焊接结构焊接残余应力

1、第三节 焊接残余应力通常意义的焊接应力实际包括两类：焊接瞬时应力： 焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。焊接残余应力： 焊接后残留于结构中的应力。1一、焊接残余应力的分布 构件厚度不大20mm，残余应力为三轴体积状态。（平行于焊缝轴线分布的应力称为纵向应力:X；垂直于焊缝轴线的应力称为横向应力:y；厚度方向的残余应力：Z）2（一）、纵向应力 1、X的分布 在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，其任意横截面上的应力性质均相同，即： 焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应力，且数值一般达到材料的屈服极限S，而稍离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残余压应力。显然，沿整条焊缝分布的X都为拉应力，但拉应

2、力的分布并不完全相同。34 在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的S，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面（0-0截面）处X=0。靠近自由端面的-和-截面XS，随着截面离开自由端距离的增加X逐渐趋近于S，通常把板条中部X基本保持不变的区域称为稳定区，把板件两端称为残余应力过渡区。52、影响x分布的因素 a.焊缝长度L L，x增加直至屈服极限；同时，焊缝越长，板条中部稳定区越长；随着焊缝缩短，x减小且稳定区逐渐减小，直至消失。6 b .板宽(B） 板宽不同，焊接x分布不同 当焊缝位于平板中心，B较小时，x分布在整个宽度上，并随B，拉、压应力区交替出现，应力区面积增大；若B很大，则x只在焊

3、缝附近一定区域内分布。 当焊缝并非位于平板中心，x在较宽一处附近分布。7c.材质的影响 结构材质不同，其焊缝上x的分布也不同，随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应力的最大值也会随之降低。 低碳钢：焊接热场分布不均匀，焊接区各部分之间的温差大，焊缝附近的压缩塑性区及塑变量大，x大。铝合金：因其导热系数高，热场趋于均匀，等温线分布接近正圆，材料加热膨胀受到的8 阻碍小，塑性变形小，残余应力低。x0.6-0.8s钛合金：膨胀系数、弹性模量低，E=1/3钢，产生的塑性应变不大，x 低。x0.5-0.8s钢 9图2-19 高温时材料屈服强度变化 图2-20 纵向残余应力分布10图2-21高强度钢对接焊

4、缝纵向残余应力 曲线0为低碳钢焊件中典型的残余应力分布，焊缝处的最大残余应力值可高达材料的屈服应力。曲线1、2、3表示HY-130或HY-180等一些高强度钢焊件中可能出现的纵向残余应力分布。 11假如最大残余拉伸应力高达屈服应力，则应力分布如图中的曲线1。显然，这种情况下将产生严重的残余应力和变形，在焊接区可能产生裂纹。如果分布规律如曲线2，高值残余拉伸应力仅局限于狭窄区域内，则残余变形显然比上述情况要小得多，但由于最大残余拉伸应力仍然很大，所以也有可能在焊接区产生裂纹。如果分布规律如曲线3，则焊件不会产生裂纹。 123、圆筒上环焊缝引起的纵向应力 圆筒上环焊缝引起的纵向应力对于圆筒体就是切

5、向应力。a. x的分布规律： 在焊缝及其附近的区域内为拉伸应力，远离焊缝则为压缩应力。b. x的特点 圆筒体环焊缝引起的x比平板直缝小圆筒体环焊缝在焊后要整体向内收缩，使半径13图2-30 焊接管道的残余应力分布 14x的大小取决于圆筒半径R、壁厚和焊接压缩塑性变形区的宽度bp。 在壁厚不变时，x随圆筒半径 R的增大而增大，随压缩塑性变形区宽度bp的增大而减小，当半径与壁厚之比较大时，x的分布逐渐与平板接近。减小，焊缝沿圆周长度上的收缩比平板直缝收缩具有更大的自由度，其收缩受阻程度较小，x比平板直缝小。1516（二）横向残余应力y 横向残余应力是垂直于焊缝轴向的应力，分布情况较复杂，主要由两部

