝。如图3-8先焊工

25、作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。如图3-8所示。工字梁应当先焊受力的最大的翼缘焊缝1，然后焊腹板对接焊缝2，最后焊接预先留出的翼缘角焊缝3。这样焊成的梁，抗疲劳强度比先焊腹板的梁高出30%。图3-8 工字梁的拼接顺序 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 调整和减小焊接残余应力的措施拼板时应先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝，使焊缝有较大的横向收缩余地。如图3-9图3-9 合理的拼板焊接顺序 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 调整和减小焊接残余应力的措施尽量使焊缝能在刚度较小的情况下焊接，使焊缝的收缩比较自由。对接焊缝的焊接方向，应指向自由端。例球罐壳体的拼焊。

26、例：大型容器的底部拼。如图3-10图3-10 大型容器底部拼板焊接顺序3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 调整和减小焊接残余应力的措施 例如在焊接封闭焊缝时，可用反变形法来降低接头刚度，以减小焊后残余应力。如图3-113.2.2 降低接头刚度 图 3-11 采用反变形减小 残余应力3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 调整和减小焊接残余应力的措施 锤击可以使焊缝得到延展，从而降低拉伸应力的峰值。锤击可在500以上的热态下进行，也可在300以下的冷态下进行，这样可避免钢材的兰脆。锤击可以用手锤或锤头为一定直径的半球形风锤来进行，但施力适度。膨胀系数大的钢材不可锤击。3.

27、2.3 锤击焊缝3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 调整和减小焊接残余应力的措施 在结构的适当部位进行加热，使它产生与焊缝收缩方向相反的伸长变形。在冷却时，加热区的收缩方向相同，由于焊缝的收缩比较自由（接近自由收缩）从而减小了内应力。如图3-12为轮幅、轮缘断口焊接时采用局部加热法的实例。 3.2.4 利用局部加热造成反变形 图3-12 轮辐及轮缘的 断口焊接a）轮辐焊接；b）轮缘焊接3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 3. 调整和减小焊接残余应力的措施 预热法可以是局部加热，也可以是整体加热。例如球罐的壳体焊接，往往采用局部加热。对于焊接易裂材料（如中碳钢，高碳钢、合金

28、结构钢、铸铁件等）焊接，常用此方法。其目的是减小焊接区和结构整体的温度差，能使焊缝区与结构整体尽可能均匀冷却。3.2.5 预热法 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法 对于塑性好，韧性高的焊件残余应力对其承载能力影响不大，但对于强度高、塑韧性差或低温和动载下使用的构件，残余应力的不利影响是不容忽视的。对于需要进行机加工的构件，也必须进行消除应力处理，否则会因残余应力的释放而产生的变形影响及加工精度。消除残余应力的方法如下：4.1 整体热处理4.1.1 方法与原理整体热处理是将构件加热到回火温度，保温一定时间后再冷却。 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质

29、量 4. 焊后消除焊接应力的方法这种方法的机理是金属材料在高温下发生蠕变现象，同时屈服点降低，易发生塑性变形，从而使应力松弛。随着温度的提高和保温时间的延长，金属材料的蠕变更加充分。 4.1.2 焊后消除应力热处理带来的问题母材和焊缝金属性能恶化 某些材料在热处理过程中长时间加热，会使其力学性能变差。如高温停留时间过长，Cr-Mo钢焊缝金属会出现粗大的铁素体组织，使其强度降低；低温用镍钢的断裂韧性下降；有些厚壁容器，经多道工序加热，使材料力学性能变差等。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法有再热裂纹倾向 对于强度级别较高的铬钼钢，如Cr-Mo-V-B，Cr-

30、Mo-V等系列钢，在消除应力热处理时，热影响区都有发生再热裂纹的危险。因为这些钢在危险温度区（500600）再热时，晶间杂质（P、S、Sb、Sn、As等）析集对晶界的弱化作用，以及沉淀强化元素（Cr、Mo、V、Ti、Nb等）的碳、氮化合物，在二次加热时的晶内沉淀强化作用，使应力松弛的塑性变形，集中到晶界。当晶界塑性储备不足时，即产生再热裂纹。热处理时应尽快通过温度危险区。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法产生塑性变形 对于某些刚性固定组装的构件，在消除应力热处理过程中，应力的释放，可能造成较大的塑性变形。4.1.3 整体热处理的工艺控制 整体热处理应控制好

