焊接残余应力的分布及控制措施

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1、焊接残余应力的分布及控制措施山东电力建设第二工程公司周元庆摘要：分析焊接残余应力的分布、焊接残余应力对焊接结构的影响，提出减小焊接残余应力的控制措施。关键词：焊接残余应力、分布、影响、控制措施电建行业中，我们大量应用到焊接技术，其中主要包括钢结构焊接、管道焊接等。焊接过程会产生焊接残余应力，焊接残余应力会降低承载能力、引起焊接裂纹，甚至脆断、在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹以及引起变形等，因此，需要采用合理的方法进行控制。一、焊接残余应力的分布：1、纵向应力бx：我们把焊缝方向的应力称为纵向应力。бx在焊件横截面

2、上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力；бx在焊件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，бx=0，越靠近纵截面的中间，бx越大，逐渐趋近于бs。2、横向应力бy：垂直于焊缝方向的应力成为横向应力。横向应力较纵向应力来讲比较复杂，它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩所引起的横向应力бy′，另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的横向应力бy″。бy =бy′+бy″。3、厚板中的

3、残余应力：厚板焊接结构中除了存在着纵向应力和横向应力外，还存在着较大的厚度方向的应力。4、在拘束状态下焊接的内应力：构件在受拘束状态下焊接时所产生的应力称为拘束状态下焊接的内应力。这种应力对结构的影响比较大，在设计和施工时应注意采取措施消除或减少。5、封闭焊缝所引起的内应力：在容器、船舶等板壳结构中，经常会遇到焊接接管、人孔接头和镶块等的焊缝构成一个封闭回路，称之为封闭焊缝。封闭焊缝时在较大拘束下焊接的，因此内应力比在自由状态时大。结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。二、焊接残余应力对焊接结构的影响1、对

4、静载强度的影响：如果材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度，但是如果是脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰值不断增加。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。1、对构件加工尺寸精度的影响：机械切削加工把一部分材料从工件上切去，如果工件中存在内应力，那么把一部分材料切去的同时，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

5、平衡，使工件产生变形。2、对疲劳强度的影响：构件中的内应力始终作用于应力循环中，使整个应力循环的应力值偏移一个б0值，若这个б0是正值，它将与载荷应力叠加使应力循环提高，构件的疲劳强度将降低，若б0是负值，则它与载荷应力叠加使应力循环降低，构件的疲劳强度将会有所提高。3、对受压杆件稳定性的影响：焊接应力在构件中的应力是平衡的。构件截面上的压缩内应力将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бs。该区应力不再增加，也就是说该区丧失了进一步承受外力的能力。这样就相当于减小了构件的有效截面积，减

6、小了有效截面积的分布，使稳定性降低。三、减小焊接残余应力的措施一般来说，可以从设计和工艺两方面着手1、设计措施1）、尽可能减少焊缝数量；2）、合理布置焊缝；3）、采用刚性较小的接头形式。2、工艺措施1）、采用合理的装配和焊接顺序及方向：①、对大型结构，应从中间向四周进行施焊，使焊缝可以由中间向外依次进行收缩；②、对平面交叉焊缝的焊接，应先焊错开的短焊缝，然后再焊直通长焊缝，如图一所示。我们经常会在水箱的制作中遇到这种情况。图一③、在焊接交叉（不论是丁字交叉还是十字交叉）焊缝时，应特别注意交叉处的焊缝质量，如果在

7、接近纵焊缝的横向焊缝处有缺陷，（如未焊透等），则这些缺陷正好位于纵焊缝的拉伸应力场中，造成复杂的三轴应力状态，图一就是这种情况，不仅是平板，管道焊接也是如此。如我们在进行循环水管道卷制过程中就会遇到这种情况，此时应该先焊焊缝T1，纵焊缝焊完后再焊环缝T2，焊接过程中特别注意两条焊缝接头部位的焊接质量。如图二所示：图二①、应先焊收缩量最大的焊缝，这是因为结构的刚性在焊接过程中是逐渐增大的，所以先焊的焊缝在收缩时所受到的阻力会小些，焊后的应力也就小些。如果在结构上既有对接焊缝又有角焊缝，就应先焊对接缝，后焊角焊缝。

8、②、应先焊受力较大的焊缝，使焊接应力合理分布。如在工地焊接梁的接头时，应预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，然后焊接腹板对接焊缝2，最后再焊翼缘角焊缝3，见图三，这样的焊接次序可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则承受拉应力。翼缘角焊缝最后焊接，可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以再焊接翼板对接焊缝时采取反变形措施，防止产生角变形。图三2）、选择合理的