1、焊接结构焊接结构第二章第二章 焊接变形和应力焊接变形和应力本章学习要点本章学习要点知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容焊接变形和应力焊接变形和应力产生机理产生机理熟悉塑性变形与自由变形、外观变形和内熟悉塑性变形与自由变形、外观变形和内部变形的关系。掌握焊接内应力的种类和部变形的关系。掌握焊接内应力的种类和产生机理。掌握板条中心加热的变形与应产生机理。掌握板条中心加热的变形与应力变化过程。了解焊接变形和应力演变过力变化过程。了解焊接变形和应力演变过程。掌握焊接热应变的规律程。掌握焊接热应变的规律 自由变形、外观变形、内部变形，自由变形、外观变形、内部变形，塑性变形；温度应力、残余应力
2、、相变塑性变形；温度应力、残余应力、相变应力；长板条中心加热，长板条边缘加应力；长板条中心加热，长板条边缘加热；热；焊接过程的特殊性及其假定，焊接焊接过程的特殊性及其假定，焊接变形和应力演变过程；焊接热应变循环变形和应力演变过程；焊接热应变循环焊接残余变形焊接残余变形 掌握焊接残余变形的类型、产生原因掌握焊接残余变形的类型、产生原因、影响因素、影响因素 纵向收缩变形、横向收缩变形、角纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、变形、弯曲弯曲变形、错边变形和扭曲变形变形、错边变形和扭曲变形焊接残余应力焊接残余应力 掌握焊接残余应力的类型及其在各种截掌握焊接残余应力的类型及其在各种截面上的应力分布状态。掌
3、握焊接残余应力面上的应力分布状态。掌握焊接残余应力对焊接结构力学行为的影响规律对焊接结构力学行为的影响规律 纵向残余应力、横向残余应力以及厚纵向残余应力、横向残余应力以及厚度方向残余应力沿焊缝长度、宽度和厚度方向残余应力沿焊缝长度、宽度和厚度方向上的基本分布规律度方向上的基本分布规律焊接变形和应力焊接变形和应力调控措施调控措施 掌握焊接变形与焊接残余应力调控的掌握焊接变形与焊接残余应力调控的基本措施以及两者之间的关系基本措施以及两者之间的关系 控制焊接变形和应力的焊前措施，在控制焊接变形和应力的焊前措施，在焊接过程中控制焊接变形和应力的焊中焊接过程中控制焊接变形和应力的焊中措施，以及焊后调节焊
4、接变形和应力的措施，以及焊后调节焊接变形和应力的焊后措施焊后措施焊接变形和应力焊接变形和应力测量方法测量方法 熟悉焊接残余应力和焊接残余变形的测熟悉焊接残余应力和焊接残余变形的测量方法量方法 焊接残余应力测量方法的分类，小孔焊接残余应力测量方法的分类，小孔法和法和X射线衍射法测量焊接残余应力的射线衍射法测量焊接残余应力的原理及过程原理及过程 焊接变形与应力焊接变形与应力数值模拟计算数值模拟计算 了解焊接变形及应力的数值计算方法了解焊接变形及应力的数值计算方法以及基本过程和思路以及基本过程和思路 数值计算方法的基本方法、基本过数值计算方法的基本方法、基本过程、基本思路程、基本思路1.1.材料的热
5、胀冷缩2.2.材料的应力应变曲线3.3.系统平衡几个基本概念几个基本概念TLTTLLLL0000)(abcdef拉伸压缩s p 应变应力合力等于零，即合力等于零，即F=0；合力矩等于零，即合力矩等于零，即M=0 2.1.1 自由变形、外观变形和内部变形自由变形、外观变形和内部变形(1)自由变形自由变形自由变形：自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。由的进行。自由变形量：自由变形量：自由变形率：自由变形率：)(0101T
6、TLLT)(01011TTLLTTLT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsLpLeL2LT2LpL0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L2(2)外观变形外观变形外观变形量：外观变形量：Le 外观变形率：外观变形率：0LLee外观变形：外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形LT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsLpLeL2LT2LpL0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f
7、)L212无阻碍有阻碍有阻碍L2(3)内部变形内部变形内部变形：内部变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现当金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。出来的那部分变形，称为内部变形。内部变形量：内部变形量：内部变形率：内部变形率：)(11eTLLL)()101011eTeTLLLLL（LT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsLpLeL2LT2LpL0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L2三种变形的分析结论：外观变形在数值上等于自由变形与内部变形的代数和。它的应变表达式为：e T 它的等价形式为：e T 这
