焊接结构生产 第4版 课件 第二章 焊接应力与变形

焊接应力与变形的产生主讲教师：所属专业：焊接技术应用焊接结构生产主要内容01OPTION02OPTION一、焊接梁、柱、桁架结构二、焊接容器结构主要内容一、焊接应力与变形的基本知识物体在受外力作用后，以及在物理、化学变化过程中，当温度、金相组织或化学成分等变化时，其内部都会产生内力。作用在单位截面上的内力叫应力应力工作应力内应力外力作用在其单位截面出现的内力热应力装配应力

相变应力

焊接应力特点在物体的内部自成平衡体系1.应力变形：物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。焊接变形：焊件由于焊接而产生的变形叫焊接变形。变形弹性变形和塑性变形自由变形ΔLT非自由变形外观变形ΔLe内部变形ΔL2.变形一、焊接应力与变形的基本知识图1金属杆的变形a)自由变形b)非自由变形ΔLT=L-L0ΔL=ΔLT-ΔLe变形率：单位长度的变形量。α→金属的线膨胀系数内部变形率外观变形率2.变形一、焊接应力与变形的基本知识焊接应力：焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。焊接变形：由焊接而引起的焊件尺寸的改变。焊接加热及冷却过程中产生的应力与变形，称为焊接瞬时应力和焊接瞬时变形。焊接过程结束后，残留在焊接结构中的应力与变形，称为焊接残余应力和焊接残余变形。3.焊接应力与焊接变形一、焊接应力与变形的基本知识1.焊件的不均匀受热（1）长板条中心加热引起的应力与变形二、焊接应力与变形产生的原因结论：板条整体缩短，其内部产生了残余应力，中间高温区为拉应力，两端低温区为压应力。二、焊接应力与变形产生的原因结论：钢板产生了向上的残余弯曲变形，其内部产生了残余应力，钢板中部为压应力，钢板两侧为压应力。1.焊件的不均匀受热（2）长板条一侧加热引起的应力与变形焊缝金属冷却由液态转为固态时，其体积要收缩焊缝金属不能自由收缩整个焊件的变形残余应力二、焊接应力与变形产生的原因2.焊缝金属的收缩焊缝的逐步形成焊缝金属不是同步结晶先结晶部分阻止后结晶部分收缩残余应力与变形二、焊接应力与变形产生的原因2.焊缝金属的收缩二、焊接应力与变形产生的原因3.金属组织的变化钢件在加热及冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织的比体积不一样，由此也会造成焊接应力与变形。二、焊接应力与变形产生的原因4.焊件的刚性和拘束焊件自身的刚性越大以及受周围的拘束程度越大,焊接变形越小,焊接应力越大。反之，焊件自身的刚性越小以及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。谢谢观看欢迎指正焊接残余应力主讲教师：所属专业：焊接技术应用焊接结构生产主要内容主要内容01OPTION02OPTION03OPTION04OPTION焊接残余应力的分类（了解）焊接残余应力的分布（掌握）焊接残余应力的影响（了解）控制焊接残余应力的措施（掌握）01OPTION消除焊接残余应力的方法（掌握）一、焊接残余应力的分类1.按应力产生的原因分（1）热应力。它是在焊接过程中，焊件内部温度有差异引起的应力，故又称温差应力。（2）相变应力。它是在焊接过程中局部金属发生相变，其比体积增大或减小而引起的应力。（3）塑变应力。它是指金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后所引起的内应力。一、焊接残余应力的分类2.按应力存在的时间分（1）焊接瞬时应力。它是指在焊接过程中某一瞬时的焊接应力，它随时间而变化。（2）焊接残余应力。它是焊接结束后残留在焊件内的应力，

残余应力对焊接结构的强度、耐蚀性和尺寸稳定性等使用性能有影响。1.纵向残余应力σx的分布——在焊件横截面上的分布二、焊接残余应力的分布作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。2.横向残余应力σy的分布二、焊接残余应力的分布作用方向垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。

