焊接应力变形原理若干问题的探讨 1
收稿日期:2007-03-13
焊接应力变形原理若干问题的探讨(一)
王者昌
(中国科学院金属研究所,沈阳 110016)
摘 要:在焊接加热和冷却过程中,组成焊件的小窄条之间不可能存在完全刚性拘束,端面不可能保持平面,会分别产生凸出和凹进,平截面假设不成立。不用平截面假设也可以得到类似的焊接残余应力分布。焊缝不存在残余压缩塑性应变,只存在拉伸应变,焊缝和近缝区残余压缩塑性应变分布和大小的传统观点不成立。提出新的近似用熔池最宽处温度分布表示的拉伸塑性应变分布原理图及其相应的计算公式。关键词:焊接应力应变;平截面假设;压缩塑性应变;拉伸塑性应变
中图分类号:TG 404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2008)06-0073-
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王者昌
0 序 言
一般认为,焊缝和近缝区存在残余拉应力,两侧
则存在与其平衡的压应力。残余拉应力的存在可能引起焊接冷裂纹、结构脆断、应力腐蚀开裂和疲劳寿命降低等不良后果,压应力则可能导致薄壳结构失
稳翘曲变形,从而影响焊接质量[1]
。20世纪30年代
以来焊接应力变形问题一直受到人们的关注[2,3]
。
为分析焊接应力变形,奥凯尔勃洛姆[3]
提出了平截面假设,关桥对平截面假设提出质疑;传统观点认为
焊缝存在压缩塑性应变和残余压缩塑性应变[1,3-8]
;而文献[9-11]则认为焊缝不存在压缩塑性应变;文献[6]认为,残余压缩塑性应变应示为B 0KK B 0。残余压缩塑性应变为加热时产生的压缩塑性应变与冷却时产生的拉伸塑性应变之差,文献[11]认为两者之差不应该是B 0KK B 0。可以看出,上述诸问题还没有统一认识,进行深入讨论是必要的。以下讨论薄板单道焊焊接纵向应力应变相关问题。由于要讨论的问题较多,受篇幅所限,每篇文章只能讨论2～3个问题,故将分成若干篇文章进行讨论。
1 关于平截面假设
在分析板材焊接应力变形时,板材可看作由若
干互不相连的小窄条组成,若每根小窄条都可按自己被加热或冷却到的温度自由变形,则板条的端面
应为与温度相对应的曲面。实际上,组成板材的小窄条之间互相约束。假设板端面始终保持平面,在焊接加热过程中,金属受热膨胀,板端面平移,产生伸长应变Δ,在冷却过程,降温收缩,板端面平移,产
生缩短应变Δl ,形成了如图1[3]
所示的应力应变分布,图中d 为缩短应变宽度。上述平截面假设对于只掌握材料力学知识的人在分析焊接应力变形时是有帮助的。但实际上,上述小窄条之间的约束不是完全刚性的,端面不可能保持平的。1963年关桥在其研究生学位论文中就指出平截面假设的不足:“
如
图1 在平板上堆焊时的应力应变
Fig 11 Stre ss 2strain distrbution of steel plate during sur facing
第29卷第6期2008年6月
焊 接 学 报
TRANS ACTI ONS OF THE CHI NA WE LDI NG I NSTIT UTI ON
V ol.29 N o.6June 2008
果钢焊接时平截面假设在其计算残余应力值方面的缺点被钢的较大收缩塑性变形储备所掩盖的话,那么对钛而言,平截面假设造成的计算残余应力值大大高于试验值”。在此,关桥指出平截面假设对钛合金不适用,但未否定对低碳钢的适用性。
在焊接加热时,热源前方的金属受热膨胀,组成板材的小窄条由于互相约束,不能完全自由膨胀,只能部分膨胀,焊件中部产生凸出,另一部分则引起应力和应变(包括弹性应变和塑性应变),板中部产生压应力和压应变,两侧则为拉应力和拉应变。板边端面产生伸长的位移ΔA ,如图2所示。同样,在冷却过程中,板条降温收缩因互相约束不能完全进行,即只能部分收缩,焊件中部产生凹进,另一部分则引起应力和应变,平截面假设不成立。板中部产生拉应力和拉应变(包括弹性拉伸应变和塑性拉伸应变),两侧为压应力和压应变,板边端面产生缩短的位移ΔB (ΔB >ΔA ),如图2所示。可以看出,不用平截面假设,照样可得到类似图1所示的应力应变分布
。
图2 平板焊接时的变形
Fig 12 Deformation of plate during welding
2 焊接应力应变发展过程
如图3所示的焊接应力应变发展过程,作者在文献[11]中已做了比较详细的介绍,这里对应力应变过程只做简单说明。
断面Ⅰ取自熔池前沿,中心区升温高于两侧金属,其膨胀受阻产生压应力和压应变,两侧金属产生拉应力和拉应变,应力应变分布如图3b 所示。
文献[12]将焊缝定义为:“焊件焊接后形成的结合部分”。对熔焊而言,焊缝系指经熔化—凝固后形成的那部分金属。据此定义,熔池及熔池前的待熔化金属都不能称为焊缝。
将熔池和待熔化金属看作
图3 低碳钢板焊接时温度场和应力应变分布
Fig 13 Temperature and stre ss 2strain distribution during weld 2
ing of low carbon steel
是焊缝,这与事实相违背。文献[9-11]证明焊缝不
存在压缩塑性应变。图3b 所示待熔化金属的压缩塑性应变不能算作是焊缝承受的应变。
焊缝应力应变的起点不选在热源正下方的熔池处,即温度场中最高温度连成的抛物线(图3a 中虚线)的顶端,这是因为此处温度极高,熔池处于过热状态,不可能在此温度下凝固。也就是说此处焊缝尚未形成,也不会有焊缝的应力应变。由于热滞后作用,熔池的凝固要迟到于热源一定距离。熔池凝固首先在熔池边界处而不在熔池中心发生。只有在焊接温度场最高温度连线(图3a 中虚线)与熔池边界的交点,也是与熔合线的交点,即熔池最宽处才刚
74 焊 接 学 报第29卷
刚开始凝固结晶,也就是说此处才开始形成焊缝,也
开始了焊缝应力应变形成过程。或者说焊缝所处的那部分金属,经熔化“退火”,应力应变完全消失后又重新开始产生应力应变,即开始产生焊缝应力应变,
故取此断面(图3a 断面ⅡⅠ
)作为比较标准和计算焊缝应力应变的起点。由于后面将要提到的原因(焊接残余应力不是压缩塑性应变引起的),近缝区的压缩塑性应变没有与拉伸塑性应变进行累计。
断面Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ和Ⅵ的应力应变分布如图3c ,d ,e ,f 所示,由此可看出冷却过程中的应力应变发展过程,也可看出,焊缝不存在压缩塑性应变。
在文献[11]中作者有两处错误,在此给以订正。其一是原文图4c 中应力应变符号标错,正负号颠倒。不过原文的文字叙述是正确的。上述错误是校对疏忽所致,订正后如图3c 所示。其二是在给出焊缝拉伸塑性应变的公式时,忽略了板端面的缩短平移,即图1中的Δl 。考虑这一因素,焊缝和近缝区拉伸塑性应变为
A αl (T 0-T r )-(R rt -R rc )
E
(1)
式中:A 为焊缝和近缝区以外的金属对其拘束程度不同而引入的系数,略小于1;αl 为线膨胀系数;T 0为断面Ⅱ的温度分布;T r 为室温;R rt 为焊缝中心残余拉应力;R rc 为最大残余压应力;E 为弹性模量。
冷却到室温时焊缝的拉伸塑性应变为
A αl (T m -T r )-(R rt -R rc )
E
(2)
式中:T m 为熔点温度。
3 关于残余塑性应变
传统观点认为,焊缝存在残余压缩塑性应
变[1,3-8]。文献[6]给出残余压缩塑性应变分布,如图4中的B 0KK B 0所示。
按照文献[6]的观点,残余压缩塑性应变应是图4中的bcddcb ffb 减去KFFKK ,其差值是bcddcbg 2gb ,如图5a 阴影部分所示。比较图4与图5a ,可看出,B 0KK B 0与bcddcbggb 明显不同。即残余压缩塑性应变的分布不可能是B 0KK B 0。
文献[9-11]指出,
焊缝不存在压缩塑性应变。从图3也可看出焊缝不存在压缩塑性应变,只有冷却收缩受阻产生的拉伸塑性应变。考虑到焊缝不存在压缩塑性应变,焊缝两侧金属的残余压缩塑性应变分别为bcdhigb ,如图5b 阴影部分所示。如果只考虑冷却过程中产生的拉伸塑性应变,根据文中的计算公式,焊缝和近缝区产生的拉伸塑性应变可以
图4 长板材焊接时的应力应变
Fig 14 Stre ss and strain distribution in a long welded plate
近似地用熔池最宽处所在断面的温度分布表示,如
图6所示。该图实际上是图3f 斜阴影部分的放大。考虑到熔池液态金属能够承受很小的应力,拉伸塑性应变如图7所示。比较图6与图4中的B 0KK B 0,两者形状类似,
但意义却完全不同。其一是图6中焊缝和近缝区承受的是拉伸塑性应变,图4中的B 0KK B 0则为残余压缩塑性应变;其二是图6中仅仅焊缝处塑性应变为常量,而图4中不仅焊缝而且近缝区塑性应变也为常量。
图5 长板条焊接时的残余压缩塑性应变分布
