第3章 連接-6

1、第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.4.1 焊接殘余應(yīng)力和變形的原因焊接殘余應(yīng)力和變形的原因1.1.焊接殘余應(yīng)力的分類焊接殘余應(yīng)力的分類 縱向焊接應(yīng)力：長度方向的應(yīng)力縱向焊接應(yīng)力：長度方向的應(yīng)力 橫向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表橫向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力面的應(yīng)力 ； 厚度方向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)厚度方向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。件表面的應(yīng)力。 3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形第第3 3

2、章章 連連 接接 Chapter 3 Connections3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm施焊時(shí)焊縫附近達(dá)施焊時(shí)焊縫附近達(dá)16001600以上，而鄰近區(qū)域溫度驟降。以上，而鄰近區(qū)域溫度驟降。焊縫周圍焊縫周圍產(chǎn)生不均產(chǎn)生不均勻溫度場勻溫度場l 焊縫處鋼材受熱伸長，但受兩側(cè)低溫區(qū)域的限制產(chǎn)生熱塑性壓縮；焊縫處鋼材受熱伸長，但受兩側(cè)低溫區(qū)域的限制產(chǎn)生熱塑性壓縮；l 焊縫冷卻時(shí)收縮又受

3、到限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力；焊縫冷卻時(shí)收縮又受到限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力；l 拉應(yīng)力大小可達(dá)鋼材屈服點(diǎn)拉應(yīng)力大小可達(dá)鋼材屈服點(diǎn) fy;l 遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力，焊件內(nèi)應(yīng)力自相平衡。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力，焊件內(nèi)應(yīng)力自相平衡。（1 1）縱向焊接殘余應(yīng)力）縱向焊接殘余應(yīng)力2.2.焊接殘余應(yīng)力的成因焊接殘余應(yīng)力的成因-+第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections（2 2）橫向焊接殘余應(yīng)力）橫向焊接殘余應(yīng)力l焊縫縱向收縮，焊件有反向焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形彎曲變形的趨勢，在焊縫處的趨勢，在焊縫處中中部受拉，兩端受壓部受拉，兩端受壓；l先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，

4、發(fā)生橫向塑性先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性壓縮變形；焊縫冷卻，壓縮變形；焊縫冷卻，后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生拉應(yīng)力拉應(yīng)力，先先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力；l應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)；l橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成。橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成。3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections(a)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時(shí)的變形趨勢時(shí)的變形趨勢3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形-+-(b)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時(shí)的橫向應(yīng)力時(shí)的

5、橫向應(yīng)力xy第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections（2 2）橫向焊接殘余應(yīng)力）橫向焊接殘余應(yīng)力l焊縫縱向收縮，焊件有反向焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形彎曲變形的趨勢，在焊縫處的趨勢，在焊縫處中中部受拉，兩端受壓部受拉，兩端受壓；l先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性壓縮變形；焊縫冷卻，壓縮變形；焊縫冷卻，后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生拉應(yīng)力拉應(yīng)力，先先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力；l應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)；l橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成。橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成

6、。3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections(a)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時(shí)的變形趨勢時(shí)的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時(shí)的橫向應(yīng)力時(shí)的橫向應(yīng)力xy3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+-+施施焊焊方方向向(c)焊縫橫向收縮焊縫橫向收縮 時(shí)的橫向應(yīng)力時(shí)的橫向應(yīng)力xy第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections-+施施焊焊方方向向(e)xy-+-施施焊焊方方向向( f )yx不同施焊方向下不同施焊方向下, ,焊縫橫向收縮時(shí)產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力焊

7、縫橫向收縮時(shí)產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections（2 2）橫向焊接殘余應(yīng)力）橫向焊接殘余應(yīng)力l焊縫縱向收縮，焊件有反向焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形彎曲變形的趨勢，在焊縫處的趨勢，在焊縫處中中部受拉，兩端受壓部受拉，兩端受壓；l先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性先焊焊縫凝固阻止后焊焊縫橫向自由膨脹，發(fā)生橫向塑性壓縮變形；焊縫冷卻，壓縮變形；焊縫冷卻，后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生拉應(yīng)力拉應(yīng)力，先先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力；l應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)；l橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成。橫向應(yīng)力

8、是上述兩種應(yīng)力合成。3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections(a)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時(shí)的變形趨勢時(shí)的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮焊縫縱向收縮 時(shí)的橫向應(yīng)力時(shí)的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向焊縫橫向殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力yx3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+-+施施焊焊方方向向(c)焊縫橫向收縮焊縫橫向收縮 時(shí)的橫向應(yīng)力時(shí)的橫向應(yīng)力xy第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections（3 3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力l在厚

9、鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。沿厚度方向先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。先焊焊縫凝固，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。-+-321x xy yz zl冷卻時(shí)外圍焊縫散熱快先冷固，內(nèi)層焊縫收縮受限制產(chǎn)生冷卻時(shí)外圍焊縫散熱快先冷固，內(nèi)層焊縫收縮受限制產(chǎn)生沿厚度方向的拉應(yīng)力，外部則產(chǎn)生壓應(yīng)力。沿厚度方向的拉應(yīng)力，外部則產(chǎn)生壓應(yīng)力。3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形 因此除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力因此除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力 x x ， y y外，還存在沿厚度方外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)

