焊接應力與變形

第四部分焊接應力應變與焊接結(jié)構(gòu)設計第一節(jié)焊接應力與變形

一、焊接殘余變形二、焊接殘余應力焊接應力與變形產(chǎn)生原因的概述焊接結(jié)構(gòu)有較大的焊接變形

絕大多數(shù)焊接方法都要采用局部加熱，故不可避免地將產(chǎn)生內(nèi)應力和變形。焊接應力和變形不但可能引起工藝缺陷，一定條件下將影響結(jié)構(gòu)的承載能力：諸如強度、剛度和受壓穩(wěn)定性。除此這外還將影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性。因此，在設計和施工時充分考慮焊接應力和變形這一點是十分重要的。為方便大家理解，下布告我介紹相關(guān)的基礎知識及基本概念。

焊接應力與變形產(chǎn)生原因的概述彈性：鋼材在外力的作用下產(chǎn)生的形變，一旦外力除去，仍能恢復原狀的性質(zhì)，叫做彈性。塑性：當外力除去后，不能恢復原狀，而仍能保持變形的狀態(tài)的性質(zhì)，叫做塑性。屈服極限：指鋼材在開始塑性變形時，單位面積上所能承受的拉力，這個指標表示鋼材抵抗塑性變形的能力。內(nèi)應力及變形的一些基本概念內(nèi)應力：是在沒有外力的條件下平衡于物體內(nèi)部的壓力，這種應力存在于許多的工程結(jié)構(gòu)中。如鑄造、焊接結(jié)構(gòu)中。內(nèi)應力的種類：按其產(chǎn)生原因可分為溫度應力和殘余應力幾種。焊接應力與變形產(chǎn)生原因的概述溫度應力（熱應力）的產(chǎn)生原因溫度應力是由于構(gòu)件受熱不均勻引起的舉例說明圖示是一個金屬柜架，如果只讓框架的中心桿受熱，而兩側(cè)桿件的溫度保持不變，則前者由于溫度上升而伸長，但是這種伸長的趨勢受到兩側(cè)桿件的阻止，不能自由地進行，因此中心桿件就受到壓縮，產(chǎn)生壓應力。而兩側(cè)的桿件在阻礙中心桿件膨脹伸長的同時受到中心桿件的反作用而產(chǎn)生拉應力。這種應力是在沒有外力作用下出現(xiàn)的，拉應力與壓應力在柜架中相互平衡，就構(gòu)成了內(nèi)應力。因為是由于不均勻的溫度造成的，所以稱之為溫度應力或熱應力。如果溫度應力不高（低于材料的屈服極限），在柜架里不產(chǎn)生塑性變形。那么當框架的溫度均勻以后，熱應力亦隨之消失。焊接應力與變形產(chǎn)生原因的概述殘余應力如果不均勻溫度場所造成的內(nèi)應力達到材料的屈服極限，使局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。當溫度恢復到原始的均勻狀態(tài)后，就產(chǎn)生新的內(nèi)應力。這種內(nèi)應力是溫度均勻后殘存在物體中的。故稱之為殘余應力。舉例介紹彈性變形與塑性變形。焊接應力與變形產(chǎn)生原因的概述以上圖1-1分析：在金屬柜架中，如果中心桿件產(chǎn)生的壓應力達到材料的屈服極限，桿件中將出現(xiàn)壓縮塑性變形。當桿件溫度恢復到原始狀態(tài)時，若任其自由收縮，那么它的長度必然比原來的短。實際上柜架兩側(cè)桿件阻礙著中心桿件自由收縮，使它受到拉應力，而兩側(cè)桿件本身，則由于中心桿件的反作用而產(chǎn)生壓應力。這樣們就在柜架中形成了一個新的內(nèi)應力體系，即殘余應力。如圖1-2，中心桿件受拉，而兩側(cè)桿件受壓縮，產(chǎn)生壓應力。焊接應力與變形產(chǎn)生原因產(chǎn)生焊接應力和變形的原因很多，下面分析一下其中的主要原因：焊接時焊件不均勻加熱熔敷金屬的收縮金屬組織的變化焊件的剛性焊接應力與變形產(chǎn)生原因

