图2-3 金属屈服极限与温度的关系 1－钛合金； 2－低碳钢； 3－铝合金
3. 构件中焊接应力与变形的产生
（1）长板条中心加热 （2）长板条非对称加热（一侧加热） （3）受拘束的杆件在均匀加热时的应力与变 形
（1）长板条中心加热
（1）长板条中心加热
图2-4 长板条中心受热
图 2-5 板条中心加热的应力与变形
1. 对焊接结构强度的影响
• 没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有一 定的塑性变形能力，焊接内应力并不影响结构的 静载强度。但是，当材料处于脆性状态时，拉伸 内应力和外载引起的拉应力叠加就有可能使局部 区域的应力首先达到断裂强度，降低结构的静载 强度，使之在远低于屈服点的外应力作用下就发 生脆性断裂。因此，焊接残余应力的存在将明显 降低脆性材料结构的静载强度。工程中有很多低 碳钢和低合金钢结构的焊接结构发生过低应力脆 断事故。
图2-17 横向拘束下焊接的内应力
图2-18 纵向拘束状态下焊接的内应力
5. 封闭焊缝中的残余应力
• 在容器、船舶等板壳结构中经常会遇到如 图2—19所示的接管、人孔接头和镶块之类 的结构，这些构造上都有封闭焊缝，都是 在较大的拘束下焊接而成的。图2—20中圆 盘中焊入镶块的残余应力，径向内应力σr为 拉应力，切向应力σθ在焊缝附近最大为拉 应力。由焊缝向外侧逐渐下降为压应力由 焊缝向中心达到一均匀值。拘束度越大， 镶块中的内应力也越大。
图2-12 纵向收缩引起的横向残余应力σy′的分布
图2-13 不同长度平板对接焊时σy′的分布
（2）横向收缩所引起的横向残余应力 σy ″
• 在焊接结构上一条焊缝不可能同时完成，总有先 焊和后焊之分，先焊的先冷却，后焊的后冷却， 先冷却的部分又限制后冷却的部分的横向收缩， 就引起了横向残余应力σy ″。σy ″的分布与焊接方 向、分段方法及焊接顺序有关。总之，横向残余 应力的两个部分σy′、σy ″同时存在，焊件中的横 向残余应力是由σy 合成的，它的大小要受σs的限 制，见图2—14。 • 横向应力与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊 缝截面上相似，但是离开焊缝的距离越大应力值 越低，到边缘上σy等于零。从图2—15中可以看 出，离开焊缝σy就迅速衰减。
图2-21 焊接梁、柱的纵向残余应力分布
7. 圆筒纵环缝中的焊接残余应力
• 圆筒纵向焊缝在圆筒或圆锥壳体中引起的 残余应力分布类似于平板对接，如图2—22 所示。但焊接残余应力的峰值比平板对接 焊要小。
图2-22 圆筒环焊缝纵向残余应力分布
2.2.3 焊接残余应力对焊件性能的影响
1. 对焊接结构强度的影响 2. 对构件加工尺寸精度的影响 3. 对受压杆件稳定性的影响 4. 残余应力对应力腐蚀的影响
4. 残余应力对应力腐蚀的影响
• 应力腐蚀开裂是对拉应力和介质腐蚀共同作用下 产生裂纹的一种现象。其原因是由于在拉应力作 用下对金属表面腐蚀钝化膜的破坏而加速腐蚀破 坏过程。拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间 越早。如有残余拉应力和工作应力叠加，则会加 速应力开裂。 • 焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸 精度、结构稳定性及腐蚀的影响外，还对结构的 刚度、疲劳强度有不同程度的影响。因此，为了 保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在 焊接过程中减小焊接残余应力，有些重要的结构， 焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。
图2-16 厚板电渣焊中沿板厚的残余应力分布 a）σz 在厚度上的分布； b）σx在厚度上的分布； c）σy在厚度上的分布
4. 在拘束状态下的焊接残余应力
• 见图2—17中的金属框架，该焊件焊后横向收缩 受到框架的限制，在框架中心部位引起拉引力σf, 这种应力平衡于整个框架截面上，称作反作用内 应力。此外，还引起了与自由状态下相似的横向 内应力σy。焊接接头的实际横向内应力是这两项 内应力的综合。 • 如果框架中心构件上的焊缝是纵向的，则由焊缝 引起的纵向收缩受到限制，将产生反作用力σf。 此时，还引起纵向应力σx，最终的纵向内应力将 是两者的综合。但是其最大应力受到屈服极限σs 的限制，见图2—18。
图2-10 不同长度焊缝中σx 的分布
图2-11 钢板对接焊时近塑性变形区的纵向收缩引 起的横向残余应力σy′ （2）横向收缩所引起的横向残余应力σy ″
（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收 缩引起的横向残余应力σy
• 图2—12（a ）是由两块平板条对接而成的构件， 如果假想沿焊缝中心将构件一分为二，即两块板 条都相当于板边一侧堆焊，将出现如图2—12（b） 所示的弯曲变形，要使两板条恢复到原来位置， 必须在焊缝中部加上横向拉应力，在焊缝两端加 上横向压应力，由此推断，焊缝及其附近塑性变 形区的纵向收缩引起的横向残余应力σy′如图2— 12（c）所示。各种长度的平板条对接焊，其σy′ 的分布规律基本相同，但焊缝越长，中间部分的 拉应力越低，如图2—13所示。
