应力与变形

低碳钢和16MnR一般加热到600~650℃，保温时间一 般按每毫米壁厚2~3min计算，最短不应少于30min， 最多不超过3h。冷却时应力求缓慢，使工件不同截 面得到均匀冷却，否则可能造成新的内应力。整体 高温回火可消除80%左右的残余应力。
• 拘束应力 焊接过程中由于结构自身拘束或外部拘束 条件所造成的应力。它与结构形式、刚度、焊缝位置、 施焊顺序、部件自重、夹持件位置及松紧程度有关。
2. 根据焊接应力的作用形式
拉应力和压应力。（ +拉 -压） 焊接加热时（I） ，焊缝及近缝区内金属受热膨胀，但受 到周围低温基体金属的拘束，使受热膨胀金属受压应力 作用，而周围低温部位金属受拉应力作用； 冷却时（II）焊缝及近缝区金属收缩，亦受其周围金属的 拘束限制，则产生拉应力，而周围金属受压应力作用。
横向应力σy 的分布
离开焊缝越 远，应力值 越低，边缘 σy=0。
焊缝长度对纵向应力分布的影响 横向应力沿板宽的分布
三向应力在厚度方向的分布
厚板中的焊接应力，除了σx 、σy外，还存在较大的厚度 方向上的应力σz。
三向应力在厚度方向上的分布是不均匀的。 厚板V形多 层焊缝中，σy在焊缝根部大大超过材料的屈服点。
厚板焊接 立体交叉焊缝
二、焊接残余应力的分布 1. 平板对接 板厚为16~36mm的一般结构中，残余应力基本是双向 的，厚度方向的应力很小（可忽略）。 纵向应力σx分布 在焊缝的端点，纵向应力σx=0，并 沿焊缝逐渐增大达到稳定区（一般达到σs）。
纵向应力沿焊缝的分布
随焊缝长度不同，应力稳定区也不同，工件较短时不 存在稳定区。
一般刚性拘束状态
焊接接头区域可看成由许多这样的单元体组成，所 以单元体的变形过程可揭示焊接变形的产生和变形 过程。
可见，在焊接不均匀加热和冷却循环过程中，焊缝 和近缝区内产生了热应变并伴随压缩塑性变形，而 不均匀压缩塑性变形是产生焊接变形和焊接应力的 主要原因。
第二节 焊接应力
焊接过程中，工件内产生的内应力称为焊接应力。 按作用时间分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。 焊接瞬时应力是指焊接过程中某一瞬时的焊接应力，它 随着时间而变化。焊后残留在工件内的焊接应力称为焊 接残余应力。 一、焊接应力的分类
单向应力
纵向 横向
双向应力
3. 三向应力
焊接应力在工件中沿空间三 个方向（纵向、横向和厚度 方向）上作用的应力。
它存在于厚大工件对接焊、 表面堆焊、立体交叉焊的结 构中，以及具有裂纹、未焊 透等缺陷的缺口尖端部位。 体积应力使材料的塑性变形 能力降低，易导致结构脆性 断裂，因而是一种危险的应 力状态。
1 根据焊接应力产生的原因分类
• 热应力 焊件内部因温度分布不均匀所引起的应力。 主要与基体金属的热物理性质、焊件内的温度分布及 材料高温时的力学性能有关。
• 组织应力 焊接过程中由于组织转变而引起的内应力。 奥氏体分解为珠光体或转变为马氏体时引起体积变化， 并受到周围金属的拘束。同时组织的转变也并不均匀， 因此产生了组织应力。
纵向应力 焊接加热和冷却时的应力
横向应力
3. 根据焊接应力对焊缝的作用方向 纵向应力 平行于焊缝方向的应力（σx）。 横向应力 垂直于焊缝方向的应力（σy）。
对接焊缝
对接焊缝内残余应力的典型分布
σx的分布 σy的分布
σx在焊缝附近区域为高值 拉应力，在等于焊缝宽度 几倍距离处变为压应力。
σy在焊缝中部区域为拉应 力，两段为压应力。
焊接加热时焊件上温度分布
焊接应力和变形产生的原因和过程
当单元体两端的拘束很 小可以忽略时，即近似 为自由状态。
单元体受热时产生变形， 自由伸长。冷却时自由 缩短，在室温恢复到原 来长度，不发生任何可 见变形。
自由状态
当单元体两端以外的刚性 拘束较大，不可忽略时， 即非自由状态。
单元体加热时膨胀受阻， 产生一定的压缩塑性变形。 冷却时单元体的收缩受到 两端拘束的限制，单元体 内产生拉应力，并有所缩 短。
4）锤击或碾压焊缝 每焊完一道焊缝，用圆头小锤 均匀地锤击焊缝使之延展从而降低内应力。
但第一层和表面层不宜锤击，以免影响焊缝质量。锤 击应保持均匀、适度。铸铁冷焊时经常采用这种方法， 并且效果显著。
5）反变形法 焊接圆环焊缝或其他刚性较大、自由 度较小的焊缝时，可采取反变形法或开缓和槽的方法 以增加焊缝的自由度，减小应力。
三轴应力状态
残余应力影响加工精度、结构形状和尺寸的稳定性
内应力的变化将引起结构形状、尺寸的变化。 焊后需加工的工件，由于机械加工去掉一部分材料的同 时破坏了原来工件中内应力的平衡，使工件产生变形并 影响加工精度。
加工T形梁上表面
应力释放后将产生弯曲变形
齿轮箱加工轴孔
加工第二个孔所引起的变 形将影响第一个孔的精度
焊接长焊缝或大型结构件时，焊接顺序应从中间向两 端或四周，即从中间向自由端。
如管板与管 束的焊接常 采用放射交 叉式的焊接 顺序，以分 散应力。
