第3讲焊接应力与变形文档格式.docx

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由上面分析可以看到，焊件局部不均匀受热是产生变形和应力的主要原因。

焊接后，在焊缝以及焊缝附近金属受拉应力，离焊缝较远处的金属受压应力。

2.熔敷金属的收缩

焊缝金属在凝固和冷却过程中，体积要发生收缩，这种收缩使焊件产生变形和内应力，焊缝金属的收缩量决定于熔化金属的数量。

例如焊接V型坡口对接接头时，焊缝上部宽，熔化金属多，收缩量大。

上下收缩量不一致，故发生角变形。

3.金属组织的变化

金属加热到很高温度并随后冷却下来，金属内部组织要发生变化。

由于各种组织的比容不同，钢中常见组织的比容见表3-1。

所以，金属冷却下来时要发生体积的变化。

表3-1钢中常见组织的比容

钢中常见组织

奥氏体①

铁素体

珠光体

渗碳体

马氏体

比容/（cm3/g）

0.123~0.125

0.127

0.129

0.130

0.127~0.131

4.焊件的刚性

焊件的刚性本身就限制了焊件在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小不同。

焊件夹持在卡具中进行焊接，由于夹具夹紧力的限制，焊件不能随温度的变化自由膨胀和收缩，这样也就有效地减少了焊件的变形，但焊件中产生了较大的内应力。

在焊接过程中多种因素影响着应力与变形的变化，如焊接方法、焊接速度、焊件的装配间隙、对口质量、焊件的自重等，特别是装配顺序和焊接顺序对焊接变形与应力有较大的影响。

3.1.3影响焊接变形与焊接应力的因素

3.1.3.1焊接加热量的影响

1.焊接线能量

焊接工艺参数会影响构件的受热程度，而受热程度是用线能量来衡量的。

决定线能量的主要参数是焊接电流I、电弧电压U和焊接速度v等三个方面。

输入的热量愈大，则焊接变形与应力也就愈大。

2.焊接方法

不同的焊接方法（气焊、焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊）加热区的大小不同，因而对焊接变形与应力的影响也完全不同。

焊接相同厚度的钢板时，埋弧焊比焊条电弧焊变形小，因为前者焊接速度快，电流密度大，加热集中，熔深大。

焊接薄板结构时，气焊的变形最大，焊条电弧焊次之，CO2气体保护焊最小。

因为CO2气体保护焊用细焊丝，电流密度大，加热集中，而气焊火焰加热区域宽，热量不集中。

3.焊缝尺寸与焊缝热量

焊缝尺寸大，数量多，则焊接变形与应力就增大。

因此应按规定的焊缝尺寸施焊，不要任意加大焊缝尺寸。

因为这样熔化金属量多，就是输入的热量大，则焊接变形也就明显增大。

4.焊缝的位置

焊缝的位置是影响结构的弯曲变形的主要因素。

在焊接结构设计中，应使焊缝尽量对称布置，如果实际情况不可能对称布置，在焊接时设法采用合理的焊接顺序或反变形措施。

3.1.3.2结构刚度的影响

1.构件的尺寸和形状

结构的刚度是结构抵抗变形的能力，与构件的变形及其尺寸大小有关。

结构刚度愈大，抵抗变形的能力就愈大，构件内残余应力也就愈大，则焊接变形愈小。

但结构刚度过大，有时在焊接时会导致焊缝开裂，在焊接厚板或嵌补板时，尤其容易出现。

因此，焊接具有较大刚度的钢结构时，应采取相应的工艺措施。

2.胎卡具的影响

为了提高生产效率，保证产品装焊质量，在生产上常常采用胎卡具固定被焊构件，藉以提高结构刚度，防止和减少焊接变形。

但胎卡具固定作用可能增大构件的焊接残余应力，消耗一部分材料的塑性。

因此，对塑性比较差的钢材，不能用胎卡具固定得太牢，以免引起过大的焊接残余应力。

3.装配、焊接顺序

装配、焊接顺序对焊接变形与焊接应力有很大的影响，不同的装配次序，不仅使结构具有不同的刚度，而且使焊缝和结构中性轴的相对位置也发生变化，对焊接变形将产生很大的影响。

