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fy2、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，以及在交叉焊缝的情况下，产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力，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。

一、合理的焊缝设计（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式，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，这对减少梁、柱等构件的焊接变形有良好的效果。

（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。

如几块钢板交汇一处进行连接时，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。

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。

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。

在工地焊接工字梁的接头时，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。

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（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。

点评与讨论：焊接变形的定义：钢构件在未受荷载前，由于施焊电弧高温引起的变形为焊接变形。

包括缩短、角度改变、弯曲变形等。

焊接残余应力对结构工作性能的影响： 1对结构静力强度的影响2对结构刚度的影响3对低温冷脆的影响4对疲劳强度的影响焊接变形对结构工作性能的影响：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。

减小变形的主要方法有，（1）选择合理的焊接顺序；（2）尽可能用对称焊缝（如工字形截面）；（3）采用反变形法焊接过程中控制变形的主要措施：1、采用反变形2、采用小锤锤击中间焊道3、采用合理的焊接顺序4、利用工卡具刚性固定5、分析回弹常数。

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有的焊缝都点固后，再统一焊接。

能够提高焊接焊件的刚度，点固后，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，同时存在着对接焊缝和角接焊缝时，要先焊接对接焊缝后焊接角接焊缝。

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，（降低电流、加快焊接速度、）。

11）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、焊接角焊时减少焊脚尺寸）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。

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、氩弧焊等减少焊接应力与变形的从设计方面的措施主要有：一．选用合理的焊缝尺寸和型状，在保证构件的承载能力的条件下，应尽量采用较小的焊缝尺寸；二.减少焊缝的数量，在满足质量要求的前提下，尽可能的减少焊缝的数量；三．合理安排焊缝的位置，只要结构上允许应该尽可能使焊缝对称于焊件截面的中和轴或者靠近中和轴。