第1章

焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力與變形

Stressanddeformation

ofweldingStructure

11.

桿件的均勻加熱、冷卻過程的變形與應(yīng)力★2.長板條中心堆焊時的變形與應(yīng)力★3.

板邊堆焊時焊接殘余應(yīng)力★4.焊接殘余應(yīng)力5.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施6.焊接殘余變形7.預(yù)防和消除殘余變形的措施本章重點(diǎn)（難點(diǎn)）：2第1節(jié)焊接應(yīng)力與變形概述內(nèi)應(yīng)力：結(jié)構(gòu)上無外力作用時保留（平衡）于物體內(nèi)部的應(yīng)力。

－－自身形成的相互平衡力系焊接（內(nèi)）應(yīng)力：在焊接結(jié)構(gòu)中存在的內(nèi)部相互平衡的應(yīng)力。

在焊接結(jié)構(gòu)制造過程中，不可避免地會產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形，這是焊接生產(chǎn)所特有的問題。

焊接應(yīng)力和變形不僅影響結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確和外形美觀，而且有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力而影響其使用性能。應(yīng)力與變形對結(jié)構(gòu)的影響內(nèi)應(yīng)力和焊接應(yīng)力1.1基本概念3（1）內(nèi)應(yīng)力按分布范圍（2）按作用時間應(yīng)力的分類

（3）根據(jù)應(yīng)力形成原因

4

溫度應(yīng)力是由于構(gòu)件受熱不勻引起的。如果只讓框架的中心桿件受熱，而兩側(cè)桿件的溫度保持不變，則框架為不均勻加熱系統(tǒng)。此時，中心桿件由于溫度上升而伸長，但是這種伸長的趨勢受到兩側(cè)桿件的阻礙，不能自由進(jìn)行。因此中心桿件就受到壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力。

兩側(cè)桿件在阻礙中心桿件膨脹伸長的同時受到中心桿件的反作用而產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種應(yīng)力由于不均勻溫度造成的，所以稱為溫度應(yīng)力或熱應(yīng)力，用σT表示。如果溫度應(yīng)力不高(σT＜σs)，框架里不產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化以后,熱應(yīng)力隨之消失。（1）溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）---補(bǔ)充金屬框架簡化結(jié)構(gòu)加熱時5

假設(shè)：當(dāng)中心桿件溫度恢復(fù)到原始溫度時,若任其自由收縮，它的長度必然要比原來的短。這個差值就是中心桿件的壓縮塑性變形量。實際：框架兩側(cè)桿件阻礙著中心桿件自由收縮，使它受到拉應(yīng)力。而兩側(cè)桿件，則由于中心桿件的反作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力。這樣，就在框架中形成了一個新的內(nèi)應(yīng)力體系，即殘余應(yīng)力。

(2)殘余應(yīng)力---冷卻后

如果中心桿件加熱產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)到材料的屈服限（σT≥σs），桿件中將出現(xiàn)壓縮塑性變形。冷卻時加熱時62．焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力和變形的原因

（1）焊接結(jié)構(gòu)溫度不均勻的影響

焊縫及其附近區(qū)域金屬被加熱至熔化，然后逐漸冷卻凝固，降到常溫。近縫區(qū)的金屬也要經(jīng)歷從常溫到高溫，再由高溫降至常溫。結(jié)構(gòu)各處的溫度極不均勻，膨脹和收縮變形也差別較大，這種變形不一致導(dǎo)致各處材料相互約束，即產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。（2）接頭形式的影響接頭形式不同，熔池內(nèi)熔化金屬的散熱條件有差別。這種熔化金屬凝固、冷卻快慢不一致引起收縮變形的差別，導(dǎo)致焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。（3）相變的影響焊接過程中，一部分金屬發(fā)生相變，組織轉(zhuǎn)變引起體積變化。例如：碳鋼，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或馬氏體時，其體積將增大，產(chǎn)生應(yīng)力和變形。焊接合金鋼更明顯。（4）焊前加工工藝的影響

施焊前構(gòu)件若經(jīng)歷冷沖壓等工藝而具有較高的內(nèi)應(yīng)力，在焊接時應(yīng)力重新分布，形成新的應(yīng)力和變形。73.焊接應(yīng)力與變形的若干假設(shè)

焊接一般為局部加熱，熱源又同時移動，因此距熱源不同點(diǎn)處的溫度是不同的。溫度不均勻造成變形的不均勻。

局部塑性變形是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形的主要原因。研究焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生（演變過程），必須要探討構(gòu)件上各點(diǎn)的溫度分布情況。由于焊接過程的復(fù)雜性，對焊接應(yīng)力和變形的研究較為困難,為了使問題簡化，通常作以下假定：8

3.焊接應(yīng)力與變形的若干假設(shè)

極限溫度場：在焊接熱源作用下，構(gòu)件上各點(diǎn)的溫度在不斷變化，這是一個復(fù)雜的熱循環(huán)過程。但可以認(rèn)為達(dá)到某一極限熱狀態(tài)時，溫度場不再改變。

準(zhǔn)穩(wěn)定場：

同一瞬時不同截面＝同一截面不同瞬時。

圖l-1半無限大體溫度場溫度場立體圖（1）焊接溫度場

定義：焊接過程中某一瞬間焊接接頭中各點(diǎn)的溫度分布狀態(tài)。93)金屬屈服點(diǎn)假定

低碳鋼屈服點(diǎn)隨溫度變化如圖中實線2；簡化假定為圖中虛線所示的關(guān)系。即在500℃以下時為一條水平線，同常溫屈服點(diǎn)，而600℃以上呈完全塑性狀態(tài)，即屈服點(diǎn)為零。4)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的假設(shè)

材料呈理想彈-塑性狀態(tài)，即材料屈服后不發(fā)生強(qiáng)化。（2）有關(guān)力學(xué)和物理性能的假定1)平截面假定假定桿件在焊前所取的橫截面焊后仍保持為平面。2)金屬性能假定材料的某些物理性能不隨溫度的變化而變化，如線脹系數(shù)(α)、比熱容(c)、熱導(dǎo)率(λ)等。101.2焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生自由變形：桿件不受任何約束，自由產(chǎn)生出來的變形。

1.均勻加熱時應(yīng)力與變形的產(chǎn)生（1）不受約束桿件均勻加熱時的應(yīng)力與變形

α——金屬的線脹系數(shù)(1／℃)

自由變形率：單位長度的自由變形量。11實際變形（外觀變形）：由于桿件在膨脹時受到阻礙，不能完全自由變形；表現(xiàn)出來的變形量正好就是間隙量b，稱b為實際變形。（2）受部分約束桿件的應(yīng)力與變形

內(nèi)部變形：未表現(xiàn)出來的那部分變形△L

。－－產(chǎn)生應(yīng)力

注：式中負(fù)號表示受壓縮。低碳鋼Tmax＜500℃時，桿件與兩剛性壁之間留有間隙b，當(dāng)溫度逐漸升高時，桿件將自由伸長變形，當(dāng)自由變形量達(dá)到間隙量b時，自由變形受阻礙。若繼續(xù)升溫，桿件將受到壓縮，壓縮變形量為：圖1-3a桿件受約束加熱時的變形L0△LTb△Lεe

=121）圖1-3均勻加熱桿件在熱循環(huán)下的應(yīng)力與變形加熱溫度較低，低碳鋼桿件發(fā)生彈性變形，當(dāng)桿件降溫到初始溫度T0，自由收縮到原來的長度，壓應(yīng)力全部消失。材料力學(xué)中：外觀變形與應(yīng)力相聯(lián)系：討論內(nèi)應(yīng)力時：根據(jù)胡克定律，內(nèi)部變形與應(yīng)力：注意：材料的變形在彈性范圍內(nèi)！！13

2）

加熱溫度較高，桿件將發(fā)生壓縮塑性變形，其變形率ε將由彈性變形率εe和塑性變形率εp兩部分組成（圖1-3b）。

即：圖1-3續(xù)均勻加熱的桿件的應(yīng)力和變形升溫階段：t1：壓縮彈性變形，出現(xiàn)壓應(yīng)力；t2：壓縮塑性變形；t3：塑性變形達(dá)到最大值。降溫階段：由于產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻開始時它的端面不再以2ˊ點(diǎn)為起點(diǎn)，而從2點(diǎn)開始收縮。t4：高于初始溫度，但由于壓縮塑性變形一直被保存下來，桿件卻已經(jīng)恢復(fù)到了初始長度。t5初始溫度：桿件比初始長度縮短，縮短量正好等于受熱膨脹時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形量。t5t5143）桿件受完全約束時應(yīng)力和變形（）圖1-3續(xù)均勻加熱的桿件的應(yīng)力和變形升溫階段：桿件一開始加熱就立即產(chǎn)生壓縮彈性變形。t1：達(dá)到εs，開始出現(xiàn)壓縮塑性變形。t2：500℃繼續(xù)升溫，彈性變形減少而塑性變形增大，σs降低，壓應(yīng)力降低。t3：600℃時σs降到零，處于全塑性狀態(tài)，壓應(yīng)力消失。降溫階段：t4：600℃性能開始恢復(fù)，屈服點(diǎn)逐漸升高。此時桿端將不以4'為起點(diǎn)而以4為起點(diǎn)收縮。由于收縮時又受到約束，桿內(nèi)產(chǎn)生拉伸變形和拉應(yīng)力。t5：下降至500℃，材料完全恢復(fù)彈性；隨溫度降低，拉伸塑性變形不斷增加，而拉應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)，則不再增加。15低碳鋼桿件的應(yīng)力與變形的總結(jié)：