Fig 15 Re sidual compre ssive pla stic strain distribution in a
long welded plate
近缝区到熔合线的距离不同,加热到的最高温度明显不同,产生的压缩塑性应变也明显不同,在近
第6期王者昌,等:焊接应力变形原理若干问题的探讨(1)75
图6 平板焊接时的拉伸塑性应变分布
Fig 16 Tensile pla stic strain distribution in a welded
plate
图7 平板焊接时的拉伸塑性应变分布
Fig 17 Tensile pla stic strain distribution in a welded plate
缝区范围内残余压缩塑性应变不可能是常量。图8
为实测的钛合金不协调应变即残余压缩塑性应变分布[1]
。从图8可以看出,在近缝区范围内不协调应变发生急剧变化。比较图8与图4,图5可看出,图4,图5所示的残余压缩应变分布是不合理的
。
图8 T A2钛板氩弧焊的不协调应变分布
Fig 18 Distribution of incompatible strain during TIG welding
for titanium alloy
4 结 论
(1)组成板材的小窄条之间的拘束不可能是完
全刚性的,加热时凸出,冷却时凹进,平截面假设不
成立。
(2)平截面假设只是分析应力变形时采用的一种手段,提出不用平截面假设照样可以获得类似的焊接残余应力分布。
(3)图4B 0KK B 0所示的残余压缩塑性应变分布的传统观点不成立。焊缝不存在压缩塑性应变,
只存在拉伸塑性应变。
(4)提出如图6,图7所示的可以近似用熔池最宽处温度分布表示的拉伸塑性应变分布原理图。焊缝不存在压缩塑性应变,只存在拉伸塑性应变和拉
伸弹性应变。焊缝拉伸塑性应变为A αl (T m -T r )-(R rt -R rc )ΠE 。
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作者简介:王者昌,男,1938年出生,研究员。主要从事钛合金焊
接、焊接气孔、焊接热裂纹、焊接力学、堆焊材料和抗磨蚀用钢研究工
作。获国家、院、部奖6项,获国家发明专利3项,参与编审专著5部。发表论文100余篇。
Email :wanghy @https://www.wendangku.net/doc/0b3433358.html,
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magnetic field is designed.The simulation result which calculated by finite element code Ansys indicates that radial com ponent exists in arc zone.Applied the longitudinal magnetic field to the process of spray trans fer,the m ovement character of arc and liquid metal jet is obtained by high speed camera.On the basis of electrode magnetic force,the stress of different shaped arc can be analyzed.S o the spa2 tial shape of arc is spiral line.
K ey w ords: longitudinal magnetic field;spray trans fer;arc shape;electrode magnetic force
E ffect of laser2TIG hybrid w elding p arameters on joint of Mg to steel SH AN Chuang,S ONG G ang,LI U Liming(S tate K ey Lab2 oratory of Materials M odification,Dalian University of T echnology, Dalian116024,Liaoning,China).p57-60
Abstract: The lap joining of magnesium alloy AZ31B to steel Q235by laser2tungsten inert gas(TIG)welding was investigated. The effect of welding parameters on the tensile strength was studied, including laser power,welding speed,laser defocusing am ount and current of TIG.I t is indicated that the tensile strength of joint in2 creases when the laser power gets higher.But the tensile strength of joint decreases when welding speed gets higher.The current of TIG has nothing to do with the tensile strength.A weld with ideal appear2 ance and g ood mechanical properties can be obtained with proper process parameters.In the welding process,laser power plays an im portant role in joining magnesium alloy with steel.
K ey w ords: laser hybrid welding;dissimilar materials;me2 chanical property
E ffect of Z nCl2and TiO2flux on TIG w elding of m agnesium al2 loys ZH ANG Fan,ZH ANG Zhaodong,LI U Liming(S tate K ey Laboratory of Materials M odification,Dalian University of T echnolo2 gy,Dalian116024,Liaoning,China).p61-64
Abstract: In order to analyze the effect of activating fluxes on the weld bead and the arc shape,activating flux tungsten inert gas(TIG)welding of magnesium alloy has been studied by using single side coated flux and bounded coated flux.I t has been found that,the weld penetration with ZnCl2flux was much deeper than that with T iO2flux in both single side coated flux and bounded coated flux TIG welding.F or both ZnCl2and T iO2flux,the weld penetra2 tion decreased with the increasing flux gap.In the single side coated flux TIG welding,the deflection effect of ZnCl2flux on m olten pool was greater than the one of T iO2flux.ZnCl2flux with low thermal stability changed current channel conductive of the arc,s o the arc shape was changed significantly.T iO2flux with high thermal stability could not change the current channel conductive of the arc,s o the arc shape was not changed significantly.
