焊接应力和变形分析

焊接变形与残余应力的预测

目录

焊接变形和残余应力的基本原理

在焊接由焊接产生的动态应力应变过程及随后出现的残余应力和残余变形是导致焊接裂纹和接头强度和性能下降的重要因素。

焊接应力和焊接变形由焊接过程中的不均匀加热引起，由于其形成原因复杂多变，而且完全不可确定，因此我们只能通过总结焊接应力与变形的产生和存在的一般规律以及大家总结出原来的施工经验，对即将进行的工程构件焊接情况进行分析和预测。

焊接应力与焊接变形存在一定的关系，当焊接应力完全释放的时候焊接变形达到最大值；当焊接结构处于完全刚性的时候，几乎可以完全控制焊接变形，而此时由于无法进行应力释放，焊接残余应力将达到最大值。

如何选择和理的焊接结构、焊接方法、焊接材料和焊接工艺，以取得最佳的焊接残余应力和焊接变形状态时钢结构焊接的重要课题。

焊接变形和残余应力的常用计算方法

焊接应力与变形的形成原因极为复杂，因为直接影响应力与变形的金属材料的力学性能和热物理性能随着温度的变化而变化，而起决定作用的焊接温度场又因焊接接头的形状和尺寸、焊接工艺参数等的变化而变化。因此在计算焊接应力与焊接变形时，常常作出一些假定和简化，从而从最简单焊接的分析入手，并推断出结论。

目前常用的预测焊接变形的方法主要有残余塑变解析法、三维实体单元固有应变有限元法、板壳单元固有应变有限元法，以及热弹性有限元法等。

残余塑变解析法仅适用于简单构件、规则梁，计算过程需要经验及试验数据的累积，分析焊接构件几何参数及焊接规范参数，在本工程中适用于梁柱对接的应力分析。

三维实体单元固有应变有限元法主要适用于实体复杂结构，在本工程中适用于主要节点的焊后构件变形，需要划分网格、加载固有应变后进行三维弹性分析。

板壳单元固有应变有限元法适用于薄壁复杂结构，在本工程中可应用性不大。

对于整体结构的焊接变形预测，需要使用热弹塑性有限元法进行分析，计算步骤为：划分网格、模拟焊接温度场、热弹塑性分析，其计算过程需要跟踪焊接热力学的全部过程，计算量极大、计算时间很长，在目前的短时间内不可能得到准确的结果。

因此本章以后部分仅从理论角度对焊接应力和焊接变形做出基本的计算和预测。

分析焊接应力与变形的主要假定

常规分析假定

1.由于焊接过程十分复杂，因此在焊接应力的分析过程我们依据传统经验作出以下简化假

定

2.金属的热物理性能与温度无关

3.金属的力学性能与温度无关

4.除厚板焊接外，认为沿焊接方向的温度是均匀的；电弧为一个线状热源；温度场稳定并

处于热极限状态；在垂直焊缝的横截面上的热过程都相同。

5.认为平板受到纵向力或者平面弯矩作用而变形时，原来的横截面是平面，变形后仍然是

平面。

本工程施工过程假定

1.假定现场小拼过程不考虑工厂提供的构件的残余应力的影响。

2.假定后一道焊接工序不考虑前一道焊接的残余应力的影响。

假定说明

必须指出，上述假定使得本工程焊接应力和变形的分析和计算变得简单和容易，但是其分析和计算结果必然存在大量的误差，因此仅仅可以作为一个参考的预测，如果需要精确的数值分析时，不能使用或者只能部分使用上述假设，并且需要根据全部实际施焊时的工艺参数、温度条件、热源情况等条件进行建模，并进行长时间的计算。

典型构件焊接残余应力的分布分析

根据工程的分段方案，小拼过程中主要的焊缝为弦杆、腹杆与节点的对接

1.平板条焊接的应力与变形

平板条中心焊接的应力与变形

所有的拼装过程中的对接焊缝在一定程度上可以应用最简单的“平板条焊接的应力与变形”进行分析，中心堆焊的焊后残余应力与变形如图所示：

OP QO’部分为压应力，而PQ部分基本上产生拉应力。在中心区域的拉应力已经达到σs，并发生了拉伸塑性变形。以上是焊缝纵向的分析，同样焊缝横向也存在残余的内应力和变形。主要的变形包括：横向收缩、纵向收缩、回转变形、横向弯曲变形（角变形）、纵向弯曲变形和压缩产生的波浪变形等等。

平板条边缘焊接的应力与变形

平板条边缘焊接的应力与变形如下图所示：

《焊接工程师手册》第1250页，平板条边缘堆焊的应力与变形c

2.钢板对接的纵向残余应力和变形

低碳钢、低合金钢钢板的对接，纵向残余应力分布的基本规律是焊缝及其附近处为拉应力，一般都达到σs，两侧为压应力，整个截面上保持着内力平衡。此时平截面假定已经不适用，表现出两侧压应力距离焊缝越远越小，甚至为零，如下图所示：

1251——8-1-14

而且焊缝纵向应力分布也不均匀，长焊缝中两端部的纵向应力分布与中部有区别，如下图所示：较短的焊缝中间稳定区将减小，或者不出现。

1251——8-1-13

3.箱形截面构件对接的纵向残余应力分布

本工程的构件绝大多数为箱形截面柱，箱形截面柱内典型残余应力纵向分布如下图所示

箱形截面柱对接环焊缝所引起的纵向（箱形截面柱的横截面方向）残余应力的分布规律在面

板中间的位置与平板直缝基本类似，但是在角部与平板直缝略有不同，它与小直径的圆筒应力分布比较接近，其应力峰值将达到最大。

1251——8-1-15

焊接变形与残余应力的

1、纵向焊缝的焊接变形的计算。

焊缝纵向变形的原因可以认为是焊缝及其附近产生的纵向收缩塑性应变。可以用纵向收缩单位体积W x 来表示，W x 与焊接线能量成正比。

焊接线能量的计算：

在焊接规范已知的情况下，焊接线能量为：

v IU

q v η=

其中：q v ——焊接线能量（J/cm ）

η——电弧热效率

I ——焊接电流（A ）

U ——电弧电压（V ）

v ——焊接速度（cm/s ）

当焊接规范没有确定时，焊接线能量可以根据焊缝的尺寸和焊接方法确定

q v =θF H

F H ——熔化金属的截面积（cm 2）

θ——加热系数（J/cm 3）。对于低氢焊条的手工电弧焊和埋弧自动焊θ≈59000~65000J/cm 2；对于CO 2气体保护焊θ≈38000 J/cm 2。

可见，使用窄间隙坡口焊接和低加热系数的焊接方法可以降低焊接线能量，从而降低焊接变形。

(1)单道焊

当构件的横截面相同，长宽高之比比较大（〉4~5倍）时，可适用于平截面假定。实验和理论的研究指出，当构件的刚性较大时，存在纵向收缩单位体积和焊接线能量之间的正比关系： W x =8.6×10-7q v

对于总长度为L 的梁型构件，总的纵向缩短和弯曲挠度f 可以用下面的公式进行计算。 L F

W L x =∆