焊接残余应力和焊接残余变形
焊接应力、焊接变形的产生和控制
力。 焊接变形 ， 即由于 焊接而引起 的焊件变形 。 焊 接变形 包括 焊接过 程 中的变 形 和焊接 残余 变形 。焊后焊件不 能消失 的变 形 ， 为焊接残 称 余 变形。我们将 主要讨 论焊接 残余应 力 、 接 焊 残余 变形 的产 生和控制 。 １焊 接残余 应力 与焊 接残余 变 形产 生 的
原 因
影响 焊接 应力与变形 的因素很多 ， 最根本 的原因是焊件受热不均匀， 其次是由于焊缝金 属 的收缩 、 金相组织 的变 化及焊件 刚性 的不 同 所致。 另外。 焊缝在焊接结构中的位置、 装配焊 接顺序、 焊接方法、 焊接电流及焊接方向等对 焊接应力与焊接变形的大小、 向、 方 分布等也 都有 一定影响 。 ２焊接残余应力和焊接残余变形的分类 ２ ． １焊接残余应力
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工 业 技 术
焊接应 力 、 接变形 的产 生和控制 焊
李 季
（ 齐齐哈 尔市 自来水集 团广源给水 工程有限公 司， 黑龙江 齐齐哈 尔 １ １０ ） ６ ０ ５
摘 要： 影响焊接 应 力与 变形 的 因素很 多 ， 最根本 的原 因是 焊件 受热 不均 匀， 其次 是 由于 焊缝金 属 的 收缩 、 相组 织 的 变化 及 焊件 刚 金 性 的 不 同所致 。本文 将主要 讨论 焊接 残余 应 力、 焊接 残余 变形 的产生 和控制 。
２ ． ４按焊接应力在焊接结构 中存在的情 况划 分 单向应力 （ 线应力） ；两向应力 （ 平面应 力 ） 向应力 （ ；三 体积应力 ） 。 ２ ． 内应力 的发生 和分 布范围划 分 ５按 第一类应力 ， 又称宏观应力 ； 第二类应力， 又称微观应力； 第三类应力 ， 它的平衡范围更 小， 其平衡范围只可用品格尺寸来比量。 焊接残余变形 ， 焊接变形分为六种基本变 形形式 ： 变形 ： 向收缩变 形 ； 向收缩变 收缩 纵 横 形； 弯曲变形 ； 角变形 ； 波浪变形 ； 曲变形； 扭 错 边变形 。 ３焊接残余应力、焊接残余变形的控制 措施 针对这些不同种类的焊接残余应力和焊
钢结构焊接残余应力及焊接变形控制
钢结构焊接残余应力及焊接变形控制摘要：焊接技术是钢结构行业中应用非常广泛的一种技术，有独特优点的同时也存在着缺陷，焊接残余应力和焊接变形就是两种常见的问题。
在焊接过程中，随着焊件的变形，应力也会发生变化，并且焊接完成之后留下的变形并不是暂时的，而是残余的。
如果要对其进行矫正则需要耗费大量的人力和物力资源，优势还可能出现产品报废的情况。
本文从焊接参与应力及焊接变形的形成原因出发，阐述了两者造成的影响，并提出了相关的控制方法，希望能够给有关工作人员提供参考价值。
关键词：钢结构；焊接残余应力；焊接变形；控制方法随着我国改革开放进程的加快、经济的不断发展以及钢材产量的增加，我国钢结构建筑事业也得到了良好的发展时机。
钢结构建筑质量轻，强度高，力学性能和抗震性能比较优越，所以发展势头也非常快，应用范围也在不断扩大。
从目前情况来看，钢结构建筑的发展正处于一个最好的时期，但是和国外的一些发达国家相比，我国钢结构建筑的发展在许多方面还有一定差距，尤其是在施工过程中，先焊接残余应力和焊接变形等技术问题常常发生，处理这些问题对施工质量和施工进度有着很大的好处。
一、焊接残余应力和焊接变形的形成及种类焊件分为两种区域，在焊缝及其附近的区域成为高温区，焊缝两侧和边缘区域成为低温区，假设两种区域温度一致并且是分离的两个部分，在焊接加热过程中，高温区能够自由生长。
但是实际上，焊件是一个整体，高温区的伸长受低温区的影响，并受到压缩产生了应力，在压应力达到一定数值之后就会产生变形，同时低温区也会英文高温区的拉伸租用产生拉应力，导致焊件整体变长。
焊接冷却之后，如果高温区和低温区是分离的，那么其加热时产生的变形便能只有收缩，但是实际上焊件两边的低温区会对高温区的收缩有阻碍作用，与此同时高温区对低温区还有压缩作用，所以焊件的整体将会缩短。
如果按照焊件变形对焊件整体结构的影响程度进行分类，可以分为局部变形和整体变形两大类。