焊接時焊件不均勻加熱由于焊接時局部加熱到熔化狀態(tài)，形成焊件上溫度不均勻分布。如圖1-3

電弧周圍溫度較高，而遠離電弧的部位溫度較低。焊接應力與變形產(chǎn)生原因焊條電弧焊溫度不均勻分布而引起的焊接應力與變形過程設有一塊鋼板條，沿邊緣進行堆焊。見圖1-4，如果鋼板是由無數(shù)塊互相能自由滑動的板條組成，板條受熱而伸長，伸長的多少與溫度的高低成正比。實際上鋼板是一整體，受熱部分金屬要受下面未受熱部分金屬的約束，不能自由伸長。因此堆焊部分金屬伸長時，帶著整塊鋼板繞中性面向上彎曲變形，受到壓縮應力。當溫度繼續(xù)升高時，壓縮應力繼續(xù)增加。鋼板隨溫度升高，，屈服極限不斷降低，在600℃左右屈服極限幾乎接近于零。因此堆焊部分的金屬在壓應力作用下產(chǎn)生塑性變形。焊接應力與變形產(chǎn)生原因冷卻時，堆焊金屬逐漸收縮而使內(nèi)部的壓縮應力逐漸消失；同時在高溫時產(chǎn)生的壓縮變形保留下來，即堆焊金屬冷卻下來后比原始長度要縮短。同樣，縮短時也受到原來未加熱部分金屬的約束，其結(jié)果供整塊鋼板產(chǎn)生向下彎曲變形，同時，堆焊外金屬受到拉伸應力。見圖1-5

由上面分析可知，焊件局部不均勻受熱是產(chǎn)生變形和應力的主要原因，焊后，在焊逢附近金屬受拉應力，離焊逢較遠處的金屬受壓應力。

焊接應力與變形產(chǎn)生原因1、熔敷金屬的收縮

焊縫金屬在凝固和冷卻過程中，體積要發(fā)生收縮，這種收縮使焊件產(chǎn)變形和內(nèi)應力。焊逢金屬的收縮量決定于熔化金屬的數(shù)量。例如平板對接采用V型坡口接頭時，焊縫上部寬，熔化金屬多，收縮量大，上下收縮量不一致，故發(fā)生角變形。見圖1-6焊接應力與變形產(chǎn)生原因2、金屬組織的變化金屬加熱到很高溫度并隨后冷卻下，金屬內(nèi)部組織要發(fā)生變化。由于各種組織的比容不同，所以金屬冷卻下來時要發(fā)生體積的變化。這種體積變化也受到周圍沒有組織變化的金屬的約束，其結(jié)果金屬內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，這種應力稱為組織應力。

鋼中常見的組織鋼中常見組織奧氐體鐵素體珠光體滲碳體馬氏體比容(cm3/g)

0.13-0.15

0.127

0.12860.13

0.127-0.131焊接應力與變形產(chǎn)生原因3、焊件的剛性焊件的剛性本身就限制了焊件在焊接過程中的變形，所以剛性不同的焊接結(jié)構(gòu)，焊后變形的大小不同。如焊件夾持在夾具中進行焊接，由于夾具夾緊力的限止，焊件不能隨溫度的變化自由膨脹和收縮，這樣也就有效地減少了焊件的變形，但焊件中產(chǎn)生了較大的內(nèi)應力。

結(jié)論

在焊接過程中多種因素影響應力與變形的變化，如焊接方法、速度、焊件的裝配間隙、對口質(zhì)量、焊件的自重，特別是裝配順序和焊接順序?qū)附討τ休^大的影響。焊接應力與變形產(chǎn)生原因焊接應力與變形的關(guān)系

金屬結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生各式各樣的焊接變形和大小不同的焊接應力。若焊件在焊接時能自由收縮，則焊后焊件的變形較大，而應力較?。蝗绻捎谕饬Φ南拗苹蜃陨韯傂暂^大，焊件不能自由收縮，則焊后焊件的變形較小而應力較大。焊接殘余應力的的分布