K ey w ords: magnesium alloy;TIG welding;arc shape;ac2 tivating flux
E ffect of active filler on joining property of silicon carbide to it2 self by polysilazane LI U H ongli,LI Muqin(School of Materials Science and Engineering,Jiamusi University,Jiamusi154007,Hei2longjiang,China).p65-67
Abstract: Joining of pressureless sintering silicon carbide to itself has been realized using vinyl2containing polysilazane with alu2 minium nanopowders as joining materials.The joining strength of the joints is strongly affected by adding aluminium nanopowders.Addit2 ion of aluminium nanopowders as an active addition can effectively accelerate pyrolysis of polysilazane,lower joining tem perature and reduce holes and cracks in the joining interlayer.Therefore it can enhance the joining strength.The maximum bending strength of the joints is146.8MPa.This value is obtained at the joining tem pera2 ture of1150℃and after the rein forcement for2times.XRD study reveals that the joining material has trans formed into an am orphous S iC N ceramic and S iC,S i3N4,AlN crystallites.The thickness of in2 terlayer is abaut5μm.The joining interlayer is uniform,and the contact at the inter faces is g ood.
K ey w ords: joining of ceramic;polysilazane(PSZ);active filler;aluminium nanopowders;pressureless sintering silicon carbide
Welding of low2temperature steel07MnNiCrMoV DR and its low2temperature imp act toughness ZH ANG Lihong,CHE N Furong(C ollege of Materials Science and Engineering,Inner M on2 g olia University of T echnology,Huhhot010051,China).p68-72
Abstract: Welding and postweld heat2treatment were carried out for low2tem perature steel07MnNiCrM oVDR.Low2tem perature im pact toughness was tested,the fiber percentage of fracture at dif2 ferent tem perature was calculated,macroscopic and microscopic fracture and microstructure were analyzed for base metal,weld seam and heat2affected zone.The results indicate that im pact energy of every zone meets requirement of07MnNiCrM oVDR steel’s mechani2 cal property.I t als o shows that the chosen welding technology and postweld heat2treatment technology are reas onable.Fiber percentage in base metal fracture is higher than that in heat2affected zone frac2 ture and it is the lowest in welded seam fracture through calculation of fracture’s fiber percentage.I t indicates low2tem perature im pact toughness of base metal is the highest,and its is higher in heat2af2 fected zone than that in welded seam.
K ey w ords: welding;low2tem perature steel;microstructure; low2tem perature im pact toughness
Discussion on principle of w elding stress and distortion(I) W ANG Zhechang(Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang110016,China).p73-76
Abstract: In the process of heating and cooling during weld2 ing,com plete rigidity restraint is not in existence between narrow lath of weldment and the face can not keep to be flat which generate convex and concave.While similar welding residual stress distribu2 tion can als o be obtained without such plain section hypothesis.N o residual com pressive plastic deformation exists in the weld metal and there is only tension strain.The traditional view that the distribution of residual com pressive plastic strain across the weld metal and near its vicinity is not valid.A new schematic sketch of tensile plastic strain distribution is addressed in terms of near tem perature distribu2 tion at approximate widest location of the m olten pool.The size of
Ⅳ MAI N T OPICS,ABSTRACTS&KEY W ORDS 2008,V ol.29,N o.6
tensile plastic strain in the weld metal is Aαl(T m-T r)-(R rt-R rc)ΠE.
K ey w ords: welding stress and strain;hypothesis of plain section;com pressive plastic strain;tensile plastic strain
I nfluence o f TIG dressing on fatigue property o f10N i5C rMoV steel w elded joints X UE G ang,W A NG Ren fu(Lu oyang Ship M aterial Research Institute,Lu oyang471039,H enan,China).p77-80 Abstract: The fatigue tests were taken on the large angle welded joints of10Ni5CrM oV steel with and without tangsten inert gas welding(TIG)dressing treatment on the toe.The fatigue life, the relation of load and stroke and the fatigue crack initiation at the same loading condition were analyzed com paratively.The welding residual stress was als o measured.The stress field and the strain field of welded joints with and without TIG dressing treatment were calculated by the finite element method.The results indicate that the TIG dressing treatment can im prove the fatigue property of the large angle welded joints of10Ni5CrM oV steel.The fatigue life of the welded joints is increased34%by TIG dressing on the toe at the same loading condition.The primary cause is that the TIG dressing treatment can im prove the weld geometry and reduce the stress con2 centration on the weld toe.S o the stress value in the toe is reduced at the same loading condition and the fatigue ability of the welded joints is increased.
K ey w ords: TIG dressing;10Ni5CrM oV steel;welded joint; fatigue property
E ffect of double2wire narrow gap G MA w elding p arametars on w eld appearance ZH AO Bo,FAN Chenglei,Y ANG Chunli, ZH ANGLiang feng(1.S tate K ey Laboratory of Advanced Welding Production T echnology,Harbin Institute of T echnology,Harbin 150001,China).p81-84
Abstracts: The in fluences of three parameters which are space between wire and edge,space between tw o wires and angle between tw o wires on weld appearance were studied in double2wire narrow gap welding with one pool by procedure experiments.The re2 sults show that the increase of space between wire and edge can make sidewall penetration and saucer shape of weld sur face increase. When the arrangement of wires became parallel,sidewall penetration and saucer shape of weld sur face increased to the maximum value. When space between wires increased,sidewall penetration and sau2 cer shape of weld sur face increased firstly and then decreased,and finally arrived at peak value when the space between wires is5-10 mm under the co2action of arc and m olten pool energy.But when there was no finger penetration,the three procedure parameters men2 tioned had little in fluence on weld penetration.There was lack of fu2 sion of weld bottom when I2shape groove was adopted,and adjusting the three parameters could not eliminate the phenomenon of non2fu2 sion.
K ey w ords: narrow gap welding;twin2wire welding;weld formation
Mech anism and remedy of undercut form ation during laser2arc hybrid w elding G AO M ing,ZE NG X iaoyan,H U Qianwu, Y AN Jun(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Hua2 zhong University of Science and T echnology,Wuhan430074,Chi2 na).p85-88
Abstract: T o enhance the reliability of laser2arc hybrid weld2 ing,undercut formation and its remedy mechanisms during this pro2 cess were discussed.The results dem onstrated that laser can increase undercut critical speed of hybrid welding,which reaches5times than that of arc welding with appropriate welding parameters.T w o undercut remedying mechanism resulted from laser2arc interaction were found during hybrid welding.The one is the sur face tension state of three phases(s olid,liquid and gas)at weld toe is changed by laser2arc synergic effects and form a resultant force pointing to the outside of m olten pool.The other is the enhancement of flow speed and time of m olten metal flowing from pool center to outer by the in2 creasing of heat input and tem perature gradient in m olten pool.This faster flow drives m olten metal to weld toe and av oid undercut,which is the main mechanism for restraining undercut.Furtherm ore,the experiential formula to undercut critical speed of hybrid welding and the optimal adjusting range of arc v oltage were als o obtained.