構(gòu)件均勻加熱時，如在升溫過程中產(chǎn)生塑性變形，那么在自由冷卻時，此變形將保留下來，形成殘余變形。

完全約束的桿件，在不高的溫度(低碳鋼加熱到約100℃)時即產(chǎn)生壓縮塑性變形，該變形在自由冷卻后將被保留下來。如果在冷卻時受約束，則必然會產(chǎn)生拉應(yīng)變和拉應(yīng)力。

完全約束的桿件，即使加熱溫度不高（低碳鋼加熱溫度超過200℃），產(chǎn)生的壓縮塑性變形也足以使它在冷卻時產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到材料的拉伸屈服點(diǎn)。16長板條在不均勻溫度場作用下的變形和應(yīng)力

假設(shè)：T0=0，△T=T

εT：εT=α△T=αT=αf(x)εsh

：a.由平截面假設(shè)，變形時截面保持平面；

b.溫度場對稱，端面只作平移，εsh為常數(shù)。ε：可見：板條中心ε＜0，受壓；兩側(cè)ε＞0，受拉。

（1）中心加熱

溫度場：對端面中心對稱的不均勻溫度場，T=f(x)。

變形分析：取單位長度(L0=1)來分析其變形與應(yīng)力。－－補(bǔ)充部分假設(shè)：板條是由若干互不相連的小窄條組成，則每根小窄條都可以按照自己被加熱的溫度自由變形。這三個區(qū)域的應(yīng)力平衡，即平行線以上的面積和平行線以下面積相等,見圖b。17a.ε＜εs（加熱溫度較低）

板條發(fā)生彈性變形。當(dāng)加熱電源斷開，板條逐漸冷卻，恢復(fù)到原來的溫度，此時板條亦將恢復(fù)到原來長度，應(yīng)力和變形均將消失。

b.ε＞εs（加熱溫度較高）板條“c”區(qū)中將產(chǎn)生壓縮塑性變形。在冷卻到原始溫度后，應(yīng)力和變形就不能消失。如果允許其自由收縮，板條“c”區(qū)的長度將比原來短，其縮短量等于加熱時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形量。此時板條端面就成了一個中心凹的曲面。實際上板條是一個整體，“c”區(qū)的收縮受到兩側(cè)金屬的限制，截面保持為平面，因此出現(xiàn)新的變形和應(yīng)力。即：板條中心受拉,兩側(cè)受壓，這個新的平衡應(yīng)力系統(tǒng)就是殘余應(yīng)力。而板條端面的位移就是殘余變形。加熱冷卻（-）（+）（-）18根據(jù)上述兩種情況分析歸納如下：在板條中心對稱加熱時，板條中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，中心受壓，兩邊受拉。同時平板端面向外平移(伸長)。如果加熱不產(chǎn)生塑性變形即，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)后，內(nèi)應(yīng)力消失，平板端面亦恢復(fù)到原來的位置。如果加熱產(chǎn)生塑性變形，即，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)時，還會出現(xiàn)由于不均勻塑性變形引起的殘余應(yīng)力，其符號與溫度應(yīng)力大致相反（中間受拉，兩側(cè)受壓）；同時板條端面向內(nèi)平移（縮短），即為殘余變形。加熱冷卻（-）（+）（-）19（2）非對稱加熱（一側(cè)加熱）1）溫度場：非對稱溫度場2）變形分析：

（1）平面假設(shè)；（2）內(nèi)應(yīng)力平衡條件:∑Y=0；∑M=0。

3）應(yīng)力狀態(tài)：

高溫側(cè)：ε=εsh－εT＜0，受壓；

中間：ε=εsh－εT＞0，受拉；

低溫側(cè)：ε=εsh－εT＜0，受壓。

4）變形：端面平移，角位移；板條彎曲變形。加熱側(cè)位移大小受內(nèi)應(yīng)力必須平衡這一條件的制約，不能出現(xiàn)圖中b和c的情況。因為將產(chǎn)生不平衡力矩。20

a.

ε＜εs（加熱溫度較低）

當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時，板條中不存在殘余應(yīng)力，不出現(xiàn)殘余變形。

b.ε＞εs（加熱溫度較高）

板條中將出現(xiàn)壓縮塑性變形。冷卻時，板條恢復(fù)到原始溫度，其中將出現(xiàn)殘余應(yīng)力。板條也產(chǎn)生殘余彎曲變形和收縮變形，但方向與加熱時相反(圖2-7)。冷卻后加熱時加熱側(cè)212．長板條中心堆焊時的應(yīng)力和變形（對稱加熱）

圖a加熱時，中心部和邊部加熱溫度不同，其伸長變形不同，但又互相制約。自由變形曲線εT上：

ac段彈性變形區(qū)；cd段應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)，同時存在著壓縮塑性變形；

d點(diǎn)已達(dá)到500℃，材料屈服點(diǎn)開始下降，de段應(yīng)力逐漸由σs下降為零；在e點(diǎn)壓縮塑性變形達(dá)到最大值。圖b冷卻時，由于在加熱過程中產(chǎn)生的壓縮塑性變形將被部分保留下來，所以在堆焊區(qū)纖維變短，由于各纖維之間的相互約束，板條端部仍保持平直(nn')。中部產(chǎn)生達(dá)到屈服點(diǎn)的拉應(yīng)力和拉伸塑性變形。而靠近兩側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，二者相互平衡。

圖1-4低碳鋼長板條中心堆焊時的應(yīng)力變形情況加熱時冷卻后OO焊縫223．板邊堆焊時焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生（非對稱加熱）

每一纖維的內(nèi)部變形（率）：圖1-5板邊堆焊的應(yīng)力與變形Ⅰ)

完全彈性變形區(qū)。此區(qū)域變形率小于εs，冷卻后沒有殘留的塑性變形。Ⅱ)T≤500℃區(qū)域是彈性區(qū)和部分塑性變形區(qū)。冷卻后塑性變形部分，abc區(qū)域?qū)⒈Ａ粝聛怼＂?500℃≤T<600℃的區(qū)域是部分塑性變形到完全塑性變形區(qū)。冷卻后塑性變形則全部保留下來，即bced區(qū)。Ⅳ)T>600℃的區(qū)域是完全塑性區(qū)。600℃以上纖維在伸長和縮短時都沒有任何阻力，冷卻時其塑性變形將不會被保留下來，而600℃時所具有的塑性變形將一直保留下來，即demg區(qū)。（—）（—）（—）（＋）（＋）（＋）23實際變形εsh

線的位置（加熱或冷卻）根據(jù)內(nèi)應(yīng)力平衡得到的，應(yīng)力在y軸的投影為∑y，應(yīng)力對任意點(diǎn)力矩為∑M，則有：

二式結(jié)果：圖中εsh線上下有陰影線的面積(彈性變形)相互抵消，面積與形心距離的乘積(矩)相互抵消。考慮到平截面假設(shè)，I-I截面由mm'位置變到位到nn

'位置。冷卻時堆焊區(qū)為拉應(yīng)力,其值可達(dá)到屈服點(diǎn)，同時會產(chǎn)生拉伸塑性變形。靠近堆焊區(qū)為壓應(yīng)力區(qū)，遠(yuǎn)離堆焊區(qū)的另一側(cè)又出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)。即：拉-壓-拉。板條堆焊區(qū)縮短，全板條出現(xiàn)彎曲變形。圖1-5板邊堆焊的應(yīng)力與變形（—）（＋）（＋）24板條堆焊結(jié)論：板條堆焊后其殘余應(yīng)力的分布和變形的大小完全取決于加熱過程中所產(chǎn)生的壓縮塑性變形區(qū)的大小和分布。凡是影響壓縮塑性變形區(qū)大小和分布的因素(如溫度場、材料的熱物理性能、板件的幾何尺寸等)都會對板條中的殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響。254．相變對應(yīng)力和變形的影響

低碳鋼在相變點(diǎn)727℃時呈完全塑性狀態(tài)，此時奧氏體轉(zhuǎn)變時的體積變化不受任何阻力，所以對應(yīng)力和變形不產(chǎn)生影響。