8、两个公式一定要牢记！这两个公式一定要牢记！以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形率，即率，即 或，或，则杆件中的压应力则杆件中的压应力 。当杆件温度从。当杆件温度从T T1 1恢复到恢复到T T0 0时，杆件将恢复到原来长度时，杆件将恢复到原来长度L L0 0，也不存在任何形式的应力。，也不存在任何形式的应力。s1sLL1s1若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内部变形若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内部变形量大于金属屈服时的变形量，即量大于金属屈服时的变形量，即 则在这种情况下该如何？则在这种情况下该如何？seTLLLL22)
9、(0202TTLLTseTLLLL22sTepLLLL220202002)()(TTLTTLTTLLppLLsTepp 综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料在综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等于压缩环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等于压缩而产生的压缩塑性变形量。同理可知，拉伸塑性变而产生的压缩塑性变形量。同理可知，拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境载荷消失后延伸变长形也将会使得金属材料在环境载荷消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的拉伸塑性变形量。，伸长变形量约等于已产生的拉伸塑性变形量。提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束提示：小试件均
10、匀加热过程的变形一旦受到拘束等效于等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。计算方法：计算方法：在弹性范围内在弹性范围内 E E（e T）超出弹性范围超出弹性范围 则有则有 s材料力学中，当物体在外力作用下处于平衡状态下，可以材料力学中，当物体在外力作用下处于平衡状态下，可以说该物体处于受力平衡状态。说该物体处于受力平衡状态。内应力定义：没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。内应力定义：没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。2.1.2 焊接内应力的种类和产生焊接内应力的种类和产生内应力的分类内应力的分类1）按应力的）按应力的 分布范围分布范围
11、2）根据结构）根据结构中的空间位置中的空间位置宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力超微观应力：在晶格范围平衡的应力超微观应力：在晶格范围平衡的应力单向应力：应力沿构件的一个方向作用单向应力：应力沿构件的一个方向作用双向应力：应力沿构件的两个方向作用双向应力：应力沿构件的两个方向作用三向应力：应力沿构件的三个方向作用三向应力：应力沿构件的三个方向作用3）根据应力与焊）根据应力与焊 缝的相对位置缝的相对位置纵向应力：应力作用方向与焊缝平行纵向应力：应力作用方向与焊缝平行横向应力：应力作用方向与焊
12、缝垂直横向应力：应力作用方向与焊缝垂直瞬时应力：焊接过程出现的应力瞬时应力：焊接过程出现的应力残余应力：焊后留下的应力残余应力：焊后留下的应力温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的应力拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的应力组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化受阻组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化受阻5）根据应力）根据应力 形成原因形成原因 4）根据应力产生）根据应力产生 、作用的时间、作用的时间(1)温度应力温度应力温度应力：温度应力：由于构件受热不均匀由于构件受热不均匀引起的内应力。引起的内应力。产生条
