焊接结构教学笔记-哈工大

把一条焊缝分成两段焊接，当从中间向两端焊时，中心部位先焊的先收缩，两端部分后焊，后收缩，则两端焊缠的横向收缩受到中心部分的限制c因此，的分布是中心部分为压应7J，两瑞部分为拉应力(图2—104d＞。相反地，如果从两端向中心部分焊接，卧小L＼部分为拉应力，两端部分为压应力(图2—l046)。直通焊的02尾部是拉应力，中段是互力，起焊段由于必须满足平衡条件的原因仍为拉应力，应力分布情况与国2—l04彪分段迟焊和分段跳焊沁。：的分布：洛出现多次交暂的拉应力和压应力区。值得注意的是分段跳焊法的02峰值较其他焊接顺序横向应力的两个组成部分六和吨是同时存在的，最终的横向应力oy是它们两者的合成。对大型试件进行横向应力测定结果如图2—l05中所示。横向应力在与焊缝平行的各截而上的分布大体与焊缝截面上相似，但是离开焊缝的距离越大，应力仅就越低到边缘上oJ＝o。从图2—106中可以看出，离开焊缝oy就迅速衰队

三)厚扳中的残余应力

厚板焊接结构中除了存在着纵向应力氏和横向应力。，外，还存在着较大的厚度方向的应力。近年来的试验研究结果表明，这三个方向的内应力在厚度上的分布极不均匀。布规律，对于不同焊接工艺有较大差别。例如在厚度为240毫米的低碳钢电渣焊缝中，内应力分布如图2—I 07。。*是拉应力，从图中可以看出，在厚度中心部位，其数值可达180N／，其数值向表面逐渐下降到零的数值亦以厚度中心为最大，向两表面逐渐降低，在表面。y是压应力。9y的分布情况与电渣烬的工艺特征有密切关系。在电波焊时，焊缝的正面和背面装有词冷却滑块。因此靠近焊缝表面冷却较快，而中心部位冷却较侵。后者的收缩就受到周围金属的限制，因此中心部分为较高的投济力。与此相反，在低碳钢多层焊接时，在厚度上的内应力。：、y7的分布，表面为较高的拉应力。几的数值较小，有可能为压应力，亦有可能为拉应力。图2—108为80mm厚，v型坡口对接接头多层焊在厚度上的内应力分布情况。值得注意的是横向应力07的分布，在对接好缝的根部，，的数值极高，大大超过材料的屈服极限，造成这个现象的原因是多层焊时，每焊一层都使焊接接头产生一次角变形，在根部引起一次拉伸塑性变形。多次塑性变形的积累，使这部分金属产生应变硬化，应力不断上升，在严重的情况下，甚至可达金属的强度极限。h导致焊缝校部开裂。如果焊接接头的角变形受到阻碍，则有可能在根部产生压应力。有些合金结构钢厚板焊接接头的研究结果表明：横向应力gy在厚度上的分布规律与低碳钢不同。例如10c r2M。钢300mm厚板的双u形多道焊缝(图2—l09。)中心线上的表面核门应力比表面层以下的焊缝金属低，其数值接近于零(见图2—1096)。表面07在y轴上的分布见团2—109c，从图上可以看出，r7在离焊趾20mm处有一蜂值，这种分布规律可能与该钢的相变温度较低和焊缝较窄较深有关。应该指出，横向应力07在厚度上的分布规律虽然对于同一接头大致相似，但其数值与测点的位置有关，在一个测点上r7的平均值可能是正的也可能是负的。

(四)在拘束状态下焊接的内应力

前面分析的焊接接头中的内应力，都是构件在自由状态下焊接时所产生的。在生产中往往全遇到这种情况，构件是在受拘束的情况下焊接的。例如图2—110中的一个金属框架，它的中心构件上有一条对接炽缝，这条焊缝的横向收缩受到框架的限制，在框架中心部分引起披应力，h这种应力并不在该截面中平衡，而平衡于整个框架截面上，这种应力称为反作用内应力。除此以外，

