1、第第9 9讲讲 焊接应力与变形焊接应力与变形授课内容授课内容：l 焊接残余应力和焊接变形焊接残余应力和焊接变形l 预防焊接变形的措施预防焊接变形的措施l 矫正焊接变形的方法矫正焊接变形的方法 对工件进行不均匀的局部加热是产生焊接应力和变形的根本原因。（1）焊缝出现不均匀温度场 焊缝附近温度最高，可高达1600度以上，在焊缝区以外，温度则急剧下降。（2 2）焊缝区受热而纵向膨胀焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变，但这种膨胀因变形的平截面规律形的平截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平变形前的平截面，变形后仍保持平面面)而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生而受到其相邻较低温度区的约束，使
2、焊缝区产生纵向压应力。纵向压应力。热应力互相阻碍热应力互相阻碍应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名故名焊接残余应力焊接残余应力。Q235Q235钢等低合金钢焊接后的钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈服点。残余应力是构件未残余拉应力常可高达其屈服点。残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面内的应力，因而受荷载作用而早已残留在构件截面内的应力，因而截面上的截面上的残余应力自相平衡残余应力自相平衡。（3 3）由于钢材在由于钢材在600600以上时呈塑性状态以上时呈塑性状态(热塑性状热塑性状态态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产
3、生，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失塑性压缩变形，塑性变形当温度下降、压应力消失时不能恢复。时不能恢复。焊接应力的结论：焊接应力的结论：焊缝及附近区域产生拉应力，焊缝及附近区域产生拉应力，而两边区域产生压应力而两边区域产生压应力。3.3.分类分类 纵向焊接应力纵向焊接应力 横向焊接应力横向焊接应力 沿厚度方向的焊接应力沿厚度方向的焊接应力（一）纵向焊接残余应力 长板对接接头焊缝处受热温度较高，因此焊缝金属有较大伸长，离焊缝金属较远的部位温度较低，伸长则较小。钢板中间温度高的金属受到两边温度低的金属限制，阻碍了它的自由伸长，因此这部分产生压力。
4、同时两边温度低的金属受到反作用力而产生应力，这时钢板中存在压应力和拉应力，并处于平衡。冷却后焊缝及附近区域产生拉应力，而两边区域产生压应力对接接头纵向残余应力在对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况焊缝横截面上的分布情况板边堆焊时的纵向板边堆焊时的纵向残余应力与变形残余应力与变形不同长度焊缝纵截面上纵不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力向残余应力 的分布的分布（二）横向焊接残余应力 根据实际生产中知，构件焊后不仅会产生纵向焊接残余应力和变形，同时还会产生横向残余应力和变形。在与焊缝轴线垂直的方向上，焊缝和热影响区金属在加热过程中也要受到压应力，并发生塑性变形，而冷却后则存在焊接残余应力和变形
5、，这叫做焊接横向残余应力和变形。当两块钢板在对接焊时，沿焊缝中心线向两焊缝边缘焊缝区将产生纵向压缩，这种收缩的结果将使钢板产生变形。但是，焊接接头是由焊缝连接成一个不可分离的整体，结果在焊缝中部产生横向拉应力，而焊缝两端出现横向压应力。两部分组成：一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如两部分组成：一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两把钢板假想沿焊缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图块钢板产生如图(a a)中虚线所示的弯曲变形。中虚线所示的弯曲变形。因而，可见在焊缝长度的中间部分必然产生因而，可见在焊缝长度的中间部分必然产生横向拉应力横向拉应力，而，而在