局部変形对焊件结构的使用性能影响比较小，并且很容易矫正；整体变形是引导整个焊件在形状、尺寸等方面发生变化的焊接残余变形。
焊工工艺学(第四版)第六章
6. 错边变形
错边变形 ａ) 长度方向的错边 ｂ) 厚度方向的错边
二、影响焊接残余变形的因素
1. 焊缝在结构中的位置
焊缝在结构上位置不对称造成的弯曲变形 ａ) 单道焊缝的钢管焊接 ｂ) T形梁的焊接
2. 焊接结构的刚度
（1）结构抵抗拉伸的刚度 主要决定于结构截面积的大小。 （2）结构抵抗弯曲的刚度 主要看结构截面的形状和尺寸大。第六章 焊接应力与变形
§ 6-1 焊接应力与变形的形成 § 6-2 焊接残余变形 § 6-3 焊接残余应力
§ 6-1 焊接应力与变形的形成
一、焊接应力与焊接变形
焊接构件由焊接而产生的内应力叫焊接应力， 焊 后残留在焊件内的焊接应力叫焊接残余应力。
物体在受到外力的作用时，会出现形状、尺寸的变 化，称为物体的变形。焊件由焊接产生的变形叫焊接 变形，焊后焊件残留的变形叫焊接残余变形。
几种梁的截面形状
（3）结构抵抗扭曲的刚度 除了决定于结构的尺寸大小外， 最主要的是结构 截面形状。 一般来说，短而粗的焊接结构， 刚度较大；细而 长的构件，抗弯刚度小。结构整体刚度总是比部件刚 度大。因此，生产中常采用整体装配后再进行焊接的 方法来减少焊接变形。
3. 焊接结构的装配及焊接顺序
工字梁的装配顺序和焊接顺序 ａ) 工字梁的结构形式 ｂ) 边装边焊顺序 ｃ) 总装后再焊接顺序
5. 热平衡法
采用热平衡法防止焊接变形
四、残余变形的矫正
1. 机械矫正法
工字梁焊后变形的机械矫正 ａ) 拱曲焊件 ｂ) 用拉紧器拉 ｃ) 用压头压 ｄ) 用千斤顶顶
2. 火焰矫正法
火焰矫正法的加热方式 ａ) 点状加热 ｂ) 线状加热 ｃ) 三角形加热
（1）点状加热矫正 火焰加热的区域为一个点或多个点，加热点直径一 般小于15mm。 （2）线状加热矫正
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
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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。
浅谈钢结构焊接残余应力及焊接变形控制
浅谈钢结构焊接残余应力及焊接变形控制钢结构焊接在安装过程中较为常见，焊接连接在具有其独特的优点的同时，也存在着其不可避免的缺陷，即焊接残余应力及焊接变形。
本文就施工现场的工艺钢结构及炉壳焊接，结合连续退火炉结构安装工程实际，浅谈焊接的残余应力及焊接变形的原因，以及现场施工过程中如何控制及解决办法。
标签：钢结构;焊接;应力;变形;控制措施【Abstract】Steel structure welding is more common in the installation process，welding connection has its unique advantages，but at the same time it also has the inevitable defects，namely welding residual stress and deformation. This article is showing the reasons of residual stress of welding and welding deformation ，and also give methods to control and solve the problem what is said above in the process of the construction site ，according to the scene of the process steel structure and the furnace shell welding，combined with the engineering practice of the furnace structure installation of Continuous Annealing Line.【Key Words】steel structure，welding，stress，deformation ，control measures引言：焊接连接是钢结构主要的连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、密封性好、刚度大等特性。
