焊接残余应力

焊接接头的应力松弛及残余应力分析

焊接接头是工程中常见的连接方式之一，它通过熔化金属填充接头间隙，使接头部分形成一个整体，从而达到连接的目的。然而，焊接过程中会产生应力，这些应力可能会导致接头的应力松弛和残余应力的产生。本文将对焊接接头的应力松弛及残余应力进行分析。

一、焊接接头的应力松弛

焊接接头的应力松弛是指焊接后接头内部的应力逐渐减小的过程。焊接时，由于热量的作用，接头内部的金属会发生膨胀，形成应力。随着焊接过程的结束，接头开始冷却，金属会收缩，从而产生应力松弛的现象。

应力松弛对焊接接头的影响是多方面的。首先，应力松弛会导致接头的变形，使接头的尺寸和形状发生变化，从而影响接头的使用性能。其次，应力松弛还可能导致接头的疲劳寿命降低，使接头容易发生疲劳断裂。因此，在焊接接头的设计和制造过程中，应力松弛的控制是非常重要的。

二、焊接接头的残余应力

焊接接头的残余应力是指焊接后接头内部仍存在的应力。焊接过程中，由于金属的膨胀和收缩，接头内部会形成复杂的应力分布。随着焊接过程的结束，金属冷却后，部分应力会被释放，但仍有一部分应力无法完全消除，形成残余应力。

残余应力对焊接接头的影响也是非常严重的。首先，残余应力会导致接头的变形，使接头的尺寸和形状发生变化，从而影响接头的使用性能。其次，残余应力还可能导致接头的开裂，使接头容易发生断裂。

三、焊接接头应力松弛和残余应力的分析方法

为了准确分析焊接接头的应力松弛和残余应力，需要借助一些分析方法。常用的方法包括有限元分析和试验分析。有限元分析是一种数值计算方法，通过将接头划分为多个小单元，建立接头的数学模型，利用有限元法求解接头内部的应力分布。这种方法可以较为准确地预测接头的应力松弛和残余应力。

试验分析是通过实验手段来分析接头的应力松弛和残余应力。常用的试验方法包括应力松弛试验和残余应力测量试验。应力松弛试验可以通过对焊接接头施加一定的载荷，观察接头的变形情况，从而分析应力松弛的程度。残余应力测量试验可以通过应变测量仪器来测量接头内部的残余应力。

焊接残余应力分析及消除方法

一、什么是焊接应力

焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。

焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观。

二、焊接应力的危害

焊接残余应力对焊件有 6个方面的影响：

① 对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数应力循环特征系数和循环应力的最大值有关其影响随应力集中系数的降低而减弱，随的降低而加剧，随的增加而减弱。当接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。

② 对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。焊件的刚度会因此而降低。

③ 对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。

④ 对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。

⑤ 对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。

焊接残余应力的消除方法详解-精

焊接残余应力的消除方法

焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎无法避免的缺陷，其危害众所周知。当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，以提高焊件结构性能。

一、焊接的应力与应变：

在接过程中，由于焊接件产生温度梯度，接头组织和性能的不均匀，就会在焊件内产生应力和应变。焊后残留在焊件内的焊接应力就是焊接残余应力，它是没有外载荷作用时就存在的应力。

二、焊接残余应力的危害：

焊接残余应力与外载荷产生的应力叠加，局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起裂纹和变形，使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废甚至导致结构失效。

三、减少焊接残余应力和变形的措施：

①设计

②焊接工艺

如：

➢ 尽量减少焊接接头数量

➢ 相邻焊缝间应保持足够的间距

➢ 尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝

➢ 焊缝不要布置在高应力区

➢ 焊前预热等等四、焊后残余应力的消除方法

消除焊接残余应力的方法有：热处理、锤击、振动法和预载法等。

1、热处理消除法

焊后热处理是一种消除焊接残余应力常用的方法。工程上我们主要用退火处理，退火温度越高、保温时间越长，消除焊接残余应力的效果就越好。但是温度过高，使工件表面氧化比较严重，组织可能发生转变，影响工件的使用性能，存在弊端。蠕变应力松弛理论为热处理消除焊接残余应力提供了另一条思路，工件在较低温度时会发生蠕变，材料内部的残余应力会因应力松弛而得到释放，只要保温时间足够长，理论上残余应力可完全消除。在低温消除焊接残余应力时，材料的组织和性能变化甚微，几乎不影响材料的使用性能，而且低温处理材料表面的氧化和脱碳也比较小，这就可以在材料的力学性能和组织基本不变的情况下达到降低材料焊接残余应力的目的。

2、锤击消除法

焊后采用带小圆头面的手锤锤击焊缝及近缝区，使焊缝及近缝区的金属得到延展变形，用来补偿或抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，使焊接残余应力降低。

