1、3-3 焊接残余应力 焊接残余应力在构件中的分布情况 焊接残余应力对构件的影响 主要以低碳钢和低合金钢制成的结构为例主要内容1、厚度（1520）不大的结构，残余应力基本上是双轴的，厚度方向上的应力可以忽略。2、焊缝方向的应力称为纵向应力，用x 3、垂直于焊缝方向的应力为横向应力，用y 4、厚度方向上的应力，用z 表示符号焊接残余应力的分布（1）特点：焊缝及其附近区域中的纵向应力为拉应力，数值一般达到材料的屈服极限（2）纵截面和横截面上的分布：应力在横截面中平衡纵向应力（3）不同长度焊缝中的分布 1）存在内应力过渡区 2）长焊缝：存在应力稳定区 3）短焊缝：最大应力小于屈服应力纵向应力纵向应力（
2、4）钛和铝的应力分布 1）分布规律与低碳钢相似 2）但应力较小 3）钛：0.50.8s 铝：0.60.8s 纵向应力纵向应力（5）圆筒上环缝引起的纵向应力 1）圆筒直径与厚度之比较大时 纵向应力 2）圆筒直径与厚度之比较小时，纵向应力峰值降低 纵向应力 3）原因：焊缝收缩自由度更大 4）应力大小影响因素：圆筒半径 壁厚 塑性变形区宽度 横向应力 组成：纵向收缩引起的y 横向收缩的不同时性引起的 y横向应力横向应力横向收缩的不同时性引起横向收缩的不同时性引起后焊的部位受拉应力后焊的部位受拉应力横向应力 横向应力(总的)在纵截面上平衡拘束状态 拘束状态下焊接横向残余应力由f 和y组成拘束状态 拘束
3、状态下焊接纵向残余应力由f和x组成封闭焊缝封闭焊缝相变应力相变应力相变应力相变应力相变应力1、对静载强度的影响2、对疲劳强度的影响3、对加工精度的影响4、对受压杆件稳定性的影响5、对刚度的影响6、对应力腐蚀开裂的影响焊接残余应力的影响1、对静载强度的影响（1）塑性好的材料焊接残余应力的影响只要材料有足够的塑性，能进行塑性变形，内应力的存在对构件静载强度没有影响（2）脆性材料焊接残余应力的影响当材料的塑性不足时，内应力的存在降低构件的静载强度（3）塑性变形产生的必要条件是切应力的存在焊接残余应力的影响许多材料处于单轴和双轴拉伸应力下表现为塑性 处于三轴应力下表现为脆性2、对刚度的影响焊接残余应力
4、的影响EBLPEFLPLLFELPtgEbBLPL)(2bBPBP卸载后应力下降刚度表征焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，只要其大小不超过前一次，内应力不再起作用，外载也不影响内应力的分布（指静载）焊接残余应力的影响BPsB区卸载后内应力：3、对受压杆件稳定性的影响焊接残余应力的影响FlEIcr2222EcrrlFIr 12/23bxBI12/23bxBI长细比焊接残余应力的影响（1）焊接H型受压构件，焊后不热处理的比焊后高温回火消除内应力的低2030%（2）焊后又在边缘堆焊，可提高临界应力（3）翼缘采用气割加工，可提高临界应力（4）若拉应力离中性轴较远，则消除应力对提高临界应力的效果不
5、显著。（5）杆件的长细比较大（大于150）内应力对稳定性无影响（6）杆件的长细比较小（小于30），相对偏心不大（小于0.1）内应力对稳定性无影响4、内应力对机械加工精度和尺寸稳定性的影响 原因：加工后应力重新分布 解决方式：蠕变和应力松弛 消应力处理 不稳定组织的存在 分多次加工 焊接残余应力的影响5、内应力对腐蚀开裂的影响焊接残余应力的影响焊接残余变形的分类 1、纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩3-4 焊接残余变形焊接残余变形的分类 2、横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩焊接残余变形的分类 3、挠曲变形：构件焊后发生挠曲焊接残余变形的分类 4、角变形：焊后构件的平面围绕焊缝
6、产生的角位移焊接残余变形的分类 5、波浪变形：焊后构件呈波浪形焊接残余变形的分类 6、错边变形：在焊接过程中，两焊件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边和厚度方向的错边。焊接残余变形的分类 7、螺旋形变形：焊后在结构上出现的扭曲焊接残余变形的分类 综上，焊接变形大致可以分为七类：（1）纵向收缩变形（2）横向收缩变形（3）挠曲变形（4）角变形（5）波浪变形（6）错边变形（7）螺旋形变形研究焊接残余变形的意义（1）影响结构的尺寸准却和外形美观（2）降低结构的承载能力（3）变形矫正费时费力，增加成本（4）有时，因为变形，需片面地多放余量，增加材料成本和加工成本纵向收缩力模型 dAEFpApf纵向