6、焊缝的在焊缝的两端则产生横向压应力两端则产生横向压应力，应力分布如图，应力分布如图(b b)所示。所示。二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区形成有先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却焊缝区的横向收缩，使产生横向焊接残限制了后冷却焊缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图余应力如图(c c)所示，焊缝所示，焊缝中间为压应力中间为压应力，焊缝，焊缝两端为两端为拉应力拉应力。这是由于一条焊缝不是在同一时内完成，而总是要一段一这是由于一条焊缝不是在同一时内完成，而总是要一段一段地逐步焊完，焊
7、缝全长上的加热时间不一致，同一时间内各段地逐步焊完，焊缝全长上的加热时间不一致，同一时间内各段受热温度不均匀，膨胀与收缩也不一致，因此这段与那段之段受热温度不均匀，膨胀与收缩也不一致，因此这段与那段之间就形成了对自由变形的互相限制。先焊部分受到后焊焊缝横间就形成了对自由变形的互相限制。先焊部分受到后焊焊缝横向收缩的作用，而它又限制了后焊焊缝的横向收缩，因此向收缩的作用，而它又限制了后焊焊缝的横向收缩，因此后焊后焊焊缝末端受到拉应力作用焊缝末端受到拉应力作用，先焊部位受到压应力作用先焊部位受到压应力作用。总的横。总的横向应力是由上述两部分应力合成的结果。向应力是由上述两部分应力合成的结果。对接焊
8、缝的横向收缩所引起的横向应力分布比较复杂。当焊对接焊缝的横向收缩所引起的横向应力分布比较复杂。当焊接方法、施焊方向、焊接程序、焊接线能量、外界刚性固定条接方法、施焊方向、焊接程序、焊接线能量、外界刚性固定条件等稍有不同，则其应力分布也不同。当两块钢板固定后进行件等稍有不同，则其应力分布也不同。当两块钢板固定后进行接头对接焊缝时，虽然变形较小，但应力值很大，可能引起裂接头对接焊缝时，虽然变形较小，但应力值很大，可能引起裂缝，因此采用时要特别考虑这一点。缝，因此采用时要特别考虑这一点。分段退焊法和从中间向两分段退焊法和从中间向两端焊端焊（对称焊法）较好，应力分布比较均匀，焊接变形较小。（对称焊法）
9、较好，应力分布比较均匀，焊接变形较小。但是要注意在直通焊时，板材则往往由于受到很大的压缩应力，但是要注意在直通焊时，板材则往往由于受到很大的压缩应力，丧失稳定性而产生波浪变形。丧失稳定性而产生波浪变形。a)b)c)不同长度平板对接焊时y 的分布a)短焊缝 b)中长焊缝 c)长焊缝 纵向收缩引起的横向残余应力y 的分布a)b)c)（3 3）厚度方向的焊接应力）厚度方向的焊接应力正、背面冷却快，中心慢，中心受拉，两边受压正、背面冷却快，中心慢，中心受拉，两边受压多层焊时，表面为拉应力。多层焊时，表面为拉应力。焊件在什么情况下会产生纵向收缩变形？焊件在什么情况下会产生纵向收缩变形？当焊缝位于焊件的中
10、性轴上或数条焊缝分布在相对中性轴的对称位置上，焊后焊件将产生纵向收缩变形.细长构件纵向收缩量的经验公式估算单层焊的纵向收缩量为构件截面积为构件长度，为焊缝截面积，取值见表其中F111LFkFLFkLHH与焊接方法和材料相关系数线能量对焊接纵向变形的影响多层焊所产生的塑性变形区面积是相互重叠的。多层焊所引起多层焊所产生的塑性变形区面积是相互重叠的。多层焊所引起的纵向收缩比单层焊小。分的层数越多，每层所用的线能量就的纵向收缩比单层焊小。分的层数越多，每层所用的线能量就越小，变形也就越小。越小，变形也就越小。多层焊的纵向收缩量EnnkFLFkkLsssH/,851212为多层焊层数其中两面角焊缝丁字
11、接头,乘以系数1.151.40细长构件纵向收缩量的经验公式估算 例例 有低碳钢工字形构件有低碳钢工字形构件(见图见图)，长，长5m，腹板高，腹板高250mm，腹板厚，腹板厚10mm，翼板宽，翼板宽250mm，厚，厚12mm，四条角焊缝，每条均用埋弧自动焊一次焊成，焊角四条角焊缝，每条均用埋弧自动焊一次焊成，焊角K=8mm，试计算工字形构件的纵向收缩量？，试计算工字形构件的纵向收缩量？例题每条角焊缝的截面积：每条角焊缝的截面积：构件截面积：构件截面积：故工字形构件的纵向收缩量由下式即可求得：故工字形构件的纵向收缩量由下式即可求得：mmFLFLH16.32)8500500032073.015.1(