防止和减少焊接残余变形与应力的措施
防止和减少焊接残余变形与应力的措施随着现代制造业的发展，焊接在各行各业中扮演着至关重要的角色。
无论是航空航天、汽车制造还是建筑工程，在这些领域中，焊接都是不可或缺的连接工艺。
然而，随之而来的焊接残余变形与应力问题也愈加引起人们的关注。
焊接过程中产生的残余变形与应力，不仅会影响工件的外观质量，还可能引发裂纹和变形等问题，严重影响其使用性能和寿命。
如何有效地预防和减少焊接残余变形与应力，成为了焊接工艺中的重要课题。
1.选材：材料的选择对于焊接残余变形和应力的控制至关重要。
在焊接过程中，通常会选择具有较高熔点和较小线膨胀系数的材料，以减少焊接时热影响区的热变形；还应根据实际情况选择合适的填充材料。
2.焊接方式：合理选择焊接方式是减少焊接残余变形和应力的关键。
一般来说，采用低热输入、低变形的焊接方式，例如脉冲焊、激光焊等，能够有效降低焊接工件的残余变形和应力。
3.焊接顺序：合理规划焊接顺序也是减少残余变形和应力的重要手段。
通常情况下，应该首先焊接边缘，然后逐渐向内焊接，以减少焊接区域的热输入，降低残余变形和应力。
4.预热和后热处理：在一些情况下，通过预热和后热处理也能有效减少焊接残余变形和应力。
预热能够降低材料的硬度，减少焊接残余应力；后热处理则能够通过回火或退火处理，消除残余应力，提高焊接接头的韧性和稳定性。
5.夹具和辅助装置：采用合理的夹具和辅助装置也能有效减少焊接残余变形和应力。
夹具的设计应在尽量避免约束工件的能够保证焊接接头的稳固性；而辅助装置则可以提供额外的支撑，减少工件在焊接过程中的变形。
总结回顾：在焊接工艺中，预防和减少焊接残余变形与应力是至关重要的。
通过合理选材、焊接方式、焊接顺序、预热和后热处理、夹具和辅助装置等措施，可以有效控制焊接过程中的残余变形和应力，保证焊接接头的质量和稳定性。
个人观点：作为焊接工艺的重要环节，防止和减少焊接残余变形与应力对于提高焊接接头的质量和稳定性至关重要。
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施
焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整的措施作者：李廷凯李玉振来源：《世界家苑》2018年第02期摘要：随着焊接技术也已经发展的越来越普及，但是焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响非常大，必须加强对焊接质量研究。
本文对焊接残余应力和焊接变形对钢结构的影响以及消除和调整进行了探讨分析。
关键词：焊接残余应力；焊接变形；钢结构；消除和调整1 焊接残余应力产生的原因1.1 塑性压缩造成的纵向残余应力在焊接的过程中，由于温度上的差距，焊缝及其周围都会受到因热膨胀和周围温度较低的金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。
当焊接完成之后，温度骤减，母性材料就会制约着焊缝和近缝区域之间的收缩，这就在很大程度上导致了残余应力的存在。
并且残余应力的范围将会和高温环境下造成的塑性范围相一致，弹性拉伸区域和残余拉应力也是相对应的。
从这些都可以看出来，塑性压缩就是造成焊接过程中纵向残余应力的主要原因。
1.2 塑性压缩的应变导致的横向残余应力塑性压缩的应变，除了能够说成是造成纵向残余应力的主要原因，同时也能理解为造成横向残余应力的原因之一，但是造成横向残余应力的主要原因是母材的收缩。
当对母材进行焊接时，母材会出现膨胀现象，并且当焊接缝的金属材料逐渐形成固体时，膨胀中的母材必定会受到压缩，这种塑性压缩是横向收缩中的重要的一部分，焊缝自身那一小部分收缩仅仅只占到横向收缩的十分之一左右。
主要的横向收缩那部分存在于焊接缝沿着焊缝轴线进行切割后的中心区域，那才是拉应力中的横向应力。
2消除残余应力的方法2.1 热处理的方法这种方法对于焊件的性能有着至关重要的作用，它不仅可以消除残余应力，还能够改进焊接接头的性能。