K ey w ords: laser welding;hybrid welding;undercut;criti2 cal speed
Numerical simulation of w elding residu al stress for longitudinal straight w eld seam for aluminum alloy thin2w all cylinder ZH OU G uangtao1,LI U Xues ong1,Y ANG Jianguo1,Y AN Dejun1, FANG H ongyuan1,2(1.S tate K ey Laboratory of Advanced Welding Production T echnology,Harbin Institute of T echnology,Harbin 150001,China;2.Institute of Astronautical T echnology,Shenyang Institute of Aeronautical Engineer,Shenyang110034,China).p89 -92
Abstract: Numerical simulation of TIG welding of thin wall aluminum cylinder by therm o2elastic2plasic FE M was conducted. Based on the generation of analysis m odel,the values and distribu2 tion on the whole cylinder for quasi2steady tem perature field and re2 sidual stress field were described quantitatively.Experiments were per formed to verify the residual stress.I t can be drawn that during welding there exits high tem perature at the centre of heat s ource and its vicinity where tem perature gradient keeps greater.The longitudi2 nal residual stress in weld seam and its H AZ are tensile,its maxi2 mum is in the cross2section at the center of weld length and reached 138MPa.The maximum com pressed transverse residual stress was on the both sides of weld seam.The tensile and com pressive region of longitudinal residual stress changed alternately at the circum fer2 ence of cylinder.The residual stress of the welded Al cylinder has been measured by stress2release method,and excellent agreement be2 tween the measured value and calculated value is shown.
K ey w ords: numerical simulation;tem perature field;resid2 ual stress;stress measurement
Laser w elding of new type austenite heat2resistant steel HR3C for ultra supercritical boilers W U Shikai1,Y ANG Wuxiong1, XI AO R ongshi1,QI An fang2,LI Z h ongjie2(1.Institute of Laser En2
2008,V ol.29,N o.6 TRANS ACTI ONS OF THE CHI NA WE LDI NG I NSTIT UTI ON Ⅴ
焊接应力与变形
4.2 焊接应力与变形： 4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响： 焊接变形 1.影响工件形状、尺寸精度 2.影响组装质量 3.增大制造成本———矫正变形费工、费时 4.降低承载能力———变形产生了附加应力 焊接应力 1.降低承载能力 2.引起焊接裂纹，甚至脆断 3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹 4.引起变形 4.2.2 焊接变形和应力的产生原因： 根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8 焊接应力 焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示） 远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示） 焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力 焊接变形：当焊接应力超过金属σs时，焊件将产生变形 焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。 4.2.3 焊接变形的控制和矫正：
4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9 如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型 1、2---纵向收缩量3---横向收缩量4、5---角变形量f---挠度 （1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。如图5-2-9 a （2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。如图5-2-9b （3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。如图5-2-9c （4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。如图5-2-9d （5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。如图5-2-9e 4.2.3.2 控制焊接变形的措施 （1）设计措施（详见焊接结构设计） 尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。如图6-2-10
焊接应力变形的产生原因与控制措施
焊接应力变形的产生原因与控制措施 无锡威孚力达催化净化器有限责任公司王习宇[摘要] 近年来，汽车行业发展迅猛，各主机厂在提升产量的同时，对于产品质量的要求也大幅提高。为应对巨大的市场冲击，我们威孚力达应采取相应措施，来迎接机遇和挑战。目前我司焊接向着自动化、集成化、高精度、高质量的方向发展，如何采取措施减小金属构件在焊接工序中发生的应力与应变，从而提高焊接工序的精度以及产品的总体质量，有着十分重要的现实意义。本文主要叙述了焊接应力变形与控制方法。 [关键词] 威孚力达焊接变形焊接应力产生原因控制措施
国内现状 随着我国汽车产业的高速发展，焊接技术在汽车工程中得到大量的应用，焊接工件尤其是法兰焊接变形也成为人们密切关注的焦点。在焊接过程中，焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程、焊接结构的使用性能、焊接接头的抗脆断能力、疲惫强度、抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂能力。焊接变形在制造过程中也会危及外形与公差尺寸，使制造过程更加困难，当出现题目时还需采取一些费时耗资的附加工序来进行弥补，不仅增加本钱，还可能出现由此工序带来的其他不利因素。因此，要得到高质量的焊接结构必须对这些现象严格控制。焊接应力分析熔化焊接时，被焊金属在热源作用下发生局部加热和熔化，材料的力学性能也会发生明显的变化，而焊接热过程也直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、残余应力与变形大小，所以焊接热过程的正确计算和测定是焊接应力和变形分析的条件。因此在焊接过程的模拟研究中，只考虑温度场对应力场的影响，而忽略应力场对温度场的作用。同时，非线性、瞬时作用以及温度相关性效应等也会妨碍正确描述在各种情况下产生的残余应力，并使同一系统化的工作很难完成。为使其简单化，实际中常用焊接性的概念作为一种分类系统，将焊接分解为热力学、力学和显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。图1所示的工艺基础将焊接性分解为温度场、应力和变形场以及显微组织状态场。这种分解针对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。在狭义上，焊接性又可理解成所要求的强度性能。影响强度性能的主要因素又包括化学成分、相变显微组织、焊接温度循环、焊后热处理、构件外形、负载条件以及氢含量等。显微组织的转变不仅决定于材料的化学成分，也决定于其受热过程（特别是与焊接有关的过程），特别是它在焊接接头的热影响区和熔化区的影响更加引人留意。 在焊接过程中，由于焊件局部的温度发生变化，产生应力变形。进而导致了构件产生变形。因此，通过对焊接结构及焊接变形的分析，通过对焊接工艺焊件结构设计等方面采取有效措施，从而提高焊接质量。
