焊接内应力及变形Ⅰ、Ⅱ
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1、焊接内应力及变形焊接内应力及变形、(IWE-3/4.11-12)焊接内应力及变形导论w焊接的热效应导致焊接内产生焊接内应力，不同的焊接工艺在焊接部位产生不同形状的温度场。该温度场的温度变化区间为从金属的熔点（钢的为15000）至室温（约为20）。焊接内应力及变形导论w在不同的温度，不同的位置及不同的时刻，将产生不同的热变形，延伸或收缩，由此导致产生塑性变形及内应力。同样的过程也存在于板材及型材轧制使得冷却过程中。焊接内应力及变形导论w以钢棒为例，在自由状态下，钢棒被加热而延伸，在冷却时又恢复到原始长度，在整个过程中不存在延伸和收缩阻力，因此在钢棒中不存在内应力，见图3。w在自由延伸限制收缩的状
2、态下，钢棒被加热时自由延伸，在冷却时其收缩却受到限制，因此冷却后钢棒内将产生拉应力。当拉应力大于材料抗拉强度时，导致钢棒断裂，见图4。焊接内应力及变形导论w限制延伸自由收缩状态下，钢棒受热时不能自由延伸而产生压应力,随温度提高，屈服极限下降并导致“锻粗”，压应力随之下降。在冷却时对收缩没有限制，而“锻粗”部位不能恢复原态，故钢棒缩短,但不存在内应力，见图5。w在限制延伸限制收缩的状态下，钢棒被加热时延伸受限，产生压应力，温度升高使钢棒的屈服极限下降，直至产生“锻粗”，压应力随之减小。在冷却时其收缩受到限制，导致在钢棒内产生拉应力（收缩应力）。见图6。焊接内应力及变形导论w拉伸试验与温度的关系焊
3、接内应力及变形内应力的产生及分布w典型钢棒内应力的分析 将钢棒固定在刚性结构上并加热，由于钢棒的延伸受到限制，在钢棒内会产生压应力。钢棒材料：St37(Re=235N/mm2）长度l=100mmt = 60/80/100/120l=l0t，= l/l0 ， =/E，=t Et = 60 =151N/mm2，t = 80 =201N/mm2，t = 100 =252N/mm2，t = 120 =302N/mm2，=/E=(235/210000)100% =0.11%焊接内应力及变形内应力的产生及分布w钢棒一端固定并加热到1500，随温度升高，钢棒变形抗力下降，出现延伸及墩粗。当冷却到室温时，钢棒
4、缩短了约2%，该2%即为铸造时所考虑的收缩量。见图9。w钢棒两端固定并如上加热及冷却，当冷却到室温时，钢棒大约被拉长2%（其中一部分为塑性变形，另一部分为弹性变形），由弹性部分导致了残余应力，即拉应力。根据平衡原理，在固定钢棒的钢结构中，也有应力存在。见图9。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w钢的屈服极限s在0500时基本是一常数。当温度超过500时， s发生陡降，当温度达到600时， s接近于零。说明钢材此时几乎处于完全塑性状态，在很小的外力作用下就可以发生塑性变形。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w纵向应力产生的原因w自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，假设被焊钢板是由无数可以
5、自由伸缩的小板条组成。在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样就不会出现内应力。w如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应力，低温部分产生拉应力。w当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸，产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w横向应力产生的原因：1. 由纵向收缩变形引起的横向应力w两块板对接焊时，相当于两块板进行对称的单边堆焊
6、，其挠曲变形方向相反，由于相互制约，将在焊缝中部产生横向拉应力，在焊缝两端出现横向压应力，见图12b）。w单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起挠曲变形，如图12a）。焊接内应力及变形内应力的产生及分布w横向应力产生的原因：2. 由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力 焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力，而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用，因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果，在焊缝的最末段也将产生压应力。 上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。焊接内应力及变形内应力的产生及
7、分布w应力分布状态焊接内应力及变形内应力的产生及分布w应力分布状态焊接内应力及变形内应力的产生及分布w应力分布状态当板材较厚，不能按照平面应力假设考虑时，厚度方向的内应力也起作用，这就产生了三轴应力状态，如图16。多轴应力状态下，材料的屈服极限不再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得的结果，甚至可能发生不出现明显屈服就断裂的情况。其断裂强度至少要超过标准屈服极限的二倍。焊接结构中经常会出现多轴应力状态。焊接内应力及变形内应力的产生及分布手工焊及埋弧焊T形接头的应力分布情况应力测量试件焊接内应力及变形 不同应力状态下的应力应变图缺口导致局部出现多轴应力状态。利用开缺口的试样进行拉伸，可反映出多轴应力状
8、态对强度的影响。下图为对应左图不同缺口形式下的应力应变曲线。钢结构中不希望咬边存在，因为咬边处会出现很高的应力值。焊接内应力及变形裂纹的形成w构件在承载之前就存在焊接应力并可能存在焊接裂纹。导致焊接裂纹的产生有两方面的原因：应力超过材料的断裂强度；应变超过材料的延伸率。焊接内应力及变形消除内应力的措施1. 预热w可降低厚大件的应力峰值w可避免高强钢及合金钢的淬硬倾向及冷裂纹w可以改善点固焊和第一条焊道的热循环状态w补偿冷空气的影响w提高材料的导热能力，改善高导热材料的熔合w降低冷却速度，减弱淬火效应，避免淬硬倾向焊接内应力及变形消除内应力的措施2. 消除应力退火w消除焊接内应力的最佳办法是对焊
9、件进行整体消除应力退火，这样不仅可以消除焊接内应力，还可以消除构件在轧制及校形过程中产生的内应力。当残余应力在50-100N/mm2时，可认为是安全的。最佳的退火温度在580650之间，并按退火温度曲线图进行退火。焊接内应力及变形消除内应力的措施3. 局部退火w对不能进行整体退火的构件，可考虑进行局部退火。但应注意，局部加热会造成构件内的温度分布不均匀，并因而产生热应力。因此，局部退火的作用取决于退火面积。实际中，局部退火经常应用于环焊缝，如锅炉管道等。焊接内应力及变形消除内应力的措施4. 火焰加热法消除应力w用两把火焰枪加热近缝区，使近缝区温度保持在200左右，而焊缝中心的温度维持在100左
10、右，火焰加热区的外侧用水冷却，这将在焊缝的横截面上造成一个双峰分布的温度场，处于高温的近缝区会对焊缝金属产生拉伸作用，减小焊缝的纵向收缩，并由此减小焊缝的纵向拉应力。同时，双峰分布的温度场在横向上对焊缝也有一定的挤压作用，如能产生塑性变形，也可减小结构的内应力。焊接内应力及变形消除内应力的措施5. 机械法消除应力w锤击：对韧性材料的厚大件，在每道焊缝冷却后都对焊缝进行锤击，既可以消除内应力，又可以避免收缩裂纹。但是，如果材料的韧性较差，锤击时也可能产生裂纹。w碾压：用碾压机对焊缝进行碾压，使焊缝得以延展，从而减小内应力。焊接内应力及变形内应力的测量w内应力的测量及再现对结构的设计及各类结构的安