（鐵素體為體心立方bcc，體積小；奧氏體為面心立方fcc，體積大。）有淬火傾向的合金鋼則不同，在焊后出現(xiàn)低溫馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為200～300℃。這時材料已完全恢復(fù)彈性，馬氏體轉(zhuǎn)變時體積膨脹受到周圍金屬的阻礙，產(chǎn)生相變應(yīng)力。如果焊縫金屬和母材也發(fā)生低溫馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣馬氏體膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力,這樣使得該區(qū)內(nèi)由于焊接而產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力。（見圖1-9）。

馬氏體:

它的溶碳能力較高，最高可達(dá)2%。奧氏體是鐵-碳合金的高溫相。鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到727℃以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到230℃以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴(kuò)散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和的α固溶體，稱為馬氏體M(畸變了的體心立方晶格)。它具有高的強(qiáng)度和硬度。

265．影響焊接應(yīng)力與變形的2個主要因素

（1）焊縫及近縫區(qū)不均勻加熱的范圍和程度，也即產(chǎn)生熱變形的范圍和程度。

包括焊縫尺寸、數(shù)量及位置、材料熱物理性能(熱導(dǎo)率、比熱容、熱脹系數(shù)等)、焊接工藝方法(如焊條電弧焊、埋弧焊等)和參數(shù)(I、U、V及熱輸入Q等)以及焊接操作方法(直通焊、分段跳焊、逆向分段焊等)因素。（2）焊件本身的剛度以及受到周圍環(huán)境的拘束程度，即阻止焊縫及其附近加熱所產(chǎn)生熱變形的程度。焊接構(gòu)件在拘束小的條件下，焊接變形大而應(yīng)力小；反之，則焊接變形小而應(yīng)力大。27第2節(jié)焊接殘余應(yīng)力

本節(jié)主要討論焊接殘余應(yīng)力的分布情況，它的影響以及消除和降低焊接殘余應(yīng)力的措施。焊接殘余應(yīng)力：在焊接過程中全部結(jié)束，焊件完全冷卻后殘余在焊件中的內(nèi)應(yīng)力。在厚度不大（δ＜15~20mm）的常規(guī)焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，厚度方向的應(yīng)力很小。只有在大厚度的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的應(yīng)力才比較大。

為了方便研究，我們把應(yīng)力分為：28

1.縱向殘余應(yīng)力的分布在低碳鋼結(jié)構(gòu)中，焊縫及其附近區(qū)域中的縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，數(shù)值一般達(dá)到材料的屈服極限。分析對象是長板條等。現(xiàn)在研究σX

在整條焊縫上的分布：29焊縫各截面中的應(yīng)力分布30（1）構(gòu)件幾何尺寸的影響幾何形狀（板寬、板厚）不同剛度

塑性變形區(qū)大小和形狀殘余應(yīng)力的分布不同。較寬的板(a)：板邊堆焊時焊道及其附近區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)高達(dá)屈服點(diǎn)拉應(yīng)力。較窄的板(b)：焊縫處為壓應(yīng)力，且應(yīng)力值較低。窄板（c）：分布則較為均勻，焊道處仍為壓應(yīng)力。一般低碳鋼結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為其W＞150mm，焊縫及近縫區(qū)中的縱向殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力,其數(shù)值一般可達(dá)到材料的屈服點(diǎn)。鄰近此區(qū)域為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)處則又是拉應(yīng)力區(qū)。圖1-6板邊堆焊殘余應(yīng)力分布(W從堆焊邊計起)相同的焊接條件（焊接參數(shù)）殘余應(yīng)力的分布與焊接過程中形成的塑性壓縮變形的大小和分布有很大關(guān)系，凡是影響壓縮塑性變形的因素，都能影響殘余應(yīng)力的分布。31（2）焊接參數(shù)的影響試驗表明：當(dāng)板寬l00mm，板邊堆焊焊接速度為0.72m／min。

I>150A時，堆焊處為壓縮殘余應(yīng)力;

I<150A時，堆焊處為拉伸殘余應(yīng)力.

增大焊接速度與減小焊接電流I的影響相近似。若以極限溫度場600℃以上的受熱區(qū)寬度bs來衡量。

(bs／W)<0.15時，殘余應(yīng)力如圖a；

(bs／W)>0.15時，殘余應(yīng)力圖b、c。同樣的板寬在不同的焊接參數(shù)下焊接，形成的溫度場不同，其殘余應(yīng)力、壓縮塑性變形區(qū)的大小和分布有所差異。32鋼板對接焊時縱向殘余應(yīng)力的分布（2）兩塊不等寬鋼板對接焊

寬度相差越多，寬板中的應(yīng)力分布越接近于板邊堆焊時的分布情況，而窄板邊緣處出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，圖d。寬度相差較小，其應(yīng)力分布近似于等寬板的分布規(guī)律，圖e。圖1-7鋼板對接焊時縱向殘余應(yīng)力的分布

焊縫及近縫區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，焊件邊緣出現(xiàn)壓應(yīng)力，如圖a。當(dāng)板寬增大時，縱向壓應(yīng)力的數(shù)值變小并趨于均勻，圖b。當(dāng)板寬進(jìn)一步增大時，板邊處的壓應(yīng)力下降為零，如圖c。（1）兩塊等寬度鋼板對接焊(bs／W)<0.15---（相對寬板）33縱向殘余應(yīng)力的分布和近似估算

對接焊時板寬W與焊接參數(shù)q對縱向應(yīng)力的影響。圖1-8中給出寬度為400mm和100mm兩種尺寸的鋼板對接。殘余應(yīng)力的分布是由幾個關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)位置來確，它們分別為(y1,σ1)，(y2,σ2)、(y3,σ3)，可由表1-1中的公式來計算。

40010034表1-1對接接頭縱向殘余應(yīng)力分布的近似估算式表1-1中按照熱輸入和板厚之比q／δ與板寬W的關(guān)系將焊件分為寬板和窄板兩種情況。表中應(yīng)力數(shù)值是用材料的屈服點(diǎn)σS表示。寬板：y1、y2和y3三個坐標(biāo)值都隨焊接熱輸入的增加而變大.即熱輸入增加，殘余應(yīng)力分布范圍變大。窄板：y1、y2、y3坐標(biāo)只與板寬有關(guān)。

40010035有相變時縱向殘余應(yīng)力的分布---原理

焊接合金鋼時，焊后出現(xiàn)馬氏體的低溫轉(zhuǎn)變，馬氏體體積膨脹將受到周圍金屬的阻礙，產(chǎn)生相變應(yīng)力，使得在發(fā)生相變的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)壓應(yīng)力；這樣與焊接加熱時產(chǎn)生的壓縮塑性變形所形成的拉應(yīng)力相疊加和抵消，拉應(yīng)力減小，甚至焊縫區(qū)出現(xiàn)壓應(yīng)力和臨近區(qū)域中出現(xiàn)拉應(yīng)力。相變應(yīng)力對縱向殘余應(yīng)力分布影響

為無相變時的縱向殘余應(yīng)力；為相變產(chǎn)生的縱向應(yīng)力；總內(nèi)應(yīng)力應(yīng)該為兩者的綜合。

36板邊堆焊時縱向殘余應(yīng)力--實測結(jié)果低溫馬氏體轉(zhuǎn)變往往延續(xù)較長時間，使殘余應(yīng)力的分布不斷變化，近縫區(qū)的拉伸殘余應(yīng)力會逐漸增大，超過材料的抗拉強(qiáng)度σb而產(chǎn)生裂紋。圖1-9有相變發(fā)生時縱向殘余應(yīng)力的分布a)2Crl3鋼b)Cr26Ni2037馬氏體鋼板邊堆焊縱向殘余應(yīng)力與時間關(guān)系

圖1-10為馬氏體鋼板邊堆焊后，當(dāng)時測得焊縫中心殘余應(yīng)力為-195MPa，近縫區(qū)拉應(yīng)力為510MPa(左圖)。經(jīng)過兩個半月后，近縫區(qū)的拉應(yīng)力竟增至765MPa(右圖)。還有一些金屬，如鋁和鈮等，因在很寬的溫度區(qū)間屈服點(diǎn)相當(dāng)?shù)停箟嚎s塑性區(qū)變得比較寬，冷卻后形成相當(dāng)寬的拉伸殘余應(yīng)力區(qū)。另外，鋁的熱脹系數(shù)比鋼要大，這也導(dǎo)致產(chǎn)生過大的焊接殘余應(yīng)力和變形。圖1-10馬氏體鋼板邊堆焊縱向殘余應(yīng)力與時間關(guān)系38縱向殘余應(yīng)力在焊縫長度方向上的分布