前面已經(jīng)討論過內(nèi)應力的一般概念，以及焊接應力的產(chǎn)生過程，下而將討論焊接后殘存在結(jié)構(gòu)中的應力的分布情況，以便我們在焊接工作中采取消除和降低焊接殘余應力的措施。在厚度不大（15-20mm）的常規(guī)的焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應力基本上是雙軸分布的，厚度方向的應力很小。只有在大厚度的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的應力才比較大。為了便于分析，我們把焊縫方向的應力稱為縱向應力，垂直于焊縫方向的應力稱為橫向應力。焊接殘余應力的的分布

對接接頭中的殘余應力縱向殘余應力

對接接頭中縱向殘余應力的分布在焊縫及其附近區(qū)域出現(xiàn)拉應力，一般都達到或超過材料的屈服極限，隨至焊縫距離的增加，拉應力急劇下降為零并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?，如圖示10-4當兩板是等寬時，則產(chǎn)生的縱向應力與焊縫是對稱的。

焊接殘余應力的的分布橫向殘余應力

橫向殘余應力是由于焊縫金屬的縱向收縮造成板的彎曲變形和金屬的橫向收縮造成板的橫向移動而產(chǎn)生的。如圖所示圖示10-6對接接頭的橫向殘余應力分布

焊接殘余應力的的分布圖示10-6對接接頭的縱向X向、橫向Y向殘余應力分布

結(jié)論：在一塊鋼材上，縱向應力的峰值在焊縫中心線上，可接近材料的屈服強度，而橫向應力的數(shù)值較小。

焊接殘余變形的種類縱向收縮變形橫向收縮變形角變形彎曲變形波浪變形扭曲變形焊接變形的種類

1、收縮變形

鋼板焊后，沿長度方向和寬度方向上都比原來縮短了，鋼板的縮短是由于焊縫的縱向收縮和橫向收縮造成的。

1）、細長構(gòu)件如梁柱等縱向引起的縱向收縮ΔL,一方面取決于焊縫截面及其兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的單位面積的收縮量；另一方面取決于構(gòu)件長度L和截面積F。前者與焊接線能量和焊接工藝有關(guān)。

單道焊縫的縱向收縮可由下式粗略估算

ΔL＝0.86×10-6qvLqv＝ηUI/ν

η＿焊條電弧焊取0.7-0.8；埋弧焊取0.8-0.9；CO2氣保焊取0.7

如果末確定焊接參數(shù)則可根據(jù)焊縫熔敷金屬截面積FH和角焊縫的焊腳K確定焊接線能量。（用于低碳鋼和屈服點低于350MPa的低合金）焊條電弧焊qv＝40000K2

qv＝(42000-50000)FH

埋弧焊qv＝30000K2

qv＝（61000-66000）FH

CO2氣保焊qv＝20000K2

qv＝37000FH

焊接變形的種類多道焊縫

每道焊縫的變形區(qū)域互相重疊，F(xiàn)H

改用一道焊縫的截面積，再乘以系數(shù)K1

。

K1＝1＋８５εｓn（εｓ＿材料的屈服應變、ｎ焊道數(shù)）

對于兩面各有一條焊腳相同的角焊縫的Ｔ形接頭構(gòu)件的縱向收縮，F(xiàn)H取一條角焊縫的截面積，再乘以系數(shù)１.３-１.４５。奧氏體鋼的構(gòu)件的變形比低碳鋼的大，應乘以1.44。對于長度為a，中心距為l的斷續(xù)焊縫，其ΔL應乘以系數(shù)a/l。

2）焊縫縱向收縮引起的彎曲變形若焊縫與構(gòu)件橫截面的中性軸線不重合時，焊縫縱向收縮還會引起構(gòu)件的彎曲變形。如由角焊縫連接而成的T形構(gòu)件的縱向彎曲撓度，與角焊縫的尺寸的關(guān)系為隨著焊縫尺寸的增大撓度增大。對于構(gòu)件由縱向焊縫引起的彎曲撓度的估算，可按下式進行。

f＝0.86×10-6×(eqvL2/8I)I為截面慣性矩

e焊縫中心到截面中性軸的距離焊接變形的種類2.焊接橫向收縮變形

1）對接焊縫的橫向收縮單道對接焊縫中的橫向變形主要是因熱源附近高溫區(qū)金屬的熱膨脹受到拘束，產(chǎn)生了性應變，熔池凝固后，沓縫附近金屬開始降溫而收縮，這是焊縫橫向收縮的主要組成部分；而焊縫本身的收縮僅占總量的10%。

