焊接残余应力
焊接结构2.3
（三）厚板中的残余应力
❖当厚度超过25mm时，焊接结构中除了存在着纵 向应力和横向应力外，还存在着较大的厚度方向的
应力 z 。
❖近年来的试验研究结果表明，这三个方向的内应 力在厚度上的分布极不均匀。其分布规律，对于不 同焊接工艺有较大差别
低碳钢电渣焊缝中的内应力分布
z
x
y
焊缝中心受较大的三向拉应力，其 塑性指标显著降低。
低碳钢多层焊时的内应力分布
、x 表面y 为较高的拉应力。 的数z 值较小，有可
能为压应力，亦有可能为拉应力。
大厚度合金钢接头中的残余应力分布
❖中心线上的表面横向应力比表面层以下的焊缝金
属低，其数值接近于零。表面 y 在Y轴上的分布，
在离焊趾20mm处有一峰值。 ❖这种分布规律可能与该钢的相变温度较低和焊缝 形状（较窄较深）有关。 ❖影响：最大横向残余应力存在于表面焊道下面几 层焊道中。有可能因为残余应力较大而产生延迟裂 纹，并向表面扩展。
➢当区段III恢复弹性时，其收缩受到区段I和II的拘，使
" y
扩展。
的y"分布与焊接方向、分段方法以及焊接顺序
有关。
❖当从中间向两端焊时，
" y
的分布是中心部分为压应力，
两端部分为拉应力。
❖从两端向中心部分焊接，则中心部分为拉应力，两端部
分为压应力。
❖直通焊的
"尾部是拉应力，中段压应力，起焊段由于必
质影响甚大。
钛材焊缝中的纵向应力较低，一般仅为 0.5-0.8 σs。铝材焊缝中的σx也较低，仅为 0. 6-0. 8 σs。
高强钢焊件中的最大残余拉应力不会达 到母材的屈服极限，而且残余拉应力区的宽 度可能变窄。
残余应力
（二）内应力对疲劳强度的影响（见第五章） （三）内应力对机械加工精度的影响 机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在 着内应力，那么把一部分材料切去的同时，把原先在那里的内应 力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平衡使工件产生 变形。加工精度也就受到了影响。 例1：如在焊接丁字形零件上(见图2—121a）加工一个平面，会 引起工件的挠曲变形。但这种变形由于工件在加工过程中受到夹 持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才 能充分地表现出来。这样，它就破坏了己加工平面的精度。 例2：焊接齿轮箱的轴孔(见图2—121b)，加工第二个轴孔所引起 的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。 保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然后再进行机 械加工。
2、圆筒上环形焊缝引起的纵向应力σx分布：与平板不同。 (对圆筒来讲就是切向应力) （1）当圆筒直径与厚度之比较大时, σx的分布和平扳上的情况 相似，见图2—100。 对低碳钢来说σx达到σs （2）当圆筒直径与厚度之比较小时，就有所降低。 原因:由于圆筒环焊缝的半径在焊后缩小，焊缝在长度上的收缩 比平板上的焊缝具有更大的自由度。因此纵向应力比平板小。 应力值的大小取决于圆筒的半径R、壁厚以及塑性变形区的宽度 bp。后者与焊接线能量和材质有关。 当壁厚不变，R↓-- σx ↓； bp ↓ -- σx ↑（？）
③直通焊的尾部是拉应力，中段是压应力，起焊段由于必须满足平衡条件的 原因仍为拉应力，应力分布情况与图2—l04a相似 ④用分段退焊和分段跳焊法。σy/ /的分布将出现多次交替的拉应力和压应力 区。值得注意的是分段跳焊法的σy/ /峰值较其他焊接顺序高。
焊接结构-焊接残余应力
应力：σZ）
焊接结构工程 （一）、纵向应力 1、σX的分布
在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，
其任意横截面上的应力性质均相同，即： 焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应 力，且数值一般达到材料的屈服极限σS，而稍 离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残