縱向殘余應(yīng)力沿焊縫長度方向上的分布與焊縫長短有關(guān)。圖1-11當(dāng)焊縫較短時，其峰值較低；隨著焊縫長度的增加，峰值應(yīng)力也逐漸變大，但焊縫長度超過大約500mm時，峰值應(yīng)力不再增加，長焊縫中部出現(xiàn)最高縱向殘余應(yīng)力平臺，靠近焊縫兩端為應(yīng)力過渡區(qū)，端面上的縱向殘余應(yīng)力為零。圖1-11縱向殘余應(yīng)力在焊縫長度方向上的分布埋弧焊焊條電弧焊39橫向殘余應(yīng)力：垂直于焊縫的應(yīng)力，用表示。產(chǎn)生原因：（1）縱向收縮造成的板平面內(nèi)彎曲的趨勢也引起了橫向殘余應(yīng)力。---（2）在焊接過程中，焊縫及近縫區(qū)金屬橫向收縮的先后次序不同(不同時性)，使對接的兩塊板有產(chǎn)生平面內(nèi)彎曲的趨勢，使得焊縫區(qū)出現(xiàn)橫向殘余應(yīng)力。

---

2.橫向殘余應(yīng)力的分布

當(dāng)把對接板由焊縫處裁開，每塊板發(fā)生類似板邊堆焊的彎曲變形。若使板保持平直，必須在中部施加拉力，兩端部施以壓力。實際上焊縫的存在就是對兩板施加作用使其平直，即：焊縫上存在著中部為拉，兩端為壓的殘余應(yīng)力

。圖1-12縱向收縮引起橫向殘余應(yīng)力40焊縫長度對的影響---補(bǔ)充

由圖看出，對長焊縫來說，中心部分的拉應(yīng)力將有所降低，逐漸趨近于零。41分析橫向應(yīng)力的另一個組成部分

---補(bǔ)充

由于焊縫不是同時完成的，各部分有先焊和后焊之分。先焊部分先冷卻，后焊部分后冷卻。先冷卻部分又限制后冷卻的橫向收縮，這種限制與反限制就構(gòu)成了橫向應(yīng)力

。把一條焊縫分成兩段焊接，當(dāng)從中間向兩端焊時，中心部位先焊的先收縮，兩端后焊的后收縮，則兩端焊縫的橫向收縮受到中心部分的限制。因此，是兩端為拉應(yīng)力，中心為壓應(yīng)力(圖a)。反之，如圖b。直通焊的尾部是拉應(yīng)力，中段是壓應(yīng)力，起焊段由于必須滿足平衡條件的原因仍為拉應(yīng)力，應(yīng)力分布與圖a相似。后焊受拉；先焊受壓。冷卻時42平板對接橫向殘余應(yīng)力的分布

---實際情況

橫向應(yīng)力的兩個組成部分和是同時存在的，最終的橫向應(yīng)力是它們兩者的合成。圖1-13為1m長焊縫橫向殘余應(yīng)力的分布，可代表一般情況。圖1-13平板對接橫向殘余應(yīng)力的分布試件雙面埋弧焊雙面焊條電弧焊

橫向殘余應(yīng)力的分布與施焊的方向有關(guān)，采用的分段退焊法可出現(xiàn)拉壓交替的分布狀態(tài)，應(yīng)力峰值較低，分布較為均勻。43分段退焊法：

用于減小焊接變形（并不是防止變形），使焊接應(yīng)力均勻分布。第一層打底焊焊接變形較大，所以段焊較短。如果能跳焊更好，焊完1，再焊3，回過頭來焊2，這樣更能防止焊接變形,此類焊接方法，在儲罐焊接上應(yīng)用非常廣泛。

跳焊也是一種有效控制焊接變形的工藝，兩者結(jié)合效果更佳。443．特厚板中殘余應(yīng)力的分布

厚度較大的厚板件，縱、橫向應(yīng)力沿厚度方向上的分布情況與板面不同。圖1-14可見，其峰值都出現(xiàn)在最后一層焊道下方某處。可以推斷，在此峰值應(yīng)力區(qū)有可能產(chǎn)生裂紋，并擴(kuò)展至表面。這種殘余應(yīng)力的分布情況是該鋼種產(chǎn)生橫向裂紋(垂直于焊縫軸線的裂紋)的一個重要原因。圖l-14中，55mm和100mm厚板殘余應(yīng)力σx和σy的峰值幾乎相同。即板厚達(dá)到一定程度時，殘余應(yīng)力的峰值將不受板厚變化的影響，趨于一個定值。圖1-142.25CrlMo鋼多層埋弧焊焊縫金屬中殘余應(yīng)力分布

a)試件b)板厚為55mmc)板厚為100mm45

電渣焊是利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。根據(jù)使用的電極形狀，可分為絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊等。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)質(zhì)、高效、低成本等；缺點(diǎn)：接頭過熱嚴(yán)重，焊后一般需經(jīng)正火處理。應(yīng)用：低碳鋼、低合金鋼的厚大工件。

電渣焊46電渣焊接頭殘余應(yīng)力的分布

殘余應(yīng)力在板厚方向上的分布情況比較復(fù)雜，用試驗測量比較困難。目前還未找出其較為明確的分布規(guī)律。圖l-15電渣焊接頭殘余應(yīng)力的分布a)試件b)縱向殘余應(yīng)力分布c)橫向殘余應(yīng)力分布厚板中殘余應(yīng)力的分布與焊接方法密切相關(guān)。如電渣焊焊縫表面由于水冷塊的強(qiáng)制冷卻作用而先期凝固冷卻，而中心部位冷卻緩慢，中心部位金屬的收縮受到周圍金屬的約束，所以縱、橫向殘余應(yīng)力的峰值均出現(xiàn)在中心部位，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。474．焊接T形、工形和箱形結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力這類結(jié)構(gòu)組成元件(腹板和翼板)看作是板邊堆焊或板中心堆焊；焊縫及附近區(qū)域中總是產(chǎn)生縱向高達(dá)屈服點(diǎn)的拉伸殘余應(yīng)力；腹板中部、翼板邊緣則產(chǎn)生壓應(yīng)力。這對于防止腹板的波浪變形和防止工(H)形、箱形梁由此導(dǎo)致的局部或整體失穩(wěn)是非常不利的。

圖l-16焊接工(H)形、T形和箱形板構(gòu)件中的縱向焊接殘余應(yīng)力

a)T形構(gòu)件b)工(H)形構(gòu)件c)箱形構(gòu)件d)實測T形構(gòu)件翼板腹板485．拘束條件下焊接的殘余應(yīng)力

圖1-17a中，在剛性大的條件下對接焊縫都可以假設(shè)為板端剛性固定。如果對接板可以自由收縮，那么板總寬L(試件的拘束長度)將縮小為L-△L。在剛性拘束條件下板不能自由收縮，則焊后相當(dāng)于拉長了△L，這時板內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力：

σ=E△L／L

圖b所示應(yīng)力稱為拘束應(yīng)力。當(dāng)焊縫較短時，拘束應(yīng)力大小不變；當(dāng)焊縫較長時，拘束應(yīng)力沿焊接方向逐漸增大（圖c）。圖1-17鋼板對接焊接的剛性拘束情況在生產(chǎn)過程中構(gòu)件往往是在拘束狀態(tài)下焊接的。例如:構(gòu)件在剛性固定的胎夾具上焊接，或者是構(gòu)件本身剛度很大，在這種情況下焊接，構(gòu)件中殘余應(yīng)力的分布將發(fā)生很大變化。495.1對接接頭橫向拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系

圖1-18兩條曲線的拘束應(yīng)力用公式表示：

σ1=550000／Lσ2=337000／L

L—拘束長度(mm)。

圖中板厚增大，拘束應(yīng)力隨之變大。拘束長度較短時，拘束應(yīng)力可以達(dá)到相當(dāng)高的水平,以至于使某些屈服點(diǎn)較低的鋼材發(fā)生屈服，甚至于產(chǎn)生斷裂。圖1-18對接接頭橫向拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系1—板厚為20mm2—板厚為l0mm拘束應(yīng)力與拘束長度(兩固定端的距離)有關(guān)，拘束長度越大，拘束應(yīng)力越小。（σ=E△L／L

）20mml0mm505.2鋼管在拘束下對接時拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系管截面上單位面積的熱量：

式中U——電弧電壓(V)；

I——焊接電流(A)；

t——電弧燃燒時間(s)；

A——構(gòu)件截面積(cm2);——平均值為0.86。

拘束距離對管道的拘束應(yīng)力也有顯著的影響。焊接熱輸入增大，拘束應(yīng)力則增大。（圖1-19）圖1-19不同材質(zhì)的鋼管在拘束下對接時拘束應(yīng)力與拘束長度之間的關(guān)系l—42kJ／cm22—33.6kJ／cm23—25.2kJ／cm24—16.8kJ／cm2