控制焊接变形和焊接应力的措施
控制焊接变形和焊接应力的措施 发表时间：2018-08-20T17:16:55.787Z 来源：《电力设备》2018年第15期作者：于洪涛1 李治2 [导读] 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。 (山东电力建设第三工程有限公司山东省青岛市崂山区 266100) 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 导言 在建筑工程钢结构日益发展的今天,形式各样的焊接机械、焊接方法日新月异,焊接技术和焊接质量成了一个关键的课题。但是在施工过程中,由于焊接过程产生的焊接应力和焊接变形,严重影响着工程的质量、工程的安装进度和结构承载力(即使用功能),因此,需要采用合理的焊接方法和焊接工艺加以控制。建筑工程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程,但由于不均匀温度场,导致焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。 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 焊接应力的概念 焊接应力主要指的是焊接过程出现的焊接件内部的结构应力，同时焊接完成后焊接件内部还会产生少量的焊接应力。焊接应力的出现也是在焊接开始的时候，焊接应力会随着焊接的进行而发生变化，焊接应力的分布没有规律，会随着焊接的进行而随时发生变化。 3焊接应力与焊接变形产生的原因 由于焊接温度发生了变化使焊件热胀冷缩，从而焊件之间相互约束，故在焊缝周围就会产生互相阻碍约束的力。焊接应力当焊接应力超出弹性极限时，焊接变形不能随应力的消除而消失，就会残留在焊件里。在焊接过程中，当焊条加热融化时会引起焊缝周围局部温度过高，在熔池的高温材料会受热膨胀，在膨胀过程就会产生变形。同时，在冷却过程中，由于周围材料的限制，不能使之前发生变形的那部分材料自由收缩，这在不同程度上又会产生拉伸变形。 4焊接应力的分类 4.1接应力在焊件空间位置 一维空间应力沿着焊件—个方向作用;二维空间应力应力在—个平面内不同方向上作用;三维空间应力应力在空间所有方向上作。 4.1.2按产生应力的原因 热应力它是在焊接过程中，焊件内部温差所引起应力，随着温度的消失而消失，并且是引起热裂纹的力学原因。 相变应力焊接过程中，局部金属发生相变，相比容增大或减小而引起的应力。 塑变应力在焊接过程中，在近逢高温区的金属收到热胀冷缩受阻生产的塑性变形。 4.2焊接变形 4.2.1焊接变形特点 焊接是不均匀的加热过程，热源只集中在焊接部位，且以—定速度向前运动，局部受热膨胀金属能引起焊件在空间发生各种形态的变形，焊缝凝固和冷却发生收缩，变形是在焊接开始便产生，并随着焊接热源的移动和焊件上温度分布变化而变化。焊接变形与焊件的形状尺寸、焊缝在工件的位置、焊缝的坡口形状、材料的热物理性能以及加热条件有关。 4.2.2焊接变形的分类 焊接过程中随着时间而发生的变形称为焊接瞬间变形，工件焊完冷却后，焊件上残留的焊接变形为焊接变形，我们更注重焊接变形，它对焊件质量和使用性能产生影响。一般焊接变形分为以下几种： 4.2.2.1横向收缩变形：垂直与焊缝方向的收缩。 4.2.2.2纵向收缩变形：焊接方向的收缩。 4.2.2.3扭曲变形：焊接细长构件时，时构件绕自身轴线发生扭转。 5焊接应力、焊接变形的控制措施 5.1焊接应力的控制措施 构件焊接时产生瞬时内应力,焊接后产生应力,并同时产生变形,这是不可避免的现象。焊接变形的矫正费时费工,构件制造和安装企业首先考虑的是控制焊接变形,往往对控制焊接应力较为忽视,常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制焊接变形,与此同时实际上是增大了焊后的应力。对于一些本身刚性较大的构件,如板厚较大,截面本身的惯性矩较大时,虽然焊接变形会较小,但却同时产生较大的焊接内应力,甚至产生焊接裂纹。因此,对于一些构件截面厚大,焊接节点复杂,拘束度大,钢材强度级别高,使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值使其均匀分布,其控制措施有以下几种:减小焊缝尺寸;减小焊接拘束度;采取合理的焊接顺序;降低焊件刚度,创造自由收缩的条件;锤击法减小焊接应力;采用抛丸机除锈。 5.2减小焊缝截面积 在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下,尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)。对屈服强度345MPa以下,淬硬性不强的钢材采用较小的热输入,尽可能不预热或适当降低预热、层间温度;优先采用热输入较小的焊接方法,如CO2气体保护焊。厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊。在满足设计要求情况下,纵向加强肋和横向加强肋的焊接方法可采用间断焊接法。双面均可焊接操作时,要采用双面对称坡口,并在多
焊接应力和变形控制论文
焊接应力和变形控制论文 摘要：为有效控制因焊件的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形，就焊接变形和焊接应力的各种影响因素进行分析，提出了相应的控制措施。 关键词：焊接变形，焊接应力，热过程，焊接工艺 在焊接技术发展如火如荼的今天，形式各异的焊接机械、焊接方法日新月异，焊接技术成了一个关键的课题。但在作业过程中，由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形，严重影响着焊接的质量，因而，急需采用合理的方法予以控制。 焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：1)纵向应力；2)横向应力；3)厚度方向应力。常见的焊接变形有：1)纵向收缩变形；2)横向收缩变形；3)角变形；4)弯曲变形；5)扭曲变形；6)波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布，追溯根源，具体进行研究控制。 1焊接变形的控制措施 全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。
1.1焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。 1.2焊接热输入的影响 一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。 1.3焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别较大，在焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。 1.4接头形式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。 2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与
焊接应力和变形的产生及其消除
焊接应力和变形的产生及其消除
焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等。焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。 减少焊接应力与变形的工艺措施主要有： 一、预留收缩变形量 根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加工时预先考虑收缩余量，以便焊 后工件达到所要求的形状、尺寸。 二、反变形法 根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊焊接件变形的方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。 三、刚性固定法 焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 四、选择合理的焊接顺序 尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分布较均匀，从而减少了焊接应力和变形合理的装配和焊接顺序。具体如下： 1）先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝； 2）焊缝较长的焊件可以采用分中对称焊法、跳焊法，分段逐步退焊法。交替焊法； 3）焊件焊接时要先将所焊接的焊缝都点固后，再统一焊接。能够提高焊接焊件的刚度，点焊固定后在进行焊接，其将增加焊接结构的刚度的部件先焊，使结构具有抵抗变形的足够刚度； 4）具有对称焊缝的焊件最好成双的对称焊接使各焊道引起的变形相互抵消；