12、2)073.015.1(28500)10250()122502(mmF2328821mmFH例题l焊缝横向收缩引起的垂直焊缝长度方向上的缩短就是横向收缩变形。它与线能量、板厚、坡口形式、焊缝截面积等因素有关。l横向收缩量可用下式进行估算：/1053EB式中，式中，B B横向收缩量横向收缩量(mm)(mm)E E线能量线能量(kJ/mm)(kJ/mm)板厚板厚(mm)(mm)(二)横向收缩变形横向收缩变形与线能量和板厚的关系横向收缩变形与线能量和板厚的关系横向变形的大小与横向变形的大小与焊接线能量焊接线能量和和板厚板厚有关，有关，随线能量增加，横向收缩随线能量增加，横向收缩增大增大，随板厚增加，
13、随板厚增加，横向收缩横向收缩减小减小。横向收缩在焊缝长度方向上的分布横向变形沿焊缝长度上的分布并不均匀。这是因为先横向变形沿焊缝长度上的分布并不均匀。这是因为先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后者产生更大的横向压缩变形。这样焊缝的横向收使后者产生更大的横向压缩变形。这样焊缝的横向收缩沿着焊接方向是由小到大远渐增长的，到一定长度缩沿着焊接方向是由小到大远渐增长的，到一定长度后趋于稳定。后趋于稳定。对接接头留有间隙的平板对接焊的横向变形留有间隙的平板对接焊的横向变形不留间隙的平板对接焊的横向变形不留间隙的平板对接焊的横向变形沿焊缝纵
14、向热变形对横向变形的影响沿焊缝纵向热变形对横向变形的影响A A为焊接热源，为焊接热源，B B处金属开始恢复弹性，处金属开始恢复弹性，ABAB之间的焊缝之间的焊缝金属的屈服极限很小，可视为零。金属的屈服极限很小，可视为零。ABAB之间的距离之间的距离l lp越大，板的转动就越大，间隙的扩张也就越大。越大，板的转动就越大，间隙的扩张也就越大。(三三)角变形l产生原因：横向收缩变形，沿厚度方向分产生原因：横向收缩变形，沿厚度方向分布不均匀。布不均匀。)(2radEIbbssl平板堆焊角变形可按下式计算：平板堆焊角变形可按下式计算：b-b-堆焊焊道宽；堆焊焊道宽；s s-屈服强度屈服强度b bs s-
15、塑性变形区深度，塑性变形区深度，b bs s=(2=(22.5)e2.5)e，e e为焊道余高为焊道余高E-E-弹性模量；弹性模量；I I-垂直于焊道截面惯性矩垂直于焊道截面惯性矩平板堆焊平板堆焊对接接头V形坡口角变形最大，形坡口角变形最大，X形和形和U形次之，双形次之，双U形最小。形最小。坡口形式和角度的影响对接焊层数与角变形的关系对接焊层数与角变形的关系2tan0176.0V形坡口焊后的形坡口焊后的角变形近似为角变形近似为-变形角度变形角度-坡口角度坡口角度对接多层焊防止角变形方法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不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：不对称纵向焊缝形成的弯曲
16、力矩：M=PZ构件的挠度可由下式求得：构件的挠度可由下式求得：EIPZLEIMLf8822式中：式中：P-不对称纵向焊缝形成的偏心力不对称纵向焊缝形成的偏心力Z-塑性区中心到截面中性轴距离塑性区中心到截面中性轴距离L-构件长度；构件长度；I-构件截面惯性矩构件截面惯性矩(四四)纵向收缩引起的弯曲变形纵向收缩引起的弯曲变形横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。(四四)横向收缩引起的弯曲变形横向收缩引起的弯曲变形钢制构件的挠度
17、估算单道焊缝引起的挠度:距离为焊缝到构件中性轴的见表 ekcmILeFkfH1,)(8121丁字形构件焊后的挠曲变形:EILPef822,1工字形截面构件焊后的挠曲变形为工字形截面构件焊后的挠曲变形为工工EILPef824,3焊缝在结构中位置不对称引起的变形横向收缩变形及其产生的弯曲变形l在热源附近的金属热膨胀变形不但受到板厚深在热源附近的金属热膨胀变形不但受到板厚深处，而且受到前后温度较低的金属的限制和约束处，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。而在厚度上增厚。平板表面火焰加热产生变形的