5—8.4kJ/cm2515.3環(huán)形封閉焊縫殘余應(yīng)力分布在拘束條件下焊接，構(gòu)件內(nèi)出現(xiàn)拘束應(yīng)力，還有焊接殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)中的實際應(yīng)力應(yīng)是這兩項應(yīng)力的綜合。

拘束應(yīng)力是拉應(yīng)力，它對構(gòu)件的影響較大。在實際生產(chǎn)中，有時需采取一定的措施以減小剛度，防止產(chǎn)生過大的拘束應(yīng)力。在化工容器中，經(jīng)常遇到焊接接管、法蘭和挖補(bǔ)鑲塊等封閉焊縫。結(jié)構(gòu)本身的剛度很大，焊縫是在較大拘束下焊接，內(nèi)應(yīng)力值也比較大。圖1-20環(huán)形圓盤鑲塊封閉焊縫殘余應(yīng)力分布圖中σr（σy）均為拉應(yīng)力；σθ

（σx）在焊縫處為拉伸峰值應(yīng)力，在鑲塊內(nèi)為恒定的拉應(yīng)力，向外側(cè)逐漸下降變?yōu)閴簯?yīng)力。這時的應(yīng)力分布即為焊縫在自由狀態(tài)下的應(yīng)力與拘束應(yīng)力的綜合結(jié)果。鑲塊的直徑變大，拘束應(yīng)力下降。切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的峰值均隨之下降。

徑向應(yīng)力切向應(yīng)力52

鑲塊的直徑變大，拘束應(yīng)力下降。切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的峰值均隨之下降。

結(jié)構(gòu)本身剛度越大，拘束度越大，內(nèi)應(yīng)力就越大。鑲塊本身剛度也其重要作用，如果空心鑲塊，內(nèi)應(yīng)力就要小得多。接管由于本身的剛度較小，其內(nèi)應(yīng)力一般比鑲塊的小。

536.1圓筒縱縫中的焊接殘余應(yīng)力

縱(軸)向應(yīng)力σx沿圓周長度上的分布，可如圓筒沿圓周展開成平板對接。圖中虛線（理論值）和實線（實測值）在焊縫以外的差別表明：

筒體滾圓成形時的彎曲應(yīng)力對殘余應(yīng)力的影響，它造成內(nèi)外表面上的差別。圖1-21圓筒縱縫引起的縱向應(yīng)力σx沿圓筒周向展開長度方向的分布圓筒縱向焊縫在圓筒或圓錐殼體中引起的焊接殘余應(yīng)力的分布類似于平板對接時的分布。546.2圓筒環(huán)焊縫引起的周向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力

圖a中，沿圓周方向平行于環(huán)縫的周向應(yīng)力σθ在筒體軸向(x)上的分布。理論分析和實測結(jié)果表明：環(huán)縫中σθ值＜平板對接焊縫中相應(yīng)的應(yīng)力數(shù)值。

原因：環(huán)縫徑向收縮，使部分應(yīng)力釋放的結(jié)果。同時它還導(dǎo)致彎曲應(yīng)力σx的產(chǎn)生。σx在筒體軸向(x)上的分布（圖b）,內(nèi)外表面上的分布是對稱的。圖1-22圓筒環(huán)縫引起的周向應(yīng)力及彎曲應(yīng)力

環(huán)焊縫在筒體上引起的殘余應(yīng)力分布與筒體剛度和材料有關(guān)。551.2.2焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響1．對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響2．對結(jié)構(gòu)加工尺寸精度的影響3．對壓桿穩(wěn)定性的影響4．對應(yīng)力腐蝕的影響56

1．對結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的影響

塑性好的材料：焊件殘余應(yīng)力為壓、拉、壓分布(見圖)。在外載荷P作用下，殘余應(yīng)力與外力疊加，壓應(yīng)力逐漸減小，變?yōu)槔瓚?yīng)力；拉應(yīng)力則繼續(xù)增大，達(dá)到屈服點(diǎn)后不再增大，并產(chǎn)生塑性變形，其余未達(dá)到σs的區(qū)域繼續(xù)隨外力增大而增大。應(yīng)力增加，直到整個截面上應(yīng)力均勻，并都達(dá)到σs，此時構(gòu)件所承擔(dān)的總外力可用面積aADCBbgfea表示。如果構(gòu)件無內(nèi)應(yīng)力，截面上應(yīng)力達(dá)到σs時所承擔(dān)的總外力則可用矩形面積ABCD表示。由于內(nèi)應(yīng)力平衡，面積efg=面積Aae+面積gbB，則面積ABCD=面積aADCBbgfea，即總承載能力不變。

圖1-23塑性好的材料內(nèi)應(yīng)力對承載能力影響示意圖57脆性材料：材料處于脆性狀態(tài)，如三向拉應(yīng)力狀態(tài)，材料不能發(fā)生塑性變形，當(dāng)外力與內(nèi)應(yīng)力疊加達(dá)到抗拉強(qiáng)度σb時，則可能發(fā)生局部斷裂，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

塑性材料：材料有足夠的延性進(jìn)行塑性變形，則內(nèi)應(yīng)力的存在并不影響構(gòu)件的承載能力。58單軸和三軸應(yīng)力---添加塑性變形產(chǎn)生的必要條件是存在切應(yīng)力。材料在單軸應(yīng)力σ作用下，最大切應(yīng)力τmax=σ/2。在三軸等值拉應(yīng)力作用下，最大切應(yīng)力τmax=0，在這種情況下，不可能產(chǎn)生塑性變形。因此，三軸殘余拉應(yīng)力將阻礙塑性變形的產(chǎn)生，在一定條件下，對承載能力有不利的影響。59實際結(jié)構(gòu)中的三軸應(yīng)力實驗證明：許多材料（塑性材料）處于單軸或雙軸拉伸應(yīng)力下表現(xiàn)為塑性，當(dāng)處于三軸拉伸應(yīng)力作用下時，因不易發(fā)生塑性變形而表現(xiàn)為脆性。實際結(jié)構(gòu)中，三軸應(yīng)力可能由三軸拉伸載荷產(chǎn)生，但更多情況下是由結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)性所引起的。右圖的構(gòu)件受單軸拉伸，其缺口部位出現(xiàn)高度的應(yīng)力集中，而缺口根部的應(yīng)力狀態(tài)就為三軸應(yīng)力狀態(tài)。

實際上，對于脆性大、淬硬傾向大或剛度較大的焊接構(gòu)件，焊接過程中或焊后常會發(fā)生焊接裂紋，焊接殘余應(yīng)力是產(chǎn)生焊接裂紋的重要原因之一。

602．對結(jié)構(gòu)加工尺寸精度的影響

未經(jīng)消除殘余應(yīng)力的焊接構(gòu)件進(jìn)行機(jī)加工時，由于切削去一部分材料，破壞了構(gòu)件中內(nèi)應(yīng)力的平衡。應(yīng)力的重新分布使得構(gòu)件變形，影響加工精度。

處理措施：（1）焊后熱處理。對于精度要求高的構(gòu)件，一定要先進(jìn)行消除應(yīng)力處理，然后再進(jìn)行機(jī)械加工。（2）分次加工的方法來保證加工精度。即第一次加工時保留一定的加工裕量，加工后放松夾具，使焊件充分變形，然后再夾緊進(jìn)行第二次或第三次加工，加工次數(shù)根據(jù)精度要求而定。613．對壓桿穩(wěn)定性的影響

焊接工字形立柱，翼板中部為拉應(yīng)力，邊緣為壓應(yīng)力，與外加壓應(yīng)力相疊加后，邊緣處已達(dá)到屈服點(diǎn)，該區(qū)應(yīng)力不再增加，喪失了進(jìn)一步承受外力的能力，這樣只有翼板中部可以繼續(xù)承受外力，有效截面的慣性矩大大減小。若使翼板邊緣處產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，有效面積分布在遠(yuǎn)離中性軸的地方，這樣有效截面的慣性矩并無顯著減小，可使情況大為好轉(zhuǎn)。承受縱向壓縮的桿件，焊接殘余壓應(yīng)力與外加壓應(yīng)力相疊加，應(yīng)力的疊加導(dǎo)致壓應(yīng)力區(qū)先期達(dá)到材料屈服點(diǎn)，而喪失承載能力，這相當(dāng)于減小截面的有效面積，使得失穩(wěn)臨界應(yīng)力的數(shù)值降低。補(bǔ)充：對于y軸的慣性矩翼板62

翼板板邊側(cè)-拉應(yīng)力，中心-壓應(yīng)力，有效面積分布離中心軸較遠(yuǎn)，情況大為好轉(zhuǎn)。634．對應(yīng)力腐蝕的影響