31、加热温度，加热速度，恒温时间和冷却速度。图41是材质为NK-HTTEN610U2L低温球罐 用钢，消除应力处理的方案。 图4-13.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法材料类别钢号焊后热处理壁厚/mm温度/管材2036600650Q390（15MnV）20520570Q345（16Mn）60065012CrMo65070015CrMo1067070012Cr1MoV672075012Cr2MoWVB12Cr2MoVSiTiB任意壁厚7507801Cr5Mo板材碳素钢38600650Q345R（16MnR）34Q390R（15MnVR）32520570表4-1 常

32、用钢材焊后消除应力热处理3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法加热速度 控制最大升温速度是为了防止加热过快，造成构件大的温度梯度。从而使材料受热不均而引起构件的变形，甚至引发裂纹。在升温至300后，加热速度不应超过 h（ 为构件厚度），且不大于220h。保温时间 控制保温时间是使残余应力有足够的时间进行松弛。保温时间主要取决于壁厚及材质，保温时间过长，会对材料性能，尤其是韧性产生不良影响。保温时间大致为：碳素钢每毫米厚度需25min；合金钢每毫米壁厚需3min,且不少于30min，但最长不应超过3小时。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除

33、焊接应力的方法冷却速度 控制冷却温度同样是防止构件产生过大的温度梯度，从而防止构件产生新的残余应力和变形。冷却速度不应超过 h，且不大于275h。，300以下可自然冷却。4.1.4 整体热处理形式炉内整体热处理 该形式受热处理设备能力的限制，如某设备制造厂自制的大型台车式节能型电炉，只能处理长为16M，直径为3M的构件，不能超出此规格。热处理过程应注意温度控制、支撑牢固、火焰不与设备接触等。 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法整体内热处理 该方法是将热源引入容器内进行加热。尺寸较大的容器一般采用高速喷嘴喷燃气，在容器内燃烧加热，也有运用远红外电加热器加热的

34、。在热处理过程中，用热电耦测控器内温度，器外用绝热材料进行保温。应用实例，如图4-2图 4-2 立式容器整体热处理1-超音速燃烧喷嘴2-热风分配管3-支架4-保温层3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法实践表明，整体高温回火消除残余应力效果最好。它有可能消除8090%的残余应力，但受热处理条件限制或从制造成本考虑，尽量不进行整体热处理。最好的办法是控制构件的厚度。表4-2即为各国标准中可不进行焊后热处理的最大焊件厚度。 4.1.5 控制不进行焊后热处理的最大焊件厚度 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法钢种HPIS/WESI

35、SOTC11IIWX-WGASMESec. VIII碳素钢3830，385032505038C-Mo16，2020191.25Cr-0.5Mo13，1615192.25Cr-1Mo8，00195Cr-1Mo0003.5Ni50协议5019钢种ASMESec.IIIANSIB31.3BS5500BS2633碳素钢321935303838C-Mo0192012.51.25Cr-0.5Mo012.7012.52.25Cr-1Mo012.7005Cr-1Mo00003.5Ni1919任意壁厚15.2表4-2各国标准中可不进行焊后热处理的最大焊件厚度3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后

36、消除焊接应力的方法4.2 局部高温回火方法与用途 高温局部回火的方法是将焊缝及其附近应力较大的局部区域加热到高温回火温度，然后保温及缓慢冷却。常用于管道和长筒形容器的焊接接头以及长构件对接接头的回火处理。效果局部高温回火难以完全消除应力，但可降低其峰值，是应力分布比较平缓。消除应力的效果取决于局部热处理的加热区宽度。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法一般技术上， 所提到的热处理宽度，实际上是指应达到热处理恒温温度的宽度，即均温带宽度。不同国家对热处理宽度作了不同的规定。表4-3 是其中几例：国家标准号 技术规定 备注中国SDJ51-82从焊缝中心起每侧不少

