焊接应力

出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第866页（4561字）

11．2．1．1 分类

焊接应力的分类见表11-21．

图11-32 焊接过程中温度和应力变化示意图

(a)焊缝；(b)温度变化；(c)应力σ_x

表11-21 焊接应力分类

11．2．1．2 焊接应力分布与特点

1．焊接瞬时应力

研究焊接瞬时应力有利于控制裂纹，提高焊接质量，图11-32为焊接过程中温度的变化和由此而引起的应力变化示意图．在板上沿X轴向正在堆焊一道焊缝，以速度v移动的焊接电弧正位于原点O处．

图11-33 初始缺口顶端附近在瞬时平面热源作用下的热应力循环

分析对象：HT50，400mm×500mm×32mm，缺口：2mm×2mm，2C=50mm；分析条件：σ_s=350MPa，σ_b=510MPa

图11-34 对接焊缝残余应力的典型分布

(a)对接焊缝；(b)沿yy轴的σ_x分布；(c)沿xx轴的σ_y分布，若接头的横向收缩受到外部拘束限制时，σ_y分布如图(c)中曲线2，出现反作用应力

图11-35 塞焊残余应力的分布

σ_r—径向应力；σ₀—切向应力

图11-33是初始缺口顶端附近在瞬时平面热源作用下的热应力循环．

2．焊接残余应力

焊接残余应力的典型分布包括以下几方面：

(1)对接焊缝残余应力的典型分布如图11-34所示．

(2)塞焊残余应力的分布如图11-35所示．

图11-36 圆盘镶块封闭焊缝残余应力的分布

(a)d=300mm；(b)d=450mm；(c)d=600mm

σ_r—径向应力；σ_θ—切向应力

图11-37 厚板接头中横向应力的分布

(a)厚板焊接接头；(b)横向焊接残余应力在厚度上的分布；(c)厚板接头中横向应力的分布

(3)圆盘镶块封闭焊缝残余应力的分布如图11-36所示．

(4)厚板接头中横向应力的分布如图11-37所示．

(5)拘束状态下焊接的内应力如图11-38、图11-39所示．

图11-38 横向拘束下焊接的内应力

图11-39 纵向拘束状态下焊接的内应力

图11-40 焊接的型材中横断面上典型纵向残余应力的分布

(a)T形构件的残余应力和变形；(b)工字形构件的残余应力；(c)箱形构件的残余应力

(6)焊接型材中横断面上纵向残余应力的分布如图11-40所示．

残余应力的测量方法很多(表11-22～表11-24)．选择测量方法必须考虑下列因素：

(1)允许结构受损伤的程度；

(2)对测量质量的要求，如测量精确度、应力方向和大小、表面应力还是内部应力等；

(3)金属性能变化的影响，如金属局部组织发生变化后，对物理法(如X射线衍射法、超声波法)的测量精度产生影响；

(4)现场应用的可能性；

(5)费用和时间．

目前在国内焊接生产现场应用较多的是在Mathar-Soete钻孔法基础上发展起来的钻小盲孔测量残余应力的方法(表11-25)．

表11-22 残余应力测量方法分类

表11-23 测量残余应力的应力释放与调整法比较

表11-24 残余应力测量方法的特性

①ρε—微应变；②给出的是应力灵敏度；③A：空气，W：水；④1→4：较小耗费→昂贵；⑤1→4：短→长；⑥1→4：缺少经验→经验丰富．

表11-25 钻小盲孔测量残余应力法

焊后减小或消除焊接残余应力的措施见表11-26．

表11-26 焊后减小或消除残余应力的措施

图11-41 温度和时间对消除应力的影响

表11-27 碳素钢热处理消除应力加热温度和保温时间

表11-28 常用钢材焊前预热及焊后消除应力热处理(GBJ236—82)

注：1．焊前预热栏中当焊接环境温度低于0℃时，预热温度应比表内数值适当提高；当壁厚小于表内数值时，亦须对焊件进行适当预热．

2．焊后热处理的加热速度、恒温时间及冷却速度应符合下列要求：加热速度：升温至300℃后，加热速度不应超过，且不大于200℃／h．恒温时间：碳素钢每毫米壁厚需2～min，合金钢每毫米壁厚需3min，且不少于30min．冷却速度：恒温后的冷却速度不应超过，且不大于275℃／h，300℃以下可自然冷却．

表11-29 有色金属及其合金消除应力热处理的温度

表11-30 各国标准中可不进行焊后热处理的最大焊件厚度 mm

表11-31 各国有关标准对焊后热处理工艺的若干规定

表11-32 各国标准中关于钼钢及铬钼钢焊后热处理温度范围规定的比较 ℃

①以蠕变特性为主；②以焊缝区软化为主；③以高温性能为主；④以抗拉强度为主．

表11-33 常用钢材消除内应力的回火温度

图11-42 局部热处理加热区宽度

(a)环焊缝；(b)长构件对接缝

B—加热区宽度；R—管道容器半径；δ—壁厚；W—构件宽度

图11-43 温差拉伸法减少焊接残余应力

1—氧-乙炔加热炬；2—喷水排管；3—焊件

表11-34 低碳钢(σ_h≤500MPa)消除焊接残余应力的工艺参数

注：焰炬宽度为100mm时，每个焰炬乙炔消耗量为17m³／h，耗水量5～6L／min，焰炬与水管距离为130mm．

图11-44 加载降低内应力

(a)加载前的内应力分布；(b)加载后的内应力分布；(c)卸载后的内应力分布

图11-45 循环次数与消除应力效果

(a)未经变载荷作用的内应力分布；(b)试件截面；(c)经过6．2×10⁶次循环后的内应力分布；(d)经过不同循环次数作用后的内应力峰值的变化