應(yīng)力腐蝕是拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象。焊接結(jié)構(gòu)在沒有外加載荷的情況下就存在殘余應(yīng)力，因而在腐蝕介質(zhì)作用下，結(jié)構(gòu)雖無外力，也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。它是一種脆性破壞，對高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼尤為突出，如超高強(qiáng)度鋼在水介質(zhì)中都會發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。

改善措施：可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)消除或減小焊接殘余應(yīng)力，也可在焊縫區(qū)涂防腐材料加以保護(hù)。641.2.3預(yù)防和消除焊接殘余應(yīng)力的措施

1．減小和改善焊接殘余應(yīng)力的方法

可從設(shè)計和工藝兩個方面來解決。

（1）設(shè)計原則

1）盡量減小焊縫截面尺寸，在保證強(qiáng)度的前提下盡量減少填充金屬的數(shù)量。---大小

2）將焊縫盡量布置在最大工作應(yīng)力區(qū)之外，防止殘余應(yīng)力與外加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力相疊加，影響結(jié)構(gòu)的承載能力。--位置

3）盡量防止焊縫密集、交叉。---布置

4）局部降低剛度，使焊縫能比較自由地收縮。

5）采用合理的接頭形式，盡量避免搭接接頭。搭接接頭應(yīng)力集中較嚴(yán)重，與殘余應(yīng)力一起會造成不良影響。

Next65焊縫避開最大應(yīng)力區(qū)或應(yīng)力集中區(qū)返回166防止焊縫密集實例

為了防止腹板失穩(wěn)，布置若干肋板，如圖a。這種布置由于焊縫密集，不僅施工不便，而且殘余應(yīng)力的分布范圍很大。按圖b方案布置肋板，殘余應(yīng)力的分布將得到明顯改善。圖1-24框架轉(zhuǎn)角處肋板的布置返回267防止焊縫交叉的實例圖1-25b所示情況可防止焊縫交叉；圖1-25c所示情況將更為有利。圖l-25起重機(jī)粱肋板的布置焊縫交叉會在相交處形成三軸拉應(yīng)力狀態(tài)，即使高韌性的材料在三軸拉應(yīng)力場中也會完全喪失塑性變形的能力。返回368局部降低剛度，減小殘余應(yīng)力的實例圖a是采用在管板上開槽;圖b是采用在焊接鑲塊時開槽;圖c則是采用在鋼柱內(nèi)挖槽來減小剛度。圖1-26局部降低剛度的的實例

a)排管板與接管的焊接b)鑲塊的焊接c)實心軸的封閉焊縫焊接環(huán)形封閉焊縫，可使內(nèi)板預(yù)制變形，這樣焊縫收縮時有較大的自由度，可減小焊接殘余應(yīng)力。返回469（2）工藝措施

1）合理地選擇裝配焊接順序。結(jié)構(gòu)在裝配焊接過程中的剛度會逐漸增加，因此應(yīng)盡量使焊縫能在剛度較小的情況下焊接，使其有較大的收縮余地；裝配焊接為若干部件，最后再將其總裝。在安排裝焊順序時，應(yīng)盡量先焊收縮量大的焊縫，后焊收縮量小的焊縫。（圖1-28）

根據(jù)受力情況，先焊工作時受力大的焊縫。如工作應(yīng)力為拉應(yīng)力，則在安排裝焊順序時設(shè)法使后焊焊縫對先焊焊縫造成預(yù)先壓縮作用，有利于提高承載能力。（圖1-27）

2）用局部加熱法減小應(yīng)力。在焊接某些構(gòu)件時，采用局部加熱的方法使焊接處在焊前產(chǎn)生一個與焊后收縮方向相反的變形，這樣在焊縫區(qū)冷卻收縮時，加熱區(qū)也同時冷卻收縮，使得焊縫的收縮方向與其一致，焊縫收縮的阻力變小，從而降低焊接殘余應(yīng)力。（圖1-29

）

3）錘擊。錘擊可以使焊縫得到延展，從而降低峰值拉應(yīng)力。錘擊可在500℃以上或在300℃以下進(jìn)行，以避免藍(lán)脆。

4）反變形減小殘余應(yīng)力。焊接封閉焊縫時，由于周圍板的拘束力較大，拘束應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加易形成裂紋。（圖1-30）Next70工字梁安裝時接頭的焊接順序

（先焊工作時受力較大的焊縫）

為減小焊接應(yīng)力，工字梁在安裝前蓋板與腹板的角焊縫有一段不焊接(最后焊)。

錯誤：角焊縫3

對接焊縫4焊縫1、2。則焊縫4和焊縫1、2在焊接時都處于較大的剛性拘束狀態(tài)，其收縮時受到焊縫3的限制而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。正確：焊縫1和2焊縫4角焊縫3，可使受力較大的焊縫1預(yù)先承受壓應(yīng)力，角焊縫3留在最后焊接，則可使腹板有一定的收縮余地。有利于提高工字梁的承載能力。均可較自由地收縮圖1-27大型焊接工字梁在工地安裝時的接頭1、2和4—對接焊縫3—角焊縫返回1按受力大小確定焊接順序1、2和4—對接焊縫3—角焊縫腹板翼板42先焊受壓，后焊受拉。71大型儲罐底板的拼焊順序

（先焊收縮量大的焊縫）圖1-28大型儲罐底板的拼焊大型儲罐罐底拼焊時，應(yīng)從中部開始依次向外擴(kuò)展，橫向短焊縫（焊縫1、2）直通縱向長焊縫（焊縫3）

。由于橫向焊縫的收縮較大，應(yīng)盡量使它們在較為自由的條件下收縮變形，這樣可以減小焊接殘余應(yīng)力。

圖1-28-1按焊縫布置確定焊接次序橫向縱向返回2722）局部加熱法減小應(yīng)力焊前在輪輻兩側(cè)的輪緣上同時加熱，使焊接處在焊接時可以較為自由地膨脹，壓縮塑性變形量減小。焊后冷卻過程中，焊縫區(qū)金屬與加熱區(qū)的收縮方向相同，可以達(dá)到減小焊接殘余應(yīng)力的效果。加熱溫度：通常為600～800℃，且加熱范圍不得過小。應(yīng)用：在補(bǔ)焊機(jī)床鑄鐵床身上的裂紋等缺陷時應(yīng)用很普遍。圖1-29輪輻斷口的加熱減小應(yīng)力法焊接返回3734）采用反變形減小殘余應(yīng)力

采用圖1-30的反變形措施減小剛度，使焊縫可以較為自由地收縮。圖1-30采用反變形減小殘余應(yīng)力返回474

2．焊后消除焊接殘余應(yīng)力的方法

常用的低碳鋼和低合金鋼具有較高的韌性，殘余應(yīng)力在一般情況下并不影響其承載能力。

低溫和動載下使用的結(jié)構(gòu)、厚度超過一定限度的焊接結(jié)構(gòu)（如鍋爐和化工容器等）、有應(yīng)力腐蝕開裂危險的焊接結(jié)構(gòu)、需要進(jìn)行機(jī)加工的構(gòu)件，必須消除結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。消除殘余應(yīng)力的七種方法75（1）整體熱處理

整體熱處理：將構(gòu)件整體加熱到回火溫度(＜727℃)，保溫一定時間后再冷卻。

機(jī)理：金屬材料在高溫下發(fā)生蠕變現(xiàn)象，并且屈服點(diǎn)降低，使應(yīng)力松弛。如果構(gòu)件整體都加熱到材料屈服點(diǎn)為零的溫度,殘余應(yīng)力將會完全消除。隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長，金屬材料的蠕變更加充分。

由于這種蠕變是在殘余應(yīng)力誘導(dǎo)下進(jìn)行，構(gòu)件中的蠕變變形量=熱處理前構(gòu)件中殘余應(yīng)力區(qū)內(nèi)所存在的彈性變形，這些彈性變形在蠕變過程中完全消失，構(gòu)件中的殘余應(yīng)力就不復(fù)存在。

蠕變（creep）(緩慢變形)：金屬在高溫和低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，材料塑性變形量隨時間延續(xù)而增加的現(xiàn)象。

它與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時間相當(dāng)長，它在應(yīng)力小于彈性極限時也能出現(xiàn)。

76熱處理帶來的一些問題：

1）母材和焊縫金屬性能惡化。某些材料在熱處理過程中長時間加熱，會使其力學(xué)性能變差。如2.25Cr1Mo鋼熱處理時若加熱時間過長，焊縫金屬會出現(xiàn)粗大的鐵素體組織，使其強(qiáng)度降低；低溫用鎳鋼經(jīng)熱處理后，其斷裂韌度將會下降。

2）有再熱裂紋傾向。對于強(qiáng)度級別較高的鉻鉬類鋼材，如C-Mo-V-B、25Cr1Mo鋼等，在消除應(yīng)力熱處理時熱影響區(qū)都有發(fā)生再熱裂紋的危險。主要出現(xiàn)在400～550℃，熱處理時在加熱過程中應(yīng)盡快通過這一溫度范圍。

