鋼結(jié)構(gòu)基本原理及設(shè)計焊接殘余應(yīng)力和焊接變形

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1、焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.4.1焊接殘余應(yīng)力和變形的成因一.焊接殘余應(yīng)力的成因焊接殘余應(yīng)力簡稱焊接應(yīng)力1.現(xiàn)象2.成因§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（1）焊縫出現(xiàn)不均勻溫度場焊縫附近溫度最高，可高達(dá)1600度以上在焊縫區(qū)以外，溫度則急劇下降§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（2）焊縫區(qū)受熱而縱向膨脹，但這種膨脹因變形的平截面規(guī)律(變形前的平截面，變形后仍保持平面)而受到其相鄰較低溫度區(qū)的約束，使焊縫區(qū)產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。熱應(yīng)力互相阻礙§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（3）由于鋼材在600℃以上時呈塑性狀態(tài)(熱塑性狀態(tài))，因而高溫區(qū)的這種壓應(yīng)力使焊縫區(qū)的鋼材產(chǎn)生塑性壓縮變形，塑性變形當(dāng)

2、溫度下降、壓應(yīng)力消失時不能恢復(fù)應(yīng)力當(dāng)焊件完全冷卻后仍殘留在焊縫區(qū)鋼材內(nèi)，故名焊接殘余應(yīng)力。Q235鋼等低合金鋼焊接后的殘余拉應(yīng)力?？筛哌_(dá)其屈服點(diǎn)。殘余應(yīng)力是構(gòu)件未受荷載作用而早已殘留在構(gòu)件截面內(nèi)的應(yīng)力，因而截面上的殘余應(yīng)力自相平衡?！?-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（1）縱向焊接應(yīng)力3.分類縱向焊接應(yīng)力橫向焊接應(yīng)力沿厚度方向的焊接應(yīng)力（2）橫向焊接應(yīng)力§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形兩部分組成：其一是由焊縫區(qū)的縱向收縮所引起。如把鋼板假想沿焊縫切開，由于焊縫的縱向收縮，兩塊鋼板產(chǎn)生如圖(a)中虛線所示的彎曲變形。§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形因而可見在焊縫長度的中間部分必然產(chǎn)生橫

3、向拉應(yīng)力，而在焊縫的兩瑞則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，應(yīng)力分布如圖(b)所示。§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形其二是由焊縫的橫向收縮所引起。施焊時，焊縫的形成有先有后，先焊的部分先冷卻，先冷卻的焊縫區(qū)限制了后冷卻焊縫區(qū)的橫向收縮，使產(chǎn)生橫向焊接殘余應(yīng)力如圖(c)所示。§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形最后的橫向焊接殘余應(yīng)力當(dāng)為兩者即圖(b)和圖(c)的疊加，如圖(d)所示?！?-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（3）厚度方向的焊接應(yīng)力§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形二.焊接殘余變形的成因1.焊接不均勻的加熱焊接區(qū)產(chǎn)生熱塑性壓縮變形冷卻時焊接區(qū)要在縱向和橫向收縮構(gòu)件產(chǎn)生局部

4、鼓曲、彎曲、歪曲和扭轉(zhuǎn)2.焊接殘余變形縱、橫向收縮、彎曲變形、角變形和扭曲變形等焊接后殘余在結(jié)構(gòu)的變形叫做焊接殘余變形?！?-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形縱向收縮變形和橫向收縮變形§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊縫縱向收縮所引起的彎曲變形焊縫橫向收縮所引起的角變形§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形減小鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余變形是設(shè)計和施工制造時必須共同考慮的問題，必須從設(shè)計和工藝兩方面來解決。波浪式變形扭曲變形§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形后冷處形成殘余拉應(yīng)力后冷處形成收縮變形§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.4.2焊接應(yīng)力和變形對結(jié)構(gòu)工作性能的影響一.焊接應(yīng)力的影響1.對結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的

5、影響§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接應(yīng)力自相平衡受拉區(qū)應(yīng)力面積At受壓區(qū)應(yīng)力面積Ac即At=Ac=btfy。截面達(dá)到屈服點(diǎn)fy時所承受的外力焊接應(yīng)力不影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度2.對結(jié)構(gòu)剛度的影響焊接應(yīng)力降低結(jié)構(gòu)的剛度。殘余應(yīng)力的拉桿的抗拉剛度為（B-b）tE，而無殘余應(yīng)力的相同截面的拉桿的抗拉剛度為BtE3.殘余應(yīng)力影響壓桿穩(wěn)定性有效面積、有效慣性矩§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形4.對低溫冷脆的影響焊接殘余應(yīng)力對低溫冷脆影響厚板和具有嚴(yán)重缺陷的焊縫中，以及在交叉焊縫的情況下，產(chǎn)生了阻礙塑性變形的三軸拉應(yīng)力，使裂紋容易發(fā)生和發(fā)展?！?-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形5.對疲勞強(qiáng)度的影響在焊

6、縫及其附近的主體金屬殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材屈服點(diǎn)，此部位正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域。因此，焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯不利影響。多軸殘余效應(yīng)力將進(jìn)一步降低疲勞應(yīng)力.二.焊接變形的影響構(gòu)件安裝困難矯正影響尺寸和外形初偏心初彎曲可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力附加內(nèi)力§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形3.4.3減少焊接應(yīng)力和變形的措施設(shè)計和焊接工藝一.合理的焊縫設(shè)計（1）合理的選擇焊縫的尺寸和形式滿足最小焊腳尺寸的條件下，一般用較小的hf加大焊縫長度。不要因考慮“安全”而任意加大超過計算所需要的焊縫尺寸?！?-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（2）盡可能能減少不必要的焊縫采用薄板，不

7、適當(dāng)?shù)卮罅坎捎眉觿爬?，不但增加了裝配和焊接的工作量，易引起大的焊接變形。§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（3）合理地安排焊縫的位置安排焊縫時盡可能對稱于截面中性軸，（4）盡量避免焊縫的過分集中和交叉。焊縫不宜過分集中并盡量對稱布置焊縫以消除焊接殘余變形和盡量避免三向焊縫相交。三向焊縫相交時，中斷次要焊縫使主要焊縫保持連續(xù)§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形（5）盡量避免在母材厚度方向的收縮應(yīng)力。（6）肋板不宜帶銳角焊縫不宜過分集中板寬不同避免仰焊§3-4焊接殘余應(yīng)力和焊接變形二.合理的工藝措施（1）采用合理的焊接順序和方向