13、件：产生条件：受热不均匀受热不均匀温度均匀结果：温度均匀结果：应力残留或消失应力残留或消失(如果温度应力不高，即低于材料如果温度应力不高，即低于材料的屈服极限，的屈服极限，亦即温度应，亦即温度应力在弹性范围内时，在框架中不力在弹性范围内时，在框架中不产生塑性变形，当框架的温度均产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之消失。匀化后，热应力随之消失。)举例：举例：框架结构的温度应力平衡框架结构的温度应力平衡特点特点sT(2)残余应力残余应力残余应力：残余应力：温度恢复到原始状态均温度恢复到原始状态均匀后残存在物体内部的应力。匀后残存在物体内部的应力。产生原因：产生原因：不均匀加热不均匀加热产
14、生条件：产生条件：局部区域产生塑性变形局部区域产生塑性变形或相变或相变举例：举例：金属框架金属框架因此：任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部因此：任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变
15、形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形(3)相变应力相变应力相变应力：相变应力：材料在凝固冷却过材料在凝固冷却过程中，由于组织转变，带来体程中，由于组织转变，带来体积尺寸变化，产生的应力。积尺寸变化，产生的应力。产生原因：产生原因：组织转变组织转变PPM2.1.3不均匀温度场作用下的变形和应力不均匀温度场作用下的变形和应力 金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：变形作以下假定：1.平截面假定：平截面假定：假定构件在
16、焊前所取的截面，焊后仍保持假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。平面。2.金属性质不变的假定：金属性质不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些热假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。物理性质不随温度而变化。3.焊接温度场假定：焊接温度场假定：假定焊接温度场不随时间而改变。假定焊接温度场不随时间而改变。4.金属屈服点假定：金属屈服点假定：在在500以下，屈服点与以下，屈服点与常温相同，不随温度而变常温相同，不随温度而变化；化；500 600之间，屈服之间，屈服点迅速下降；点迅速下降；600以上时呈全塑性状以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。态，即屈服点为零。低碳钢的屈服点与温度的关
17、系低碳钢的屈服点与温度的关系2.1.3.1在长板条中心对称加热在长板条中心对称加热温度场：温度场：对端面中心对称的不均温对端面中心对称的不均温度场度场T=f(x)变形分析：取单位长度分析其变形与应力变形分析：取单位长度分析其变形与应力假设：假设：T0=0，则，则T=T xfTTT:e由平面假设，变形时截面保持平面由平面假设，变形时截面保持平面温度场对称，端面只作平移，温度场对称，端面只作平移，e e为常数为常数Te:可见：板条中心可见：板条中心0，受压；板条两侧，受压；板条两侧0，受压，受压内应力与变形的计算内应力与变形的计算当温度较低，无塑性变形，即当温度较低，无塑性变形，即smax)()(
18、xfEEeTe2222220)()(BBeeBBBBdxxfEdxxfEdxF 22BBedxxfB矩形面积矩形面积=曲线下的面积曲线下的面积力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡 22BBedxxfB即为即为T T=f f(x(x)时的外观应变时的外观应变)(xfEe可求得各点应力的大小，可求得各点应力的大小，应力分布分为三个区域：两侧受拉，中间受压应力分布分为三个区域：两侧受拉，中间受压冷却后，应力和应变消失；即无残余应力和残余变形冷却后，应力和应变消失；即无残余应力和残余变形当温度较高，板件中产生塑性变形，即当温度较高，板件中产生塑性变形，即smax1X
19、TTesC/2C/2espp2,2cc产生压缩塑性变形，产生压缩塑性变形，ssepxf)()2,2cB2,2(BcseTexfEE)()(222222222222220)(2)()2()()()(cBsecBBcecceeBBBBeeBBcdxxfEdxxfEdxcfEdxxfEdxxfEdxxfEdxF)()(xfEEpepe2222)(BBBBpedxEdxF222222)(cBccBcepeedxEdxxfEdxE0)()(22dxxfEcBEccpee冷却后，应力和应变不能完全消失冷却后，应力和应变不能完全消失(存在压缩塑性变形存在压缩塑性变形)()(sepppxfxf实际上，实际上，