6、分组成： (1) 焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力，用y表示； (2) 焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起的横向残余应力，用y表示。 横向残余应力y是由y和y叠加而成171、y 的形成： 图2-24是由两块平板对接而成的构件，假设沿焊缝中心将构件分开，则相当于分别在两平板相对的一侧堆焊，焊后两平板应向焊缝一侧弯曲。若使板恢复平直，必须在每块钢板的两端施加横向压力，在焊缝中部施加横向拉力，由此在构件中产生了横向残余应力。 在y中，两端压应力的最大值比中间拉应力的最大值大得多。18图2-24 纵向收缩引起横向残余应力 192、影响因素a.焊缝长度L： L越大， y 越

7、低b.平板宽度B 随平板宽度B,y 。 B, L/B,构件刚性,焊缝纵向切开后,纵向收缩量,y 图2-26 焊缝长度对横向残余应力的影响 203、y的形成 焊接时，焊缝不是同时完成，金属各部分在焊接时总有先后之分，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分由于恢复刚性要限制后冷却部分的横向收缩，相当于对后焊部分施加了拉伸作用，相反，为了平衡拉应力，后焊部分对先冷却部分相当于施加压缩作用，这种限制与反限制就构成y 21 y 的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。22 从中间向两端焊接，由于中间部分先焊接先收缩，两端后焊接后收缩，则两端部分的横向收缩要受到中间部分的限制，因此y 的分布

8、是；中间受压，两端受拉；相反，从两端向中间焊接，中间受拉，两端受压。 直通焊缝的y ： 由于焊缝尾部最后焊完，其横向收缩23将受到前面焊缝的限制，尾部受到拉应力作用；焊缝中部由于靠近尾部，受到尾部的反作用，因此中部受压，起焊处要保证内应力平衡，必然受到拉应力作用 分段退焊或分段跳焊 应力分布将出现多次拉、压应力的交替分布，残余应力的峰值较低，因此直通的长焊缝常采用分段退焊或分段跳焊。24 横向残余应力y是y与y两者的合成，从减小总横向应力y出发，应尽量采用从中间向两端施焊的方向进行焊接 各种焊接方式的共同规律：在焊接末端部位都将产生横向拉应力由中间向两端焊，两种横向应力可以抵消一部分，焊后横向

9、焊接残余应力小，所以焊接顺序好。由一端到另一端，虽然抵消应力的效果不如由中心施焊的顺序，但要好于由两端向中心焊的顺序。 254、y的分布 y在与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊缝截面上的分布相似，但离开焊缝距离越远，应力值越低，当到达板端时，y = 026（四）、拘束状态下焊接的应力 自由状态焊接：焊接时，除焊缝金属自身的约束和限制外，没有任何外部拘束的状态。 焊缝在拘束状态下的残余应力与自由状态不同，拘束状态下的焊缝变形除了与自由状态一样要受到焊缝金属自身的限制外，还会受到结构本身产生的外部拘束阻碍，使得焊缝残余应力发生了一些变化。27 1、拘束状态下焊接的应力分布 1.1 横向拘束作用下的

10、应力 如图2-110，在金属框架中心杆件上存在一条对接焊缝，该焊缝纵向收缩时，相当于在自由状态下变形，其纵向应力与前述相同；但当焊缝横向收缩时，焊缝连接的两焊件与其它刚性物体相连，此时，焊缝收缩除了受到自由状态下焊接时，焊缝自身各部分的阻碍外，其收缩还要受到框架结构的限制，因此，在焊缝内2829 部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力y外 ，还将受到框架结构刚性拘束引起的拉应力f，该拉应力并不是平衡于焊缝截面内，而是平衡于整个框架截面上，这种焊接后不在焊缝截面中平衡而在整个结构中平衡的应力f称为反作用内应力 ，焊接接头的实际横向内应力就是y和f的迭加。30 1.2 纵向拘束作用下的应力 如图

11、2-111，在金属框架中心杆件上存在的对接焊缝为纵向，该焊缝横向收缩时，相当于在自由状态下变形，其横向应力与前述相同；但当焊缝纵向收缩时，同样焊缝连接的两焊件与其它刚性物体相连，此时，焊缝的纵向收缩除了受到自由状态下焊接时，焊缝自身各部分的阻碍外，也要受到框架结构3132 的限制，因此，在焊缝内部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力X 外 ，还将受到框架结构外部拘束引起的拉应力f，该拉应力也不是平衡于焊缝截面内，而是平衡于整个框架截面上，因此，f为反作用内应力 ，焊接接头的实际纵向内应力是X和f的迭加。331.3 拘束状态下焊接的应力表现特征（1) 反作用内应力为拉应力，且分布范围大（2)