37、于焊缝的3倍，且不小于30mm。均温带宽度英国BS2633均温带宽度为1.5 ，加热宽度为2.6 为壁厚国标ISOTC11加热宽度为R为管子的半径表4-3 国内外标准对热处理加热宽度的规定注：加热宽度是指加热元件的直接作用范围。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法加热方法电阻炉加热 电阻炉加热应注意炉体和炉外适当 长度的保温，以降低温度梯度。感应加热 在实际生产中多采用工频感应加热和中频感应加热，应注意加热段的保温。一般用石棉布包扎。由于中频感应加热的电流集肤效应强，使得内外管壁温差大，故不适于厚壁容器。工频加热内外壁温差小。远红外加热 管内外温差更小，可以

38、到用不同波长的远红外线加热组件，组成加热器，使用方便。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法控制好加热和冷却速度 升温太快不同部位的温差增大，易产生较大的温差应力；降温过快也会产生新的残余应力。我国SDJ51-82规定，升温速度为25025/（/h），降温速度与升温速度相同，而GBJ236-82规定，降温速度不应大于27525/（/h），且不大于275/h，300以下可以自然冷却。工程实例 大型外式容器的局部热处理。如图4-33.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法b.贮罐内热式局部热处理 1-支架 2-隔板 3-电加热器 4-

39、保温 5-容器aba.大型卧式容器的局部热处理图4-33.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法方法与用途 焊接件在激振器的作用下发生谐振，经过若干时间后残余应力逐渐降低。该方法机理的合理解释是，构件在发生谐振时振幅较大，振动引起的应力与残余应力叠加达到材料的屈服点时，发生应力松弛，从而降低残余应力的峰值。振动法所需时间短，成本低。特别适合于对再热裂纹敏感性高的材料构件。4.3 振动法3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法注意问题 振动法有降低结构疲劳强度的危险，国内外对该方法有不同的看法。欧洲工业发达国家在缺陷评定规范中规定，使

40、用振动消除应力的构件要计算其残余应力。结构复杂的焊接结构，很难用此法均匀的消除焊接残余应力。 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法工程应用实例 图4-4是材料为WEL-TEN80钢制挂钩用振动法消除应力的示意图。该钢再热裂纹敏感性较高，激振器频率89Hz，振动时间20min，加速度7.89.8m/S ，用育孔法测量残余应力，峰值下降了36%。图4-4 振动法消除挂钩应力3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法方法与原理 在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝区的残余应力与其叠加，以达到消除残余应力的目的。如图4-5，为过载法原理的

41、示意图。a）为焊后残余应力分布情况；b）为加载后材料发生与焊接时产生的压缩塑性变形相反的变形；c）为卸载后应力峰值的降低。拉伸的塑性变形越大，消除的残余应力越多。4.4 过载法 图4-5 过载法消除残余应力示意图a)加载前残余应力分布 b)加载后残余应力分布 c)卸载后残余应力分布3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法负面影响 该方法是以消耗构件的塑性储备为代价的。对于一般构件是不允许过载到完全屈服的。因此过载法只能降低残余应力峰值。工程应用实例(1)压力容器在焊后的水压试验中，采用1.31.5倍的设计应力试压，可使容器的残余应力峰值降低30%左右。(2)直缝

42、埋弧焊管UOE成型工艺的冷扩径（Expanding）工艺。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法(3)焊管的水压试验 API5L管线管规范中规定，试验压力为0.9SMYS（规定的最小屈服强度），而国外有些规范只规定最低试验压力，而不规定最高试验压力。 4.5 温差拉伸法 方法与用途 在焊缝两侧用可移动的火焰进行加热，与火焰移动的同时喷水急冷，造成焊缝两侧高，焊缝区低的温度场。两侧的金属因受热膨胀对温度较低的焊缝区进行拉伸，并产生塑性变形，从而降低了焊缝区的残余应力。如图4-63.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法 这种方法在焊