20、残余外观变形残余外观变形：e 理论上，中心凹陷量理论上，中心凹陷量残余应力残余应力结论：结论：对称温度场：变形仅为端面平移；对称温度场：变形仅为端面平移；e;e力的平衡条件：力的平衡条件：，实质是图形中面积的平衡，实质是图形中面积的平衡应力：加热时，中间压，两侧拉；冷却后，中间拉，两侧压应力：加热时，中间压，两侧拉；冷却后，中间拉，两侧压残余应力的产生，加热时存在塑性变形残余应力的产生，加热时存在塑性变形热量集中的热源，热量集中的热源，C小，残余变形小小，残余变形小 的大小取决于的大小取决于C的大小，所以热量集中的热源的大小，所以热量集中的热源 小小eesmax0dA2.1.3.2在长板条边缘
21、非对称加热在长板条边缘非对称加热温度场：温度场：典型的非对称温度场典型的非对称温度场这两种情况为不平衡力矩，不能发生这两种情况为不平衡力矩，不能发生sspp内应力平衡条件为：内应力平衡条件为：截面有转动，所以截面有转动，所以e 非常数，是非常数，是x的线性函数的线性函数BxBeeBee)(000)()(F000BeBTeBdxxfEdxEdx0)()(M000BeBTeBdxxfxExdxEdxx20eBeemBceeB01板条平均伸长率为：板条平均伸长率为：板条曲率为：板条曲率为：结论：结论：当当s时时产生残余应产生残余应力和残余变形；力和残余变形；当当s时不产生残余时不产生残余应力和残余变
22、形；应力和残余变形；sspp1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高）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）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。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，）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。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
23、中的应力分布是不均）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。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。拉应力。由上述讨论可知：由上述讨论可知：热循环热循环拘束度拘束度焊接热循环中产生的残余应力和变形焊接热循环中产生的残余应力和变形 主要取决于主要取决于2.1.4 焊接引起的变形和应力焊接引起的变形和应力2.1.4.1 焊接过程的特殊性及假定条件焊接过程的特殊性及假定条件(1)(1)高温下金属的性能发生显著变化高温下金属的性能发生显著变化例如：低碳钢不同温度下的屈服强度例如：低碳钢不同温度下的屈服强度 可能出现的相变将引起许
24、多物理和力可能出现的相变将引起许多物理和力学参量的变化学参量的变化(2)(2)焊接温度场是一个空间分布极不均匀的焊接温度场是一个空间分布极不均匀的温度场温度场 与前面分析的沿长度同时加热的模型有与前面分析的沿长度同时加热的模型有较大差别，平面假设的准确性受到影响。较大差别，平面假设的准确性受到影响。平面假设的适用条件：焊接速度快；材平面假设的适用条件：焊接速度快；材料导热慢料导热慢2.1.4.2 受拘束体在热循环中的应力与应变的演变过程受拘束体在热循环中的应力与应变的演变过程(1)(TesE 取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，将取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，将该棒均
25、匀加热，然后冷却。该棒均匀加热，然后冷却。弹性状态，弹性状态，无残余应力无残余应力(2)(500,TeMAXsECT有塑性变形有塑性变形及残余应力及残余应力CTMAXs600,(3)残余应力等残余应力等于材料屈服于材料屈服极限极限2.1.4.3 焊接应力与应变的演变过程焊接应力与应变的演变过程2.1.4.4 焊接热应变循环焊接热应变循环近缝区的两种情况近缝区的两种情况a)a)无相变；无相变；b)b)有相变有相变知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容焊接残余焊接残余变形变形 掌握焊接残余变形掌握焊接残余变形的类型、产生原因、影的类型、产生原因、影响因素响因素 纵向收缩变形、横纵向收缩变
