焊接应力的分布特点
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。
焊接强度计算
受扭矩的接头强度计算
① 矩形截面构件的接头 若开坡口四周全焊，接头的 最大切应力按下式计算：
τ max
Mn = 2 ⋅ Z ⋅ (h − Z )( B − Z )
若不开坡口四周全部角焊， 接头的最大切应力为：
τ max
Mn = 2 × 0.7 ⋅ K (h + 0.7 K )( B + 0.7 K )
受弯矩联接接头的强度计算
① 若构件同时承受弯矩M和轴向力N时，焊缝中应 力分别求出和，由于两者方向相同，所以合成应 力： τ 合 = τ N + τ M ② 若构件同时承受横向力P和轴力N时，则要同时 考虑弯矩M=P·L和轴向力N及剪切力Q=P的作用。 由于构件承受切力Q时，只是腹板承受的，故切 力只由联接腹板的焊缝承受，并设切应力沿焊缝 均匀分布。计算联接的焊缝强度时，应验算两个 位置的合应力： 一个是盖板外侧受拉 M N y max + ≤ [τ ' ] 的焊缝的合成应力： τ 合 = Ix 0 .7 K ⋅ L 另一个是腹板立焊缝 M h N τ合 = ( ⋅ + ) 2 + τ θ2 ≤ [τ ' ] 端点的合成应力： I x 2 0.7 K ⋅ l
② 单面焊的正面、侧面联合 塔接焊缝的强度公式：
P τ= = ≤ [τ ' ] α ⋅ ∑ l 0.7 K ⋅ ∑ l
P
受弯矩的搭接接头计算
2.受弯矩的搭接接头计算 方法有三种： ① 分段计算法：
τ=
M h2 0.7 K [l (h + K ) + ] 6
② 轴惯性矩计算法 最大切应力： M τ max = ⋅ y max ≤ [τ ' ] IX
载荷平行于焊缝丁字接头强度计算
焊件焊接应力分析及防变形的工艺措施
焊件焊接应力分析及防变形的工艺措施摘要：焊接是一种特殊而又重要的加工工艺，随着焊接技术的发展，一个重要技术课题是控制焊接件的焊接变形以提高产品制造精度，使焊件焊后加工量减少或不加工即可用于精度要求高的机械产品中，因此，了解焊接应力产生机理，掌握结构件焊接变形规律，在焊接工艺中采取措施进行控制和消除，从而保证焊接质量。
本文主要探讨了焊接应力与焊接变形产生的原因及控制措施，以供参考。
关键词：控制焊接变形；焊接应力；措施1焊接变形的概念焊接变形主要是指在焊接过程中由于焊接工作而导致的焊接件变形。
焊接变形的开始时间是焊接开始的一瞬间。
焊接变形结束的节点是焊接结束后焊接件的温度降低到焊接初始温度。
焊接变形有两种情况，第一种是焊接过程中出现的焊接变形；第二种是焊接完成后出现的焊接变形。
2.随焊挤压旋转控制法在对铝合金框架车身弧焊焊接应力进行控制的多种方法中，随焊挤压旋转控制法，即WTRE的应用，能够有效改善铝合金框架车身结构中焊接接头位置的性能和组织结构，细化焊缝结晶的晶粒大小，使晶粒具有杂乱的生长方向，进而提高铝合金焊缝位置的力学性能。
实践显示，在采用了随焊挤压旋转控制法之后，铝合金材料焊接接头能够增强40MPa左右的抗拉强度。
除此之外，对于热裂纹，随焊挤压旋转控制法也能发挥良好的控制作用。
而且，随焊挤压旋转控制法的操作方法和设施都比较简便，能够优化操作人员的工作强度和环境，在自动化操作方面也具有显著的优势。
随焊旋转挤压控制法是在铝合金焊缝冷却凝固的时候，对其使用圆柱挤压头进行挤压旋转，焊缝金属因此会出现拉伸应变，同附近位置的残余拉应力互相抵消，最终实现降低铝合金框架车身由于失稳而产生应力变形的可能。
随焊挤压旋转控制法应用过程中的挤压旋转装置的主要构成部件包括挤压头、焊枪、焊接夹具以及填丝机构。
其中，挤压头需要对铝合金框架车身的焊缝位置同时施加垂直压力和旋转力，机械装置和挤压头本身的重力是垂直压力的主要来源，电动机则为挤压头提供旋转动力。
厚板焊接中焊接残余应力的分布规律
厚板焊接中焊接残余应力的分布规律
在厚板焊接中，焊接残余应力的分布规律主要受到以下因素的影响：
1. 焊接热源的大小和形状：焊接热源大小和形状不同，给工件加热的方式也不同，会影响热应力的分布。
2. 焊接过程中的冷却速度：冷却速度决定了构件从高温到室温的温度梯度，不同的温度梯度也会导致构件上残余应力的不同分布。
3. 材料的物理性质：材料的热膨胀系数和塑性变形能力对热应力分布起着重要的影响。
4. 焊接接头的几何形状：不同几何形状的焊接接头，其残余应力的分布也会有所不同。
一般情况下，焊接残余应力的分布规律如下：
1. 在焊接接头中心线附近，残余应力较小；
2. 沿着焊接接头的焊缝方向，残余应力呈现出较高的峰值；
3. 在焊接接头附近的热影响区内，残余应力比较集中；
4. 焊接接头两侧的冷却区中，残余应力较小。
浅谈焊接残余应力控制措施及消除方法
浅谈焊接残余应力控制措施及消除方法摘要：文章主要阐述了焊接结构在焊接过程中产生的残余应力及应力的消除方法，主要说了焊接残余应力的分布、焊接残余应力施工中的控制、焊后消除焊接应力的方法。
关键词：焊接残余应力控制措施消除方法前言随着焊接技术的迅速发展，在短短的几十年中焊接已是工业技术中的重要方法之一。
