钢结构基本原理及设计焊接残余应力和焊接变形

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1、焊接残余应力和焊接变形3.4.1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简称焊接应力1.现象2.成因§3-4焊接残余应力和焊接变形（1）焊缝出现不均匀温度场焊缝附近温度最高，可高达1600度以上在焊缝区以外，温度则急剧下降§3-4焊接残余应力和焊接变形（2）焊缝区受热而纵向膨胀，但这种膨胀因变形的平截面规律(变形前的平截面，变形后仍保持平面)而受到其相邻较低温度区的约束，使焊缝区产生纵向压应力。热应力互相阻碍§3-4焊接残余应力和焊接变形（3）由于钢材在600℃以上时呈塑性状态(热塑性状态)，因而高温区的这种压应力使焊缝区的钢材产生塑性压缩变形，塑性变形当

2、温度下降、压应力消失时不能恢复应力当焊件完全冷却后仍残留在焊缝区钢材内，故名焊接残余应力。Q235钢等低合金钢焊接后的残余拉应力常可高达其屈服点。残余应力是构件未受荷载作用而早已残留在构件截面内的应力，因而截面上的残余应力自相平衡。§3-4焊接残余应力和焊接变形（1）纵向焊接应力3.分类纵向焊接应力横向焊接应力沿厚度方向的焊接应力（2）横向焊接应力§3-4焊接残余应力和焊接变形两部分组成：其一是由焊缝区的纵向收缩所引起。如把钢板假想沿焊缝切开，由于焊缝的纵向收缩，两块钢板产生如图(a)中虚线所示的弯曲变形。§3-4焊接残余应力和焊接变形因而可见在焊缝长度的中间部分必然产生横

3、向拉应力，而在焊缝的两瑞则产生横向压应力，应力分布如图(b)所示。§3-4焊接残余应力和焊接变形其二是由焊缝的横向收缩所引起。施焊时，焊缝的形成有先有后，先焊的部分先冷却，先冷却的焊缝区限制了后冷却焊缝区的横向收缩，使产生横向焊接残余应力如图(c)所示。§3-4焊接残余应力和焊接变形最后的横向焊接残余应力当为两者即图(b)和图(c)的叠加，如图(d)所示。§3-4焊接残余应力和焊接变形§3-4焊接残余应力和焊接变形（3）厚度方向的焊接应力§3-4焊接残余应力和焊接变形二.焊接残余变形的成因1.焊接不均匀的加热焊接区产生热塑性压缩变形冷却时焊接区要在纵向和横向收缩构件产生局部

4、鼓曲、弯曲、歪曲和扭转2.焊接残余变形纵、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等焊接后残余在结构的变形叫做焊接残余变形。§3-4焊接残余应力和焊接变形纵向收缩变形和横向收缩变形§3-4焊接残余应力和焊接变形焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形焊缝横向收缩所引起的角变形§3-4焊接残余应力和焊接变形减小钢结构的焊接残余变形是设计和施工制造时必须共同考虑的问题，必须从设计和工艺两方面来解决。波浪式变形扭曲变形§3-4焊接残余应力和焊接变形后冷处形成残余拉应力后冷处形成收缩变形§3-4焊接残余应力和焊接变形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

5、影响§3-4焊接残余应力和焊接变形焊接应力自相平衡受拉区应力面积At受压区应力面积Ac即At=Ac=btfy。截面达到屈服点fy时所承受的外力焊接应力不影响结构的强度2.对结构刚度的影响焊接应力降低结构的刚度。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BtE3.残余应力影响压杆稳定性有效面积、有效惯性矩§3-4焊接残余应力和焊接变形4.对低温冷脆的影响焊接残余应力对低温冷脆影响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。§3-4焊接残余应力和焊接变形5.对疲劳强度的影响在焊

6、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。多轴残余效应力将进一步降低疲劳应力.二.焊接变形的影响构件安装困难矫正影响尺寸和外形初偏心初弯曲可能降低结构的承载能力附加内力§3-4焊接残余应力和焊接变形3.4.3减少焊接应力和变形的措施设计和焊接工艺一.合理的焊缝设计（1）合理的选择焊缝的尺寸和形式满足最小焊脚尺寸的条件下，一般用较小的hf加大焊缝长度。不要因考虑“安全”而任意加大超过计算所需要的焊缝尺寸。§3-4焊接残余应力和焊接变形（2）尽可能能减少不必要的焊缝采用薄板，不

7、适当地大量采用加劲肋，不但增加了装配和焊接的工作量，易引起大的焊接变形。§3-4焊接残余应力和焊接变形（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，（4）尽量避免焊缝的过分集中和交叉。焊缝不宜过分集中并尽量对称布置焊缝以消除焊接残余变形和尽量避免三向焊缝相交。三向焊缝相交时，中断次要焊缝使主要焊缝保持连续§3-4焊接残余应力和焊接变形（5）尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。（6）肋板不宜带锐角焊缝不宜过分集中板宽不同避免仰焊§3-4焊接残余应力和焊接变形二.合理的工艺措施（1）采用合理的焊接顺序和方向