26、形、横向收缩变形、角变形、向收缩变形、角变形、弯曲变形、错边变形和弯曲变形、错边变形和扭曲变形扭曲变形纵向收缩变形纵向收缩变形横向收缩变形横向收缩变形弯曲变形弯曲变形角变形角变形波浪变形波浪变形错边变形错边变形扭曲变形扭曲变形焊接残余变形分为焊接残余变形分为七类七类 焊接残余变形：焊接后残存于结构中的变形。2.2.1 纵向收缩变形纵向收缩变形纵向收缩变形：焊后在沿焊缝长度方向发生的收缩变形。纵向变形结果纵向变形结果压缩塑性变形：压缩塑性变形：焊缝近缝区焊缝近缝区金属在高金属在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形；缩塑性变形；收缩变形：收缩变形：焊缝区焊缝
27、区液态金属在冷却过液态金属在冷却过程中形成固态焊缝，产生收缩变形。程中形成固态焊缝，产生收缩变形。这两个区域统称这两个区域统称为为收缩变形区收缩变形区2.2.1.1 纵向收缩变形产生的原因纵向收缩变形产生的原因纵向收缩变形产生的根本主要原因纵向收缩变形产生的根本主要原因收缩变形区的存在使构件收缩变形区的存在使构件相当于受到一个假想外力相当于受到一个假想外力Ff的作用而缩短的作用而缩短LpApfdAEFAdALAELFLpApf2.2.1.1 纵向收缩变形的影响因素纵向收缩变形的影响因素AdALAELFLpApf焊缝的长度：焊缝的长度：L L(间断焊连续焊间断焊连续焊)构件的截面积构件的截面积：
28、AL压缩塑性变形压缩塑性变形：？规范：规范：焊接热输入焊接热输入APL工艺措施：工艺措施：焊接层数：焊接层数：(热输入热输入)多层焊单层焊多层焊单层焊 (L)多层焊单层焊多层焊单层焊 预热：预热：T0，相当于热输入，相当于热输入 L T0过高，温度均匀化过高，温度均匀化温差温差 L焊接方法：焊接方法：不同焊接方法，热源集中程度不同，不同焊接方法，热源集中程度不同，HAZ不同，不同，即即AP不同不同材料性质：材料性质：L精确计算精确计算：的计算，的计算，温度场、物理、机械性能温度场、物理、机械性能工程计算工程计算：近似估计：近似估计2.2.1.3 纵向收缩量的估算纵向收缩量的估算pApdAALA
29、kkLw21Aw 为单层或一层对接焊缝金属或一为单层或一层对接焊缝金属或一条角焊缝的截面积；条角焊缝的截面积；k1 为单层对接焊缝时考虑的系数，为单层对接焊缝时考虑的系数，与焊接方法和材料有关；与焊接方法和材料有关；k2 为多层对接焊缝时考虑的系数；为多层对接焊缝时考虑的系数；或双面角焊缝或双面角焊缝T型接头时考虑的系型接头时考虑的系数。数。2.2.2 横向收缩变形横向收缩变形横向收缩变形：横向收缩变形：焊后在焊后在垂直于焊缝方向垂直于焊缝方向发生的收缩变形。发生的收缩变形。横向变形结果横向变形结果压缩塑性变形：焊缝近缝区压缩塑性变形：焊缝近缝区金属在高金属在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压
30、温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形；缩塑性变形；收缩变形：焊缝区收缩变形：焊缝区液态金属在冷却过液态金属在冷却过程中形成固态焊缝，产生收缩变形。程中形成固态焊缝，产生收缩变形。这两个区域统称这两个区域统称为为收缩变形区收缩变形区2.2.2.1 横向向收缩变形产生的原因横向向收缩变形产生的原因横向收缩变形产生的根本主要原因横向收缩变形产生的根本主要原因即在热源附近的金属受热膨胀，但将受周围温度较低的金属的即在热源附近的金属受热膨胀，但将受周围温度较低的金属的约束而承受压应力，这样在板宽方向上产生压缩塑性变形，并约束而承受压应力，这样在板宽方向上产生压缩塑性变形，并使其厚度增加，最终结果表
31、现为横向收缩。使其厚度增加，最终结果表现为横向收缩。通过热变形计算和实验得到通过热变形计算和实验得到横向收缩变形横向收缩变形B大小为大小为wwqcqB(1)堆焊堆焊原因：原因：a)沿厚度方向温度分布不均匀沿厚度方向温度分布不均匀 b)沿焊缝方向温度分布不均匀沿焊缝方向温度分布不均匀 故在热源附近的金属热膨胀变形不但受到板厚深度，故在热源附近的金属热膨胀变形不但受到板厚深度，而且受到前后温度较低的金属的限制和约束而承受压力，而且受到前后温度较低的金属的限制和约束而承受压力，使之在宽度方向产生压缩塑性变形，而在厚度上增厚，焊使之在宽度方向产生压缩塑性变形，而在厚度上增厚，焊后产生横向收缩变形。后产
32、生横向收缩变形。(2)对接接头对接接头留有间隙的对接焊：留有间隙的对接焊：加热，膨胀，间隙减小；冷却，收缩；加热，膨胀，间隙减小；冷却，收缩；横向收缩横向收缩不留间隙的对接焊：不留间隙的对接焊：板的膨胀引起板边的挤压，使厚度板的膨胀引起板边的挤压，使厚度方向变形方向变形横向收缩横向收缩cqBwt22.2.2.2 横向收缩的影响因素横向收缩的影响因素焊接热输入：焊接热输入：q B焊缝截面积：焊缝截面积：A q B板板 厚：厚：堆焊：堆焊：B 对接：对接：A B坡坡 口口 形形 式：式：A B焊焊 接接 层层 数：数：焊接层数焊接层数 BwwqcqBcqBwt2变形小横板上的热能量越小，丁字接头：
