第3章 連接-6教材

§3.4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1.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▲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；▲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。

§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm施焊時焊縫附近達1600℃以上，而鄰近區(qū)域溫度驟降。焊縫周圍產(chǎn)生不均勻溫度場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；焊縫冷卻時收縮又受到限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力；拉應(yīng)力大小可達鋼材屈服點fy;

遠離焊縫區(qū)域產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力，焊件內(nèi)應(yīng)力自相平衡。（1）縱向焊接殘余應(yīng)力2.焊接殘余應(yīng)力的成因-----++（2）橫向焊接殘余應(yīng)力焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形的趨勢，在焊縫處中部受拉，兩端受壓；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，后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生拉應(yīng)力，先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)；橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成?！?.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy（2）橫向焊接殘余應(yīng)力焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形的趨勢，在焊縫處中部受拉，兩端受壓；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，后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生拉應(yīng)力，先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)；橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成?！?.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy-++施焊方向(e)xy-+-施焊方向(f)yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力（2）橫向焊接殘余應(yīng)力焊縫縱向收縮，焊件有反向彎曲變形的趨勢，在焊縫處中部受拉，兩端受壓；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，后焊焊縫收縮受限產(chǎn)生拉應(yīng)力，先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)；橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成?！?.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力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。-+-321σxσyσz冷卻時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?！?.4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

x

，y外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

z

，這三種應(yīng)力形成同號三向拉應(yīng)力，大大降低連接的塑性。在施焊時，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：圖3.4.4焊接變形§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形橫向收縮彎曲變形角變形波浪變形扭曲變形3.焊接殘余變形的產(chǎn)生（1）對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當板件全截面達到fy，即N=Ny時：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力不會影響結(jié)構(gòu)的靜力強度+--fyσbBt3.4.2焊接應(yīng)力和變形對結(jié)構(gòu)工作性能的影響1.焊接應(yīng)力的影響§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形σ+--bfyNcNtNN（2）對結(jié)構(gòu)剛度的影響當焊接殘余應(yīng)力存在時，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作用下應(yīng)變增量為：σ+--bfyNN+--fyσNNbBt

1>

2當截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時，在N作用下應(yīng)變增量為：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)變形增大，即降低了結(jié)構(gòu)的剛度?！?.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（3）對低溫冷脆的影響（4）對疲勞強度的影響

對于厚板或交叉焊縫，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，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措施。

在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達到鋼材的屈服強度，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)力對結(jié)構(gòu)的疲勞強度有明顯的不利影響。

對于軸心受壓構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力。（5）對壓桿穩(wěn)定的影響§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接應(yīng)力的影響

▲常溫下不影響結(jié)構(gòu)的靜力強度；

▲增大結(jié)構(gòu)的變形，降低結(jié)構(gòu)的剛度；

▲降低疲勞強度；

▲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 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。2.焊接變形的影響▲焊接變形若超出驗收規(guī)范規(guī)定，需花許多工時去矯正；▲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。§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.4.3減少焊接應(yīng)力和變形的措施1.合理的焊縫設(shè)計（1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式（2）合理的安排焊縫的位置（3）盡量避免焊縫的過分集中和交叉（4）盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力§3.4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形圖3.4.5減小焊接殘余應(yīng)力的設(shè)計措施