在鋼結(jié)構(gòu)上，單道對接焊縫的橫向收縮變形量的值，比縱向收縮量要大得多，可用下式估算：

ΔB＝Aqv

（α／ｃγδ）Ａ經(jīng)驗系數(shù)，電弧焊1.0-1.2α材料線脹系數(shù)ｃ材料比熱容γ材料密度在角焊縫和堆焊縫上，ΔB值比對接焊時小。大厚度板開坡口多道焊時，ΔB值層遞減；V形坡口ΔB值比X形和雙U形坡口時都大。坡口角度和間隙越大，ΔB值也越大。在同樣的材料上，氣焊時ΔB值最大，電弧焊次之，電子束和激光焊時最小。在電弧焊中，焊條電弧焊的ΔB值比埋弧焊的大，用氣體保護焊時的ΔB值相對而較小。焊接變形的種類多層焊時，每層焊縫所產(chǎn)生的橫向收縮量以第一層為最大，隨后則逐層遞減。例如在厚度為180mm的20MnSi鋼對接U形對稱坡口焊接時，第一層的橫向收縮量可達1mm，而前三層的橫向收縮量達總收縮量的70%.可見，控制多層焊縫橫向收縮的關(guān)鍵在于控制最初幾層。焊條電弧焊對接接頭的橫向收縮量可參照下面公式粗略估算：

ΔB＝0.2FH/δT形接頭和搭接接頭的橫向收縮量隨焊腳的增大而增大、隨焊件的打基礎度增大尷降低。2）焊縫橫向收縮變形引起的構(gòu)件彎曲變形如果橫向焊縫在構(gòu)件上分布不對稱，例如工字型梁上翼板一側(cè)上的短筋板焊縫，則焊縫橫向收縮也會引起彎曲變形。詳細內(nèi)容省略。焊接變形的種類3、角變形在堆焊、對接、搭接和丁字接頭的時，往往會引起角變形。這種變形發(fā)生的根本原因是橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻不均勻分布。焊縫正面的變形大，背面的變形小。這樣就造成了構(gòu)件平面的偏轉(zhuǎn)。雖然基本原因相同，但不同的焊縫及接頭形式具有不同的特點。

1）堆焊產(chǎn)生的角變形

在平板上進行堆焊時，堆焊的高溫區(qū)金屬的熱膨脹由于受到附近溫度較低區(qū)金屬的阻礙，而受到擠壓，產(chǎn)生壓縮性變形。但是由于焊接面的溫度高于背面，焊接面產(chǎn)生的壓縮性變形比背面大，有時背面在彎矩的作用下甚至可能產(chǎn)生拉伸變形，故在冷卻后平板產(chǎn)生角變形。角變形的大小取決于壓縮性變形的大小和分布性情況，同時取決于板的剛度。焊接變形的種類2）對接接頭產(chǎn)生的角變形對接接頭的坡口角度以及焊縫截面開頭對于對接接著的角變形影響很大，坡口角度越大，焊接接頭上部及下部橫向收縮量差別就越大。自動焊的熔熔深比焊條電弧焊的大得多，因此在焊接相同厚度的工件時，采用自動焊，其坡口角度比采用焊條電弧時小。采用電子束焊和電渣焊的對接接頭時，因其不需要開坡口，整個厚度同時焊接，焊接寬度基本不變，作以角變形小。采用對稱坡口例如X型坡口代替V形坡口，亦利于減小角變形。焊接角變形還和焊接方式有關(guān)。對于同樣板厚度和坡口形式，多層焊比單層焊角變形大，焊接層數(shù)越多，角變形越大，多道焊比多層焊角變形大。焊接變形的種類3）角焊縫所產(chǎn)生的角變形丁字接頭的角變形包括兩個內(nèi)容：筋板與主板的角度變化和主板本身的角變形。前者相當于對接接頭的角變形。而對主板說，它就相當于在夾板上進行堆焊時的角變形。這兩種角變形的綜合結(jié)果，使丁字形接頭兩板間的角度發(fā)生變化，破壞了垂直度，也破壞了平板的平直度。通過開坡口，可以減少筋板與主板這間的焊縫夾角，從而降低了角變形的數(shù)值。角變形可采用反變形預防，或根據(jù)圖表進行估算。焊接變形的種類4波浪變形主要出現(xiàn)在6－8mm以下的薄板中，焊縫縱向收縮對薄板邊沿造成的壓應力，當壓應力達到臨界值時、薄板因出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力引起的。在同一焊接工藝條件下，板件的幾何尺寸寬長比和厚度決定著臨界失穩(wěn)壓應罰的大小。6、扭曲變形