5）焊件焊缝不对称时要先焊接焊缝少的一侧。； 6）采用对称与中和轴的焊接和由中间向两侧焊接都有利于抵抗焊接变形。 7）在焊接结构中，当钢板拼接时，同时存在着横向的端接焊缝和纵向的边接焊缝。应该先焊接端接焊缝再焊接边接焊缝。 8）在焊接箱体时，同时存在着对接和角接焊缝时，首先尽量焊接对接焊缝，然后焊接角焊缝。 9）十字接头和丁字接头焊接时，应该正确采取焊接顺序，避免焊接应力集中，以保证焊缝获得良好的焊接质量。对称与中轴的焊缝，应由内向外进行对称焊接。 10）焊接操作时，减少焊接时的热输入，（如：降低电流、加快焊接速度、）。 10-1）焊接操作时，减少熔敷金属量（焊接时采用小坡口、减少焊缝宽度、焊接角焊时减少焊缝尺寸）。 10-2)逐步退焊法，常用于较短裂纹的焊缝。施焊前把焊缝分成适当的小段，标明次序，进行后退焊补。焊缝边缘区段的焊补，从裂纹的终端向中心方向进行，其它各区段接首尾相接的方法进行 五、锤击焊缝法在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而减小焊接应力和变形。 六、加热“减应区”法 1）焊接前，在焊接部位附近区域(称减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，与焊缝一起收缩，可有效减小焊接应力和变形。 2）焊接后，在焊接部位附近区域进行加热，同样可减少焊接应力和变形。 七、焊前预热和焊后缓冷预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从而减少焊接应力与变形。在温差相较不大的情况下可称为冷焊。 八．合理的焊接工艺方法，采用焊接热源比较集中的焊接方法进行焊接可降低焊接变形。如CO2气体保护焊，埋弧焊等
焊接应力与变形
焊接应力和变形. 教学目的：了解应力和变形的概念、产生原因；了解焊接变形的种类；掌握预防和减小焊接应力和变形的措施。 教学重点：预防和减小焊接应力和变形的措施 教学难点：应力和变形的概念、产生原因 教学课时：16课时 第一节应力和变形的概念 一、变形 钢结构构件或节点在焊接过程中，局部区域受到很强的高温作用，在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。 二、应力 焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力称为焊接应力。 三、应力形成 两块钢板上施焊时，产生不均匀的温度场，焊缝附近温度高达1600 C，其邻近区域温度较低，且冷却很快。冷却时钢材收缩，冷却慢的区域收缩受到限制，从而产生拉应力，冷却快的区域受到压应力。 四、焊接应力的分类 1.根据焊接应力在空间的位置 单向应力、双向应力、三向应力。 2.根据焊接应力发生和互相平衡所在的范围大小 第一类应力、第二类应力、第三类应力。 3.根据焊接应力在焊缝中的方向不同 纵向应力、横向应力、厚度方向应力 第二节焊接应力和变形的产生原因 焊件进行局部的、不均匀的加热是产生焊接应力和变形的原因。 一、金属棒的均匀加热和冷却 金属棒在均匀加热时，产生过压缩塑性变形，则冷却后必定产生缩短变形。 二、纵向焊接应力和变形
焊接时，在电弧热的作用下，使金属局部达到熔化温度，但离电弧较远处的金属温度则较低，这样焊件就出现了不均匀的膨胀。沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。 三、横向焊接应力和变形 焊件在于海峰轴线垂直的方向上，焊缝及热影响区金属在加热过程中也受到压应力，发生压缩塑性变形，在冷却后则存在着残余应力和变形，称为横向焊接应力和变形。 四、影响焊接应力和变形的因素 影响焊接应力和变形的因素主要包括以下几点：焊接规范、焊缝尺寸、焊缝在结构中位置的布置、焊缝分段和焊接方向、焊接程序、焊接结构的刚性以及层数。 第三节焊接变形的种类 一、纵向变形 指平行于焊缝方向的变形。多层焊比单层焊的变形量小。 二、横向变形 指垂直于焊缝方向的变形。角焊缝和对接焊缝焊后都会引起横向变形，同时，与焊接方法有关。 三、弯曲变形 T型梁焊接后，由于焊缝布置不对称，焊缝多的一面收缩量大，引起的工件弯曲。 四、角变形 由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀而引起的变形。 五、扭曲变形 由于焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理引起的工件扭曲，又称为螺旋形变形，多出现在工字梁的焊接加工过程中。 六、波浪变形 这种变形易发生在波板焊接过程中。是由于焊缝收缩使薄板局部引起较大的压应力而失去稳定性，焊后使构件成波浪形。 第四节预防和减小焊接应力和变形的措施 一、从结构设计方面的预防措施 1、尽量减少焊缝数量。
建筑工程钢结构焊接过程模拟与焊接变形、焊接ansys应力有限元分析(详细图解分析)
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析 1.1 焊接变形与焊接应力 焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。 在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。 对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。 1.2 Ansys有限元焊接分析 为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。 ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。 间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。即：
焊接应力与变形试题
第一章焊接应力和变形 一、判断题（在题末括号内，对的画√，错的画×） 1、焊接接头在焊接热循环过程中，形成拉伸应力应变，并随温度降低而降低。（） 2、焊缝的纵向收缩量，随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积的增加而减小。（） 3、同样厚度的焊件，一次就填满焊缝时产生的纵向收缩量比多层焊大。（） 4、横向收缩量随焊接热输入的提高而增加，随板厚的增加而减小。（） 5、挠度f 是指焊件在焊后的中心轴偏离焊件原始中心轴的最大距离。（） 6、焊缝纵向收缩量随焊缝及其两侧的压缩塑性变形区的面积和焊件长度的增加而增加。（） 7、焊接对接接头的横向收缩量比较大。（） 8、当焊缝不在焊件截面中性轴上时，只有纵向收缩才能引起挠曲变形。（） 9、同样的板厚和坡口形式，多层焊要比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大。（） 10、不同的焊接顺序焊后将产生不同的变形量，如焊缝不对称时，应先焊焊缝少的一侧，这样可以减小整个焊件的焊接变形。（） 11、火焰校正角变形时，采用正面线状热源，背面跟踪水冷的效果最好。（） 12、火焰校正横向收缩变形时，采用正面线状热源加热，同时再配以正面跟踪水冷的效果最好。（） 13、采用火焰加热与水冷却联合校正时，要在受加热的钢材没失去红热态前浇水。（） 14、角焊缝的纵向收缩量，与角焊缝横截面积有关，与焊接接头总横截面无关。（） 15、铝比钢的导热率和线膨胀系数大，所以，铝的横向收缩量也较大。（） 16、角焊缝与对接焊缝相比，其横向收缩量大。（） 17、角变形是焊接过程中焊接区内沿板材厚度方向不均匀的纵向收缩而引起的回转变形（）
18、角变形是由于坡口形状不对称，是纵向收缩在厚度方向上分布不均匀造成的。（） 19、坡口角度对角变形影响很大。（） 20、焊缝截面形状对角变形量的影响不大。（） 21、T型接头角焊缝所引起的角变形，主要取决于焊角尺寸大小，与焊件厚度无关。（） 22、偏离焊件截面中性轴的纵向焊缝，只能引起焊件的纵向收缩，不会引起弯曲变形。（） 23、工字梁的弯曲变形，与焊件的长度成正比，与焊缝距中性轴的偏心距成反比。（） 24、工字梁的弯曲变形，与焊件截面惯性距成正比，与材料的弹性模量成反比。（） 25、为减小波浪变形，可采取措施：降低焊接压应力和降低临界应力。（） 26、焊前装配不良，在焊接过程中会产生错边变形。（） 27、焊接接头两侧金属受热不平衡是产生错边的主要原因。（） 28、扭曲变形是由于焊件装配不良，施焊顺序或方向不当，使焊缝纵向或横向收缩变形或角变形产生不均匀、不对称而引起的。（） 29、焊缝在焊件中的不对称布置，容易引起角变形。（） 30、焊接接头重心与焊件截面重心不重合，容易引起角变形。（） 31、焊缝在焊件中的对称布置，不仅引起收缩变形，而且还引起角变形。（） 32、焊件抵抗弯曲变形的刚性主要取决焊件的截面积。（） 33、非对称布置的焊缝，应先焊焊缝长的一侧，后焊焊缝短的一侧。（） 34、焊接过程中采用的热输入越大，产生的热压缩塑性变形也越大，焊接变形也大。（） 35、焊件坡口尺寸越大，填充金属越多，变形就越大。（） 36、1m 以上的长焊缝，采用从中心向两端焊或逐段跳焊，焊后变形最小。（） 37、采用间断角焊缝代替连续角焊缝，可显著的减小纵向弯曲变形。（） 38、园筒体纵向焊缝横向收缩引起的直径误差，可通过预留收缩余量法加以克服。
如何控制焊接应力和变形