现举例如下。

例一：

图3-2为长度L=12m的一根焊接工字梁，由零件1、2、3三部分组成。

由于上下翼板宽度不同，可以有三种不同的装配焊接方案。

方案a：

先将零件1、2装配焊接之后，再与零件3装配焊接在一起，焊后测得纵向弯曲变形挠度为21.1mm。

方案b：

先将零件2、3装配焊接之后，再与零件1装配焊接在一起。

焊后测得纵向弯曲变形挠度为6.8mm。

方案c：

将零件1、2、3全装配在一起，最后焊接。

焊后测得纵向弯曲变形挠度为4.7mm。

a）b）c）

图3-2不对称工字梁装焊顺序对焊接变形的影响

1、3—上下翼板2—腹板

例二：

图3-3为两种不同的拼板焊接顺序：

若先焊接3、4两条焊缝，再焊接焊接5、6两条焊缝，则由于5、6两条焊缝的横向收缩受到限制，平焊缝中将产生很大的焊接拉应力，在焊缝附近的钢板上，有时还会产生皱折。

这是一种错误的焊接顺序，见图3-3（a）。

在确定拼板焊接顺序时，即要考虑焊接变形，也要考虑焊接应力，在保证焊接变形较小的情况下，尽量保证每条焊缝能自由收缩，以减少焊接残余应力，见图3-3（b）。

a）b）

图3-3平板拼焊时的焊接顺序

a）错误b）正确

1、2、3、4、5、6—焊接顺序

例三：

图3-4所示为两种不同的工字梁对接焊接顺序。

按图上所示的焊接顺序，则在上下两翼板中产生很大的拉应力。

工字梁承受载荷时，其下翼板受拉伸，腹板的上部受压缩，因此工作应力与焊接残余应力是相互叠加的，这对工字梁的工作状况是很不利的，是一种错误的焊接顺序。

先焊翼板，后焊腹板，则在翼板中出现压应力，而在腹板中出现拉应力。

当工字梁承受载荷时，下翼板受拉伸，可以与原来的压应力抵消一部分。

而腹板上半部的压应力又可与原来的拉应力抵消一部分，从而减少腹板发生皱折（失稳）的可能性。

此方案是比较好的。

图3-4不同的工字梁对接时的焊接顺序

1，2，3—焊接顺序

3.2焊接变形的种类和应力分布

焊接时所产生的变形分为两大类，有局部变形和整体变形。

所谓局部变形是指这种变形仅发生在焊接结构的某一局部，例如角变形．波浪形；

所谓整体变形是指焊接时产生遍及整个结构的变形，例如挠度和扭曲。

焊接结构的变形过大会影响结构的使用，因此，在设计和制造过程中，必须设法使结构变形最小。

3.2.1焊接变形的种类

3.2.1.1纵向收缩变形

表现为焊后构件在焊缝长度方向上发生收缩，使长度缩短，如图3-5中的ΔL所示。

纵向收缩是一种面内变形。

3.2.1.2横向收缩变形

表现为焊后构件在垂直焊缝长度方向上发生收缩，如图3-5中的ΔB所示。

横向收缩也是一种面内变形。

图3-5纵向和横向收缩变形

3.2.1.3挠曲变形

是指构件焊后发生挠曲。

挠曲可以由纵向收缩引起，也可以由横向收缩引起，见图3-6。

挠曲变形是一种面内变形。

图3-6挠曲变形

a）由纵向收缩引起的挠曲变形b）由横向收缩引起的挠曲变形

3.2.1.4角变形

表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移，是由于焊缝截面形状上下不对称使焊缝的横向缩短上下不均匀所引起。

