1、 焊接应力与变形n第一节 焊接应力与变形的产生n第二节 焊接残余应力n第三节 焊接变形 焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。第一节 焊接应力与变形的产生一、焊接应力与变形的基本知识三、焊接应力与变形产生的原因返回焊接应力与变形的基本知识1. 变形：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。变形可分为弹性和塑性变形。按拘束条件分为自由变形和非自由变形;而非自由变形中有外观变形和内部变形两种。2.应力：应力：物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力。按引起内力原因的不同，可分为工作应力和内应力。
2、内应力的显著特点：在物体内部，内应力是自成平衡的，形成一个平衡力系。3.焊接应力与焊接变形：焊接应力与焊接变形：焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。返回焊接应力与变形产生的原因1.焊件的不均匀受热：焊件的不均匀受热：2.焊缝金属的收缩：焊缝金属的收缩：3.金属组织的变化：金属组织的变化：钢在加热与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，由此造成焊接应力与变形。4.焊件的刚性和拘束：焊件的刚性和拘束：焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大。返回焊件的不均匀受热（1）不受约束的杆件在均匀加
3、热时的应力与变形：）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：冷却后不会有任何残余应力与变形。（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：1）当加热温度TTs时，可能出现以下三种情况：a)如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形面无残余应力。b)如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力。c)如果杆件收缩 不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。（3）长板条中心加热引起的应力与变形：）长板条中心加热引起的应力与变形：如图1-3。（4）长板条一侧加热引起的应力与变形：）长板条一侧加热引起的应力与变形：如图1-4。下一页图1-3
4、 钢板条中心加热和冷却时的应力与变形a)原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却过程返回图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形d)假设各板条的收缩 e)冷却后的变形a)b)c)d)e)返回由上述讨论可知：由上述讨论可知：1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形 。2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力
5、分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。 返回减小焊接残余应力的措施减小焊接残余应力的措施1.设计措施设计措施（1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸：（2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离：如图1-17（3）采用刚度较小的接头形式：如图1-182.工艺措施工艺措施（1）采用合理的装配焊接顺序和方向：（2）预热法：（3）冷焊法：尽量采用小的焊接热输入，选用小直径焊条、小电流、快速焊及多层多道焊。（4）降低焊缝的拘束度：如图1-25（5）加热“减应区”法：此法在铸铁补焊中应用最多，如图1-26 返回图1-17返回图1-17 容器接管焊缝图1-18b)返回a)b
6、)图1-18 焊接管的连接a)插入式 b)翻边式采用合理的装配焊接顺序和方向采用合理的装配焊接顺序和方向a)应保证焊缝纵向和横向收缩均能比较自由，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝，如图1-20b)收缩量最大的焊缝应先焊：如图1-21c)工作时受力最大的焊缝应先焊：如图1-22 d)平面交叉焊缝的焊接顺序：如图1-23e)对接焊缝与角接焊缝交叉的结构：如图1-24返回图1-20 拼接焊缝合理的装配焊接顺序返回123456789图1-21图1-21 带盖板的双工字梁结构焊接顺序返回图1-22图1-22 对接工字梁的焊接顺序返回图1-23图1-23 平面交叉焊缝的焊接顺序a)b)c)d)返回图
7、1-24图1-24 对接焊缝与角焊缝交叉返回图1-25a)b)图1-25 降低局部刚度减少内应力a)平板少量翻边 b)镶板压凹返回图1-26受热后冷却收缩区热膨胀或冷却收缩方向图1-26 加热“减应区”法示意图a)加热过程 b)冷却过程返回被加热的减应区在下列情况中一般应考虑消除内应力在下列情况中一般应考虑消除内应力1）在运输、安装、起动和运行中可能遇到低温，有发生脆性断裂危险的厚截面焊接结构。2）厚度超过一定限度的焊接压力容器。3)焊后机械加工量较大，不消除残余应力难以保证加工精度的结构。4）对尺寸稳定性要求较高的结构。5）有应力腐蚀危险的结构。 下一页消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力