2. 对构件加工尺寸精度的影响
• 焊件上的内应力在机械加工时，因一部分 金属从焊件上被切除而破坏了它原来的平 衡状态，于是内应力重新分布以达到新的 平衡，同时产生了变形，使加工精度受到 影响。
3. 对受压杆件稳定性的影响
• 当外载引起的压应力与内应力中的压应力 叠加后达到σs 时，则这部分截面就丧失了 进一步承受外载的能力，于是削弱了杆件 的有效截面，使压杆的失稳临界应力σcr下 降，对压杆稳定性有不利的影响。压杆内 应力对稳定性的影响与压杆的界面形状和 内应力分布有关，若能使有效截面远离压 杆的中性轴，可以改善其稳定性。
2.1.2 焊接应力与变形产生的原因
1. 焊接结构产生应力和变形的原因 2. 研究焊接应力与变形的基本假设 3. 构件中焊接应力与变形的产生
1. 焊接结构产生应力和变形的原因
• 金属的焊接是局部加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，焊缝及其 附近区域的金属被加热至熔化，然后逐渐冷却凝固，再降至常温。近 缝区的金属也要经历从常温到高温，再由高温降至低温的热循环过程。 由于焊件各处的温度极不均匀，所以各处的膨胀和收缩变形也差别较 大，这种变形不一致导致了各处材料相互约束，这样就产生了焊接应 力和变形。 • 在焊接过程中，由于接头形式的不同，使得焊接熔池内熔化金属的散 热条件有所差别，这样使得熔化金属凝固时产生的收缩量亦不相同。 这种熔化金属凝固、冷却快慢不一引起收缩变形的差别也导致了焊接 应力和变形的产生。 • 在焊接过程中，一部分金属在焊接热循环作用下发生相变，组织的转 变引起体积变化，也产生应力和变形。 • 受焊前加工工艺的影响，施焊前构件若经历冷冲压等工艺而具有较高 的内应力，在焊接时由于应力的重新分布，则形成新的应力和变形。 • 以上所述的几种因素在焊接结构的制造中是不可避免的，因此焊接结 构中产生应力和变形是必然的。
2. 按应力存在的时间分
（1）焊接瞬时应力 是指在焊接过程中，某 一瞬间的焊接应力，它随时间而变化。 （2）焊接残余应力 是焊件焊完冷却后残留 在焊件内部的焊接应力，焊接残余应力对 焊接结构的强度、耐蚀性和尺寸稳定性等 使用性能有影响。
3. 按应力在焊件内的空间位置分
（1）一维空间应力 即单向（或单轴）应力。 应力沿焊件的一个方向作用。 （2）二维空间应力 即双向（或双轴）应力。 应力在一个平面内不同方向上作用，常用 平面直角坐标系表示，如σx 、σy。 （3）三维空间应力 即三向（或三轴）应力。 应力在空间所有方向上，常用三维空间直 角坐标表示，如σx 、σy 、 σz 。
第2章 焊接应力与变形
2.1 焊接应力与变形的产生
2.1.1 焊接应力与变形的基本概念 2.1.2 焊接应力与变形产生的原因
2.1.1 焊接应力与变形的基本概念
1. 焊接变形 2. 内应力与焊接应力
1. 焊接变形
• 物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变 化，这种变化称为物体的变形。当使物体产生变形的外力 或其他因素去除后变形也随之消失，物体可以恢复原状， 这样的变形称为弹性变形。当外力或其他因素去除后变形 仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。 • 以一根金属杆的变形为例，当温度为T0时，其长度为L0 ， 均匀受热，温度上升到T时，如果金属杆不受阻碍，杆的 长度增加至L，其长度的改变⊿LT=L-L0，⊿LT就是自由变 形，如果金属杆件的伸长受阻碍，则变形量不能完全表现 出来，就是非自由变形，其中，把能表现出来的这部分变 形称为外观变形，用⊿Le表示；而未表现出来的变形称为 内部变形，用⊿L表示。在数值上⊿L =(⊿LT － ⊿Le)，见 图2－1。
2.2.1 焊接残余应力的分类
1. 按产生的原因分 2. 按应力存在的时间分 3. 按应力在焊件内的空间位置分
1. 按产生的原因分
（1）热应力 它是在焊接过程中焊接内部的 温度有差异引起的应力，故又称温差应力。 （2）相变应力 它是在焊接过程中局部金属 发生相变，其比体积增大或减小而引起的 应力。 （3）塑变应力 是指金属局部发生拉伸或压 缩塑性变形后所引起的内应力。
2.2.2 焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力σx的分布 2. 横向残余应力σy的分布 3. 厚板中的残余应力 4. 在拘束状态下的焊接残余应力 5. 封闭焊缝中的残余应力 6. 焊接梁柱中的残余应力 7. 圆筒纵环缝中的焊接残余应力
1. 纵向残余应力σx的分布
图2-9 焊缝各截面中σx 的分布
图2-1 金属杆件的变形 a) 自由变形量； b) 可见变形量
• 对于低碳钢一类材料，应力－应变曲线可 以简化为图2－2中OST线，即当试棒中的 应力达到材料的屈服极限σs后不再升高。
图2-2 低碳钢的σ－ε图
2. 内应力与焊接应力
• 内应力是在焊接结构上无外力作用时保留 于物体内部的应力。这种应力存在于许多 工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊 接结构等。内应力是造成物体内部的不均 匀变形而引起的应力。内应力的显著特点 是在物体内部自成平衡的，形成一个平衡 力系。焊接应力是焊接过程中及焊接过程 结束后，存在于焊件中的内应力。