7、收缩力模型 图3-57 板边无拘束的带有中心纵向焊缝的板条的简化应力分布 ppspptrcBBBBBBpcsfBF)(BFcfpsfBF 收缩力和缩短变形区影响因素）焊接接头的热流（）纵向刚度（热膨胀系数弹性模量屈服强度）材料的热物理特性值（焊接速度热效率焊接电压焊接电流热输入量）焊接过程参数（43 2 1wfqF170swpq170B wwkAq 纵向收缩力模型 对于低碳钢：3/2 nkn纵向收缩变形 AdALAELFLpApf纵向收缩变形 ALAkLH11单层焊：多层焊：ALAkkLkLHn2112nks8512丁字接头：ALAkkkLHT32140.115.13k例题 例题：低碳钢工字形
8、构件，长5m,腹板高250mm,腹板厚10mm,翼板宽250mm,厚12mm，四条角焊缝，每条均用埋弧自动焊一次焊成，焊脚K=8mm解 每条角焊缝的截面积：)mm(3288212hA 构件截面积：)mm(8500102501225022A 纵向收缩量：)3.12(mm 28500500032072.015.1 2072.015.1ALALh纵向收缩变形引起的挠曲变形 EILeFEIMLff8822ILeAkEIMLfh88212单道焊：纵向收缩变形引起的挠曲变形 EILeFff822,1EILeFff824,3工工ee II 工横向收缩变形堆焊及角焊缝产生机理:沿焊缝长度各点的温度不一致前后温
9、度较低的金属板厚深处的金属宽度方向上产生压缩塑性变形厚度方向上增厚横向收缩变形堆焊及角焊缝影响因素：（1）板厚 （2）焊接线能量沿长度方向上的分布：由小到大逐渐增长，至一定长度后趋于稳定横向收缩变形堆焊及角焊缝丁字接头和搭接接头角焊缝：应考虑接头形式对热输入的影响横板上的热输入量:VHHq22横向收缩变形对接焊产生机理:(1)留间隙:焊接时,随着焊接热源的移动,平板被逐步加热膨胀,使焊接间隙减小.在冷却过程中,焊缝金属很快凝固,恢复弹性,阻碍平板的焊接边收缩到原来的位置。横向收缩变形对接焊产生机理:(2)不留间隙:焊接时,随着焊接热源的移动,平板被逐步加热膨胀,引起板边的挤压，使之向厚度方向变
10、形，冷却后，产生横向收缩变形。横向收缩变形影响因素：（1）焊接线能量 （2）焊缝坡口形式 （3）焊缝截面积 （4）焊接工艺 对接焊横向收缩变形对接焊最终变形取决于：（1）板侧堆焊引起板的挠曲，使间隙变大（2）横向收缩使间隙变小横向收缩变形对接焊横向收缩变形对接焊横向收缩变形对接焊经验公式：HFB18.0横向收缩变形引起的挠曲变形角变形产生原因：横向收缩在厚度方向上的不均匀分布堆焊产生原因：焊接面产生的塑性变形比背面大角变形影响因素：（1）线能量 （2）板厚 堆焊角变形堆焊沿长度方向上的分布：开始比较小，以后逐渐增加角变形对接接头影响因素：（1）坡口角度 （2）焊缝截面积形状 （3）焊接规范角变
11、形对接接头（4）焊接顺序（5）焊接方法角变形角焊缝丁字接头角变形 有两部分组成：筋板与主板的角度变化 主板本身的角变形角变形失稳：薄板在承受压力时，当其中的压力达到某一临界值时，薄板将因出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象我们称之为失稳。波浪变形2BKcr波浪变形波浪变形降低波浪变形的措施：提高临界应力 提高板厚 减小板宽 降低压应力（减小塑性变形区的大小）能量集中的焊接方法 小尺寸的焊缝 断续焊（或者点焊）波浪变形波浪变形焊接错边焊接错边焊接错边螺旋形变形产生原因：焊缝角变形沿长度上的分布不均匀 工件的纵向错边螺旋形变形3-5 焊接残余应力与变形的测量和调控应变、位移和焊接变形的测量应变、位
12、移和焊接变形的测量应变、位移和焊接变形的测量应变、位移和焊接变形的测量焊接残余应力的测量相似关系磁致伸缩法超声波法中子衍射法射线衍射法非破坏性测量套取芯棒测量法三轴应力套孔法盲孔法钻孔法切块法双轴应力弹性变形法切条法单轴应力破坏性测量焊接应力测量方法X 破坏性测量1、焊接残余应力的破坏性测量 基本原理：通过完全或部分切除构件的局部材料，测量被释放的应力，并根据胡克定律计算残余应力。（1）切条法 在要测量应力的方向，将构件切成大量的窄条，并根据释放的应变求出应力破坏性测量（2）弹性变形法 具有不均匀单轴纵向应力分布的杆件，在平面夹紧状态下通过铣、磨、切割、腐蚀等方法对杆件进行剥层。剥层进行过程中
13、松开杆件，杆件会因弹性变形而弯曲，弯曲变形量由回位弹簧的偏斜、剥层侧反面的曲率和应变来确定。破坏性测量（3）钻孔法 对板钻小通孔评价释放的径向应变。在应力场中取一直径为d的圆环，并在圆环上粘贴应变片，在圆孔的中心处钻一直径为d0的小通孔，由于钻孔使应力的平衡收到破坏，测出孔周围的应力变化，就可以用弹性力学的理论来推算小孔处的应力。2004524590*00902,1424BA900090450022tan A*和B*可以通过单轴拉伸试验来标定。钻孔的尺寸与测量元件的尺寸有关，一般可取d0=1.53mm,d=d0+3mm。4020203142121ddddEBddEA破坏性测量（4）盲孔法 盲孔