國內(nèi)、外標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于焊后熱處理條件的規(guī)定見表1-2~1-4。(P30)

整體熱處理的兩種形式：

1）爐內(nèi)整體熱處理：即構(gòu)件整體放入爐內(nèi)進(jìn)行熱處理。

2）整體內(nèi)熱處理(整體爐外熱處理)：將熱源引入容器內(nèi)進(jìn)行加熱。尺寸較大的容器一般采用高速噴嘴噴出燃?xì)庠谌萜鲀?nèi)燃燒加熱，尺寸較小的容器可以用內(nèi)置電熱元件進(jìn)行加熱。77（2）局部熱處理

一些特大型筒形容器的組裝環(huán)縫和重要管道等，通常采用局部熱處理來降低結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。

加熱方法：

1）電阻爐加熱。

2）感應(yīng)加熱。在實際生產(chǎn)中多采用工頻感應(yīng)加熱或中頻感應(yīng)加熱，一般可用石棉布包扎。加熱速度較快，管子內(nèi)外壁溫差較小。

3）遠(yuǎn)紅外加熱。管內(nèi)外壁溫差更小。

4）采用高速噴嘴噴出燃?xì)饧訜帷＞植繜崽幚硇Ч蝗缯w熱處理。但在某些場合不能進(jìn)行整體熱處理，或是只需對結(jié)構(gòu)的某一部分進(jìn)行熱處理，局部熱處理在生產(chǎn)中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

78（3）振動法

焊接構(gòu)件在激振器的作用下發(fā)生諧振，經(jīng)過若干時間后殘余應(yīng)力將逐漸降低，這種方法叫做振動消除應(yīng)力法。機(jī)理：

構(gòu)件在發(fā)生諧振時振幅較大，振動引起的應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時，將發(fā)生應(yīng)力松弛,從而使殘余應(yīng)力的峰值降低。特點(diǎn)和應(yīng)用性:

時間短，成本低。特別適合于處理再熱裂紋敏感性高材料制成的構(gòu)件。另外，有降低結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的危險。

79（4）爆炸法

它是利用炸藥爆炸時沖擊波的能量使產(chǎn)生殘余應(yīng)力的相關(guān)區(qū)產(chǎn)生塑性變形，從而達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。它與退火法消除殘余應(yīng)力相近。---大型焊接結(jié)構(gòu)

退火法消除殘余應(yīng)力：

利用金屬在高溫下的蠕變性能，使構(gòu)件中的殘余應(yīng)力通過流變產(chǎn)生塑性變形而得到釋放。當(dāng)蠕變量與構(gòu)件中原來殘存的殘余彈性應(yīng)變量相同時，應(yīng)力則被全部消除。在蠕變過程中，塑性應(yīng)變完全是殘余應(yīng)力誘導(dǎo)的。

80（4）爆炸法---續(xù)

中性爆炸：在爆炸條件下，材料的變形行為類似流體，材料對殘余應(yīng)力的抗力等于零。在殘余應(yīng)力作用下，金屬材料發(fā)生流變塑性變形。即：在拉伸殘余應(yīng)力作用下，金屬流變的結(jié)果產(chǎn)生伸長塑性變形；壓縮殘余應(yīng)力產(chǎn)生縮短塑性變形。隨著塑性變形的不斷進(jìn)行，殘余應(yīng)力逐漸得到釋放，直至完全消失。它消除拉壓兩種殘余應(yīng)力有相同的作用。（近似退火處理）

---適合殘余應(yīng)力分布不明確構(gòu)件

硬爆炸：是比中性爆炸更劇烈的爆炸，爆炸的沖擊波除了使金屬材料形成流變特性，由殘余應(yīng)力誘導(dǎo)發(fā)生塑性變形外；強(qiáng)烈的沖擊波本身還會使金屬材料產(chǎn)生一定數(shù)量的流變變形（即伸長塑性變形），這是由于金屬材料在平面內(nèi)向兩個方向同時發(fā)生流變，這種爆炸稱為硬爆炸。可有針對性地在某些區(qū)域造成一定的殘余壓應(yīng)力。如提高抗應(yīng)力腐蝕的性能。

---適合應(yīng)力分布明確的構(gòu)件

爆炸法消耗金屬材料的部分塑性，對于低溫和動載下使用的結(jié)構(gòu)要慎重選用。81（5）碾壓法（滾壓法）

圖c中焊縫經(jīng)碾壓后出現(xiàn)壓應(yīng)力，提高承載和抗應(yīng)力腐蝕能力。碾壓處理多用于薄壁焊接結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)尺寸較大，不宜采用。

圖l-31碾壓與熱處理消除應(yīng)力效果的比較a)焊后殘余應(yīng)力分布b)用固溶處理方法消除殘余應(yīng)力c)使用l3600N力滾壓焊縫后殘余應(yīng)力的分布它是用滾輪施加一定的壓力在焊縫表面進(jìn)行滾壓，使焊縫金屬產(chǎn)生局部塑性變形，減小殘余應(yīng)力或改善其分布的一種方法。適用于薄壁構(gòu)件的直縫、環(huán)縫等規(guī)則焊縫。82（6）過載法加載后，應(yīng)力在圖a上疊加，原來已達(dá)到屈服點(diǎn)的峰值應(yīng)力不再增加(圖b)；在拉伸過程中，材料發(fā)生的拉伸塑性變形，正好與焊接時產(chǎn)生壓縮塑性變形相反，消除(部分消除)

導(dǎo)致產(chǎn)生殘余應(yīng)力的壓縮塑性變形；卸載后應(yīng)力峰值大為降低（圖c）。拉伸的塑性變形越大，消除的殘余應(yīng)力越多。當(dāng)加載使截面完全屈服時，則內(nèi)應(yīng)力被完全消除。過載法以消耗構(gòu)件的塑性儲備為代價，對于一般構(gòu)件不允許使其過載到發(fā)生完全屈服，因此用過載法只能降低殘余應(yīng)力的峰值。

圖1-32過載法消除焊接殘余應(yīng)力的示意圖a)加載前b)加載后c)卸載后在構(gòu)件上施加一定的拉應(yīng)力，使其與焊縫區(qū)的拉伸殘余應(yīng)力相疊加，以達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。典型實例：

壓力容器的水壓試驗，焊后采用1.3～1.5倍的設(shè)計應(yīng)力試壓，可以使容器的殘余應(yīng)力峰值降低30％左右。起重機(jī)的過載試吊和新建橋梁的超載運(yùn)行等。83（7）溫差拉伸法

采用低溫局部加熱使焊縫區(qū)產(chǎn)生拉伸，以減小其峰值應(yīng)力。

----與過載法的原理相同氣體火焰加熱形成焊縫兩側(cè)溫度高，焊縫區(qū)溫度低的溫差，由于加熱區(qū)膨脹產(chǎn)生的拉伸作用，使焊縫區(qū)的峰值應(yīng)力被部分釋放。加熱時841.2.4焊接殘余應(yīng)力的測定

焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的使用及結(jié)構(gòu)加工尺寸精度的影響，有必要弄清結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的大小與分布情況。目前一般仍采用實驗法測定。

1.應(yīng)力測定方法的分類按結(jié)構(gòu)是否破壞分為也可分為85

1．機(jī)械方法（應(yīng)力釋放法）

（1）裁條法利用銑削把試件裁成15～18mm的板條。裁條前在板上貼應(yīng)變片或鉆出測量長度的標(biāo)距孔，并記錄原始讀數(shù)。然后將板條切開,待應(yīng)力釋放后再測出應(yīng)變值或標(biāo)距孔的距離，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系計算出殘余應(yīng)力。當(dāng)板條縮短，表示此處的應(yīng)力為拉應(yīng)力；反之，為壓應(yīng)力。

它是利用機(jī)械加工把試件切開或切去一部分，測定由此而釋放的彈性應(yīng)變來推算構(gòu)件中原有的殘余應(yīng)力。圖1-34裁條法（只繪出多平行條中的一條）86

原理：在應(yīng)力場中鉆一個小孔，部分應(yīng)力則被釋放，孔周圍的應(yīng)力重新分布并達(dá)到平衡，測得孔周圍區(qū)域鉆孔前、后應(yīng)變的變化，可用彈性力學(xué)公式計算出該處原來的應(yīng)力分布。小孔法測內(nèi)應(yīng)力（2）小孔法87（3）盲孔法