18、动态过程平板表面火焰加热产生变形的动态过程(五五)螺旋变形螺旋变形l焊接纵向焊缝时，沿纵向产生不同的角变形，可能导致螺旋变形。(五五)螺旋变形螺旋变形l焊接薄板时，在纵向和横向焊缝作用下，薄板内部将产生压应力，当薄板某处的压应力与薄板的刚度(EI)之间关系超过临界值时，薄板将失稳，形成波浪变形。(六六)波浪变形波浪变形产生原因：受压部位失稳(六六)波浪变形波浪变形(七七)错边变形错边变形l纵向热源加热沿横向或厚度方向不对称，纵向热源加热沿横向或厚度方向不对称，导致长度方向错边和厚度方向错边。导致长度方向错边和厚度方向错边。设计措施1.合理选择焊缝尺寸和形式开坡口的好处:减小变形节省人力物力预防
19、焊接变形的措施预防焊接变形的措施减小焊接变形措施:坡口选取设计措施之一设计措施之一尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴(以减少弯曲变形),如图设计措施之一设计措施之一2.减少不必要的焊缝设计措施之二设计措施之二3.合理安排焊缝位置焊缝尽量对称于中性轴或靠近中性轴设计措施之三设计措施之三1.预留收缩余量工艺措施为弥补焊后尺寸缩短，在船舶与海洋结构物为弥补焊后尺寸缩短，在船舶与海洋结构物设计制造时预先加放收缩余量。设计制造时预先加放收缩余量。2.2.反变形法：预先给出一个大小相等、方向反变形法：预先给出一个大小相等、方向相反的变形
20、，以抵消结构焊后产生的变形。相反的变形，以抵消结构焊后产生的变形。工艺措施船底分段模板胎架和船体平台总对接船底分段模板胎架和船体平台总对接时，焊后船体产生上翘变形，为抵消这时，焊后船体产生上翘变形，为抵消这个变形，焊前采取反变形。个变形，焊前采取反变形。2.反变形法3.刚性固定法薄板焊接时，在焊缝两侧放置压铁和薄板焊接时，在焊缝两侧放置压铁和薄板四周施加定位焊，可减小焊后产生薄板四周施加定位焊，可减小焊后产生波浪变形。波浪变形。3.刚性固定法4.合理选择焊接方法和焊接规范焊接变形的大小和焊接线能量有关。适当焊接变形的大小和焊接线能量有关。适当选择焊接工艺和焊接规范可使焊接线能量选择焊接工艺和焊
21、接规范可使焊接线能量降低，减少焊后变形。降低，减少焊后变形。在装配焊接比较复杂的结构时，可把它分成几个简在装配焊接比较复杂的结构时，可把它分成几个简单的部件，分别装焊，然后再进行总装焊接。这不单的部件，分别装焊，然后再进行总装焊接。这不但有利于控制焊接变形，而且由于作业面扩大也但有利于控制焊接变形，而且由于作业面扩大也为缩短生产周期，提高生产率创造了良好的条件。为缩短生产周期，提高生产率创造了良好的条件。5.合理的焊接次序a)安装横梁与甲板纵骨安装横梁与甲板纵骨b)安装舱口端梁与半宽板横梁安装舱口端梁与半宽板横梁c)安装舱口围板与甲板纵桁安装舱口围板与甲板纵桁5.合理的焊接次序5.合理的焊接次
22、序焊接总方向是由中间向两侧逐次进行焊接总方向是由中间向两侧逐次进行应先焊收缩量大的焊缝后焊收缩量小的焊缝。先焊对应先焊收缩量大的焊缝后焊收缩量小的焊缝。先焊对接焊缝，后焊角焊缝接焊缝，后焊角焊缝;先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝先焊横向焊缝，后焊纵向焊缝;先焊厚板焊缝，后焊薄板焊缝。先焊厚板焊缝，后焊薄板焊缝。拼板时先焊短缝，再焊长直缝5.合理的焊接次序5.合理的焊接次序FCBCO25.合理的焊接次序立体结构焊接立体结构焊接时，先焊时，先焊立体交叉构件角焊缝立体交叉构件角焊缝，再，再焊焊构件与平板间的角焊缝构件与平板间的角焊缝，由，由里至外里至外焊。焊。在相同的焊接规范条件下，塑性变形区宽度将按直在
23、相同的焊接规范条件下，塑性变形区宽度将按直通焊法、退焊法、跳焊法顺序减小。通焊法、退焊法、跳焊法顺序减小。由焊缝长度中由焊缝长度中心向二端施焊的逐步退焊法心向二端施焊的逐步退焊法，因为塑性变形区宽度，因为塑性变形区宽度较小，产生的焊接变形将大大小于直通焊所引起的较小，产生的焊接变形将大大小于直通焊所引起的变形。船体分段施焊过程中，广泛采用这种程序。变形。船体分段施焊过程中，广泛采用这种程序。5.合理的焊接次序5.合理的焊接次序甲板分段焊接程序通常甲板分段焊接程序通常先焊接边接缝先焊接边接缝，再再焊接端接缝焊接端接缝。根据下图根据下图(舵板架结构图舵板架结构图)制定合理的焊接次序。制定合理的焊接