14、法的操作及计算公式与钻孔法相同，只是盲孔深度要稍大于盲孔直径，如h0=1.2d0,求得残余应力是盲孔深度上的平均值。当垂直于表面方向上有明显的应力梯度时，盲孔法也能确定残余应力水平对深度坐标的变化。焊接残余应力与变形的调整和控制 焊接残余应力的存在会对焊件产生不同的影响 焊接残余应力与焊接变形在很大程度上具有相反的行为特征 要区分构件的主要问题和次要问题，依据实际情况有针对性地采取措施，并综合考虑方方面面的情况使得尽可能兼顾焊接残余应力和变形。设计措施1、合理的选择焊缝的尺寸和形式 在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该遵循的原则：尽可能使焊缝长度短；尽可能使板厚小；尽量采用较小的焊缝尺寸；
15、断续焊缝跟连续焊缝相比，优先采用断续焊缝；角焊缝与对接焊缝相比，优先采用角焊缝以及复杂结构最好采用分部组合焊接。错误观点：焊缝尺寸越大越好 焊缝尺寸越小越好（必须在工艺许可的范围内）板厚（mm)67181930315051100最小焊脚（mm)346810 焊接变形的调整和控制 （1）对于受力较大的丁字接头和十字接头，可采用开坡口的焊缝。设计措施 （2）对于对接焊缝，尽量选用焊缝金属少的坡口形式 （3）薄板结构，尽量采用点焊设计措施2、尽可能减少不必要的焊缝 合理设计筋板和选择板厚 合理地选择筋板的形状，适当安排筋板的位置设计措施 采用压型来提高平板的刚性和稳定性设计措施3、合理安排焊缝的位置
16、 安排焊缝尽可能对称于截面中性轴设计措施1、反变形法 预先估计好结构变形的大小和方向，然后装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计的要求。工艺措施工艺措施工艺措施工艺措施2、刚性固定法 将构件加以固定来限制焊接变形 效果：能在一定程度上减小挠曲变形 对角变形和波浪变形比较好 工艺措施工艺措施工艺措施工艺措施3、合理地选择焊接方法和规范 （1）选用线能量较低的焊接方法（2）有时可以通过选择适当的线能量来控制挠曲变形(3)加冷却措施，限制和缩小焊接热场的分布。如水冷，铜冷滑块 工艺措施工艺措施工艺措施工艺措施4、选择合理的装配焊接顺序 1）123 f1+f2-f3 2）31
17、2 f3+f1+f2 3）213 0+f1-f3 工艺措施工艺措施工艺措施原则：（1）对于简单的构件要一次对称装配，对称焊接（2）不对称的简单构件或不便于同时对称焊接的对称构件，可以利用调整焊接次序的办法来减小焊接变形，一般先焊焊缝较少的一侧。(3)拼焊大面积薄板，先焊内部的错开短缝、横缝，后焊外部直通的纵缝、长缝。（4）对于细长结构，最易产生弯曲变形，可采用分段跳焊、分段对称焊等（5）对于大型件，应根据结构特点，分成若干小部件，小部件安上面原则装配焊接工艺措施工艺措施机械矫正（1）压力机矫形（2）锤击：比较简单，但劳动强度大，表面质量不好（3）辗压法：适用于比较规则的焊缝机械矫正原理：利用火
18、焰局部加热时产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩。火焰矫正火焰矫正火焰矫正火焰成形原理：利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，形成所需要的形状。火焰成形角变形效果：背冷空冷正冷横向收缩效果：背冷正冷空冷火焰成形措施1、采用合理的焊接顺序和方向1）尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝 焊接应力的调整和控制措施2）先焊工作受力较大的焊缝措施3）在拼板时，应先焊错开的短焊缝，然后再焊直通长焊缝措施提醒：应注意交叉处焊缝质量措施2、在焊接封闭或其它刚性较大，自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝的自由度措施3、锤击或辗压焊缝（1）辗压焊缝措施（2）预拉伸法措施措施（3）焊时温差拉伸法措施措施措施（4）随焊激冷法措施措施（5）随焊碾压法措施（6）随焊锤击法措施措施（7）随焊冲击碾压法措施措施4、在结构的适当部位加热使之伸长措施5、整体高温回火 将整个构件加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。影响因素：加热的温度 材料的成分和组织 应力状态 保温时间措施6、局部高温回火 将焊缝周围的一个局部加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。效果不如整体处理，只能降低应力峰值，不能完全消除，限于比较简单的街头措施7、机械拉伸法 措施8、温差拉伸法 措施9、振动法 振动法消除内应力的效果比同样大小的静载拉伸效果好 措施