图3-7给出了角变形的常见形式。

角变形是一种面外变形。

图3-7角变形

3.2.1.5波浪变形

指构件的平面焊后呈现出高低不平的波浪形式，这是一种在薄板焊接时易于发生的变形形式，如图3-8所示。

波浪变形也是一种面外变形。

图3-8波浪变形

3.2.1.6错边变形

指由焊接所导致的构件在长度方向或厚度方向上出现错位，见图3-9。

长度方向的错边变形是面内变形，厚度方向上的错边变形为面外变形。

3.2.1.7螺旋形变形

又叫扭曲变形，表现为构件在焊后出现扭曲，见图3-10。

扭曲变形是一种面外变形。

图3-9错边变形

a）长度方向的错边b）厚度方向的错边

图3-10螺旋形变形

在实际焊接生产过程中，各种焊接变形常常会同时出现，互相影响。

这一方面是由于某些种类的变形的诱发原因是相同的，因此这样的变形就会同时表现出来。

另一方面，构件作为一个整体，在不同位置焊接不同性质、不同数量和不同长度的焊缝，每条焊缝所产生的变形要在构件内相互制约和相互协调，因而相互影响。

3.2.2焊接残余应力分布

构件焊接后存在残余应力，根据产生的原因来分有：

温度残余应力、相交残余应力和装配残余应力。

一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，厚度方向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴的，即为平面应力状态。