这条焊缝还引起与自由状态下焊接相似的横向内应力07。焊接接头的实际核向内应力应该是这两项内应力的综合。如果框架中心构件上朗焊缝是纵向的，则由焊缝引起的纵向收缩受到限制，特产生纵向反作用内应力”h与此同时，焊缝还将引起纵向应力，‘，最终的纵向内应力特是两者的综合。当然这种综合不是简单的叠女11，因为最大应力受到rd服慑服e*的限汹，见田2—111。由1；反41：风吸力是拉应力，且分布范围大，Xj结构的影响较大，在设计和施工时应注意采取措施消除或减少。

(五)封闭焊缝所引起的内应力

在容器、船舶等板壳结构中，经常会遇到如图2—112所示的焊接接管、入孔接头和钮块之类的情况。这些环绕着接管，镕块等的焊缝构成一个封闭回队称之为封闭焊缝。封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。下面举一个直径。为一米、厚度为12毫米的圆盘，于其中心开孔焊接各种直径d66锻决，其内应力的分布情况见图2—113。吨为径向应力，为切向应力。从图中可以看出，径向内应力or为拉应力。切向应力在焊始附近最大，为拉应力。由焊缝向外侧逐渐下降为压应力。由焊缝向中心，则r6到达一均匀值。在镊块中部有一个均匀双铀应力场，切向应力06和径向应力or相等，其数值与镶块直径d和因盘外径D之比值有关。d／D越小，拘束度越九镶块中的内应力也越大。由此可见，结构的刚度越大，拘束皮越大，内应力也越大。当然，不仅应该考虑到整个结构的刚度，同时也要考虑镊入部件本身的刚度。接管由于本身的刚度较小，其内应力一胶比模块的小。 (六)相变应力

当金属发生相变时，其比容将有一个突变。例如对被钢来说p当奥氏仲转变为铁素体或马氏体时，其比容将增大。相反方向的转变比固24佣 回盘绍块封闭焊缝所引起的焊接应力加热时，低碳钠的相变温度在AG广A，。之间。冷却时，相变温度稍低。但在一般的焊接冷却速度下仍高于低碳钢的yP(600。c)。图2—114。是低碳钢在加热和冷却时的膨胀曲线，横坐标为膨胀或收缩时的应变量(57)，纵坐标为温度。一些向强度钢在加热时的相变温度仍高于yf，但在冷却时，相变温度邮远低于7f(见图2—1146)，在这种情况下，相变将影响残余应力的分布。当奥氏体转变时，比容增大，不但可能抵消焊接时的部分压纳塑性变形，减少残余拉应力，甚至可能出现较大的压应力。下面将分析两块板对接焊时的相变应力，假设母材的奥氏体转变温度低于7h而焊缝为不产生相变的奥氏体钢，则最高温度到达A。。以上的近缝区(6。)内的金属在冷却时其体积膨胀。在分折时暂不考虑塑性变形区内的金屑的压缩塑性变形的影响。6。区内的相交将带来压应力。在其它区域内格出现拉应力。这种应力称之为相变应力纵向相变应力(，．l)的分布情况见图2—115。。除了相变所引起的应力，外，还存在着焊接时温度不均匀所引起的局部塑性交形和由此造成的纵向内应力(。l)，见图2—1156。因此员终的内应力将是。：和。。x的综合， 见图2—115co如果焊缝材料与母材相同，则好继金届在冷却时也将和近缝区一样，在比较低的温度下发生相变。最终的内应力如图2—I15d所示。在6．区内，相变时所产生的局部纵向膨胀，不但能引起纵向相变应力而且也可以引起横向相变攻现压应力，见图2—116。同样，5．区在厚度方向的膨胀将产生厚度方向的相变应力(。。4)。根据同样的分析，它也将引起横向相交应力。在乎扳表面为拉应力，见图2—U 7。从上述分析可以看出相变不但在6l区产生压应力。。：，。。”而且可以引起拉应力e·y，其数值也可以相当大。这种拉仲应力是产生冷裂纹的原因之一。