如建筑钢结构、压力容器、船舶、车辆等中几乎全部用焊接代替了铆接。
部分过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯也改成了焊接结构，焊接技术不仅大大减化了生产工艺，而且还降低了很多成本。
但是实际焊接中也存在不少问题，如焊接的内应力、焊接结构的变形、焊接结构的脆性断裂、焊接结构的疲劳强度等都直接影响着焊接的质量。
本文就对焊接残余应力进行具体分析。
一、焊接残余应力的分布在厚度不大（δ<15-20mm）的常规焊接结构中，残余应力基本上是双轴向的，厚度方向上的应力很小。
只有的大厚度的焊接结构中，厚度方向的应力才比较大。
焊接应力分别有焊缝方向的纵向应力、垂直焊缝方向的横向应力和厚度方向的应力。
二、焊接残余应力施工中的控制在焊接过程中采用一些简单的工艺措施往往可以调节内应力，降低残余内应力的峰值，避免在大面积内产生较大的拉应力，并使内应力分布更为合理。
这些措施不但可以降低残余应力，而且也可以降低焊接过程中的内应力。
因此有利于消除焊接裂纹。
现在把这些措施分述于后：1、采用合理的焊接顺序和方向尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝。
如带盖板的双工字钢构件，应先焊盖板的对接焊缝，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝，使对接焊缝能自由收缩，从而减少内应力。
先焊工作时受力较大的焊缝，如在工地焊接梁的接头时，应先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝，然后焊接腹板对接焊缝，最后再焊接翼缘角焊缝。
这样的焊接次序可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。
翼缘角焊缝留在最后焊接，则可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以在焊接翼缘板对接焊缝时采取反变形措施，防止产生角变形。
焊工工艺学-焊接应力与变形6
2.工艺措施
2.选择适当的施焊次序和方向 原则：
1.当结构形心轴两侧有焊缝时，先焊少的一侧 2.先焊离构件形心轴近的，对构件变形影响大的最后焊 3.截面对称的构件应对称的交替焊，尽可能增加翻转辅助时间
反变形法
• 定义：构件在焊前预制成与 变形方向相反的变形，这种 方法可以防止弯曲变形，和 角变形。
3.弯曲变形 弯曲变形是焊接结构中经常出现 的基本变形，在焊接管道、梁、柱等焊接 件时尤为常见。 弯曲变形主要是结构上的 焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称， 焊缝收缩引起的变形。 弯曲变形的大小用 挠度f进行度量。挠度f是指焊后焊件的中心 轴偏离焊件原中心轴的最大距离。
4.扭曲变形 如果焊缝角变形沿长度方向分布不均匀， 工件的纵向有错边，或装配不良，施焊程序不合 理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩没有一定规律 引起的扭曲变形。 此外，当几条角焊缝靠得很近 时，由于角焊缝的角变形连在一起也会形成波浪 变形，如在实际生产中，波浪变形往往产生在薄 板结构中。 5.波浪变形 由于结构刚性小，在焊缝的纵向收缩， 横向收缩综合作用下造成较大的压应力而引起的 变形。薄板容易发生波浪变形。
三、控制焊接变形的措施
1.设计措施 （1）选用合理的焊缝尺寸 焊缝尺寸增加焊接变形也随之加大。但 过小的焊缝尺寸，将会降低结构的承载能力，并使接头的冷却速 度加快，产生一系列的焊接缺陷，如裂纹、热影响区硬度增高等。 因此在满足结构的承载能力和保证焊接质量的前提下，根据板厚 选取工艺上可能的最小焊缝尺寸。 （ 2）尽可能地减少焊缝的数量 适当选择板的厚度，可减少肋板的 数量，从而可以减少焊缝和焊后变形校正量。对自重要求不严格 的结构，这样做即使重量稍大，仍是比较经济的。 对于薄板结 构，则可以用压型结构来代替肋板结构，以减少焊缝数量，防止 焊接变形。 （3）合理安排焊缝位置 焊缝对称于构件截面的中心轴，或使焊缝 接近中心轴，可减少弯曲变形；焊缝不要密集，尽可能避免交叉 焊缝。如焊接钢制压力容器组装时，相邻筒节的纵焊缝距离或封 头焊缝的端点与相邻筒节纵焊缝距离应大于三倍的壁厚，且不得 小于100mm。
焊接应力的分布特点
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
2
焊接残余应力
• 概念——如果不均匀的温度场所造成的内
应力达到材料的屈服极限，使构件局部发 生塑性变形（加热杆件中将出现压缩塑性 变形），当温度恢复均匀后，产生的内应 力会残留在物体里。故称之为残余应力。
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
3
焊接残余应力
一、焊接残余应力的分类：
对接接头 x 在焊缝横截面上的分布
