Chapter 2 焊接变形与应力 Stress and reform of welding 本章重点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形 4.预防和矫正残余变形的方法 5.焊接残余应力 6.焊接残余应力的调节及消除措施 本章难点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 4.焊接残余应力

3.1 焊接应力与变形的基本概念 焊接应力产生的原因及分类 1 1.按应力的 分布范围 2.根据结构中 的空间位置

焊接应力产生的原因及分类 2 3.根据应力与焊 缝的相对位置 4.根据应力产生 、作用的时间 5.根据应力 形成原因

焊接变形产生原因及分类 1 1.自由变形：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由的进行。 单位长度的自由变形量：

焊接变形产生原因及分类 2 2.外观变形：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 。 3.内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形 ；

焊接残余变形的基本类型

纵向横向收缩变形

角变形、弯曲变形和波浪变形

杆件的均匀加热和冷却过程中的变形和应力 简化假定： 1. 金属材料的性参数 是与温度变化无关的参数 2. 金属的相变温度很高，不考虑组织应力 3. 材料屈服极限与温度变化关系

不同拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力 1.杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力

2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力

2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力

2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力

3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力

3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力

3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力

3.长板条（长宽比>>4~5）在不均匀温度场作用下变形和应力 假定： 1.单向应力 2.线热源，厚度方向上温度是均匀的 3.截面保持平面

长板条在中心加热引起的纵向收缩变形和应力

长板条非对称加热引起的变形和应力

长板条冷却后产生的残余应力和变形 残余应力的分布是：焊缝及近焊缝区域受到拉应力，常达以后随远离焊缝依次是压应力，拉应力，形成三个正负相间的应力分布区。

4.焊接残余变形

纵向收缩变形及产生的弯曲变形 纵向收缩变形结论

纵向收缩量的计算 1.单层焊的纵向收缩量： F—构件截面积 L—构件长度 --焊缝截面积 2.多层焊的收缩量： 焊接方法 CO2焊 埋弧焊 手工焊 材料 低碳钢 奥氏体钢 K1 0.043 0.071~0.076 0.048~0.057 0.076

纵向引起弯曲变形结论

横向收缩变形及其产生的挠曲变形

对接接头横向变形的实验数据

丁字接头及搭接接头横向收缩

横向收缩变形结论

横向引起弯曲变形与焊缝到焊件形心的距离成正比

角变形 1.焊缝横向收缩引起的弯曲角变形 2.焊缝金属收缩引起的倾斜角变形

对接接头角变形

丁字接头和搭接接头的角变形

波浪变形 原因：薄板在承受压应力，当其中的压应力达到-临界应力，薄板将出现波浪变形失去承载能力，称之为失稳。

错边变形 原因：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善会造成错边

5.预防和矫正焊接残余变形的方法 1.合理设计：1.选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴

1.合理设计 2.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，尽量采用较小的焊缝尺寸 3.尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊

2.工艺措施 1. 正确的确定装配、焊接顺序 不正确的装配次序：工字构件，先丁字，然后在装另一块盖板，焊后仍有较大的挠度 丁字 工字 正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序

2.工艺措施 2.选择适当的施焊次序和方向 原则：

反变形法 定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。

刚性固定法 在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好

合理的选择焊接的方法和焊接规范 选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊代替单层焊

矫正残余变形的方法 1.机械矫正法：将变形的构件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而恢复和达到形状的要求，可以利用螺旋、气动、液压的器具来加外力

矫正残余变形的方法 2.火焰矫正法：利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材）

6.焊接残余应力 焊接残余应力分布

1.纵向应力 的分布

1.纵向应力 的分布

横向应力的分布

横向应力的分布

横向应力的分布

厚板中的残余应力分布

封闭焊缝中的残余应力分布

组织应力[相变应力]

焊接残余应力的影响 1. 对静载强度的影响 2. 对机械加工精度的影响 原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证

焊接残余应力的影响 3 对疲劳强度的影响（研究不够充分） 4 对应力腐蚀的影响 原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。 5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次加载，卸载后，以后再次加载，只要其大小不超过前一次，残余应力不再起作用，外载也不影响焊件内部残余应力的分布

7.焊接残余应力的调节及消除措施 1.调节残余应力的措施 1.1设计措施: 设计上减小焊接应力的核心是正确布置焊缝，以避免应力叠加

设计原则

工艺措施

工艺原则

消除残余应力的措施 注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。

8.焊接残余应力的测定 1.应力测定方法的分类 按其对结构的是否破坏来分 按测试原理分

应力释放法 原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。

应力释放法 1.切条法：将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变片或加工机械引申计的标距孔然后测原始读数，然后切断，然后在读数根据 可以算出应力。

应力释放法 2.车削法：此法多用于测圆柱零件堆焊后的残余应力分布

应力释放法 3.小孔法：是应力破坏性最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推算小孔处的应力。

应力释放法 4.套孔法：采用套料钻或管形电火花加工环形孔来释放应力，在孔内预先贴上应变片，可以算出表面残余应力，切削深度为[0.6~0.8]D，破坏性不大。

X射线衍射法 原理：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用X射线，以掠角 入射到晶体表面时，如果 能满足2dSin=n ，则X射线在反射方向因干涉而加强 缺点：