参考文献1

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1、参考文献：焊接残余应力和变形的成因一、焊接残余应力的成因焊接残余应力（weldingresidualstresses）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（图3.4.1）。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

2、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（图3.4.1c）。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（图3.4.2b）。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（图3.4

3、.2c）。焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果（图3.4.2d）。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x、y外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力z（图3.4.3）。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。二、焊接残余变形的成因在焊接过程中，由于不均匀的加热，在焊接区局部产生了热塑性压缩变形，当冷却时焊接区要在纵向和横向收缩，势必导致构件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等。焊接残余变形（weldingresidualdeformations）包括纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等（图3.4.4），且通

4、常是几种变形的组合。任一焊接变形超过验收规范的规定时，必须进行校正，以免影响构件在正常使用条件下的承载能力。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，并假设其分布如图3.4.5（a）所示。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（图3.4.5b）。2、

5、对结构刚度的影响构件上的焊接应力会降低结构的刚度。仍以图3.4.5为例，由于截面的bt部分的拉应力已达fy，这部分的刚度为零，则具有图3.4.5（a）所示残余应力的拉杆的抗拉刚度为（B-b）tE，而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为BtE，显然Bte(B-b)tE，即焊接残余应力的杆件的抗拉刚度降低了，在外力作用下其变形将会较无残余应力的大，对结构工作不利。残余应力的存在将较大的影响压杆的稳定性，有关内容将在第6章介绍。3、对低温冷脆的影响焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的，必须引起足够的重视。在厚板和具有严重缺陷的焊缝中，以及在交叉焊缝（图3.4.6）的情况下，产生了阻碍塑性变形

6、的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。4、对疲劳强度的影响在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。二、焊接变形的影响焊接变形是焊接结构中经常出现的问题。焊接构件出现了变形，就需要花许多工时去矫正。比较复杂的变形，矫正的工作量可能比焊接的工作量还要大。有时变形太大，甚至无法矫正，变成废品。焊接变形不但影响结构的尺寸和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，引起事故。减少焊接应力和变形的措施可通过合理的焊缝设计和焊接工艺措施来控制焊接结构焊接应力和变形。一、合理的焊缝设计（1）合理的选择焊缝的

7、尺寸和形式，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸。因为焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊缝的焊接变形和焊接应力也大。（2）尽可能能减少不必要的焊缝。在设计焊接结构时，常常采用加劲肋来提高板结构的稳定性和刚度。但是为了减轻自重采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，反而不经济。因为这样做不但增加了装配和焊接的工作量，而且易引起较大的焊接变形，增加校正工时。（3）合理地安排焊缝的位置。安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴（图3.4.7a、c），这对减少梁、柱等构件的焊接变形有良好的效果。而图3.4.7中的（b）和（d）是不正确的。（4）尽量避免焊缝的过分集中和交

8、叉。如几块钢板交汇一处进行连接时，应采用图3.4.7（e）的方式，避免采用图3.4.7(f)的方式，以免热量集中，引起过大的焊接变形和应力，恶化母材的组织构造。又如图3.4.7（g）中，为了让腹板与翼缘的纵向连接焊缝连续通过，加劲肋进行切角，其与翼缘和腹板的连接焊缝均在切角处中断，避免了三条焊缝的交叉。（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。如图3.4.7（i）的构造措施是正确的，而图3.4.7（j）的构造常引起厚板的层状撕裂（由约束收缩焊接应力引起的）。二、合理的工艺措施（1）采用合理的焊接顺序和方向。尽量使焊缝能自由收缩，先焊工作时受力较大的焊缝或收缩量较大的焊缝。如图3.4.8示在工地焊

9、接工字梁的接头时，应留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝1，再焊腹板对接缝2。又如图3.4.9所示的拼接板的施焊顺序：先焊短焊缝1、2，最后焊长焊缝3，可使各长条板自由收缩后再连成整体。上述措施均可有效地降低焊接应力。（2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力。事先估计好结构变形的大小和方向。然后在装配时给予一个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后的构件保持设计的要求，例如图3.4.10所示为焊前反变形的设置。在焊接封闭焊缝或其他刚性较大，自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝的自由度，减小焊接应力，如图3.4.11所示。（3）锤击或辗压焊缝，使焊缝得到延伸，从而降低焊接应力。锤击或辗压焊缝均应在刚焊完时进行。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过分产生裂纹。（4）对于小尺寸焊件，焊前预热，或焊后回火加热至600左右，然后缓慢冷却，可以消除焊接应力和焊接变形。也可采用刚性固定法将构件加以固定来限制焊接变形，但却增加了焊接残余应力。