鋼結(jié)構(gòu)的連接-焊接應(yīng)力和焊接變形

焊接變形三、焊接殘余變形

在施焊時(shí)，由于不均勻的加熱和冷卻，焊區(qū)的縱向和橫向受到熱態(tài)塑性壓縮，使構(gòu)件產(chǎn)生變形。表現(xiàn)主要有：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形、扭曲變形等。焊接變形結(jié)束！謝謝大家！焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因一、焊接（殘余）應(yīng)力和焊接（殘余）變形的成因鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程是在焊件局部區(qū)域加熱融化后又冷卻凝固的熱過程。由于焊接時(shí)熱量分布不均勻，導(dǎo)致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部殘存應(yīng)力并引起變形，此即為焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。

4.5焊接（殘余）應(yīng)力和焊接（殘余）變形二、焊接應(yīng)力的種類1.焊接殘余應(yīng)力的分類

▲縱向焊接應(yīng)力：長度方向的應(yīng)力▲橫向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力；▲厚度方向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。

2.焊接殘余應(yīng)力的成因a)焊接過程是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫處可達(dá)1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。（1）縱向焊接殘余應(yīng)力b)高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時(shí)被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度。c)焊接殘余應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm（2）橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:a)

焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；b)焊接時(shí)已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊接冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為橫向焊接應(yīng)力(a)焊縫縱向收縮時(shí)的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時(shí)產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力a)在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。-+-321σxσyσzb)焊接時(shí)沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。c)因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力

x

，

y外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

z

，這三種應(yīng)力形成同號(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響1.對結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響σ+--afy+--afyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即N=Ny時(shí)：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力不會影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度+--fyσabt四、焊接應(yīng)力和焊接變形的影響（一）焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響2.對結(jié)構(gòu)剛度的影響當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時(shí)，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時(shí)在N作用下應(yīng)變增量為：σ+--bfyNN+--fyσNNbBt△ε1>△ε2當(dāng)截面上沒有焊接殘余應(yīng)力時(shí)，在N作用下應(yīng)變增量為：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力使結(jié)構(gòu)變形增大，即降低了結(jié)構(gòu)的剛度。4.對疲勞強(qiáng)度和低溫冷脆的影響

對于厚板或交叉焊縫，將產(chǎn)生三向焊接殘余拉應(yīng)力，阻礙塑性的發(fā)展，使裂縫容易發(fā)生和發(fā)展，增加了鋼材低溫脆斷傾向。所以，降低或消除焊接殘余應(yīng)力是改善結(jié)構(gòu)低溫冷脆性能的重要措施。

在焊縫及其附近主體金屬焊接殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度，此部位是形成和發(fā)展疲勞裂紋的敏感區(qū)域。因此焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯的不利影響。

對于軸心受壓構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力使其撓曲剛度減小，降低壓桿的穩(wěn)定承載力。3.對壓桿穩(wěn)定承載力的影響焊接應(yīng)力的影響

▲常溫下不影響結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度；

▲增大結(jié)構(gòu)的變形，降低結(jié)構(gòu)的剛度；

▲降低疲勞強(qiáng)度；

▲在厚板或交叉焊縫處產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，阻礙了塑性 變形，在低溫下使裂紋易發(fā)生和發(fā)展；

▲降低壓桿的穩(wěn)定性。（二）焊接變形的影響▲焊接變形若超出驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定，需花許多工時(shí)去矯正；▲影響構(gòu)件的尺寸和外形美觀，還可能降低結(jié)構(gòu)的承載力，引起事故。五、減少焊接應(yīng)力和變形的措施（補(bǔ)充）（1）采用合理的施焊順序和方向（2）采用反變形法減小焊接變形或焊接應(yīng)力（3）錘擊或碾壓焊縫使焊縫得到延伸（4）小尺寸焊件，應(yīng)焊前預(yù)熱或焊后回火處理1.合理的焊縫設(shè)計(jì)（1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式（2）盡可能減少不必要的焊縫（3）合理的安排焊縫的位置（4）盡量避免焊縫的過分集中和交叉（5）盡量避免母材在厚度方向的收縮應(yīng)力2.合理的工藝措施結(jié)束！謝謝大家！減少焊接應(yīng)力和焊接變形的措施（3）減小角焊縫應(yīng)力集中的措施tblw側(cè)焊縫引起焊件拱曲為了避免焊縫橫向收縮引起板件的拱曲太大，b≤16t（t>12mm）或190mm（t≤12mm）；a)構(gòu)件端部僅有兩邊側(cè)縫連接時(shí)：試驗(yàn)結(jié)果表明，連接的承載力與b/lw有關(guān)。為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，每條側(cè)縫長度b

/lw≤1；t為較薄焊件的厚度。

c)直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)中，角焊縫表面應(yīng)做成直線形或凹形，焊腳尺寸的比例：正面角焊縫宜為1:1.5，長邊與內(nèi)力方向一致；側(cè)面角焊縫可用凹形直角焊縫為1:1。

b)在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍或25mm。t1t2

（t1＜t2）搭接圖

d)當(dāng)焊縫端部在焊件轉(zhuǎn)角處時(shí)，應(yīng)將焊縫延續(xù)繞過轉(zhuǎn)角加焊2hf。避開起落弧發(fā)生在轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中。b)2hfa)2hf2hf繞角焊縫

e)在次要構(gòu)