只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向上才有较大的残余应力。

通常，将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以σx表示；

将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以σy表示；

对厚度方向上的残余应力以σz表示。

3.2.2.1纵向残余应力的分布

平板对接焊件中的焊缝及近缝区等经历过高温的区域中存在纵向残余拉应力，其纵向残余应力沿焊缝长度方向的分布如图3-11所示。

当焊缝比较长时，在焊缝中段会出现一个稳定区，对于低碳钢材料来说，稳定区中的纵向残余应力σx将达到材料的屈服极限σs。

在焊缝的端部存在应力过度区，纵向应力σx逐渐减小，在板边处σx=0。

这是因为板的端面0-0截面处是自由边界，端面之外没有材料，其内应力值自然为零，因此端面处的纵向应力σx=0。

一般来说，当内应力的方向垂直于材料边界时，则在该边界处的与边界垂直的应力值必然等于零。

如果应力的方向与边界不垂直，则在边界上就会存在一个切应力分量，因而不等于零。

当焊缝长度比较短时，应力稳定区将消失，仅存在过度区。

并且焊缝越短纵向应力σx的数值就越小。

纵向应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力，两边为压应力，拉应力和压应力在截面内平衡。

图3-11平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布

3.2.2.2横向残余应力的分布

横向残余应力产生的直接原因是来自焊缝冷却时的横向收缩，间接原因是来自焊缝的纵向收缩。

另外，表面和内部不同的冷却过程以及可能叠加的镶边过程也会影响横向应力的分布。

1.纵向收缩的影响

考虑边缘无拘束（横向可以自由收缩）时平板对接焊的情况。

如果将焊件自焊缝中心线一分为二，就相当于两块板同时受到板边加热的情形。

由前述分析可知，两块板将产生相对的弯曲。

（见图3-12b）），由于两块板实际上已经连接在一起，因而必将在焊缝的两端部分产生压应力而中心部分产生拉应力，这样才能保证板不弯曲。

所以焊缝上的横向应力σy”应表现为两端受压、中间受拉的形式，压应力的值要比拉应力大得多。

当焊缝较长时，中心部分的拉应力值将有所下降，并逐渐趋近于零（见图3-13）。

图3-12由纵向收缩所引起的横向应力的分布

图3-13不同长度焊缝上的横向应力的比较

2.横向收缩的影响

对于边缘受拘束的板，焊缝及其周围区域受拘束的横向收缩对横向应力起主要作用。

由于一条焊缝的各个部分不是同时完成的，先焊接的部分先冷却并恢复弹性，会对后冷却的部分的横向收缩产生阻碍作用，因而产生横向应力。

基于这一分析可以发现，焊接的方向和顺序对横向应力必然产生影响。

例如：

平板对接时如果从中间向两边施焊，中间部分先于两边冷却。

后冷却的两边在冷却收缩过程中会对中间先冷却的部分产生横向挤压作用，使中间部分受到压应力；

而中间部分会对两端的收缩产生阻碍，使两端承受拉应力。

所以在这种情况下，σy”的分布表现为中间部分承受压应力，两端部分承受拉应力（见图3-14a））。

如果将焊接方向改为从两端向中心施焊，造成两端先冷却并阻碍中心部分冷却时的横向收缩，就会对中间部分施加拉应力并同时承受中间部分收缩所带来的压应力。

因此，在这种情况下σy”的分布表现为中间部分承受拉应力，两端部分承受压应力（见图3-14b）），与前一种情况正好相反。

图3-14不同焊接方向对横向应力分布的影响

对于直通焊缝来说，焊缝尾部最后冷却，因而其横向收缩受到已经冷却的先焊部分的阻碍，故表现为拉应力，焊缝中段则为压应力。

而焊缝初始段由于要保持截面内应力的平衡，也表现为拉应力，其横向应力的分布规律如图3-14c）所示。

采用分段退焊和分段跳焊，σy”的分布将出现多次交替的拉应力和压应力区。

焊缝纵向收缩和横向收缩是同时存在的，因此横向应力的两个组成部分σy’和σy”也是同时存在的。

横向应力σy应是上述两部分应力σy’和σy”综合作用的结果。