焊接残余应力产生原因分析及消除方法

摘要：焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。

关键词：焊接残余应力；原因；消除方法

1产生焊接残余应力的原因

之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。

（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。

（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。

（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。

2焊接残余应力控制方法

2.1焊接结构

焊接是产生焊接残余应力的根本原因，减少焊缝数量和尺寸能有效减少焊接量，通过控制焊接量可有效减少应力。在同等焊接强度下，焊缝尺寸较小的，其焊接残余应力较小。应尽量避免多条焊缝在同一部位集中，焊缝距离过近时，焊缝间会产生耦合，形成复杂残余应力场，焊缝间距离一般应大于3倍板厚且不小于100mm。应尽量采用刚度较小的焊接接头形式，其结构拘束度小，能够通过变形释放焊接应力，残余应力较小。

焊接残余应力特点

以下是 8 条关于“焊接残余应力特点”的文案：

1. 焊接残余应力那可真是个神奇的存在呀！就好比你盖房子，每块砖之间都有股力量在憋着。比如说焊接一块厚钢板，焊接完了后，那里面的应力不就像一股劲儿没使出来似的，一直藏在那呢！这肯定会对焊件的性能产生影响啊，你说是不是？

2. 你知道焊接残余应力有多顽固吗？它就像个调皮的小精灵，赶也赶不走！就像你好不容易拼好一个拼图，却发现有些地方总觉得不太对劲。比如焊接后的管道，那残余应力就一直待在那，说不定啥时候就给你弄出点小麻烦呢！

3. 哎呀喂，焊接残余应力的特点可太有意思啦！这就好比你拉一根橡皮筋，拉完松手后它还是有点变形的。像大型的焊接结构件，焊接完那残余应力，就像是给它留下了个特别的印记，这要是不注意，后果不堪设想啊，难道不是吗？

4. 焊接残余应力简直就是个让人又爱又恨的家伙！好比一场激烈的比赛，结束后那种紧张的氛围还在。比如说焊接个钢梁，看似完成了，可残余应力就像比赛后的余波，一直影响着呢，你能不当回事吗？

5. 嘿，你可别小看这焊接残余应力的特点哦！它就像隐藏在暗处的小怪兽。就好比你骑自行车，突然感觉有点颠簸，那可能就是焊接残余应力在捣乱呀！比如一些精细的焊件，稍有不慎，那些残余应力就能出来兴风作浪，多可怕呀！

6. 哇塞，焊接残余应力的这些特点真的是绝了！好像是个神秘的力量在悄悄作用。像焊接个雕塑，完工后那残余应力就如同神秘的气场环绕着。这要是处理不好，那可真的会让整个作品都怪怪的呢，你想想是不是？

7. 瞅瞅这焊接残余应力的特点，那真的是让人惊讶！就跟你捉迷藏的时候，你知道有人在那但就是找不着。好比焊接的一个器械部件，那残余应力就像藏起来的小秘密，随时可能蹦出来给你点颜色看看，你可别小瞧了它哟！

8. 焊接残余应力的特点那真是不得不重视呀！它就如同一个看不见的陷阱。就像建造一座桥，焊接的地方可能就藏着残余应力这个陷阱。要是不了解它，一不小心就会掉进去，会带来很大的麻烦呢！所以说呀，一定要好好对待焊接残余应力！

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。由此可见，在实际焊接结构中，如果将长焊缝适当分段进行焊接，将会减小焊件中的残余应力。

名词解释焊接的残余应力

焊接的残余应力是指在焊接过程中，由于热量集中和冷却速度快导致的焊接件内部材料发生塑性变形后，产生的应力。这种应力会存在于焊接接头的表面和内部，对焊接结构的强度和耐久性产生一定的影响。

焊接是一种常见的金属连接方法，通过加热和冷却使金属材料相互熔合，形成结构性的连接。然而，在焊接过程中，由于焊接电弧和焊接区域的高温，焊接接头会发生瞬时的热膨胀。而当焊接接头冷却时，由于冷却速度较快，金属迅速由高温状态转变为低温状态，导致焊接区域内部的塑性变形。

这种塑性变形会引起焊接接头内部的材料变形，产生残余应力。焊接过程中的残余应力主要来源于两个方面：热应力和变形应力。热应力是由于焊接过程中瞬时的热膨胀和冷却引起的，而变形应力则是由于塑性变形引起的。