采取合理的焊接顺序和方法 (a)长焊缝 (b)管板与管束的焊接
焊接平面上带有交叉焊缝的接头，焊接顺序的选择应保 证交叉部位不易产生缺陷和过大的应力。
交叉焊缝焊接顺序
• 弹性变形 外力解除后能够恢复到原始状态的变形； • 塑性变形 外力去除后不能恢复至原始状态的变形。 材料产生变形的大小主要取决于外力的大小及材料 本身的强度、刚度等。 σ<σs时，只产生弹性变形； σ>σs时，不仅产生弹性变形还产生塑性变形。
对于受拉力F作用的金属杆件，其长度从原始长度L
增加到L+ΔL，则增加的长度ΔL与原长L之比，称为
焊接应力是产生焊接裂纹的重要原因之一。当结构承载 时残余拉应力与工作应力叠加，使总的应力水平提高。
对于塑性材料，当应力峰 值达到屈服点后，该区应 力不再增加而产生塑性变 形。当材料的塑性耗尽时， 就会造成塑性破坏。
塑性材料
应力均匀化后再增大
平板内残余应力与工作应力叠加 后应力状态的变化
对于脆性材料，由于缺少足
• 内应力：在没有外力作用条件下平衡于物体内部的 力。如焊接接头的加热膨胀和冷却收缩受到拘束阻 碍而产生的应力。 各种加工工艺几乎都会产生内应力。
内应力的特点：在物体内某一截面上自平衡。
构件受热不均匀而引起的应力，称为热应力或温度 应力。
应力集中 应力集中系数
二、变形的基本概念
物体在受到外力作用的同时，会发生形状或尺寸的 改变，称为变形。
焊接应力与变形
第一节 应力与变形概述 焊接过程中，由于工件受热不均匀，膨胀和收缩程 度不同，工件内就会产生焊接应力和变形。 焊接应力和变形直接影响结构的制造质量和使用性 能，甚至导致报废。 因此，了解焊接应力和变形产生的原因和影响因素， 熟悉并掌握防止、减小焊接应力和变形的途径和措 施非常重要。
一、应力的基本概念
降低局部应力的措施
2. 消除焊接应力的方法 焊接残余应力会导致焊接结构承载能力的下降，例如 使结构的抗疲劳、抗脆断、抗应力腐蚀能力降低，使 结构的尺寸稳定性下降，增大压杆、梁的失稳性等。 因此消除焊接结构中的残余应力极其必要。
焊接过程中近缝区产生的压缩塑性变形是残余应力形 成的根源。因此，消除残余应力的实质是使焊接区产 生适量的塑性伸长。
拉伸残余应力与腐蚀介质共同作用将引起应力腐蚀开 裂。拉伸残余应力越大，产生应力腐蚀开裂的时间越 短。
残余应力的分布状态影响压杆的稳定性。
残余应力影响结构的疲劳强度。当存在应力集中和残 余应力时，疲劳强度将下降。应力集中系数越高，残 余应力的影响程度越明显。
因此，高强钢、低温、刚性拘束较大的厚壁结构，有 应力腐蚀倾向及尺寸精度、密封性要求较高或形状复 杂的结构，焊后应作消除应力热处理。
拼板焊接 先焊错开的短焊缝1、2，再焊直通的长焊缝3。若相 反，则由于短焊缝的横向收缩受到限制而产生很大的 拉应力。
合理的焊接顺序
2）先焊收缩量大的焊缝 因先焊的焊缝收缩时受阻 小，故应力小。如在结构上同时有对接焊缝和角焊缝， 应先焊对接焊缝。
3）采用较小的焊接热输入 采用较小的热输入，可 减小焊接加热区的热压缩塑性变形，降低应力水平。
焊后消除应力的方法有：焊后热处理、过载拉伸法、 振动时效法、锤击法、爆炸处理法、温差法等。
焊后热处理
除部分高强度钢和有特殊要求的构件焊后采用调质处 理，奥氏体不锈钢有时采用固溶处理外，大部分结构 钢的热处理是进行整体或部分高温回火。
（1）整体高温回火 将工件整体放入炉中，并缓慢 加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷却。
• 焊接残余应力和变形：焊件完全冷却后仍残留在工 件中的应力和变形，即通常所说的焊接应力和变形。
焊接加热时工件的温度分布
焊接区域的加热极不均匀，接头各部分金属处于不同的状态。熔池 金属为液态，靠近熔池部分的金属处于塑性和半塑性状态，远离熔 池的部分处于弹性状态，这些区域又随着热源的移动而移动。
垂直焊缝截取一加 热温度在600℃以 上的单元体，并假 设温度均匀。单元 体两端以外温度低 于600 ℃ ，并认为 是具有一定刚性拘 束的支撑。分析应 力和变形产生过程
3. 封闭焊缝
人孔、接管、圆环等类 型的对接或角接焊缝， 其形状常是环形封闭的.
筒体环缝的纵向残余应力分布
环形封闭焊缝残余应力大小与外板和镶入板的刚度有 关，刚度越大，残余应力越大。
径向应力σr （σx） 由内板径向收缩引起； 周向应力σθ（σy） 由焊缝周向收缩引起。 内板上σr、 σθ均为拉应力，且大体相等。
这是由于每焊一层都要产生一次角变形，在根部多次拉伸塑性变形的积累 造成了应变硬化，使应力不断上升所致。如果焊接时能限制角变形，则根 部可能出现拉应力。
σz
σx
σy
厚板焊接时产生的三Biblioteka 残余应力分布2. 对接圆筒
圆筒对接环焊缝的纵向应力分布 当圆筒直径与厚度相 差很大时σx的分布与平板相似，可达到σs；当直径较小 时σx有所降低。