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
6
焊接残余应力
2. 横向残余应力
y
分布
（2） 横向收缩年引起的 y 机工向应力
（1）焊接及其附近塑性变 形区的纵向收缩引起的横向 应力 ' y
由纵向焊接应力引起的
不同焊接方向时
横向应力分布
横向应力分布
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
7
焊接残余应力
3. 厚板焊接接头中的残余应力分布 • 厚板（大于20mm）焊接接头中存在三微的残余应力。
厚板焊接接头中的残余应力分布
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
8
焊接残余应力
4.在拘束状态下焊接的残余应力
由于焊接时的焊缝收缩会受到拘束力的制约，产生 相应的内应力，将和自由状态下焊接相似的横向（纵向） 应力叠加。
焊接结构生产与管理焊接应力与变形22?概念如果不均匀的温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限使构件局部发生塑性变形加热杆件中将出现压缩塑性生塑性变形加热杆件中将出现压缩塑性焊接残余应力变形当温度恢复均匀后产生的内应力会残留在物体里
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
1
焊接残余应力
• • • • • • • 本节主要内容： 一、焊接残余应力的分类； 二、焊接残余应力的分布； 三、焊接残余应力对焊接接头的影响； 四、减小焊接残余应力的措施； 五、消除残余应力的措施； 六、焊接残余应力的测定方法。
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。
焊接残余应力
不同焊接顺序对横向应力σ’’y的影响
\\ y
\\ y
σs
从中间向两端焊
从两端向中间焊
不同焊接顺序对横向应力的影响
3) 总的σy
y
' y
'' y
大小受σs的限制
4)横向应力在板宽方向上的分布
横向应力沿板宽上的分布
焊缝中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。
环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊 接塑性变形区宽度的关系
◇取决于圆筒的半径R、壁 厚δ、塑变区的宽度bp
2. 横向残余应力的分布σy
σ’y 由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的 σy= +(叠加)
σ’’y由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不 同时性所引起的
1)σ’y分析：
➢两块平板对焊件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近 的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。
一.焊接残余应力的分布
纵向应力σx：沿焊缝方向上的应力
横向应力σy：垂直于焊缝方向上的应力
σz： 厚度方向上的应力
1.纵向残余应力的分布
1) 纵向残余应力在纵向上的分布
总结： 板条中部区， 焊缝纵向残余应力 基本保持不变。在 板条的端部存在一 个内应力的过渡区， 纵向残余应力逐渐 降至零。
原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循 环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现过渡区。
＋
420MPa
厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布
4. 拘束状态下焊接的内应力
σ=σy+σf
结论：σ由拘束产生的反作用力σf与自由状态下焊接产生的横 向残余应力σy之和。
焊接 残余应力重分布
焊接残余应力重分布焊接是一种常见的金属连接方法，通过加热和熔化金属，使其相互结合。
然而，在焊接过程中，金属会受到热应力的影响，导致残余应力的产生。
残余应力是指焊接后金属内部存在的应力，在没有外力作用下会导致金属构件变形或破裂。
焊接残余应力的重分布是指焊接后，金属内部的应力会发生一定的变化，从而重新分布到不同的区域。
这种重分布是由于焊接过程中金属的热胀冷缩和相变引起的。
焊接时，焊接区域会受到高温的影响，发生热胀冷缩现象。
而金属的热胀冷缩会导致不同部位的应力分布不均匀。
焊接残余应力的重分布对金属构件的性能和使用寿命有着重要影响。
首先，焊接残余应力会导致金属构件的变形，使其失去原有的几何形状和尺寸。
这对于需要精确配合的构件来说是不可接受的。
其次，焊接残余应力还会导致金属构件的破裂和断裂。
当金属构件受到外力作用时，残余应力会与外力叠加，从而导致金属构件的应力超过其承载能力，发生破裂。
为了减小焊接残余应力的影响，可以采取一些措施。