焊接接头的残余应力对焊接结构的强度和耐久性有一定的影响。首先，残余应力会导致焊接接头的变形，使接头出现翘曲、弯曲等形变。这种形变会降低焊接接头的强度和刚度，甚至可能导致焊接接头的破裂。其次，焊接接头内部的残余应力可能导致应力集中，使接头易于发生应力腐蚀开裂和断裂。此外，焊接接头存在残余应力也会影响其耐腐蚀性和耐疲劳性能，加速接头的老化和失效。

为了解决焊接接头的残余应力问题，可以采取一些措施。首先，可以通过合理的焊接工艺控制热输入和冷却速度，减轻残余应力的产生。其次，可以通过退火处理来消除焊接接头内部的残余应力。退火处理是将焊接接头加热到一定温度，然后缓慢冷却的过程，以促使焊接接头内部的应力得到释放和松弛。此外，还可以使用其他方式，如预应力技术、辅助加热和机械挤压等来减轻焊接接头的残余应力。

总之，焊接的残余应力是由于焊接过程中产生的材料塑性变形引起的。这种应力会对焊接结构的强度和耐久性产生一定的影响。为了解决焊接接头的残余应力问题，可以采取一些措施来减轻残余应力的产生和消除已经存在的残余应力。通过合理的焊接工艺和退火处理等方法，可以有效地解决焊接接头的残余应力问题，提高焊接结构的质量和可靠性。

残余应力计算公式

残余应力是指材料内部的剩余应力，它可以在材料制备、加工或应力加载后形成。残余应力的计算通常需要考虑材料的特性、加载条件以及材料的历史处理过程。下面是一些常见的残余应力计算公式：

材料膨胀应力：

残余膨胀应力 = 热膨胀系数 × 温度变化

加工引起的塑性应变应力：

残余塑性应变应力 = 弹性模量 × 塑性应变

焊接残余应力：

残余焊接应力 = 焊接热循环引起的温度变化 × 焊接材料的线膨胀系数

热处理引起的应力：

残余热处理应力 = 材料的弹性模量 × 热处理温度差

这些公式只是常见的计算残余应力的方法之一，实际应用中可能需要考虑更多的因素和特定的情况。残余应力的计算可以采用理论模型、数值模拟或实验测量等方法进行，具体的选择取决于应用的需求和可行性。

需要注意的是，残余应力的计算通常是复杂且具有挑战性的，因为它受到多个因素的影响，并且可能需要考虑材料的非线性、温度梯度、材料的组织结构等。

焊接变形计算公式

焊接变形是在焊接过程中由于热应力引起的材料形状和尺寸的改变。焊接变形对焊接接头的质量和工件的性能有重要影响，因此对焊接变形进行准确的计算和控制非常重要。下面将介绍一些用于焊接变形计算的公式。

1.焊接残余应力的计算公式

焊接残余应力是指焊接结束后，由于材料受到非均匀加热和冷却引起的在焊接接头内部残余的应力。常用的计算公式有:

-残余应力的平均值计算公式：

σ_avg = (E * α * ΔT * t) / (2 * (1 - v))

其中，σ_avg表示平均应力，E表示弹性模量，α表示热膨胀系数，ΔT表示焊接材料的温度变化，t表示材料的厚度，v表示泊松比。

-残余应力的最大值计算公式：

σ_max = (E * α * ΔT * t) / (2 * (1 - v)) * (1 + (1 + 3.85

* (t / w) * (1 + w / 4 * t))^0.5)

其中，σ_max表示最大应力，w表示焊接接头的宽度。

2.焊接变形的计算公式

焊接变形可以通过计算焊缝收缩量来估计。常用的计算公式有：

-焊缝收缩量的垂直分量计算公式：

δ_v=(1+ε/2)*ΔL 其中，δ_v表示垂直分量的收缩量，ε表示机械机构的收缩比例，ΔL表示焊缝长度的变化。

-焊缝收缩量的水平分量计算公式：

δ_h=(1+ε)*δ_v

其中，δ_h表示水平分量的收缩量。

3.焊接变形的补偿计算公式

为了控制焊接变形效果，可以通过在焊接接头附近加入补偿材料来抵消变形。常用的计算公式有：

-补偿材料长度的计算公式：

L_c=δ_v/ε_c

其中，L_c表示补偿材料的长度，δ_v表示焊接变形的总和，ε_c表示补偿材料的收缩比例。

-补偿材料的宽度计算公式：

w_c = L_c * tan(θ)

其中，w_c表示补偿材料的宽度，L_c表示补偿材料的长度，θ表示焊接角度。

以上是一些常用的焊接变形计算公式，通过这些公式可以对焊接接头的变形进行预测和控制。需要注意的是，在实际应用中，由于焊接条件等因素的影响，计算结果可能与实际结果存在一定的差异，因此在进行设计和工艺规程编制时，还需要考虑一定的安全余量。