曲线3，则焊件不会产生裂纹。
焊接结构工程
3、圆筒上环焊缝引起的纵向应力 圆筒上环焊缝引起的纵向应力对于圆筒体就是 切向应力。 a. σx的分布规律： 在焊缝及其附近的区域内为拉伸应力，远离焊 缝则为压缩应力。 b. σx的特点 • 圆筒体环焊缝引起的σx比平板直缝小
圆筒体环焊缝在焊后要整体向内收缩，使半径
当焊缝位于平板中心，B较小时，σx分布在
整个宽度上，并随B↑，拉、压应力区交替出现， 应力区面积增大；若B很大，则σx只在焊缝附近
一定区域内分布。
当焊缝并非位于平板中心，σx在较宽一处 附近分布。
焊接结构工程 c.材质的影响 结构材质不同，其焊缝上σx的分布也不同，
随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应
余压应力。显然，沿整条焊缝分布的σX 都为
拉应力，但拉应力的分布并不完全相同。
焊接结构工程
焊接结构工程
在焊缝的中间区域，拉应力数值恒定，为材料的
σS，而在板件两端，拉应力逐渐变化，在自由端面 （0-0截面）处σX=0。靠近自由端面的Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ
截面σX＜σS，随着截面离开自由端距离的增加σX逐
焊接结构工程
第三节
焊接残余应力
通常意义的焊接应力实际包括两类：
焊接瞬时应力： 焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。
3.5 焊接残余应力和焊接残余变形-精品文档
4
二、.焊接残余应力对结构性能的影响
1.对结构构件静力强度的影响
2.对结构构件刚度的影响 3.对压杆稳定的影响 4.对低温冷脆的影响 5.对疲劳强度的影响
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
5
三、焊接残余变形的产生和防止 采用合理的焊接顺序和方向
施焊前使构件有一个与焊接残余变形相反的预变形
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
2Hale Waihona Puke 2.横向焊接残余应力横向残余应力的分布规律比纵向的更复杂，例如横向收缩引 起的横向残余应力与施焊方向和先后顺序有关，由于焊缝冷 却时间不同而产生不同的应力分布，另外焊缝的长短也会影 响温度场的变化。总之，横向残余应力的分布情况应针对具 体问题具体分析，才能得出准确合理的结论。
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
3
3.沿厚度方向的焊接残余应力
如果焊件在施焊时受到外界约束，焊接变形因受到约束的 限制会减小，但对残余应力会产生更为复杂的影响，有可 能产生更大的残余应力。因此，不能为了减小焊接变形而 在施焊时随意添加约束。
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
钢结构/ 第3章 钢结构的连接 /$3.4 角焊缝的构造和计算
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3.5 焊接残余应力和焊接残余变形
一、焊接残余应力的分类及产生的原因 焊接残余应力有纵向焊接残余应力、横向焊接残余应力和厚度 方向的残余应力，这些应力都是由焊接加热和冷却过程中不均 匀收缩变形引起的。 1.纵向焊接残余应力 纵向焊接残余应力的分布规律 是焊缝及其附近区域在高温时 发生塑性压缩变形，因而冷却 后产生残余拉应力；离焊缝较 远区域中则出现与之相平衡的 残余压应力。
焊接残余变形和残余应力
一、现象和及其产生的原因
1、现象 焊件局部弯曲或翘曲。
a)
b)
c)
d)
e)
2、应力分布 焊接残余应力是一组自平衡应力。
3、产生原因 不均匀降温。
二、对结构的影响
1、降低结构刚度 压应力存在降低结构刚度、降低屈曲应力。
2、导致脆性破坏 发生三向应力。