横向应力在与焊缝平行的各截面上的分布与在焊缝中心线上的分布相似，但随着离开焊缝中心线距离的增加，应力值降低，在板的边缘处σy=0（见图3-15）。

由此可以看出，横向应力沿板材横截面的分布表现为，焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。

图3-15横向应力沿板宽方向的分布

3.厚板中的残余应力

厚板焊接接头中除存在纵向应力和横向应力外还存在较大的厚度方向的应力σz。

另外，板厚增加后，纵向应力和横向应力在厚度方向上的分布也会发生很大的变化，此时的应力状态不再满足平面应力模型，而应该用平面应变模型来分析。

厚板焊接多为开坡口多层多道焊接，后续焊道在（板平面内）纵向和横向都遇到了较高的收缩抗力，其结果是在纵向和横向均产生了较高的残余应力。

而先焊的焊道对后续焊道具有预热作用，因此对残余应力的增加稍有抑制作用。

由于强烈弯曲效应的叠加，使先焊焊道承受拉伸，而后焊焊道承受压缩。

横向拉伸发生在单边多道对接焊缝的根部焊道，这是由于在焊缝根部的角收缩倾向较大，如果角收缩受到约束则表现为横向压缩。

板厚方向的残余应力比较小，因而多道焊明显避免了三轴拉伸残余应力状态。

图3-16给出了V形坡口对接焊缝厚板的三个方向应力的分布。

a）

b）

c）

图3-16厚板V形坡口对接焊缝的三个方向残余应力的分布

a）横向残余应力σyb）厚向残余应力σzc）纵向残余应力σx

对于厚板对接单侧多层焊缝中的横向残余应力的分布规律，可利用图3-17a所示的模型来分析。

随着坡口中填充层数的增加，横向收缩应力σy也随之沿z轴向上移动，并在已经填充的坡口的纵截面上引起薄膜应力及弯曲应力。

如果板边无拘束，厚板可以自由弯曲，则随着坡口填充层数的积累，会产生明显的角变形，导致如图3-17b所示的应力分布，在焊缝根部会产生很高的拉应力。

相反，如果厚板被刚性固定，限制角变形的发生，则横向残余应力的分布如图3-17c所示，在焊缝根部就会产生压应力。

图3-17厚板对层焊时横向残余应力分布的分析模型

4.拘束状态下焊接的内应力

实际构件多数情况下都是在受拘束的状态下进行焊接的，这与在自由状态下进行焊接有很大不同。

构件内应力的分布与拘束条件有密切关系。

这里举一个简单的例子加以说明。

图3-18为一金属框架，如果在中心构件上焊一条对接焊缝（见图3-18a），则焊缝的横向收缩受到框架的限制，在框架的中心部分引起拉应力σf，这部分应力并不在中间杆件内平衡，而是在整个框架上平衡，这种应力称之为反作用内应力。

此外，这条焊缝还会引起与自由状态下焊接相似的横向内应力σy。

反作用内应力σf与σy相叠加形成一个以拉应力为主的横向应力场。

如果在中间构件上焊接一条纵向焊缝（见图3-18b），则由于焊缝的纵向收缩受到限制，将产生纵向反作用内应力σf。

与此同时，焊缝还引起纵向内应力σx，最终的纵向内应力将是两者的叠加。

当然叠加后的最大值应该小于材料的屈服极限，否则，应力场将自行调整。

图3-18拘束条件下焊接的内应力

a）对接焊缝中的横向应力b）纵向焊缝中的纵向应力

5.封闭焊缝引起的内应力

封闭焊缝是指焊道构成封闭回路的焊缝。

在容器、船舶等板壳结构中经常会遇到这类焊缝，如接管、法兰、人孔、镶块等焊缝。

图3-19给出了几种典型的容器接管焊缝示意图。

图3-19容器接管焊缝

分析封闭焊缝（特别是环形焊缝）的内应力时，一般使用径向应力σr和周向应力σθ。

径向应力σr是垂直于焊接方向的应力，所以其情况在一定程度上与σy类似；

周向应力（或叫切向应力）σθ是沿焊缝方向的应力，因此其情况在一定程度上可类比σx。

但是由于封闭焊缝与直焊缝的形式和拘束情况不同，因此其分布与σx和σy仍有差异。

6.相变应力

当金属发生相变时，其比容将发生突变。

这是由于不同的组织具有不同的密度和不同的晶格类型，因而具有不同的比容。

例如对于碳钢来说，当奥氏体转变为铁素体或马氏体时，其比容将由0.123～0.125增加到0.127～0.131。

发生反方向相变时，比容将减小相应的数值。

如果相变温度高于金属的塑性温度Tp（材料屈服极限为零时的温度），则由于材料处于完全塑性状态，比容的变化完全转化为材料的塑性变形，因此，不会影响焊后的残余应力分布。