横向残余应力产生原因比较复杂，一部分是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力；另一部分是由焊缝及塑性变形区横向收缩的不均匀性所引起的横向应力。（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力二、焊接残余应力的分布二、焊接残余应力的分布（2）横向收缩引起的横向应力三、焊接残余应力对焊接结构的影响1.对焊接结构强度的影响。2.对焊件加工尺寸精度的影响。3.对受压杆件稳定性的影响。四、控制焊接残余应力的措施减少和改善焊接残余应力可以从设计和工艺两方面着手1.设计措施(2)避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离；(1)尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸；(3)采用刚度较小的接头形式。四、控制焊接残余应力的措施四、控制焊接残余应力的措施2.工艺措施加热“减应区”法05OPTION工艺措施01OPTION02OPTION03OPTION04OPTION采用合理的装配焊接顺序和方向预热法冷焊法降低焊缝的拘束度2）收缩量最大的焊缝先焊。3）工作时受力最大的焊缝先焊。1）在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由。4）注意平面交叉焊缝的焊接顺序。主要内容工艺措施——采用合理的装配焊接顺序和方向1）保证焊缝纵向和横向收缩都比较自由工艺措施——采用合理的装配焊接顺序和方向原则：先焊错开的短焊缝，后焊直通焊缝。2）收缩量大的焊缝应先焊工艺措施——采用合理的装配焊接顺序和方向原因：先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小。工艺措施——采用合理的装配焊接顺序和方向3）工作时受力最大的焊缝应先焊原因：先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小。4）平面交叉焊缝的焊接顺序工艺措施——采用合理的装配焊接顺序和方向要点：交叉处清根，避免产生裂纹、夹渣等缺陷。工艺措施——预热法与冷焊法施焊前预先将试件局部或整体加热到150-650℃。尽量采用小的焊接热输入，选用小直径焊条，小电流，快速焊和多层多道焊。1）预热法：2）冷焊法：淬硬倾向较大、刚性较大或脆性材料焊接时常用。工艺措施——降低焊缝的拘束度要点：对镶板边缘适当翻边，做出角反变形，减小拘束度。工艺措施——加热“减应区”法

焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位（减应区）使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接应力的作用，此法称为加热“减应区”法。工艺措施——加热“减应区”法正确选择“减应区”用气焊炬在所选择处试加热一下，若待焊处的缝隙是张开的，则表示选择正确，否则不正确。工艺措施——加热“减应区”法正确选择“减应区”用气焊炬在所选择处试加热一下，若待焊处的缝隙是张开的，则表示选择正确，否则不正确。五、消除焊接残余应力的方法

机械拉伸法

温差拉伸法

锤击焊缝

振动法

热处理法1.热处理法

热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余应力的目的。热处理整体高温回火：将整个构件缓慢加热到一定的温度并在该温度下保温一定时间，然后空冷或随炉冷却的过程。局部高温回火：将构件焊缝周围局部应力很大的区域及其周围，缓慢加热到一定温度后保温，然后缓慢冷却。2.机械拉伸法

机械拉伸法是采用不同方式对构件上施加一定的拉应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，在与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松弛焊接残余应力的作用。机械拉伸法3.温差拉伸法

温差拉伸法的基本原理与机械拉伸法相同，其不同点是机械拉伸法采用外力进行拉伸，而温差拉伸法是采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。

温差拉伸法常用于焊缝比较规则、厚度不大（＜40mm）的容器、船舶等板、壳结构，具有一定的实用价值。4.锤击焊缝

在焊后用锤子或一定直径的半球形风锤锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接残余应力的作用。锤击焊缝5.振动法

振动法又称振动时效或振动消应力法。它是利用偏心轮和变速电动机组成的激振器，使结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力。振动法谢谢观看欢迎指正第三节

焊接变形主讲教师：所属专业：焊接应用技术焊接结构生产温故知新什么是变形？什么是焊接变形？

物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸会发生变化，这种变化称为物体的变形。

由焊接而引起的焊件尺寸的变化称为焊接变形。焊接变形在焊接结构中的分布很复杂按变形对整个焊接结构的影响程度分局部变形整体变形一、焊接变形的种类及影响因素一、焊接变形的种类及影响因素1.收缩变形

焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收缩变形，它分为纵向收缩变形和横向收缩变形。（1）纵向收缩变形（1）焊缝长度（2）焊件的截面积（3）压缩塑性变形量（4）焊件的原始温度（5）材料的线膨胀系数影响纵向收缩量的因素纵向收缩变形：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。产生原因：焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，焊后这个区域要收缩便引起了焊件的纵向收缩变形。

结论：对截面相同的焊缝，采用多层焊引起的纵向收缩量比单层焊小，分的层数越多，每层的热输入越小，纵向收缩量就越小。（1）纵向收缩变形0201030405纵向收缩变形量一般随焊缝长度的增加而增加。焊件的截面面积越大，焊件的纵向收缩量越小。压缩塑性变形量与纵向收缩变形量成正比。纵向收缩变形量随着焊件原始温度的升高先增加后减小。线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大。（1）纵向收缩变形（2）横向收缩变形