如何控制焊接应力和变形- - 摘要:为有效控制钢结构因焊件的不均匀膨胀和收缩而造成的焊接变形,就焊接变形和焊接应力的各种影响因素进行分析,提出了相应的控制措施。 在建筑钢结构发展如火如荼的今天,形式各异的焊接机械、焊接方法日新月异,焊接技术成了一个关键的课题。但在施工过程中,由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形,严重影响着工程的质量、安装进度和结构承载力(即使用功能),因而,急需采用合理的方法予以控制。 钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程,但由于不均匀温度场,导致焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有:1)纵向应力;2)横向应力;3)厚度方向应力。常见的焊接变形有:1)纵向收缩变形;2)横向收缩变形;3)角变形;4)弯曲变形;5)扭曲变形;6)波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布,追溯根源,具体进行研究控制。1焊接变形的控制措施 全面分析各因素对焊接变形的影响,掌握其影响规律,即可采取合理的控制措施。 1.1焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大,冷却时收缩引起的塑性变形量越大,焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的,而且是起主要的影响,因此,在板厚相同时,坡口尺寸越大,收缩变形越大。 1.2焊接热输入的影响 一般情况下,热输入大时,加热的高温区范围大,冷却速度慢,使接头塑性变形区增大。 1.3焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别较大,在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中,除电渣以外,埋弧焊热 输入最大,在其他条件如焊缝断面积等相同情况下,收缩变形最大,手工电弧焊居中,ＣＯ2气体保护焊最小。 1.4接头形式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时,不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)表面堆焊时,焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束,而且加热只限于工件表面一定深度 而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束,因此,变形相对较小。 2)Ｔ形角接接头和搭接接头时,其焊缝横向收缩情况与堆焊相似,其横向收缩值与角焊缝面积成正比,与板厚成反比。 3)对接接头在单道(层)焊的情况下,其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大,在单面焊时坡口角度大,板厚上、下收缩量差别大,因而角变形较大。 双面焊时情况有所不同,随着坡口角度和间隙的减小,横向收缩减小,同时角变形也减小。 1.5焊接层数的影响 1)横向收缩:在对接接头多层焊接时,第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律,第 一层以后相当于无间隙对接焊,接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似,因此,收缩变形相对较小。
焊接残余应力与变形
焊接残余应力和焊接变形 焊接残余应力（welding residual stresses）简称焊接应力，有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。 1、纵向焊接应力 焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600℃以上，而邻近区域温度则急剧下降。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力经常达到钢材的屈服强度。焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力 2、横向焊接应力 横向焊接应力产生的原因有二：一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应力。二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的
收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力。焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果。 3、厚度方向的焊接应力 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接应力σx、σy外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力σz。在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。 3.4.2 焊接应力和变形对结构工作性能的影响 一、焊接应力的影响 1、对结构静力强度的影响 对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。设轴心受拉构件在受荷前（N=0）截面上就存在纵向焊接应力。在轴心力N作用下，截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy，应力不再增加，如果钢材具有一定的塑性，拉力N就仅由受压的弹性区承担。两侧受压区应力由原来受压逐渐变为受拉，最后应力也达到屈服点fy，这时全截面应力都达到fy 2、对结构刚度的影响 构件上的焊接应力会降低结构的刚度。由于截面的bt部分的拉应力已达fy，这部分的刚度为零，则具有所示残余应力的拉杆的抗
焊接与焊接应力
焊接与焊接应力 在建筑钢结构发展如火如荼的今天，形式各异的焊接机械、焊接方法日新月异，焊接技术成了一个关键的课题。但在施工过程中，由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形，严重影响着工程的质量、安装进度和结构承载力(即使用功能)，因而，急需采用合理的方法予以控制。 钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有：1)纵向应力；2)横向应力；3)厚度方向应力。常见的焊接变形有：1)纵向收缩变形；2)横向收缩变形；3)角变形；4)弯曲变形；5)扭曲变形；6)波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布，追溯根源，具体进行研究控制。 1焊接变形的控制措施 全面分析各因素对焊接变形的影响，掌握其影响规律，即可采取合理的控制措施。 1.1焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。 1.2焊接热输入的影响 一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。 1.3焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，CO2气体保护焊最小。 1.4接头形式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束，因此，变形相对较小。 2)T形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。 3)对接接头在单道(层)焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。 双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。 1.5焊接层数的影响 1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。 2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。 在工程焊接实践中，由于各种条件因素的综合作用，焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以，了解焊接变形产生的原因和影响因素，则可以采取以下控制变形的措施： 1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸(角度和间隙)。 2)对屈服强度345MPA以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适
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
焊接应力与变形及措施