对于低碳钢来说，受热升温过程中，发生铁素体向奥氏体的转变，相变的初始温度为Ac1，终了温度为Ac3。

冷却时反向转变的温度稍低，分别为Ar1和Ar3（见图3-20a）。

在一般的焊接冷却速度下，其正反向相变温度均高于600℃（低碳钢的塑性温度Tp），因而其相变对低碳钢的焊接残余应力没有影响。

图3-20钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线

a）相变温度高于塑性温度b）相变温度低于塑性温度

对于一些碳含量或合金元素含量较高的高强钢，加热时，其相变温度Ac1和Ac3仍高于Tp；

但冷却时其奥氏体转变温度降低，并可能转变为马氏体，而马氏体转变温度Ms远低于Tp（见图3-20b）。

在这种情况下，由于奥氏体向马氏体转变使比容增大，不但可以抵消部分焊接时的压缩塑性变形，减小残余拉应力，而且可能出现较大的焊接残余压应力。

当焊接奥氏体转变温度低于Tp的板材时，在塑性变形区（bs）内的金属产生压缩塑性变形，造成焊缝中心受拉伸，板边受压缩的纵向残余应力σx。

如果焊缝金属为不产生相变的奥氏体钢，则热循环最高温度高于Ac3的近缝区（bm）内的金属在冷却时，体积膨胀，在该区域内产生压应力。

而焊缝金属为奥氏体，以及板材两侧温度低于Ac1的部分均未发生相变，因而承受拉应力。

这种由于相变而产生的应力称之为相变应力。

纵向相变应力σmx的分布如图3-21a所示。

而焊缝最终的纵向残余应力分布应为σx与σmx之和（见图3-21a）。

如果焊接材料为与母材同材质的材料，冷却时焊缝金属和近缝区bm一样发生相变，则其纵向相变应力σmx和最终的纵向残余应力σx+σmx如图3-21b）所示。

图3-21高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响

a）焊缝金属为奥氏体钢b）焊缝成分与母材相近

在bm区内，相变所产生的局部纵向膨胀，不但会引起纵向相变应力σmx，而且也可以引起横向相变应力σmy，如果沿相变区bm的中心线将板截开，则相变区的纵向膨胀将使截下部分向内弯曲，为了保持平直，两个端部将出现拉应力，中部将出现压应力，见图3-22a。

同样相变区bm在厚度方向的膨胀也将产生厚度方向的相变应力σmz。

σmz也将引起横向相变应力σmy，其在平板表面为拉应力，在板厚中间为压应力，见图3-22b。

从上述分析可以看出，相变不但在bm区产生拉应力σmx和σmz，而且可以引起拉应力σmy。

相变应力的数值可以相当大，这种拉伸应力是产生冷裂纹的原因之一。

图3-22横向相变应力σmy的分布

a）由σmx引起的σmy沿纵向的分布b）由σmz引起的σmy在厚度上的分布

3.3焊接变形的控制与矫正

为了减少和防止变形，首先要设计合理的焊接结构，在焊接施工时也应采取适当的工艺措施。

3.3.1焊接变形的危害

为了提高焊接结构的制造质量，必须对焊接变形加以控制。

焊接变形对制造和使用的不利影响主要有如下几方面。

1.降低装配质量

部件的焊接变形将使组装的装配质量下降，并造成焊接错边，例如：

（1）筒体纵缝横向收缩变形，使筒径变小，与封头装配时产生焊接错边。

而存在较大错边量的焊件在外载作用下将会产生应力集中和附加应力。

（2）球形容器环缝组装时，每个环带的所有纵缝横向收缩的总和，使环带直径变小。

若环带直径超出公差范围，组装时将产生较大焊接错边。

2.增加制造成本

部件的焊接变形使组装变得困难，需矫形后方可装配，从而使生产率下降，制造成本增加，并使矫形部位的性能降低。

例如，简体的纵缝角变形超出一定范围后，需矫正方可与封头装配。

而矫形既消耗了生产时间，又增加了制造成本。

3.降低结构的承载能力

锅炉及压力容器中的焊接变形，如角变形、弯曲变形和波浪变形，不仅影响尺寸的精度和外观质量，而且在外载作用下会引起应力集中和附加应力，使结构承载能力下降。

尤其应当引起重视的是，容器中的角变形过大而引起的附加应力还可能导致脆断事故。

另一方面由于冷矫使焊接接头区域经受拉伸塑性变形，从而消耗材料一部分塑性，使材料性能有所下降。

3.3.2焊接变形的控制

3.3.2.1反变形法

使焊件在焊前预先变形，变形的方位应与焊接时所产生的变形方向相反，而达到防止焊后变形的目的。

例如在分段造船中合拢和大合拢中采用了反变形法。

中合拢时，一般5m~6m长的船底分段焊接的变形量为5mm~8mm，见图3-23。

应用反造法时，在组装肋构时，可将中龙骨或付龙骨水线由中部适当按顺序调高。

在现代造船中，当采用由坚固的胎架强制的正造法时，也应先将胎架做成反变形。

图3-23船体底部分段反造法焊后的变形

a）焊前b）焊后

3.3.2.2利用装配和焊接顺序来