热处理方法就是在焊件还处在高温条件下的时候，去降低屈服点和蠕变现象，从而实现去除残余应力的一种方法。
这种方法分为两个步骤，首先就是总体热处理，其次是局部热处理。
在总体热处理的过程中，加热的温度和保温时间和加热以及冷却速度都会影响到去除焊接残余应力的效果。
焊接残余变形的控制措施
焊接残余变形的控制措施摘要焊接残余变形是焊后残存于结构中的变形，是焊接结构生产过程中常常出现的问题。
通过正确的施工，可以减少焊接残余变形。
关键词焊接残余应力残余变形措施1 前言在焊接结构生产过程中，焊接残余变形是经常出现的问题。
焊接残余应力和变形是形成各种焊接裂纹的重要因素，它在一定条件下还会严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等等。
为此，采取相应措施以控制焊接变形是十分必要的。
2 焊接残余应力和残余变形的成因钢材在施焊过程中会在焊缝及附近区域内形成不均匀的温度场，焊缝及附近的温度最高可达1600℃以上，由焊缝临近区域向外，温度急剧下降。
不均匀温度场有导致不均匀膨胀的趋势，但施焊后的钢材已经连接成整体，低温区对高温区的变形产生约束，使高温区产生热塑压缩变形，未达到热塑温度的高温区则会产生热压应力，低温区则产生拉应力。
在冷却过程中，低温区先冷却，其收缩变形不受约束，而高温区冷却较慢，后冷却区域的收缩变形将受到先冷却区域的约束，因而使高温区产生拉应力，相反，低温区则产生相应的压应力。
在无外界约束的情况下，焊件内的拉应力和压应力自相平衡。
这种应力称为焊接残余应力，它是一组自相平衡的内应力。
随焊接残余应力的产生，同时也会出现不同方向的不均匀收缩变形，称为焊接残余变形。
如图2—1所示。
3 焊接残余变形的种类及影响变形的因素3.1焊接残余变形的种类常见的焊接残余变形有以下几种：3.1.1收缩变形：分纵向收缩和横向收缩两种，如图3—1所示。
3.1.2弯曲变形：构件焊后发生弯曲变形，如图3—2所示。
3.1.3角变形：焊后构件的平面绕焊缝产生的角位移，常见如图3—3所示。
3.1.4扭曲变形：绕构件轴线扭曲，如图3—4所示。
3.1.5波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图3—5所示。
3.1.6错边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边和厚度方向上的错边，如图3—6所示。
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钢结构的连接
对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低 压杆的稳定承载力。
④ 对疲劳强度的影响
在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈 服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊 接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。
⑤低温冷脆的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残 余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易 发生和发展，增加了钢材低温脆断倾向。
N t b t f y N c ( B b) t
当板件全截面达到fy，即N=Ny时：
N y N t ( B b) t f y B t f y
第三章
② 对构件刚度的影响 t σ
fy B
N
钢结构的连接
N N
σ fy
b
+
N
b
+
N 1 B b t E
差
好
差
好 加劲板开孔，让主要焊缝 通过，次要焊缝中断
第三章
钢结构的连接
第三章
钢结构的连接
2、加工措施
合理安排焊接次序；采用反向变形；焊前预热，焊后回火。
分段退焊
对角跳焊
钢板分块拼接
分层焊缝
预加反变形
第三章
钢结构的连接
分段分层焊接
对角跳焊
第三章
钢结构的连接
钢板分块拼接
-