12、拘束状态下焊接的内应力为自由状态下焊接的内应力迭加外部拘束应力，即： Y = y +f s X = x +f s34（五）、封闭焊缝引起的内应力 封闭焊缝是指焊缝自成一个封闭回路，如图2-112，环绕着接管、镶块的焊缝均构成封闭焊缝。 35 圆盘镶块的焊接应力分布：(1)径向残余应力 r为拉应力。(2)切向残余应力 ，焊缝处为拉应力，外侧为压应力。 镶块中存在均匀双轴应力场，r与相等，且均为拉应力，其数值取决于d/D。d/D越大，均匀双轴应力场中的应力下降。 d/D越小，镶块越小，应力场中的应力上升。36r- 径向残余应力- 切向残余应力37（六）、相变应力定义：相变过程中，由于比容变化引起的

13、体积 变化受到未相变金属的限制而产生的应力产生条件：相变应力取决于相变温度与塑性温度Tp的关系（1）T相Tp，比容变化引起的体积变化不受阻碍，相变不会导致残余应力；（2）T相Tp，相变不会影响焊后残余应力的分布；对于部分高强钢，在加热时T相 Tp ，但冷却时T相Tp（例如MS Tp）相变的产生影响残余应力存在。391、纵向相变应力 (1)假设：焊缝为不产生相变的奥氏体钢；母材的奥氏体转变温度T相max，可以产生塑性变形,承载能力较好。三轴应力状态：max = 0，不能产生塑性变形，承载能力不好。 5051（三） 内应力对机加工精度的影响1、机加工工件会因内应力重新分布产生变形，影响加工精度 机

14、械加工总是把一部分材料从工件上切除掉，如果工件内部存在应力，在把一部份材料切除的同时，也会把原先存在于那里的应力一起切掉，这样会破坏原来工件中的应力平衡。此时工件中的剩余应力为了达到新的平衡，必然会引起变形，影响加工精度52532、残余内应力会随时间变化破坏已加工件的尺寸精度 焊接构件中的内应力是不稳定的，它将在构件的长期存放过程中或者工作运行中随时间变化，影响已加工件的尺寸精度，内应力不稳定的因素主要有3点：a 构件在室温下的蠕变或应力松弛b 焊后残余奥氏体转变成了马氏体C 淬火马氏体转变成了回火马氏体543、减小内应力对加工精度影响的措施 保证加工精度最好的办法是先消除焊接内应力然后再进行

15、加，有时在不消除内应力的情况下也可以通过调整机械加工工艺来达到目的工 由于合金钢和中碳钢焊接后会产生不稳定组织，以及残余应力的不稳定，焊接后应该进行消除应力的处理55（四）内应力对受压杆件稳定性的影响 从材料力学的基本理论得知，两端铰支的受压杆件，在弹性范围内工作时，其产生失稳的临界压应力可由下式求得:式中 E为弹性模量；L为受压杆件的自由长度；I为构件截面惯性矩；F为截面积56上式也可用下式表达：式中 长细比（=L/r) r 截面惯性半径（=（I/F)1/2)由上式可知：cr 与长细比的平方成反比57 当构件受到外载压力作用时，构件截面上的残余压应力将与外载引起的工作应力迭加，迭加的结果使得

16、压应力区先期到达材料的s，此时材料将发生塑性变形，其应力值维持在s，不再增加，同时该区由于已超出弹性工作范围，将丧失进一步承受外载的能力，这相当于削弱了构件的实际承载面积。58 另一方面，构件截面上的残余拉应力也将与外载引起的工作应力迭加，但由于两者的方向相反，该区将晚于其它部分到达材料的s，即该区还可以继续承受外载，因此此时的实际承载面积就只是内应力中的拉应力区 焊接工字梁有四条角焊缝，假设它的两个翼板受到外压力P的作用，且内应力分布为中部拉应力，两端为压应力5960构件内无残余内应力时:有效承载面积:F=2 bB惯性矩：IX= 2 (bB3)/12构件内有残余内应力时:有效承载面积:F =