43、缝比较规范、厚度不大于(40mm)的容器，船舶等壳体结构上有一定的应用价值。图4-6 温差拉伸法 1火焰加热炬； 2喷水排管； 3焊件3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法工艺参数的选择 该方法如果工艺参数选择适当，可取得较好的消除残余应力效果，如表4-2。钢板厚度/mm焰炬宽度/mm焰炬中心距/mm焰炬移动速度/（mm/min）86011560010601254001010015560015100180500171001803002010018025025100180200301001801753510018015040100180125注：焰炬宽度为100

44、mm时，每个焰炬乙炔消耗量为17m3/h，耗水量56L/min，焰炬与水管距离为130mm。表4-2 b500MPa低碳钢温差拉伸法消除应力的工艺参数3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法方法与用途 碾压法也称滚压法，即在焊缝表面用滚轮施加一定压力，使焊缝产生局部塑性变形来减小残余应力或改善其分布。对于薄壁构件上的环缝、直缝等规则焊缝，可以达到与热处理相同的效果。若构件尺寸较大，不易采用此工艺。 4.6 碾压法 高频直缝焊管的毛刺清除，对消除焊接力是否也起到了相同的作用。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 4. 焊后消除焊接应力的方法综合效果 图4-7

45、为薄壁通体碾压法消除残余应力与热处理消除应力效果比较。碾压处理对焊缝的力学性能和组织状态无明显影响。 图4-7 碾压与热处理消除应力效果的比较a)焊后残余应力分布 b)用固溶处理方法消除残余应力后的残余应力分布 c)使用13600N力滚压焊缝后残余应力分布3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术方法与用途 利用钨极与焊缝间产生的电弧，在氩气保护下，重新熔化和结晶的方法。该方法可改善大型构件焊缝的横向残余应力，降低由于焊趾缺陷造成的应力集中，除去已存在的表面缺陷，减轻因焊缝横断面形状不好（如余高过高）而引起的应力集中，是延长疲劳寿命的有效方法。5.1

46、 TIG重熔工艺综合效果 试验表明该方法对纵向应力改善不明显，残余应力绝对值下降不大，对纵向残余应力的均匀分布有一定的效果，对横向残余应力明显改善。残余应力趋向均匀，减少了使用中的应力集中。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术工艺方法与适用范围 所用设备为超声冲击设备，束状冲头，在超声频率大于1.6万Hz下，对焊趾和焊缝表面进行冲击，设备和操作过程如图 4-7和图4-8。5.2 超声波冲击工艺 设备调试 图4-73.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术冲击前预处理 图4-73.1 加强师资队伍建设，

47、保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术图4-7对角焊缝仰位处理 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术图4-7对角焊缝俯位处理 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术图4-7对环型焊缝平位处理3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术图4-7使用盲孔法进行残余应力检测3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术图4-8 设备超声冲击设备的参数：项目 规格 WELL- WELL-额定频率（KHZ

48、） 20 20额定功率（W） 250 350最大输出振幅（um） 50 输入电压（V） 22010%机电转换效率（%） 90处理速度（m/h） 20-403.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术该方法比较是适用于高拘束状态短焊缝的局部处理，如局部的焊接修复，大构件的组配焊接，以及在厚壁结构上焊小构件等以及焊缝承受较大拘束应力处。他的基本原理是利用超声波推动冲击工具头以每秒1.6万次以上的频率冲击焊缝区域，使焊缝的残余应力得以减小，焊趾的应力集中得以改善，被冲击部位表面得以强化。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残

49、余应力的新技术效果 (1)超声冲击对一定深度的表层有消应力效果，在采用焊道全覆盖冲击时，对24mm深度层消应力效果可达3455%，达到JB/T5926-91标准要求；(2)电渣焊的冲击消应力效果，如图 4-9 ；图4-9 电渣焊的冲击消应力效果 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术(3)埋弧焊效果，如图4-10；(4)对焊趾进行冲击，可修复焊趾的缺陷，降低应力集中，并对应力区压缩，降低残余应力达19%，明显提高焊接接头的疲劳寿命。图4-10 埋弧焊的冲击消应力效果3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新