三、焊接残余应力的影响

在这部分内，将从几个方面来讨论内应力的影响以及产生影响的条件G (一)内应力对静裁强度的影响

假设有一构件，其内应力分布如B2—118所示，中间部分为拉应力，两侧为压应力。构件在拉力P作用下产生拉应力。(。＝P／F＝P／B·6，F为构件截面积，5为构件宽为构件厚度)。由于。的作用，构件内部的应力分布将发生变化随着，的增加，构件两侧部分原来的压应力逐渐减少而转变为拉应力，而构件中部的拉应力则与外力叠加。如果材料具有足够的塑性，当应力的峰值达到，16，该区域中的应力就不再增加，而产生塑性变形。其余区域应力未达到?”则随着外力的增加应力还继续增加，整个额面上的应力逐渐均匀化，直到构件截面上的全部应力都达到。。应力就全面均匀化了。这时外力的大小可以用面积。i来表示。如果构件内没有内应力，要同样使整个截面应力都达到入，所需些的外力P＝ol x F＝久x B x 6，其数值可用矩形面积d o 6f来表示。因为内应力是内部平衡的应力，顶积d e／＝面积6c J?面积／8A，故面积。6c d e／A‘和面积相等。由此可见，只要材料有足够的延性，能进行塑性交形，内应力的存在并不影响构件的承载能力。也就是说对强度没有影响。现在我们再米分析材料处于呢性状态对的情况，见图2—119。由于材料不能进行理性交形，随着外力的增加，在构件上不可能产生应力均匀化，应力炼值不断增加，一直到达材判的强度极限吮，发生局部破坏，而最后导致整个构件断裂。塑性变形产生的必要条件是切应力的存在，材料在单轴应力，的作用下(见图2—720。)，最大扔应力?m。：＝。／2。在三独等值拉应力(。。＝gy＝。l)作用下(见固2—120 6)切应力?m。：＝o，在这种情况下，就不可能产生塑性变形。因此，三铀拉伸内应力将阻碍纽性变形的产生，在一定条件下对承载能力有不利影响。上面分析的是光滑构仇即在构件中没有严重的应力集中的情况。关于焊接内应力对带有尖锻缺口的构件强度的影响将在第四章焊接结构的脆断Nt4论。

二)内应力对疲劳强度的影响见第五章。

(三)内应力对机械加工精度的影响 固2420 单赖和三铂应力状态机械切削加工把一部分材料从工件上切久如果工仍：中存在着内应力，那么把一部分材料切去的同叭把原先在那里的内应力也一起去掉，从而破坏了原来工件中内应力的平际使工件产生变形。加工精度也就受到了影响。例如在焊接丁字形零件上(见图2—12U加工一个平面，会引起工件的挠曲变形。但这种变形由于工件在加工过程中受到夹持，不能充分地表现出来，只有在加工完毕后松开夹具时变形才能充分地表现出来。这样，它就破坏了己加工平面的精度。又例如焊接齿轮箱的轴孔(见图2—1216)，加工第二个轴孔所引起的变形将影响第一个已加工过的轴孔的精度。 保证加工精度的最彻底的办法是先消除焊接内应力然屑再进行机械加工。但是，有时也可以在机械加工丁艺上做一些调整来达到达个目的。例如在加工图2—121d零件时，可以分几次加工，每加工一次适当放松夹具，位工件的变形充分表现出来。重新垫好工件后再行紧固，然后再按照这个办法加工第二次，第三次??，加工量逐次递减。又例如在加工几个轴孔时，避免将一个轴孔全部加工完毕后再加工另一个，而采用分几次交替加工的办法，每次加工量递减，这样可以提雨加工精度。当然这种方法很不方便，只有非常必要时才采用。这里还应该注意的另一个问题就是焊接应力是否长期稳定，亦即焊接应力是否会在良期存放过程中随时间变化而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度。这一点对精度要求高的构件，如精密机床的床身，大型量具的框架等是十分重要的。长期存放