17、2 bB惯性矩：IX= 2 (bB3)/12F F IX IX IX / F IX/ F rX = （ IX / F )1/2 r X = （ IX/F )1/2 = L/ rX = L/ rX cr cr61 有残余内应力时，受压杆件发生失稳的临界应力小于无内应力时，即残余内应力的存在会降低受压构件的稳定性。提高构件稳定性的措施：1、 焊后进行消除应力的热处理 研究表明，构件在焊后进行消除应力的高温回火处理，其发生失稳的临界应力比焊后不处理时相比，可提高20-30%622、改变加工方法或调整工艺使构件边缘形成拉伸残余应力 如果工字梁的内应力分布与前述情况相反，即翼缘的两边为拉应力，此时由于有

18、效承载面积是分布在远离中性轴的位置，其对X-X轴产生的惯性矩IX增大，构件发生失稳的临界应力也增大，因此构件稳定性提高63 通常，通过气割加工或由几块板叠焊，可以使翼缘边缘产生拉伸内应力 内应力的影响只在一定长细比范围内的构件中起作用。当长细比较大，由于临界应力本身很低或当内应力较小时，外载与残余内应力之和在失稳时仍未达到s，则内应力对稳定性不会产生影响。当较小时，临界应力取决于构件的全面屈服，内应力也不产生影响64(五)、对刚度的影响1、 构件的刚度： 结构抵抗外力产生变形的能力，通常用产生单位变形量所需的载荷表征(P/L)。 设一构件在外载荷P作用下伸长L，且构件截面上的应力 = P/ F

19、 s: L = L = L /E = L P /(EF ) = L P/(EB) 65构件的刚度：P/L = F E/ L由上可知： 刚度是构件特有的属性，取决于构件的截面积和长度(结构的几何特性)， 对于同一结构，刚度一定，外载P与L呈线性关系，在外载P为纵坐标，L为横坐标的坐标系中，两者的关系是过原点的直线，此时，刚度可用直线的斜率tg表征66672、残余应力对刚度的影响(1)、对比有、无残余应力时，构件的刚度变化 假设一构件长为L，宽为B，厚为，其内无残余应力，只受外载拉力P作用，且P引起的s：有效承载面积： F = B 伸长量:L = L P /(EF ) = L P/(EB) 刚度：

20、 tg =P/L = F E/ L = B E / L 68 又假设构件中心有一条焊缝，其内应力分布方向与外力一致，在焊缝附近b区中内应力为拉应力1，1=s，两侧为压应力2，2 s:有效承载面积： F1 =( B - b ) 伸长量:L=LP/(E F1)= LP/ E(B-b) 刚度： tg1=P/L1= F1E/L=(B-b)E/L对比两种情况：F1L; tg1tg结论：内应力的存在要降低构件的刚度69（2）加载和卸载情况下内应力对刚度的影响a 无内应力作用且构件在外力p作用下引起的应力 P / F s 加载时，构件在外载P作用下的伸长过程可用OS线表示，此时构件各截面向外做平行移动，由于

21、 s，该变形为弹性变形，各截面上的=P/F=P/B,应力随P的增大均匀增加，最大将增大至s，伸长量:L= LP/(EF)，刚度：tg= F E/L，等于直线OS的斜率 70 卸载时，各截面做反向平行移动，即产生回弹收缩变形，该变形也为弹性变形，因此各截面上的应力均匀下降，应力值仍为P/B ，于加载时的应力相等。当外载完全卸除时，构件的回弹量L2 = L P /(EF )也等于加载时的伸长量，因此卸载过程是加载过程的逆过程，可以用SO线表示。71b 构件内有内应力，且应力分布为：b区中为拉应力1，1=s,（B b）区中为压应力2，2 s 2 = s b /（B b） 由此可见，在无内应力作用时对

22、构件加载卸载，卸载变形量=加载伸长量，卸载后构件内既无内应力，也无残余变形，同时构件刚度不变72 加载时，在外载P的作用下构件各截面向外做平行移动，产生伸长变形。其中b区，由于应力已达到材料的屈服极限该区将产生拉伸塑性变形，而不承受外力，因此其应力维持在s不变；在（Bb）区内：由于应力小于s，将继续承载，因此该区应力持续增加为2+P/(B-b)，构件伸长量:L= LP/(EF)= LP/ (B-b)E构件刚度：tg= F E/L = (B-b)E/L 小于无内应力时的刚度，该加载过程可用01直线表示73 卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区均不再产生塑性变形，因此构件的实际承载面积仍为