盲孔法（原理同小孔法），它對結(jié)構(gòu)只有很輕微的破壞，一般不需修補(bǔ)。小孔法在生產(chǎn)實踐中已被盲孔法所取代（破壞性更小）。

測試過程與小孔法相同，鉆孔直徑一般為2～3mm，孔深與孔徑相同時應(yīng)變片的應(yīng)變值即趨于穩(wěn)定。

計算公式與小孔法相同，系數(shù)A、B可由試驗法標(biāo)定得出。標(biāo)定系數(shù)A、B公式的簡化：一般情況下，殘余應(yīng)力的方向是可以預(yù)先估計出來，最大主應(yīng)力的方向應(yīng)與焊縫方向一致，即縱向殘余應(yīng)力就是最大主應(yīng)力。σ1與x軸重合，φ=0，這樣最大主應(yīng)力的計算公式則簡化為：在簡單拉伸條件下，橫向應(yīng)力σy=0，這樣由上式可以得出：88標(biāo)定法確定系數(shù)A、B

用標(biāo)定法確定系數(shù)A、B時，標(biāo)定試件與應(yīng)變片的粘貼部位，如圖1-35。試件在萬能材料試驗機(jī)上加載，當(dāng)孔深固定時，改變載荷大小記錄應(yīng)變值變化，根據(jù)以上公式，可計算出A、B值。試驗程序：在逐漸加深的若干個孔深下進(jìn)行上述試驗，分別計算出A、B值，直至趨于穩(wěn)定。

89（4）套孔法(切槽法)

用套料鉆加工環(huán)形槽使殘余應(yīng)力得到釋放的方法。套鉆前在孔心處粘貼應(yīng)變片或打出標(biāo)距孔，套鉆后重新測量。（圖l-34c）

（5）逐層銑削法

也是一種完全破壞的方法。當(dāng)具有殘余應(yīng)力的工件被銑去一層時，部分應(yīng)力釋放后殘余應(yīng)力重新分布,試件要發(fā)生變形。在對面（非銑削面）粘貼應(yīng)變片(圖d)，則可以測出每銑削一層后對面的應(yīng)變值,根據(jù)這些數(shù)值則可推算出在不同銑削層上的殘余應(yīng)力。90

2．物理方法（1）X射線衍射法

原理：內(nèi)應(yīng)力存在時，晶體的晶格（原子間距）發(fā)生變形，在X射線的照射下，表面有規(guī)律排列的晶面反射X射線，如果θ能滿足條件：式中D——晶面間的距離；

λ——X射線的波長；

θ——入射及反射角；

n——反射級數(shù)，為整常數(shù)。

則X射線在反射方向因干涉而加強(qiáng)，用衍射儀的接收口沿分度環(huán)移動記錄反射束的強(qiáng)度，可求出入射(反、衍射)角θ，從而算出D。（不同D值將代表不同的內(nèi)應(yīng)力水平）缺點(diǎn)：干涉：兩列頻率相同的光波在空中相遇時發(fā)生疊加，在某些區(qū)域總加強(qiáng)，在另外一些區(qū)域總減弱，出現(xiàn)明暗相間的條紋現(xiàn)象。91（2）超聲波法

它是根據(jù)金屬的密度ρ在應(yīng)力作用下發(fā)生微小變化，而使超聲波在穿越時其速度或衰減程度發(fā)生變化的原理來測量殘余應(yīng)力。它是目前有希望測大厚件中深層殘余應(yīng)力的方法。在國外已有商品設(shè)備出售，國內(nèi)在生產(chǎn)中尚未實際采用。

（3）磁性法

當(dāng)鐵磁材料中存在彈性變形時，其磁導(dǎo)率將發(fā)生變化，如果能測出某一小范圍內(nèi)材料在不同方向上磁導(dǎo)率的變化，就可以估計出該處殘余應(yīng)力的數(shù)值和分布情況。

（4）密柵云紋法在試件要測處先貼上或刻上條紋，試件受力后發(fā)生應(yīng)變（包括焊接時產(chǎn)生的熱應(yīng)變），則工作柵和比較柵出現(xiàn)干涉，產(chǎn)生云紋。能顯示全場的應(yīng)變情況，可以定性和定量地測得殘余應(yīng)力的大小和分布。921.3焊接殘余變形

1.3.1焊接殘余變形的分類及其影響殘余變形不但影響結(jié)構(gòu)的外形尺寸及其精度，使矯形工作量增加，提高制造成本；而且降低結(jié)構(gòu)的承載能力。

1．焊接殘余變形的分類93（1）總體變形1）縱向收縮變形：構(gòu)件在沿（平行）焊縫方向上發(fā)生的變形（圖1-38a）；2）橫向收縮變形：構(gòu)件在垂直于焊縫方向上發(fā)生的變形（圖1-38a）；圖1-38a縱向收縮變形橫向收縮變形縱向和橫向收縮變形943）彎曲變形：構(gòu)件焊后整體發(fā)生的彎曲(偏離形心軸)，圖1-38c；4）回轉(zhuǎn)變形：構(gòu)件一部分相對另一部分發(fā)生的回轉(zhuǎn)，圖b；5）扭曲變形：構(gòu)件焊后發(fā)生的螺旋形變形，圖e。4）回轉(zhuǎn)變形5）扭曲變形3）彎曲變形縱向收縮引起的彎曲變形95（2）局部變形

1）角變形：板件以焊縫為軸心轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的變形。

原因：溫度沿板厚方向分布不均或熔化金屬沿板厚方向收縮不同，以及兩者同時存在，圖d；

2）波浪變形：在薄板結(jié)構(gòu)中壓應(yīng)力使其失穩(wěn)而引起的變形，圖f。

波浪變形角變形962．焊接殘余變形對焊接結(jié)構(gòu)的影響

焊接殘余變形會造成構(gòu)件形狀和尺寸的變化。縱向、橫向收縮使構(gòu)件尺寸變短。超過公差允許范圍而報廢。薄板的波浪變形會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的外觀。影響后續(xù)組裝。對已變形的構(gòu)件，要花大量的工時進(jìn)行修整和鏟割，降低技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。影響后續(xù)機(jī)加工。為了保證焊后機(jī)加工所需的尺寸，往往要預(yù)留相當(dāng)大的加工余量，增加了材料消耗和加工費(fèi)用。有可能嚴(yán)重影響承載能力。如承壓的柱體由于發(fā)生扭曲變形而使其承壓能力大大降低，甚至在相當(dāng)?shù)偷膽?yīng)力下發(fā)生失穩(wěn)。對焊接殘余變形進(jìn)行矯正相當(dāng)困難，有時甚至是不可能的。對于低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼焊制的構(gòu)件，焊接變形比殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)件性能的影響更為顯著。97

1．縱向、橫向收縮變形的產(chǎn)生及變形值的估算

在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫及其附近金屬受熱膨脹時受到周圍金屬的阻礙，產(chǎn)生壓縮塑性變形。冷卻后，這些壓縮塑性變形區(qū)相當(dāng)于使構(gòu)件承受一個壓應(yīng)力，產(chǎn)生縱、橫向收縮。凡是影響焊縫壓縮塑性變形區(qū)尺寸的因素均影響縱、橫向收縮。1.3.2各種殘余變形的產(chǎn)生及變形值的估算（1）金屬材料性能的影響（2）施焊方法、焊接熱輸入的影響（3）焊縫截面積的影響（4）接頭和坡口形式的影響（5）板厚的影響影響因素98（1）金屬材料性能的影響

材料的熱物理性能不同，縱、橫向收縮變形量亦不同。材料的線脹系數(shù)α越大、導(dǎo)熱性能λ越差、焊接溫度場越不均勻，壓縮塑性變形區(qū)尺寸越大，焊后縱、橫向收縮量也越大。如鋁、不銹鋼的線脹系數(shù)比低碳鋼大，其變形比低碳鋼大。99（2）

施焊方法、焊接熱輸入的影響多層焊＜單層焊的塑性變形區(qū)尺寸。多層焊時，每次所用的熱輸入比單層焊時小得多，每層焊縫所形成的壓縮塑性變形區(qū)也小，且各層焊縫壓縮塑性變形區(qū)是相重疊的（圖b）。結(jié)論：多層焊比單層焊縱向收縮少。而且多層焊第一層的收縮量最大，以后每層收縮量遞減。

焊接熱輸入Q增大，收縮變形量也隨之增大。但窄板條除外，因為板條窄，熱輸入大，焊件上的溫度場反而趨于均勻。100（3）焊縫截面積的影響

焊縫截面積AH直接影響到壓縮塑性變形區(qū)的大小，因此它影響了收縮變形的大小。焊縫截面積一般與焊件截面積A結(jié)合在一起考慮。梁、柱一類的細(xì)長桿件（L）的單層焊縱向收縮可用下式估算：

1）確定焊接參數(shù)：η—電弧熱效率。焊條電弧焊0.7~0.8，埋弧焊0.8~0.9，

CO2氣體保護(hù)焊0.7。焊接熱輸入：1012）未確定焊接參數(shù)

參照焊縫截面積利用下列經(jīng)驗公式進(jìn)行估算：式中AH

——焊縫截面積（mm2）；

A——構(gòu)件截面