实验证明许多结构钢中的焊接应力是不稳定的。它随着时间不断地变化。不问材9；冲的内应力不稳定程度有较大差异。低碳钢A3在宝温20℃下存淑原始应力24000N／cM：，经过两个月降低2．5％。如果原始应力较小，则降低的百分比相应减少。但随着存放温度的—kg卜应力降低的百分比特迅速增加。例如在100。c下存放，应力降低为20。cgl的1z倍。这种应力不稳定性的根源是A 3在室温下的蠕变和应力松弛。30c rMns5，25c rMn6，12c r5M。，20C?M。s1N1等高强度合金结构钢在焊后产生残余奥氏体。这种奥氏体在垒温存放过程中不断转化为马氏体。内应力因马氏体的膨胀而降低。其降低百分比远远超过低碳钢。试验表明35号钢和4c rls等钢材焊后在室温和稍高温度下存放发生内应力增加的相反现象。这是焊后产生的淬火马氏体逐渐转化为回火马氏体过程中体积有所缩小所引起的。由于上述合金钢和中碳铂焊后产生不稳定组织，因此内应力不稳定，构件的尺寸也不稳定。枚为了保证构件的尺寸的高精巴焊后必须进行热处理。低碳钢焊历虽具有比较稳定的组织，尺．f稳定性相对来说比较高，但长期存放巾田蜕变和应力松弛，尺寸仍然有少量变化，因此对精度要求高的构件仍应先做消陈应力处理。然后再进行机械加工。

(四)内应力对受压杆件稳定性的影响

关于焊接内应力使构件产生局部失稳的问题已在前面波浪变形一节内讨论比这里不再重复。杆件(如校，柿架中的压杆等)在压力作用下可能发生整体失稳现象。从材料力学的基本理论得知，两端铰文的受压杆件，在弹性范围内工作时，其失稳的临界应力。。可由下式求得

2——为弹性模量；

『——为受压杆件的自由长肠 J——为构件截面惯性矩， F——为截面积。

式亦可用下列形式来表达

A——长细则＝ 由式可见。．．勺A2以反比。当受压构件在弹性极限以上工作时，其临界应力与材料的弹塑性参数：屈服极限、冷作硬化指数等有关。现在来分析焊接内应力对受压构件稳定性的影响。69面已讨论过焊接内应力在构件中是平衡的。构件截面上的压缩内应力格与外载所引起的压应力叠加。应力的叠加使压应力区先期到达屈服极限ol。该区应力不再增加，从而使该区丧失进一步承受外力的能力。这样就相当于削弱构件的有效面积。另一方面拉应力区中的拉应力与外载引起的压应力方向相反，使这部分截面积中的应力晚于其它部分到达屈服极限。．。固A，该区还有可能继续承受外力。以焊接H形受压什件为例，见图2—122。其纵向焊接应力的分布如图2—122。所示，当外力引起的压应力，P4。：’几时，应力的分布将如图2—1226所示。这样，有效面积将从严缩小到F’(图中用剖面线表示)。而有效面积的惯性矩将从J：减至J5。因为对x—x轴惯性短Jl＝2x55x6b／U(腹板对x一又轴的惯性矩忽略不计)，所以J：与B。成正比。而x＝2M(D’)。x 56／U，J5么J，。而F’虽然小于F，但J：／J5＞厂／F’，故L＞rj(入＝√J，／F；rj＝√天7F厂)。因此，当构件的压缩内应力区中的压应力和外栽引起的应力达到，’， 其长细比A5＝f／r：，它将大于A．l＝‘／r。临界应力将比没有内应力对低。如果内应力的分布与上述储况相反，即在离中性袖的翼缘边为拉应力，使有效面积分布在离中性轴较远处，则情况就大有好转。翼缘采用气割加工或是由几块板叠焊，都可能在男缘边产生拉伸内应力，如2—123所示。 试验证明，焊接丹形受压