10、力向的焊接殘余應(yīng)力 z z ，這三種應(yīng)力形成同號(hào)三向拉應(yīng)力，這三種應(yīng)力形成同號(hào)三向拉應(yīng)力，大大降低大大降低連接的塑性連接的塑性。第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections 在施焊時(shí)，由于不均勻的加熱和冷卻，焊區(qū)的縱向和橫向受到在施焊時(shí)，由于不均勻的加熱和冷卻，焊區(qū)的縱向和橫向受到熱態(tài)塑性壓縮，使構(gòu)件產(chǎn)生變形。表現(xiàn)主要有：熱態(tài)塑性壓縮，使構(gòu)件產(chǎn)生變形。表現(xiàn)主要有：圖圖3.4.4 焊接變形焊接變形3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形橫向收縮橫向收縮彎曲變形彎曲變形角變形角變形波浪變形波浪變形扭曲變形扭曲變形3.3.焊接殘余變形的產(chǎn)生焊接殘余變形的

11、產(chǎn)生第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections（1 1）對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響）對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響+-b bf fy yNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故： yytyftBftbBNN 當(dāng)板件全截面達(dá)到當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即即N=Ny時(shí)：時(shí)：結(jié)論：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力不會(huì)不會(huì)影響結(jié)構(gòu)影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度的靜力強(qiáng)度+-f fy yb bB Bt ttbBNftbN)(cyt3.4.2 焊接應(yīng)力和變形對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響焊接應(yīng)力和變形對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響1.1.焊接應(yīng)力的影響焊接應(yīng)力的影響3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘

12、余應(yīng)力和焊接變形+-b bf fy yN Nc cN Nt tN NN N第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections（2 2）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時(shí)，因截面的當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時(shí)，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到部分拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到fy ，故該故該部分剛度為零（屈服），這時(shí)在部分剛度為零（屈服），這時(shí)在N作用下應(yīng)變?cè)隽繛椋鹤饔孟聭?yīng)變?cè)隽繛椋?EtbBN 1 +-b bfy yNN+-fy yNNb bB Bt t1 22NBtE當(dāng)截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時(shí)，在當(dāng)截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時(shí)，在N作用下應(yīng)變?cè)隽繛椋鹤饔孟聭?yīng)變?cè)隽繛椋航Y(jié)論：焊接殘余

13、結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)變形應(yīng)力使結(jié)構(gòu)變形增大，即降低了增大，即降低了結(jié)構(gòu)的剛度。結(jié)構(gòu)的剛度。3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections（3 3）對(duì)低溫冷脆的影響）對(duì)低溫冷脆的影響（4 4）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 對(duì)于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力，阻礙塑對(duì)于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力，阻礙塑性的發(fā)展，使裂縫容易發(fā)生和發(fā)展，性的發(fā)展，使裂縫容易發(fā)生和發(fā)展，增加了鋼材低溫脆斷傾向增加了鋼材低溫脆斷傾向。所以，降低或消除焊接殘余應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要所以，降低或消除

14、焊接殘余應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要措施。措施。 在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材的屈在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘服強(qiáng)度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘余應(yīng)力余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯的不利影響。對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯的不利影響。 對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小，對(duì)于軸心受壓構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小，降低壓降低壓桿的穩(wěn)定承載力。桿的穩(wěn)定承載力。（5 5）對(duì)壓桿穩(wěn)定的影響）對(duì)壓桿穩(wěn)定的影響3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形第第

15、3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections焊接應(yīng)力的影響焊接應(yīng)力的影響 常溫下不影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度；常溫下不影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度； 增大結(jié)構(gòu)的變形，降低結(jié)構(gòu)的剛度；增大結(jié)構(gòu)的變形，降低結(jié)構(gòu)的剛度； 降低疲勞強(qiáng)度；降低疲勞強(qiáng)度； 在厚板或交叉焊縫處產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，阻礙了塑性在厚板或交叉焊縫處產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，阻礙了塑性變形，在低溫下使裂紋易發(fā)生和發(fā)展；變形，在低溫下使裂紋易發(fā)生和發(fā)展； 降低壓桿的穩(wěn)定性。降低壓桿的穩(wěn)定性。2.2.焊接變形的影響焊接變形的影響 焊接變形若超出驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定，需花許多工時(shí)去矯正；焊接變形若超出驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定，需花許多工時(shí)去矯正； 影響構(gòu)件的尺寸和

16、外形美觀，還可能降低結(jié)構(gòu)的承載影響構(gòu)件的尺寸和外形美觀，還可能降低結(jié)構(gòu)的承載 力，引起事故。力，引起事故。3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形第第3 3章章 連連 接接 Chapter 3 Connections3.4.3 減少焊接應(yīng)力和變形的措施減少焊接應(yīng)力和變形的措施1.1.合理的焊縫設(shè)計(jì)合理的焊縫設(shè)計(jì)（1 1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式）合理的選擇焊縫的尺寸和形式（2 2）合理的安排焊縫的位置）合理的安排焊縫的位置（3 3）盡量避免焊縫的過分集中和交叉）盡量避免焊縫的過分集中和交叉（4 4）盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力）盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力3.4 3.4 焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力和焊接變形圖圖3.4.5 減小焊接殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)措施減小焊接殘余應(yīng)力的設(shè)計(jì)措施第第3 3章章 連連 接接 Chap