3、发生焊接残余变形 引起附加内力，降低屈曲强度。
③ 式（3-37）、（3-38）说明
NVb
nv
d 2
4
f
b v
（3-37）
N
b c
d
t
f
b c
（3-38）
a) 螺栓承载力是Nvb和Ncb中之最小值，Nbmin 。 b) ∑t 取 a+b+c和d+e 之间的最小值。
N/3
a
N/3
b
N/3
c
d
N/2
e
N/2
c ) Nvb和Ncb计算式中的受剪面数nv ，上图中nv =4。
3.6 普通螺栓连接
一、普通螺栓连接的构造
1、螺栓的规格
(1)普通螺栓的形式为六角 头型。其代号用M和公称直 径数表示。如M16、M20等。
(2)常用螺栓直径为 d=16，20，24mm
(3)分为A级、B级和C级三种
(3)A级和B级为精制螺栓， 螺杆、螺孔加工精度高，制 作安装复杂，螺栓等级为8.8 级。很少用，已被高强度螺 栓代替。
N1xT N1Nx
2
N1yT N1yV
2
N
b m
in
例题3.10 试验算一受斜向拉力设计值F＝120kN作用 的C级普通螺栓练的的强度。螺栓M20，钢材Q235。
焊接残余应力的定义
焊接残余应力的定义
焊接残余应力是指在焊接过程中产生的一种内部应力，残余应力会存在于焊接
接头及其周围的材料中。
焊接残余应力是由于焊接过程中的热膨胀和收缩所引起的。
焊接时，焊条或电弧熔化基材形成熔池，熔池中的金属液体在冷却过程中会发
生收缩。
然而，在焊接过程中，熔池周围的材料会受到高温的影响，而且冷却速度相对较快。
由于熔池收缩和材料冷却不均匀，就会导致焊接接头周围产生残余应力。
焊接残余应力具有一定的特征，包括大小、方向和分布。
残余应力的大小取决
于焊接过程中的热输入和热输出之间的平衡。
焊接过程中产生的高温引起的材料膨胀，而冷却过程中又收缩，这使得接头周围的材料发生变形，并产生应力。
方向上，焊接残余应力可能是拉应力、压应力或剪应力。
分布上，残余应力可能会在焊接接头附近产生最大值，并逐渐减小。
焊接残余应力对焊接接头性能和使用寿命的影响是不可忽视的。
高残余应力可
能导致焊接接头出现裂纹、变形和疲劳等问题。
因此，在焊接设计和焊接过程中，需要采取一些措施来减小焊接残余应力，如使用预热、后热、合适的焊接参数和材料等。
综上所述，焊接残余应力是指在焊接过程中产生的一种内部应力，其大小、方
向和分布都会对焊接接头的性能产生重要影响。
合理的焊接设计和控制焊接过程是减小焊接残余应力的关键。
焊接残余应力
（3）X射线法
X射线衍射法是目前最为成熟而且应用范围也最为广 泛的测量结构表面残余应力方法，其优点如下：
（1）理论成熟，测量精度高，测量结果准确、可靠。 （2）由于X射线对材料的透射深度十分小，测定的
表面层深度仅为10-35um，因此测定的是材料表面 的应力状态，不会改变材料的状态，属于无损测量。
1
13
4A
1 4B
(1 3 )2 (22 1 3)2
2
13
4A
1 4B
(1 3)2 (22 1 3)2
tan 2 22 1 3 3 1
通孔应变释放系数A、B可由Kirsch理论解得到下面的公式；盲 孔法应变释放系数则需由标定试验确定。
1 d2
A 2E 4r1r2
B
在加载方向的径向应力 分布左图所示。若在钻孔前 将一应变片粘贴在受有应力 的板上，距孔边0.5到1.5d （为孔径）处，钻孔时应变 片将感受出因应力降低产生 的应变（图2中阴影所示）， 这个应变显然和孔边的应力 释放有关。
钻孔引起的弹性径向释放应力
盲孔法测试残余应力应变片示意图
释放应力计算公式
2、变形 定义：物体在外力或温度等因素作用下，其形状与
尺寸发生变化的现象。
3、焊接残余应力的影响因素
热输入
材料因素
制造因素
结构因素
材料特性，热物理 常数，力学性能
工艺措施 预热，缓冷
热膨胀系数
温
弹性模量
度
场
屈服强度
相变
焊接应力
边界条件， 夹持状态
内 拘 束 度
外 拘 束 度 构件形状尺寸 厚度及刚度
一、残余应力的基本概念
1、定义 内应力：当产生应力的因素不存在时（如外力去除、
焊接残余应力课件
焊接残余应力焊接残余应力是影响焊接结构或焊接部件疲劳强度、弯曲强度、脆性断裂强度和抗腐蚀性等性能的重要因素。