焊接应力与变形： 4.2.1 焊接变形和残余应力的不利影响： 焊接变形{ 1.影响工件形状、尺寸精度 2.影响组装质量 3.增大制造成本———矫正变形费工、费时 4.降低承载能力———变形产生了附加应力 焊接应力{ 1.降低承载能力 2.引起焊接裂纹，甚至脆断 3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹 4.引起变形 4.2.2 焊接变形和应力的产生原因： 根本原因：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图6-2-8 焊接应力{焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表示） 远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表示） 焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力 焊接变形：当焊接应力超过金属σs时，焊件将产生变形 焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，结构刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。 4.2.3 焊接变形的控制和矫正： 4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图6-2-9
如图6-2-9 常见的焊接残余变形的类型 1、2---纵向收缩量 3---横向收缩量 4、5---角变形量 f---挠度 （1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引起的。如图5-2-9 a （2）角变形：即相连接的构件间的角度发生改变，一般是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引起的。如图5-2-9b （3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。通常是由焊缝区的纵向或横向收缩引起的。如图5-2-9c （4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引起的角度形沿焊接方向逐渐增大有关。如图5-2-9d （5）失稳变形（波浪变形）：一般是由沿板面方向的压应力作用引起的。如图5-2-9e 4.2.3.2 控制焊接变形的措施 （1）设计措施（详见焊接结构设计） 尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或接近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。如图6-2-10
焊接应力产生的原因及处理方法
1．焊接应力的分类 焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形， 这时焊件中的应力称为焊接残余应力。焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。 2．焊接残余应力对结构性能的影响 （1）对结构静力强度的影响：焊接应力不影响结构的静力强度。（2）对结构刚度的影响：焊接残余应力降低结构的刚度。 （3）对受压构件承载力的影响：焊接残余应力降低受压构件的承 载力。 （4）对低温冷脆的影响：增加钢材在低温下的脆断倾向。 （5）对疲劳强度的影响：焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显 不利影响。 焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭 曲变形等。 焊接过程中，对焊件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和 变形的根本原因。 减少焊接应力与变形的工艺措施主要有： 一、预留收缩变形量。根据理论计算和实践经验，在焊件备料及加
工时预先考虑收缩余量，以便焊后工件达到所要求的形状、尺寸。 二、反变形法。根据理论计算和实践经验，预先估计结构焊接变形的 方向和大小，然后在焊接装配时给予一个方向相反、大小相等的预置变形，以抵消焊后产生的变形。 三、刚性固定法。焊接时将焊件加以刚性固定，焊后待焊件冷却到 室温后再去掉刚性固定，可有效防止角变形和波浪变形。此方法会增大焊接应力，只适用于塑性较好的低碳钢结构。 四、选择合理的焊接顺序。尽量使焊缝自由收缩。焊接焊缝较多的 结构件时，应先焊错开的短焊缝，再焊直通长焊缝，以防在焊缝交接 处产生裂纹。如果焊缝较长，可采用逐步退焊法和跳焊法，使温度分 布较均匀，从而减少了焊接应力和变形。 五、锤击焊缝法。在焊缝的冷却过程中，用圆头小锤均匀迅速地锤 击焊缝，使金属产生塑性延伸变形，抵消一部分焊接收缩变形，从而 减小焊接应力和变形。 六、加热“减应区”法。焊接前，在焊接部位附近区域(称为减应区)进行加热使之伸长，焊后冷却时，加热区与焊缝一起收缩，可有效减 小焊接应力和变形。 七、焊前预热和焊后缓冷。预热的目的是减少焊缝区与焊件其他部 分的温差，降低焊缝区的冷却速度，使焊件能较均匀地冷却下来，从 而减少焊接应力与变形。
关于焊接变形和焊接应力的探讨15
关于焊接变形和焊接应力的探讨 摘要：在工业生产中，焊接工作的有效科学发展能够推动我国的机械行业的健 康发展，因此我们在焊接工作进行过程中，一定要注意焊接的质量，同时对于影 响焊接质量的各种因素给予及时的发现并且处理，只有这样我国的焊接工作才能 够有更好更快的发展。 关键词：焊接变形；焊接应力；探讨 在机械焊接的过程中，难免会出现焊接变形问题，同时还会产生焊接应力。 焊接变形同焊接应用对于焊接工作有着非常大的影响，会严重的影响焊接的质量。因此文章针对焊接过程中的焊接变形和焊接应力进行详细的阐述和分析，希望通 过文章的阐述和分析，能够为我国的机械行业的焊接加工质量及工作的提升作出 一定的贡献。 1 焊接应力与焊接变形的定义 1.1 焊接应力 钢材在焊接过程中，焊件部位会因为焊接时的局部高温产生不均的温度场。 高温时，有一部分钢材会产生很大的膨胀和伸长，但由于受到邻近钢材的约束影响，会在焊件内部产生较大的收缩应力。在焊接的过程中，这种收缩应力伴随着 焊接时间的变化和温度的升降变化不断的改变，而这种收缩应力就被定义为焊接 应力。 1.2 焊接变形 焊接构件在焊接及逐渐冷却的过程中，由于焊接构件局部受热且受热不均， 同时焊接构件冷却也不均，因此焊接构件不仅会产生焊接应力，还会产生各种变形。这种焊件产生的变形，被称为焊接变形。 2 焊接变形及焊接应力出现的主要原因 2.1 焊接件受热不均匀 按照有关的实践分析可知，在焊接过程中出现焊接应力与变形的根本原因为 在焊接操作时受力不均匀所导致。焊接件焊机的位置引焊接操作的实施而发生热 涨状况，但是没有焊接的位置因不存在热涨现象进而阻止了热涨变形。因此，导 致焊接完成后发生严重的焊接变形。 2.2 焊接金属出现收缩 焊接工作实际就是将要融化焊接木材然后再进行金属填充，在常态下是一种 全塑状态，在焊接操作的过程中只会出现自身的变形而没有带动亦或拉动其他的 金属变形，从而导致金属发生收缩的现象，造成焊接变形的出现。 2.3 焊接件刚性约束 焊接件本身存在的刚性约束同焊接过程中出现焊接应力及焊接变形之间存在 着必要的联系。焊接件的刚性约束同焊接变形以及焊接应力发生概率呈现反比例 关系。刚性约束越大，发生焊接变形与焊接应力的概率则越小。 2.4 其它因素导致焊接残余应力产生 在火车焊接加工中，不仅受到热源和材料、力学性能因素的影响，而且受到 其它因素的影响，也会出现不同的残余应力。例如：如果在焊接加工操作之前， 使钢结构局部零件以及器材进行轧刹，也会影响火车焊接加工过程，使火车焊接 加工中出现不同的残余应力。此外，在火车焊接加工中，还要重点考虑其它多方
焊接应力与变形
●焊接应力与变形 1.焊接应力与变形产生的原因 焊件在焊接过程中受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因。 焊接加热时，图F-4(a)中虚线既表示接头横截面的温度分布，也表示金属能自由膨胀时的伸长量分布。实际上接头是个整体，由于受工件未加热部分的冷金属产生的约束，无法进行自由膨胀，平板只能在整个宽度上伸长ΔL,因此焊缝区中心部分因膨胀受阻而产生压应力(用符号“-”表示)，两侧则形成拉应力(用符号“+”表示)。焊缝区中心部分的压应力超过屈服强度时，产生压缩塑性变形，其变形量为图F-4(a)中被虚线包围的无阴影部分。焊后冷却时，金属若能自由收缩，则焊件中将无残余应力，也不会产生焊接变形，但由于焊缝区中心部分已经产生的压缩塑性变形，不能再恢复，冷却到室温将缩短至图F-4(b)中的虚线位置，两侧则缩短到焊前的原长L。这种自由收缩同样是无法实现的，平板各部分收缩会互相牵制，焊缝区两侧将阻碍中心部分的收缩，因此焊缝区中心部分产生拉应力，两侧则形成压应力。在平板的整个宽度上缩短ΔL′，即产生了焊接变形。 图F-4 平板对焊的应力与分布 (a)焊接过程中；(b)冷却后 2.焊接变形的几种基本形式
图F-5 焊接变形的基本形式 (a)收缩变形；(b)角变形；(c)弯曲变形；(d)扭曲变形；(e)波浪变形 1)收缩变形：收缩变形是工件整体尺寸的减小，它包括焊缝的纵向和横向收缩变形。 2)角变形：当焊缝截面上下不对称或受热不均匀时，焊缝因横向收缩上下不均匀，引起角变形。V形坡口的对接接头和角接接头易出现角变形。 3)弯曲变形：由于焊缝在结构上不对称分布，焊缝的纵向收缩不对称，引起工件向一侧弯曲，形成弯曲变形。 4)扭曲变形：对多焊缝和长焊缝结构，因焊缝在横截面上的分布不对称或焊接顺序和焊接方向不合理等，工件易出现扭曲变形。 5)波浪变形：焊接薄板结构时，焊接应力使薄板失去稳定性，引起不规则的波浪变形。 实际焊接结构的真正变形往往很复杂，可同时存在几种变形形式。 3.焊接变形的防止与矫正