50、技术存在问题 工作效率偏低，约为 ，故不易用于大型多焊缝构件的处理。5.3 爆炸工艺5.3.1 基本原理 爆炸处理工艺是近年发展起来的新工艺，其基本原理可归纳以下几点：(1) 爆炸消除应力是利用爆炸产生的冲击波使产生残余应力的相关区域产生塑性变形，从而达到消除焊接残余应力的目的。 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术(2)退火法消除残余应力是利用金属在高温下的蠕变性能而产生塑性变形使应力松弛。而爆炸法在高压作用下金属呈现类似流体流动的规律。在这种条件下金属会在残余应力场的诱导下发生流变，在拉应力区产生伸长塑性变形，在压应力区产生压缩性变形。对着

51、塑性变形的不断进行，残余应力逐渐释放，塑性变形越大，残余应力消除越多，残余应力消失了，塑性流变随即停止。(3)爆炸法有中性爆炸和硬性爆炸之分。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术爆炸消除应力多采用橡胶炸药。炸药做成条形，炸药主要成分是黑索金（RDX）。5.3.2 工艺方法 图4-11 焊接试板在炸药与构件之间布置防烧蚀缓冲层，防止构件表面被炸药爆炸时产生高温烧蚀。防烧蚀缓冲层常用橡胶垫和油毛粘垫。工程试验实例：焊接试板见图4-11；3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术装药布置示意图，见图4-12

52、。图4-12 装药布置示意图3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术爆炸法消除应力快速简便，能耗低，价廉，且不受构件和设备限制，越是大中型复杂构件，越是特殊钢种，越能发挥其优越性，尤其是再热裂纹敏感材料。5.3.3特点与用途该方法消除残余应力，但消耗了金属材料的部分塑性，因此对于低温和动载下使用的构件要慎重选用。据报道，消除厚度可达70mm（厚板可采用双面爆炸），可减小残余应力峰值60%。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术振动焊接工艺又称振动调制焊接，它既能提高焊缝质量，又可减小焊接变形和焊接应力

53、，是目前国内外正在研发的新技术。振动焊接是指在焊接过程中，根据不同构件施加不同参数的机械振动，即在振动条件下焊接。如图4-13和图4-14 5.4 振动焊接工艺 图4-13 焊接顺序图4-14 激振器与焊缝的相对位置3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术振动对焊缝液态金属流动的铺展作用及其内部气体及氧化杂质的上浮驱动作用，使焊缝缺陷减少。5.4.1 振动焊接对焊缝和热影响区质量的影响 5.4.2 振动对焊接变形和焊接应力的影响 冷却固化初始，振动对收缩滑移的推动作用，使焊接变形减少 振动对结晶过程的催化成核及晶粒生长的干扰作用，使焊接接头的焊缝组

54、织和热影响区粗晶区的组织细化。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术振动对滑移的振动作用及件随振动时效效应，促进接头内部势能松弛，焊接残余应力峰值下降。5.4.3 工程试验 对90mm厚板对接平板采用不同加速度时，应力的变化。如图4-15（式中g= ） 图4-15 90mm厚板的振动焊接残余应力测量结果3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术对Q235钢进行振动焊接试验有如下效果：(1)减少纵向拉伸残余应力分布宽度；(2)降低横向残余应力，从780MPa60MPa；(3)降低焊接角变形量（对接降64%

55、，搭接降59%，T型街头降50%）；(4)提高疲劳寿命1050%。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 5. 介绍几种大型焊件消除残余应力的新技术该方法工艺简便，特别适合在大型结构上采用，有可能取代传统热时效和振动时效，可缩短生产周期，降低成本，对一些用时效工艺有困难的结构，尤为重要。但该方法仍在研究和探索之中。因为在振动焊接的机理 和理论模型还缺乏研究，尤其焊接中构件残余应力释放规律还未完全掌握，因此工艺中的许多参数还不能完全量化。 5.4.4 特点与应用1.焊接变形的种类 2.影响焊接变形的因素3.焊接变形的估算与经验数据4.控制焊接残余变形的措施5.焊接变形的矫正第三讲 焊接变形的