在一些框架、桿件或梁柱類等剛性較大的焊接構(gòu)件上往往會發(fā)生扭曲變形。如在工字梁上有四條縱向焊縫：若同時在向同一方向焊接兩條焊縫，或在夾具中施焊，則可以減小或防止扭曲變形。但若焊接方向和順序不同，因角焊縫引起的角變形逐漸增大，易引起扭曲變形。

可見，焊縫的縱向收縮及橫向收縮是引起各種變形的根本原因，同時變形與焊縫在結(jié)構(gòu)上的位置、焊接順序及焊接方法等因素有關(guān)。焊接變形的預防

焊接殘余變形可以從設計和工藝兩個方面來解決，從設計上注意焊接變形，往往比單純從工藝上解決問題方便。一設計措施

1合理地選擇焊縫尺寸和形式焊縫尺寸直接關(guān)系到焊接變形的大小。焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大。因此，在保證結(jié)構(gòu)承載能力的條件下，設計時應盡量采用較小的焊縫尺寸。不合理地加大焊縫尺寸，在角焊縫上表現(xiàn)的更為突出。角焊縫在許多情況下一般受力不大。例如在相當多的架構(gòu)中，筋板與腹板間的焊縫，并不承受很大的應力，沒有必要采用大尺寸的焊縫。因此，應保證焊接質(zhì)量的前提下，按板的厚度來選取工藝上的可能的最小的焊縫尺寸。焊接變形的預防對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，在保證相同的強度條件下，采用開坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬對減少變形有利。例如箱形梁的上下蓋板較厚而兩塊側(cè)板較薄。采用較少焊縫尺寸的接頭形式如圖示：

焊接變形的預防2盡量可能減少不必要的焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中應該力求焊縫數(shù)量少，在設計焊縫結(jié)構(gòu)時，常常采用筋板來提高板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性。為了減輕重量采用薄板，不適當?shù)丶哟罅坎捎媒畎澹炊唤?jīng)濟。因為這樣增加了裝配和焊接工作量，焊接變形大，增加校正工時。合理地選擇筋板的形狀，適當?shù)匕才沤畎宓奈恢茫部蓽p少焊縫提高筋板加固的效果。焊接變形的預防3合理地安排焊縫的位置設計時，安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊道接近于中性軸。焊縫對稱于中性軸，有可能使焊縫所引起的撓曲變形相互抵消，而焊縫接近斷面中性軸，可以較小焊縫所引起的撓曲。圖a中的質(zhì)量在斷面中性軸以上，中性軸以下沒有焊縫。圖b的兩條焊縫對稱于中性軸圖c的兩條焊縫在截面中性軸上，因此圖b、c的撓曲變形小于a圖焊接變形的預防二、工藝措施

1、反變形法這是生產(chǎn)中最常見的方法。事先估計好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，然后在裝配時給予一個相反方向的變形與焊接變形相抵消。使焊后結(jié)構(gòu)件保持設計要求。A圖為了防止工字梁的翼板產(chǎn)生焊接角變形，可以將翼板預先反向彎曲。如圖a焊接變形的預防在焊接梁柱