23、构件截面积F= B .这样各区的应力将均匀下降 P/B，因此：b区应力： s - P/B (Bb）区的应力:2+P/(B-b) - P/B ， 与加载时的内应力相比，两区应力都发生了下降74构件回弹量:L2= L P /(EF )= L P/(EB) 小于加载时的伸长量但与无内应力时的回弹量相同刚度： tg = F E/ L = B E / L 大于加载时的刚度但与无内应力时的刚度相同显然该卸载过程与无内应力时的卸载过程相同，因此该卸载过程可用直线12表示，12与O-S线平行，说明两者情况相同。75 此外，卸载后，在构件上还保留了一个伸长量，L- L结论： 如果构件中存在与外力方向一致的内应力

24、，且内应力的数值达到s，则在外力作用下，刚度将下降，且卸载后构件内的残余应力下降，同时构件还将产生残余变形76c 构件有内应力，b区中的拉应力1 s ，（B b）区中的压应力2 s 加载时，由于b区的拉应力1 s，还可以承受外力，因此构件的实际承载面积就是构件截面积B，同时在外力P作用下，构件截面上的应力均匀增加，各区的应力增加值为： P / B，因此：b区应力： 1 + P /B (Bb）区的应力:2 + P /B77伸长量:L = L P/(EB) 刚度： tg = B E / L 构件的L 及tg与无内应力时的相同，说明此加载过程与无内应力时类似，因此起初的加载过程是按o-s线进行，但当

25、外力达到1点对应的载荷时，b区的内应力刚好增加到s，此时b区又将丧失承载能力，构件的有效承载面积又缩小到压应力区对应78的截面积，即/(B-b)。显然此时的加载过程与前面第二中情况相同，因此1点以后的加载过程是按12进行，此时b区产生拉伸塑性变形，应力维持在s；在（Bb）区内：应力增加为2+P/(B-b)，构件伸长量:L= LP/(EF)= LP/ (B-b)E构件刚度：tg= F E/L = (B-b)E/L 与起初的加载过程相比，构件的刚度减小而伸长变形量增加79卸载时，构件各截面发生回弹，由于此过程中各区均不再产生塑性变形，构件截面上的应力均匀下降，实际承载面积又恢复到构件截面积B ，此

26、时的卸载过程与前面第二种情况的卸载过程相同，因此可用12的平行线23表示，此时b区应力： s - P/B (Bb）区的应力:2+P/(B-b) - P/B 80构件回弹量:L= L P/(EB) 小于加载时的伸长量但与无内应力时的回弹量相同，因此卸载后，在构件上还保留一个伸长量，但由于该情况下加载时的伸长量小于第二种情况加载时的伸长量，构件在卸载后，残余变形有所降低结论：构件中存在内应力，且内应力 s，外力作用下，刚度将下降，且卸载后构件产生残余变形，但残余变形下降81三、 焊接残余应力的控制和消除措施(一) 在焊接过程中调节应力的措施 在焊接过程中采用一些工艺措施，往往可以调节内应力，降低残

27、余应力的峰值，调整应力的分布，甚至还可以改善接头的性能，因此适当的工艺措施是很有必要的。1、采用合理的焊接顺序和方向82(1) 尽量使焊缝自由收缩，先焊收缩量较大的焊缝正确的焊接顺序是：先焊盖板的对接焊缝1，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝2，使对接焊缝1能自由收缩，减小应力83(2) 为提高接头强度，先焊工作应力较大的焊缝 焊接工字梁接头时，应预先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的对接焊缝1，然后焊接腹板对接焊缝2，最后再焊接翼缘角焊缝84(3)平板拼焊时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝这种焊接顺序可以使受力大的1、2焊缝自由收缩，减小应力，焊完角焊缝3后，其横向收缩能使翼板对接焊缝中的残余应力进一步减小。85采用反变形法减小接头刚度 对于封闭焊缝和刚性较大，自由度较小的焊缝，除采用合理的焊接顺序，还应尽量减小接头刚度，使焊缝获得足够的自由收缩，达到减小残余应力的目的。863、 锤击或碾压焊缝 焊后一定时间内，用带小圆弧面的风枪或小手锤轻轻锤击处于高热的焊缝表