56、控制与矫正 3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 综 述 焊接是一个局部加热的过程。焊接过程形成的熔池在加热、熔化、凝固和冷却过程中体积相应变化。即局部膨胀和收缩，这种变化会引起焊件的变形。当上述局部体积变化受到限制时，就会形成焊件的内应力。在焊后残留在工件的变形和应力称为残余变形和残余应力。 焊接应力与变形，从其产生原因看有共同之处，或者说一致性，即都是由于焊接区局部收缩引起的。因而有时焊接变形的减小会使构件随焊接应力的降低，如采用小规范焊接，厚板的多层焊，采用不加外力的反变形，长焊缝的逆向分段焊等方法。3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 综 述 但两者有可能处于矛盾的状态，如

57、焊接过程中用外力限制或工件自身刚度较大而不能自由收缩，使焊后工件变形很小，但此时内部存在较大的焊接应力。反之，焊接过程中让工件尽量能自由收缩，则焊后工件变形大，此时焊接应力却较小。在采取消除措施时不能顾此失彼。 焊接变形直接影响焊件的性能和使用，对不同的变形应采用不同预防措施和工艺手段进行预防，必要时对产生变形的构件进行矫正。主要变形的种类有以下7种形式：如图1-11-73.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 焊接变形的种类纵向收缩和横向收缩变形 构件焊后在沿焊接方向产生的收缩称为纵向收缩变形，在垂直焊缝方向产生的收缩称为横向收缩变形。 图1-13.1 加强师资队伍建设，保障本科教学

58、质量 1. 焊接变形的种类角变形 已称转角变形 因焊缝端面近似为三角形（焊缝根部为三角形的顶，表面为底），可以认为，焊缝根部的横收缩极小，而焊缝表面的横收缩量大得多，结果翘起一个角度。丁字接头只焊一侧时，也会出现类似情况，而使立板倒向施焊一侧。图1-23.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 焊接变形的种类弯曲变形 亦称挠曲变形，弯曲变形是焊缝分布在结构弯曲中心线以外一侧造成的。在弯曲中心以外收缩，相当于偏心加压，产生附加弯曲力矩。离中心线越远，焊缝越多，弯曲越厉害。 图1-33.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 焊接变形的种类波浪变形 亦称失稳变形。是工件刚性不足，局部失

59、稳造成的。在薄板结构中，当焊缝收缩大于丧失稳定的临界压缩量时会出现。在多块版拼接大平板时，也由于多处角变形而引起波浪变形。图1-43.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 焊接变形的种类扭曲变形 亦称螺旋变形，是若干角变形在梁、柱等结构上综合作用的一种变形形式。图1-53.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 1. 焊接变形的种类错边变形 焊接过程中，因两板膨胀不一致，而可能产生的长度或厚度方向的错边。图1-63.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 影响焊接变形的因素焊件变形大往往是由于焊缝布置的不对称引起的，表2-1是几种焊缝不对称一起变形的例子。2.1 焊缝布置的对称性

60、影响3.1 加强师资队伍建设，保障本科教学质量 2. 影响焊接变形的因素表2-1 焊缝处于不同位置时引起的变形焊缝不对称布置焊缝对称布置图例说明图例说明V型坡口，焊缝重心在结构截面重心线上侧焊后不但有纵向和横向缩短，还有角变形，X型坡口焊缝对结构截面重心线对称布置焊后主要引起结构纵向和横向的缩短两块宽度不等的钢板拼接、焊缝位于结构截面重心线(X-X轴)的上侧，不对称焊后由焊缝纵向引起弯曲变形焊缝位于结构截面重心线上焊后主要引起结构纵向和横向的缩短钢板卷圆后进行纵缝对接，焊缝在截面上对X-X轴不对称，位于上侧。焊后由于焊缝纵向收缩引起弯曲变形两片半圆瓦对接成圆筒，焊接对称布置。焊后主要产生纵向缩