产生原因：近缝高温区金属在横向的热膨胀受到附近温度较低金属的阻碍，被挤压而产生了横向的压缩塑性变形，冷却后使整个接头产生了横向收缩变形。由堆焊引起的横向收缩变形产生原因：1）焊接时母材对接边缘受热，冷却后导致的。对缝有间隙的对缝没有间隙的2）焊缝液态金属的凝固收缩平板对接引起的横向收缩横向收缩变形：沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短即为横向收缩变形。（2）横向收缩变形020103040506横向收缩变形总是随焊接热输入增大而增加。装配间隙增加，横向收缩也增加。横向收缩量沿焊缝长度方向分布不均匀，一般焊缝的横向收缩沿焊接方向是由小到大。定位焊缝越长，装夹的拘束程度越大，横向收缩变形量就越小。接头的横向收缩量是随焊缝填充金属量的增加而增加大的。焊接方法对横向收缩量也有影响。二、角变形

焊接时，由于焊接区沿板厚方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形称为角变形。（1）平板堆焊的角变形（1）焊接热输入（2）焊件的厚度思考：随着焊接热输入和焊件厚度的变化，平板堆焊的角变形量如何变化？影响角变形量的因素产生原因：焊接正面温度高于背面，正面膨胀产生的压缩塑性变形大于背面，造成了正面横向收缩大于背面。（2）对接接头的角变形焊缝坡口形状单面V形坡口的角变形比单面U形坡口的大，更大于双面坡口的角变形。焊缝层数道数同样板厚和坡口形式下，随着焊接层数和道数的增加，其角变形变大。焊缝焊接顺序掌握焊接顺序对变形影响的规律，就可以灵活运用它控制焊接变形。（2）对接接头的角变形（3）T形接头的角变形产生原因：1）焊接单面焊缝后，立板由于角焊缝横向收缩发生β′的角变形。（3）T形接头的角变形产生原因：2）平板由于表面堆焊了角焊缝，上面横向收缩大于下面，发生了两边绕角焊缝回转，每边发生β″/2的角变形。（3）T形接头的角变形产生原因：以上两种角变形综合的结果，使T形接头两板间的角度发生如右图所示的变化。（3）T形接头的角变形β′：β′与焊缝夹角有关，焊缝夹角越大则β′越大（可开坡口）；β″：用小的焊脚尺寸，可降低β″的数值。（减少焊缝金属量）影响T形接头角变形量的因素小结：角变形的影响因素板厚越大，角变形越大，但当板厚大到一定程度时，角变形反而减小。热输入增大，角变形也增加，但热输入增大到一定程度时，角变形反而减小。对接接头坡口截面不对称的焊缝，其角变形大；坡口角度越大，角变形越大。多层焊比单层焊角变形大，层数越多，角变形越大。焊接顺序也会影响角变形的大小。多层多道焊比多层焊角变形大。02010304050607对于T形接头，可通过开坡口和减小焊脚尺寸来减小角变形。3.弯曲变形纵向收缩引起的弯曲变形横向收缩引起的弯曲变形弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀而引起的。（1）焊缝纵向收缩引起的弯曲变形影响因素：弯曲变形的大小与塑性变形区的中心线到焊件截面中性轴的距离（偏心距s）成正比，偏心距s越大，弯曲变形越严重；若焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。（2）焊缝横向收缩引起的弯曲变形

如果焊缝的横向收缩在结构上分布不对称，也会引起构件的弯曲变形。4.波浪变形影响因素及解决办法：

薄平板焊后在压应力区因压应力已超过其失稳临界应力而产生的失稳变形，称为波浪变形，又称压曲变形。②提高失稳临界应力：①降低压应力：用小的焊接热输入，减小受热区面积。增加板厚或减少自由幅面。4.波浪变形5.扭曲变形扭曲变形主要发生在细长的焊接构件。这些构件一般都有较长的纵向角焊缝，由于组装不当或焊接顺序和方向不正确，焊缝的角变形沿长度方向不均匀引起像麻花一样的变形。5.扭曲变形产生原因：按图中顺序和方向焊接，因为角焊缝引起的角变形在焊缝长度方向逐渐增大，则会产生扭曲变形。解决方法：若两条角焊缝同时同向焊接，或在夹具中进行焊接，则可以减小或防止扭曲变形。