8、的方法1.热处理法（1）整体热处理（2）局部热处理2.机械拉伸法：在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，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相抵消一部分，达到松弛焊接残余应力的目的。3.温差拉伸法：采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。4.锤击焊缝：5.振动法：返回第三节 焊接变形n一、焊接变形的种类及其影响因素n二、控制焊接变形的措施n三、矫正焊接变形的方法返回焊接变形的种类及其影响因素 按照变形的外观形态来分，可分为：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形，如图1-291.收缩变形：焊件尺寸比焊前缩短的现象，如图1-302.角变形：产生的根本原因是由
9、于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致，如图1-343.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，焊缝的横向收缩和纵向收缩造成。4.波浪变形：常发生于板厚小于6mm的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形。通过降低焊接残余应力和提高焊件失稳临界应力来防止波浪变形。此外，角变形也可能产生类似的波浪变形，如图1-395.扭曲变形：主要是因为焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀所引起的。如图1-40返回收 缩 变 形（1）纵向收缩变形：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短（2）横向收缩变形：指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。返回纵向收缩变形的影响因素1）焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小2）焊缝
10、的长度越长，焊件的纵向收缩量越大3）多层焊时每层焊缝所产生的压缩塑性变形比单层焊时小，如图1-314）焊件的原始温度提高，焊后纵向收缩量增大5）线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大返回图1-29a)b)c)d)e)图1-29 焊接变形的基本变形形式a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形返回图1-30图1-30 纵向和横向收缩变形返回图1-31图1-31 单层焊和双层焊的塑性变形区对比a)单层焊 b)双层焊为第一层焊缝产生的塑性变形区为第二层焊缝产生的塑性变形区返回控制焊接变形的措施1.设计措施（1）选择合理的焊缝形状和尺寸：（2）减少焊缝的数量：（3）合理安排焊缝位
11、置：如图1-43、图1-442.工艺措施（1）留余量法：（2）反变形法：主要用于控制角变形和弯曲变形（3）刚性固定法：（4）选择合理的装配焊接顺序：（5）合理地选择焊接方法和焊接参数：如图1-56（6）热平衡法：如图1-57（7）散热法：如图1-58返回图1-41、42返回b)a)图1-42 T形接头的坡口a)角变形大 b)角变形小图1-41 相同承载能力的十字接头1）选择最小的焊缝尺寸2）选择合理的坡口形式图1-43返回图1-44a)b)图1-44 合理安排焊缝位置防止焊接变形a)不合理 b)合理返回图1-45a)b)c)图1-45 无外力作用下的反变形法a)平板对接焊 b)电渣对接立焊 c
12、)工字梁翼板反变形下一页图1-47图1-47 弹性支撑法a)、b)、c)具有单面纵向焊缝的空心梁 d)具有单面横向焊缝的空心梁 e)在焊接转胎上焊接有外力作用下的反变形返回a)b)c)d)刚性固定法1）将焊件固定在刚性平台上，如图1-482）将焊件组合成刚度更大或对称的结构，如图1-493）利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束，如图1-504）利用临时支撑增加结构的拘束返回图1-48图1-48 薄板拼接时的刚性固定返回图1-49图1-49 T形梁的刚性固定与反变形返回图1-50图1-50 对接拼板时的刚性固定返回选择合理的装配焊接顺序1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成
13、整体。2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图1-523）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，如图1-534）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，如图1-545）长焊缝焊接时，可采用图1-55所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形返回图1-52a)b)图1-52 主梁装配焊接a) 形梁结构示意图 b) 形梁的装配焊接方案返回a)b)图1-53a)b)c)d)图1-53 压力机压型上模的焊接顺序a)压型上模结构图 b)、c)、d)焊接顺序返回图1-54图1-54 圆筒体对接焊缝的焊接顺序返回图1-55a)b)c)d)图1-55 长焊缝的几种焊接顺序返回图1-5
14、6图1-56 非对称截面结构的焊接返回图1-57图1-57 采用热平衡法防止焊接变形返回图1-58a)b)c)图1-58 散热法示意图a)水浸法散热 b)喷水法散热 c)散热垫法散热返回矫正焊接变形的方法1.手工矫正法:主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形2.机械矫正法：适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件，如图1-593.火焰加热矫正法：利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形（1）点状加热，如图1-60（2）线状加热，如图1-61（3）三角形加加热，如图1-62火焰矫正变形的效果取决于三个因素：（1）加热方式（2）加热位置（3）加热温度和加热面积返回图1-59图1-59 机械矫正法返回图1-60图1-60 点状加热返回图1-61a)b)c)图1-61 线状加热a)直通加热 b)链状加热 c)带状加热返回图1-62图1-62 工字梁弯曲变形的火焰矫正返回