24、次序。立体结构焊接立体结构焊接时，先焊时，先焊立体交叉构件角焊缝立体交叉构件角焊缝，再，再焊焊构件与平板间的角焊缝构件与平板间的角焊缝，由，由里至外里至外焊。焊。5.合理的焊接次序根据船首板缝图制定合理的焊接次序。根据船首板缝图制定合理的焊接次序。平面纵横交叉焊缝焊接时，平面纵横交叉焊缝焊接时，先焊短焊缝，后焊先焊短焊缝，后焊长焊缝。长焊缝。5.合理的焊接次序6.6.其它其它（1 1）散热法）散热法又称强迫冷却法，是将散热物体放置又称强迫冷却法，是将散热物体放置在焊接区域的周围，使焊件迅速冷却借以减小焊接在焊接区域的周围，使焊件迅速冷却借以减小焊接受热区域，使变形减小。但是，这种方法对淬火倾受
25、热区域，使变形减小。但是，这种方法对淬火倾向较大的材料易产生冷淬而出现焊接裂纹。向较大的材料易产生冷淬而出现焊接裂纹。6.其它(2)(2)预热法预热法:焊件在焊前加热能减小焊件的焊件在焊前加热能减小焊件的温度差，并降低焊后的冷却速度，从而减温度差，并降低焊后的冷却速度，从而减小焊接应力和变形。焊件焊前预热可根据小焊接应力和变形。焊件焊前预热可根据焊件的大小和施工条件，采取局部预热或焊件的大小和施工条件，采取局部预热或整体预热。预热温度的大小主要根据焊件整体预热。预热温度的大小主要根据焊件的材料性质，厚度以及周围环境的温度等的材料性质，厚度以及周围环境的温度等综合来考虑。综合来考虑。6.其它矫正
26、焊接变形的方法矫正焊接变形的方法机械矫正法利用手工锤击或机利用手工锤击或机械压力矫正焊接残械压力矫正焊接残余变形的方法叫机余变形的方法叫机械矫正法。械矫正法。机械压力矫正效率高、速度快、效果好，但须要加压机构等设备，适用于中、大型焊件焊后的矫形。手工锤击矫形劳动强度大，技术难度高，但无须设备，适用于薄板的焊后矫形。锤击矫形法(二)火焰加热矫正法利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，以达到矫正变形的目的称火焰加热矫正法。对于薄板的失稳变形，常采用点状加热来矫正，加热点分布在产生波浪的部位。在进行加热的同时，在进行加热的同时，在加热点周围喷水冷在加热点周围喷水冷却来
27、限制火焰加热的却来限制火焰加热的范围提高对加热点的范围提高对加热点的挤压作用。挤压作用。(二)火焰加热矫正法(二)火焰加热矫正法注意事项：注意事项：1)通常采用氧乙炔焰，火焰性质为中性焰通常采用氧乙炔焰，火焰性质为中性焰2)加热温度为加热温度为6008003)加热部位应该是焊件变形的突出处，不能是凹加热部位应该是焊件变形的突出处，不能是凹处，否则变形将越矫越严重处，否则变形将越矫越严重4)火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种，火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种，其中三角形加热适用于厚度大、刚性强的焊件其中三角形加热适用于厚度大、刚性强的焊件5)为了提高矫正效果，可以在火焰加热的同时用为了
28、提高矫正效果，可以在火焰加热的同时用水急冷，这种方法称为水火矫正法水急冷，这种方法称为水火矫正法6)薄板变形的火焰矫正过程中，可同时使用木锤薄板变形的火焰矫正过程中，可同时使用木锤进行锤击，以加速矫正效果进行锤击，以加速矫正效果 焊接角变形的利用火焰成型(水火弯板)火焰局部加热不但可火焰局部加热不但可以用来矫正变形，使以用来矫正变形，使构件平直，也可以反构件平直，也可以反过来利用它来把平直过来利用它来把平直的钢板弯曲成各种曲的钢板弯曲成各种曲面，这种方法在生产面，这种方法在生产上称为水火弯板或火上称为水火弯板或火焰成形、用这种方法焰成形、用这种方法成形各种曲面。成形各种曲面。防止和减小焊接变形，从结构设计方面考防止和减小焊接变形，从结构设计方面考虑哪三个方面？虑哪三个方面？防止和减小焊接变形，从工艺方面考防止和减小焊接变形，从工艺方面考虑哪几个方面？虑哪几个方面？问题问题