33、立板越厚，越大，横向收缩小角焊缝：板越厚，刚度坡口角度的增大而增大随焊丝金属量，板厚和自动焊手工焊变形量：气焊.4.3.2.1横向收缩变形量的对比横向收缩变形量的对比2.2.2.3 横向收缩的分布和估算横向收缩的分布和估算分布：分布：沿焊缝长度的分布不沿焊缝长度的分布不均匀。沿焊缝方向由小到大均匀。沿焊缝方向由小到大逐渐增长，一定长度后趋于逐渐增长，一定长度后趋于稳定。稳定。原因：原因：先焊的焊缝的横向收先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生挤压作缩对后焊的焊缝产生挤压作用，使后者产生更大的横向用，使后者产生更大的横向压缩变形。压缩变形。焊接方向横向收缩(1)分布分布2.2.3 弯曲变形弯曲变形
34、弯曲变形：弯曲变形：构件焊后向某一方向发生弯曲的现象。用构件焊后向某一方向发生弯曲的现象。用f表表示其大小。示其大小。图图2-17 2-17 弯曲变形弯曲变形（a a）由纵向收缩引起的弯）由纵向收缩引起的弯曲变形曲变形（b b）由横向收缩引起的弯）由横向收缩引起的弯曲变形曲变形应力应力抗弯截面中心抗弯截面中心弯曲变形弯曲变形根本原因：根本原因：产生压应力的部位相对于构件中性轴不对称产生压应力的部位相对于构件中性轴不对称2.2.3.1 纵向收缩引起的弯曲变形纵向收缩引起的弯曲变形(1)(1)产生原因产生原因 焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称 F
35、f是个偏心力是个偏心力EIeLFEIMLff8822(2)影响因素影响因素构件的刚度构件的刚度EI：EI f焊焊 缝缝 位位 置置：不对称：不对称，e f假假 想想 力力 Ff：装装 焊焊 顺顺 序序 【例例2-1】如图如图2-19所示，工字梁的制造一般有两种装焊顺序，两种装所示，工字梁的制造一般有两种装焊顺序，两种装焊顺序产生的弯曲变形大小不同。焊顺序产生的弯曲变形大小不同。TTfTEILeFf82IIfIEILeFf82方向相反方向相反ITee ITII TTIIIeIeITff 焊后会表现出较大的弯曲变形焊后会表现出较大的弯曲变形 (1)装焊顺序：装焊顺序：工工如果焊接前先将腹板和上下翼
36、板如果焊接前先将腹板和上下翼板点固成工字梁，施焊时按照括号点固成工字梁，施焊时按照括号内的顺序进行，则会使焊接过程内的顺序进行，则会使焊接过程中结构的惯性矩中结构的惯性矩II和偏心距和偏心距eI基基本保持不变，这样就可以使两对本保持不变，这样就可以使两对角焊缝引起的弯曲变形相互抵消角焊缝引起的弯曲变形相互抵消，能够保持构件的基本平直。，能够保持构件的基本平直。说明，通过调整装配和焊接顺序，可以对弯曲变形的程度进说明，通过调整装配和焊接顺序，可以对弯曲变形的程度进行调整，可以根据实际情况要求，降低构件的弯曲挠度。行调整，可以根据实际情况要求，降低构件的弯曲挠度。(2)焊前先点固成工字形截面，则近
37、似地有：焊前先点固成工字形截面，则近似地有：f=f工工(3)弯曲挠度的估算弯曲挠度的估算IeLAkkEIeLFEIMLfwf888221222.2.3.2 横向收缩变形引起的弯曲变形横向收缩变形引起的弯曲变形横向焊缝在构件上分布不对称，其横向收缩变形会引起结横向焊缝在构件上分布不对称，其横向收缩变形会引起结构的弯曲变形。构的弯曲变形。(1)产生原因产生原因(2)影响因素影响因素 构件的结构形式构件的结构形式刚度刚度焊缝的位置焊缝的位置装配焊接顺序装配焊接顺序影响横向收缩变形的因素影响横向收缩变形的因素(3)弯曲挠度的估算弯曲挠度的估算L/2L/2hllllh1e2/2/122/l2/l下挠的数
38、值可以根据每对角焊缝产生的横向收缩变形量来估算下挠的数值可以根据每对角焊缝产生的横向收缩变形量来估算每对肋板与腹板之间的角焊缝横向收缩每对肋板与腹板之间的角焊缝横向收缩B1使构件弯曲使构件弯曲的角度的角度1为：为：每对肋板与翼板之间的角焊缝的横向收缩将使构件弯曲一每对肋板与翼板之间的角焊缝的横向收缩将使构件弯曲一个角度个角度 2：每对肋板产生的总弯曲角度为，则构件的总挠度可按下每对肋板产生的总弯曲角度为，则构件的总挠度可按下式估算：式估算：ISB111ISB222.5432lllllf21nilif22211llifni肋板数量肋板数量n n为偶数时为偶数时 肋板数量肋板数量n n为奇数时为奇