设计方面控制焊接变形的措施1.选择合理的焊缝尺寸和坡口形式2.合理选择焊缝长度和数量3.合理安排焊缝位置二、控制焊接变形的措施—设计措施（1）选择合理的焊缝尺寸和坡口形式原则：在保证结构承载能力和焊接质量的前提下，应根据板的厚度选取工艺上合理的最小焊缝截面尺寸，尤其是角焊缝，切忌盲目加大。1.设计措施1.设计措施（1）选择合理的焊缝尺寸和坡口形式原则：对接焊缝，选用对称的坡口形式比非对称的坡口形式容易控制角变形；T形接头立板端开J形坡口比开单边V形坡口产生的角变形。1.设计措施（2）合理确定焊缝长度和数量原则：在满足强度要求和密封性要求的前提下，可以用断续焊缝代替连续焊缝，以减小焊接变形；在设计过程中还要尽可能减少焊缝数量。1.设计措施（3）合理安排焊缝位置原则：结构设计过程中，应尽量使焊缝中心线与结构截面的中性轴重合或靠近中性轴，力求在中性轴两侧的变形量大小相等，方向相反，起到相互抵消的作用。1.设计措施（3）合理安排焊缝位置留余量法

1反变形法2

刚性固定法3选择合理的装配焊接顺序46热平衡法与散热法合理选择焊接方法和工艺参数5二、控制焊接变形的措施—工艺措施（1）留余量法在下料时，考虑到收缩变形而将下料零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。留余量法主要是用于补偿焊件的收缩变形。（1）留余量法如对于梁、柱一类的细长杆件的纵向收缩变形量△x,可用下式估算：式中AH―焊缝截面积（mm2）

A―焊件截面积（mm2）

L―焊缝长度（mm）

K1―系数，与焊接方法和材料有关，如下表焊接方法CO2气体保护焊埋弧焊焊条电弧焊材料低碳钢低碳钢奥氏体钢K10.0430.071～0.0760.048～0.0570.076表1系数K1值（2）反变形法根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形（反变形量与焊接变形量相等），使之达到抵消焊接变形的目的。（2）反变形法反变形法防止角变形焊前焊后焊前焊后（3）刚性固定法1）将焊件固定在刚性平台上。2）将焊件组合成刚性更大或对称的结构。3）利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。4）利用临时支撑增加结构的拘束。采用适当的方法来增加焊件的刚度或拘束度可以达到减小其变形的目的，这就是刚性固定法。（3）刚性固定法——将焊件固定在刚性平台上不采取一定的工艺措施解决方式（3）刚性固定法——将焊件组合成刚性更大或对称的结构解决方式（3）刚性固定法——利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束焊件FF（3）刚性固定法——利用临时支撑增加结构的拘束（4）选择合理的装配焊接顺序1）正在施焊的焊缝应尽量靠近结构中性轴。2）焊缝非对称布置的结构焊接顺序。3)焊缝对称布置的结构焊接顺序。4）长焊缝焊接时的焊接顺序。

结构的装配焊接时，焊缝的位置相对于结构截面的中性轴是变化的，因此，焊缝所引起的焊接变形对于不同的装配焊接顺序是不同的。1）正在施焊的焊缝应尽量靠近结构中性轴结构特点：由于肋板和上盖板之间的焊缝大都集中于结构中性轴的上方，焊缝的横向收缩会引起梁下挠的弯曲变形

桥式起重机箱型主梁结构图1）正在施焊的焊缝应尽量靠近结构中性轴

应先将大、小肋板与上翼板装配，焊A焊缝，此时焊缝A基本接近结构截面的中性轴，变形最小；然后同时装配左、右腹板，焊C和B焊缝。由于焊缝基本对称于结构截面的中性轴，下挠变形很小。2）焊缝非对称布置的结构焊接顺序先焊焊缝

少的一侧！3）焊缝对称布置结构的焊接顺序原则：应由偶数焊工对称施焊。4）长焊缝的焊接顺序（5）合理地选择焊接方法和焊接参数1）焊接方法：能量集中和热输入较低的焊接方法，可以有效降低焊接变形。（例）2）焊接参数：在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应尽量采用小的焊接热输入。（6）热平衡法原理：在与焊缝对称的位置上采用气体火焰与焊接同步加热，只要加热的工艺参数选择适当，就可以减小或防止构件的弯曲变形。（7）散热法