首先，可以通过合理的焊接工艺参数来控制焊接过程中的温度和热输入。
合适的焊接参数可以减小焊接区域的热影响区域，从而减小残余应力的产生。
其次，可以采用预热和后热处理的方法来改善焊接残余应力。
预热可以使焊接区域的温度均匀分布，减小热应力的集中，从而减小残余应力的产生。
后热处理可以通过加热和冷却的过程来改变金属的组织结构，减小残余应力的大小。
除了控制焊接过程和采取相应的处理措施外，还可以通过合理的构件设计来减小焊接残余应力的影响。
例如，在设计构件时可以避免出现突变的截面形状，减小应力集中的程度。
同时，可以适当增加构件的刚度和强度，提高其抗应力能力。
焊接残余应力的重分布是焊接过程中不可避免的现象。
它对金属构件的性能和使用寿命有着重要的影响。
通过合理的焊接工艺、预热和后热处理以及构件设计，可以有效地减小焊接残余应力的影响，提高焊接接头的质量和可靠性。
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• 根据结构中的 空间位置
1 .单向应力：应力沿构件 2 .双向应力：应力沿构件 3 .三向应力：应力沿构件
7
焊接残余应力
3. 厚板焊接接头中的残余应力分布 • 厚板（大于20mm）焊接接头中存在三微的残余应力。
厚板焊接接头中的残余应力分布
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
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焊接残余应力
4.在拘束状态下焊接的残余应力
由于焊接时的焊缝收缩会受到拘束力的制约，产生 相应的内应力，将和自由状态下焊接相似的横向（纵向） 应力叠加。
对接接头 x 在焊缝横截面上的分布
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
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焊接残余应力
2. 横向残余应力
y
分布
（2） 横向收缩年引起的 y 机工向应力
（1）焊接及其附近塑性变 形区的纵向收缩引起的横向 应力 ' y
由纵向焊接应力引起的
不同焊接方向时
横向应力分布
横向应力分布
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
在拘束状态下焊接的残余应力
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
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焊接残余应力
5.在封闭焊缝中残余应力的分布：
的一个方向作用 的两个方向作用 的三个方向作用
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
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焊接残余应力
根据应力与焊 缝的相对位置
1 .纵向应力：应力作用方 2 .横向应力：应力作用方 向与焊缝平行 向与焊缝垂直
根据应力产生 1 .瞬时应力：焊接过程出 作用的时间 2 .残余应力：焊后留下的
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）1焊接残余应力
• • • • • • • 本节主要内容： 一、焊接残余应力的分类； 二、焊接残余应力的分布； 三、焊接残余应力对焊接接头的影响； 四、减小焊接残余应力的措施； 五、消除残余应力的措施； 六、焊接残余应力的测定方法。
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
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焊接残余应力
• 概念——如果不均匀的温度场所造成的内
应力达到材料的屈服极限，使构件局部发 生塑性变形（加热杆件中将出现压缩塑性 变形），当温度恢复均匀后，产生的内应 力会残留在物体里。故称之为残余应力。
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
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焊接残余应力
一、焊接残余应力的分类：
• 按应力的分布 范围
现的应力 应力
根据应力 形成原因
1 .温度应力：由于焊件不 2 .拘束应力：由于焊件热 3 .组织应力：由于接头金
均匀加热引起的应力 变形受到拘束引起的应 属组织转变时体积变化 力 受阻
焊接结构生产与管理（焊接应力与变形）
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焊接残余应力
二、焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力 x 的分布