39、数时 2.2.4 角变形角变形焊后构件的焊后构件的平面围绕焊缝平面围绕焊缝产生的角位移称为角变形产生的角位移称为角变形 。用用代表角变形的大小。代表角变形的大小。图图2-21 角变形角变形(1)角变形的产生原因角变形的产生原因角变形产生的根本原因：角变形产生的根本原因：横向收缩变形在横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布厚度方向上的不均匀分布。堆焊时产生的角变形堆焊时产生的角变形 平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区金平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区金属的阻碍受挤压，压缩塑性变形。属的阻碍受挤压，压缩塑性变形。焊接面压缩塑性变形焊接面压缩塑性变形 背面背面 角变形。角变形。影
40、响因素：影响因素：a.a.角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于板的刚度。情况，同时也取决于板的刚度。b.b.焊接线能量与板厚的影响焊接线能量与板厚的影响.图图2-24 平板表面火焰加热的线能量与其角变形的关系曲线平板表面火焰加热的线能量与其角变形的关系曲线对接接头的角变形对接接头的角变形 影响因素：坡口角度影响因素：坡口角度 焊缝截面形状焊缝截面形状 焊接方式焊接方式 焊接顺序焊接顺序 对接焊层数与角变形的关系对接多层焊防止角变形方法丁字接头的角变形丁字接头的角变形筋板与主板的角变形筋板与主板的角变形主板自身的角变形主板自身的角
41、变形角焊缝所产生的角变形角焊缝所产生的角变形(2)角变形的影响因素角变形的影响因素温度场分布温度场分布 焊接热输入焊接热输入 板厚板厚 焊接方法焊接方法 坡口角度坡口角度 焊接层数焊接层数 焊接顺序焊接顺序 (3)角变形的分布角变形的分布沿长度上开始比较小，以后逐渐增加沿长度上开始比较小，以后逐渐增加 图图2-25 2-25 角变形在焊缝长度上的分布角变形在焊缝长度上的分布2.2.5 波浪变形波浪变形构件焊后呈现出构件焊后呈现出波浪形状波浪形状称为波浪变形或失稳变形。称为波浪变形或失稳变形。图图2-26 波浪变形波浪变形图图2-27 薄板受压失稳薄板受压失稳(1)产生原因产生原因薄板在承受压力
42、时，当其中的薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临界数值压应力达到某一临界数值时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象称之为称之为失稳失稳。2)(BKcr焊接波浪变形的形成原因：焊接波浪变形的形成原因：焊后存在于平板中的内应力，一般情况下在焊缝附焊后存在于平板中的内应力，一般情况下在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在压应力近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在压应力的作用下，如果的作用下，如果 ，薄板可能失稳，产生，薄板可能失稳，产生波浪变形。波浪变形。cr压应力(2)影响因素影响因素压应力：压应力：降低压应力，减小
43、塑性变形区。降低压应力，减小塑性变形区。临界应力：临界应力：提高临界应力，增加板厚和减小板宽。提高临界应力，增加板厚和减小板宽。焊接角变形也可能产生类似的波浪形变形：施加预拉应力焊接角变形也可能产生类似的波浪形变形：施加预拉应力最有效的方法最有效的方法2.2.6 错边变形错边变形在焊接过程中，在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致两焊接件的热膨胀不一致，可能引起，可能引起长度长度方向上方向上的错边和的错边和厚度方向上厚度方向上的错边。的错边。有效断有效断面减小面减小应力集中应力集中加大加大焊接填充量加大焊接填充量加大(1)产生原因产生原因焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善。焊接过程中对接边的
44、热量不平衡，装配不善。两种材料的热膨胀的差异两种材料的热膨胀的差异 图图2-32 2-32 焊接过程中对接边的焊接过程中对接边的热输入不平衡的典型例子热输入不平衡的典型例子a)工件与夹具一边接触较紧工件与夹具一边接触较紧，导热较快，另一边接触，导热较快，另一边接触不良，导热较慢；不良，导热较慢；b)工件与夹具间一边导热不工件与夹具间一边导热不良，另良，另边导热良好；边导热良好；c)焊接热源偏离中心，一边焊接热源偏离中心，一边热输入量大，另一边热输热输入量大，另一边热输入量小；入量小；d)对接边一边热容量大，导对接边一边热容量大，导热快，另一边热容量小，热快，另一边热容量小，导热慢。导热慢。对接