y
y
+
施 焊 x 方 向
-
y
x
+
+ x
-
+
合成 应力
第一部分 纵向受缩
+
第二部分 横向收缩
第三章
横向焊接应力
y y
钢结构的连接
+
施 焊 方 向 热
+
+
x
冷
热
-
施 焊 x 方 向
不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 先冷的压，后冷的拉
第三章
厚度方向焊接应力
钢结构的连接
σz
-
+
3 2 1
a)焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两
焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；
-
y
+ x
第一部分 纵向受缩
第三章
横向焊接应力
钢结构的连接
b)先焊的焊缝先冷却，限制了后焊焊缝的横向收缩，从而在
后焊焊缝中产生横向拉应力，同时先焊部分产生横向压应 力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分 布与施焊方向有关。
钢结构的连接
鼓曲变形
角变形1
第三章 3.3.2 焊接变形
钢结构的连接
角变形2
扭曲变形
第三章 3.3.3 焊接应力和焊接变形的影响 1、焊接应力对结构性能的影响
① 对静力强度的影响 t σ fy B b
+
钢结构的连接
σ
fy
b
fy
+
Ny
b
+ Ny
因焊接残余应力自相平衡，故：
-
结论： 焊接残余应力 不会影响结构 的静力强度
第三章 3.3.3 焊接应力和焊接变形的影响 2、焊接变形的影响
构件安装困难 矫正 初偏心 初弯曲 影响尺寸和外形
钢结构的连接
可能降低结构的承载能力
附加内力
第三章
钢结构的连接
3.3.4 降低焊接应力和焊接变形的措施
1、设计措施
合理安排焊缝位置 合理的选择焊缝的尺寸 焊缝数量宜少，且不宜过分集中 尽量避免在母材厚度方向的收缩应力 焊缝不宜过分集中，避免焊缝立体交错
σy
σx
a) 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。 b) 因此，除了横向和纵向焊接残余应力x ，y外，还存在沿 厚度方向的焊接残余应力z ，这三种应力形成同号(受拉)三 向应力，大大降低连接的塑性。
第三章 3.3.2 焊接变形
钢结构的连接
纵、横向收缩
弯曲变形
第三章 3.3.2 焊接变形
却过程，由于不均匀的
温度场，使主体金属的 膨胀和收缩不均匀。导 致在主体金属内部产生 内应力，通常称这种内 应力为焊接残余应力。 自相平衡的内应力
冷却
热塑性压 缩变形
l
Δl'
压缩变形 拉伸变形 压缩变形
l+Δl 高温加热模型
第三章
钢结构的连接
3.3.1 焊接应力
纵向焊接应力：沿焊缝长度方向的应力。 横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面
的应力。
厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件
表面的应力。
第三章
钢结构的连接
3.3.1 焊接应力
纵向焊接应力
平板
300oC 500oC 80oC o 500 C o 800 C
8cm 6 4 2 0 2 4 6 8cm
+
-
第三章
横向焊接应力
钢结构的连接
-
结论：焊接残余 应力使结构变形 增大，即降低了 结构的刚度。
当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy ，故该 部分刚度为零（屈服），这时在N作用下应变增量为：
当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为：
2
N BtE
△ε1> △ε2
第三章
③ 对构件稳定性的影响
钢结构设计原理
Design Principles of Steel Structure
钢结构课程组
钢结构
第三章
钢结构的连接
土木工程学院钢结构课程组
第三章 3.3 焊接残余应力和焊接残余变形
产生原因 钢结构中的焊接过程 是一个不均匀加热和冷
自 然 状 态
钢结构的连接
l
拉伸变形 高温加热 压缩变形 拉伸变形