同时，残余应力还会严重影响结构的机加工质量和尺寸的稳定性。
因此，在前面学习内应力和焊接应力产生原因的基础上，将介绍焊接后残存在焊接结构中的应力分布情况，以及降低和消除焊接应力的措施。
一、焊接残余应力的分布在焊件厚度不大（一般小于20mm）的常规焊接结构中，残余应力基本是纵、横双向的，如图2-5所示。
厚度方向的残余应力很小，只有在大厚度的焊接结构中，厚度方向的残余应力才有较高数值。
为了便于分析，通常将平行于焊缝轴线方向的应力称为纵向残余应力，用бx表示。
将垂直于焊缝轴线方向的残余应力称为横向残余应力，用бy表示。
厚度方向的应力残余应力，用бz表示。
下面分别加以讨论。
图2-5板材的空间坐标位置（一）非拘束状态下焊接残余应力的分布1．纵向残余应力бx的分布在低碳钢和普通低合金钢焊接结构中，焊缝及其附近的压缩塑性变形区内的纵向应力бx为拉应力，其数值一般达到材料的屈服点（焊件尺寸过小时除外），稍离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残余压应力。
如图2-6所示为中心有一条焊缝的低碳钢长板条在不同横截面上的纵向应力бx的分布情况。
从图中可以看出，焊缝及其附近为拉应力，并达到材料的屈服极限，而远离焊缝区为压应力。
在长条板中部（Ⅲ-Ⅲ截面所在的区域），纵向残余应力的大小基本保持不变，一般称该区域为稳定区。
在焊缝两端O-O截面，、因为边界条件与中部有所不同，拘束度和热循环特性也不尽相同，使纵向残余应力由恒定逐渐降至零而出现过渡区。
另外，纵向应力在过渡区分布不同于中段，且бx小于材料的屈服限бs。
图2-6焊缝横截面纵向应力的分布随着焊缝长度的缩短，稳定区降逐渐减小，直至消失。
如图2-7所示为不同焊缝长度的纵向应力бx的分布情况示意图。
由图可以发现，当焊板较短时，不存在稳定区，并且焊板越短，短焊缝中的纵向应力比长焊缝中的纵向应力要小。
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焊接残余应力
残余应力是什么？
残余应力是指在没有外力或外力矩作用的条件下，构件或材料内部存在并且自身保持平衡的宏观应力。
一、残余应力是哪种内应力？
1内应力的分类
根据作用范围大小可分为三类：
第一类内应力（又称“宏观应力”）贯穿于整个物体内部；
第二类内应力存在于单个晶粒的内部，当这种平衡遭到破坏时，晶粒尺寸会发生变化；
2残余应力所属类别
残余应力是第一类内应力的工程名称。
残余应力形成的根本原因是微观上不同原子或者同种原子不同排列方式造成材料成分或者结构上的不均匀性导致的原子间相互作用力的变化在宏观上的体现。
二、哪些加工成型过程会导致残余应力？
铸造、锻压、焊接、喷涂以及各类机械加工成型过程中都会导致材料出现残余应力。
本文关注的对象是焊接残余应力。
焊接残余应力是焊件产生变形、开裂等工艺缺陷的主要原因，焊接变形在制造过程中危及形状与尺寸公差、接头安装偏差和增加坡口间隙，使制造过程更加困难；焊接残余应力可使焊缝特别是定位焊缝部分或完全断开；机械加工过程中释放的残余应力也会导致工件产生不允许的变形。
同时，焊接残余力可能引起结构的脆性断裂，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，压缩残余应力会减小稳定性极限。
因此，焊接残余应力一直是焊接界关注的重点问题之一。
三、焊接残余应力的控制方法
在制造过程中的工艺措施和方法
采用线能量小的工艺参数和焊接方法及强制冷却措施
采用合理的焊接顺序和方向，调整残余应力分布
1）先焊收缩量大的焊缝和应力较大的焊缝；
2）焊缝交叉时，先焊短焊缝，后焊直通长焊缝；
采取降低焊缝拘束度的工艺措施，补偿焊缝收缩量；
锤击多层焊缝中间各层，使之延展，降低应力和拘束度；
预拉伸补偿焊缝收缩（机械拉伸或热拉伸）
局部加热，在构件的相应部分形成可补偿焊缝收缩的变形；
低应力无变形焊接法
四、焊接残余应力的消除方法
1）利用机械力或冲击能分为焊缝滚压法、机械拉伸法、锤击法、振动法、爆炸法。
2）热处理整体高温退火、局部高温退火、温差拉伸法（低温消除应力法）、拟焊接加热法。