45、缝两边刚度不同对接缝两边刚度不同 封头刚度大，变形小封头刚度大，变形小 筒身刚度小，变形大筒身刚度小，变形大图图2-33 2-33 封头与筒身环焊缝封头与筒身环焊缝对接边错边的产生过程对接边错边的产生过程2.2.7扭曲变形扭曲变形焊后在结构上出现的扭曲现象称为扭曲变形，也称为螺旋焊后在结构上出现的扭曲现象称为扭曲变形，也称为螺旋形变形。形变形。（1）扭曲变形的产生原因）扭曲变形的产生原因根源：与焊接根源：与焊接角变形角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边纵向错边有关。有关。焊缝角变形沿长度方向上的分布不均匀所造成。焊缝角变形沿长度方向上的分布不均匀所造成。焊
46、缝长度方向上的错边变形造成。焊缝长度方向上的错边变形造成。（2）影响因素）影响因素凡是影响角变形和焊接错边的因素均会影响扭曲变形。凡是影响角变形和焊接错边的因素均会影响扭曲变形。知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容焊接焊接残余应力残余应力 掌握焊接残余应力的掌握焊接残余应力的类型及其在各种截面上类型及其在各种截面上的应力分布状态。掌握的应力分布状态。掌握焊接残余应力对焊接结焊接残余应力对焊接结构力学行为的影响规律构力学行为的影响规律 纵向残余应力、横纵向残余应力、横向残余应力以及厚度方向残余应力以及厚度方向残余应力沿焊缝长度向残余应力沿焊缝长度、宽度和厚度方向上的、宽度和厚度方向上
47、的基本分布规律基本分布规律2.3.1焊接残余应力的分布焊接残余应力的分布纵向应力纵向应力x：沿焊缝沿焊缝方向上的应力方向上的应力横向应力横向应力y：垂直于焊缝垂直于焊缝方向上的应力方向上的应力 z：厚度方向厚度方向上的应力上的应力(1)纵向残余应力在纵向上的分布纵向残余应力在纵向上的分布 2.3.1.1纵向残余应力的分布纵向残余应力的分布x原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。循环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。总结：总结：板条中部板条中部区，焊缝纵向残余区，焊缝纵向残
48、余应力基本保持不变。应力基本保持不变。在板条的端部存在在板条的端部存在一个内应力的过渡一个内应力的过渡区，纵向残余应力区，纵向残余应力逐渐降至零。逐渐降至零。不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布不同长度低碳钢板焊接纵向应力分布图图2-37 不同焊缝长度不同焊缝长度x值的变化值的变化(2)x在横截面上的分布在横截面上的分布中间拉应力，两侧压应力中间拉应力，两侧压应力（a）低碳钢）低碳钢 （b）铝合金铝合金图图2-38 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x=sxs与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关与材料的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关(3)圆筒环形
49、焊圆筒环形焊图图2-39 圆筒环焊缝纵向残余应力的分布圆筒环焊缝纵向残余应力的分布低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较大时，分布与平板相似，大时，分布与平板相似，x=s圆筒直径与壁厚之比较小时，圆筒直径与壁厚之比较小时，xs图图2-40 环焊缝纵向应力与圆筒半环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊接塑性变形区宽度的关系径及焊接塑性变形区宽度的关系取决于圆筒的半径取决于圆筒的半径R、壁、壁厚厚、塑变区的宽度、塑变区的宽度bp2.3.1.2 横向残余应力的分布横向残余应力的分布y y 由焊缝及其附近的塑性变形区的由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩纵向收缩引起的引起的y=+(叠加叠加)y
50、由焊缝及其附近的塑性变形区的由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩横向收缩的不的不 同时性所引起的同时性所引起的两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的塑两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。性变形区为拉应力，两侧为压应力。若沿焊缝中心将构件一分为二，相当于板边堆焊变形、向若沿焊缝中心将构件一分为二，相当于板边堆焊变形、向外侧弯曲外侧弯曲 必须在必须在(1)y分析：分析：中心为拉应力两端为压应力复原中心加拉力两端加压力y-+图图2-41 纵向应力纵向应力x引起的横向应力引起的横向应力yxy不同材料、工艺会形不同材料、工艺会形成不同的应力分布成不
