焊接應力的研究方法

1. 在焊接研究領域內，控制焊接變形和減少應力集中是目前比較棘手的事，請問各位專家有更好的招嗎

一、產生變形的原因及減少變形的方法
1、產生變形的原因
（1）焊接層數太多。
（2）焊接順序不當。
（3）施工准備不足。
（4）母材冷卻過速。
（5）母材過熱。（薄板）
（6）焊縫設計不當。
（7）焊著金屬過多。
（8）拘束方式不確實。
2、減少變形的方法
（1）使用直徑較大之焊條及較高電流。
（2）改正焊接順序
（3）焊接前，使用夾具將焊件固定以免發生翹曲。
（4）避免冷卻過速或預熱母材。
（5）選用穿透力低之焊材。
（6）減少焊縫間隙，減少開槽度數。
（7）注意焊接尺寸，不使焊道過大。
（8）注意防止變形的固定措施。
二、防止和減少焊接結構應力的方法
1、選擇合理的裝焊接順序
（1）盡可能考慮恢復能自由收縮
1）對大型焊接結構，焊接應從中間向四周進行焊接，只有這樣才能使恢復由中間向外依次收縮，減少焊接應力。
2）帶肋板的工字鋼，若先焊蓋板與腹板再焊肋板和腹板的恢復，因角恢復的橫向收縮會在蓋板與腹板間造成很大的應力，若按順序從中間逐格、並兩邊對稱焊接使焊件能自由收縮，焊接應力就會大大減少。
（2）、收縮量最大的恢復應先焊
1）先焊的恢復受阻小，故焊後有一定的變形但應力較小。
2）收縮量大的焊縫，容易產生較大的焊接應力。因此焊件上收縮量最大的焊縫先焊可減少焊接應力。若焊件上即有對接焊縫又有角焊縫，應盡量先焊對接焊縫因為對接焊縫的收縮量比較焊縫大。
（3）平面交叉時應先焊橫向焊縫
1）在焊縫交叉點會產生較大的焊接應力，若設計不可避免就應採用合理的焊接順序。
2）T形焊縫和十字焊縫的合理順序應確保橫向焊縫先焊讓其自由收縮以減少焊接應力，
注意：起弧點和收弧點應避免在焊縫的交叉點上。
2、選擇合理的焊接參數
焊接時，應按焊件的具體情況盡可能採用小直徑焊條（焊絲）與較小的熱輸入，以減少焊件受熱范圍，從而減少焊接應力。
3、預熱法
（1）焊前對焊件的全部（或局部）進行加熱，一般為150～350℃，其目的是減少焊接區域整體焊件的溫差。溫差越小，越能使焊縫區與結構整體均勻冷卻，從而減少內應力。
（2）對淬硬傾向較大的材料或修補剛性較大的焊件常用此法。預熱溫度視金屬材料的物理性能、結構剛性、散熱條件等具體情況而有所差異。
4、加熱「減應區」法
選擇焊件的適當部位進行加熱使之伸長。加熱後再施焊，可使原來剛性大的焊件黃金原來大為減小。它可使焊件焊接區上阻礙接頭自由收縮的部位之間溫差大為減小，並可均勻冷卻與收縮，進行焊接應力。
5、錘擊法
（1）焊縫金屬因在冷卻收縮時受阻而產生拉伸應力，若在焊後冷卻過程中用手錘或風動錘敲擊焊縫金屬，促使焊縫金屬產生塑性變形，可抵消一定的焊縫收縮量，起到減小焊接應力的作用。
（2）實踐證明：敲擊第一層焊縫金屬能使內應力幾乎全部消除。為防止產生裂紋，應在焊縫塑性較好的熱態時進行錘擊；但蓋面焊縫不宜錘擊，因有損焊縫外觀。

2. 焊接殘余應力怎麼分析，有哪些方面

焊件在焊接過程中，熱應力、相變應力、加工應力等超過屈服極限（Yield strength），以致冷卻後焊件中留有未能消除的應力。 這樣，焊接冷卻後的殘余在焊件中的宏觀應力稱為殘余焊接應力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。 焊接殘余應力，是焊接工程研究領域的重點問題。涉及焊接的各種工程應用中，都十分關注殘余應力的影響。例如，在土木工程領域，對於鋼結構焊接連接，殘余應力對結構的疲勞性能，穩定承載力等均有影響。 焊接應力有暫時應力與殘余應力之分。暫時應力只在焊接過程中一定的溫度條件 下存在，當焊件冷卻至常溫時，暫時應力即行消失。焊接殘余應力是指焊件冷卻後殘留在焊件內的應力。從結構的使用要求來看，焊接殘余應力有著重要意義。殘余應力按其方向可分為縱向、橫向和沿厚度方向的應力三種。 1.縱向焊接殘余應力 焊接過程一個不均勻加熱和冷卻的過程。在施焊時，焊件上產生不均勻的溫度場， 焊縫及附近溫度最高，可達1600℃以上，其鄰近區域則溫度急劇下降。不均勻的溫度場將產生不均勻的膨脹。焊縫及附近高溫處的鋼材膨脹最大，由於受到兩側溫度較低，膨脹較小的鋼材的限制，產生了熱狀態塑性壓縮。焊縫冷壓時，被塑性壓縮的焊縫區趨向於縮得比原始長度稍短，這種縮短變形受到焊縫兩側鋼材的限制，使焊縫區產生縱向拉應力。在低碳鋼和低合金鋼中，這種拉應力以常達到鋼材的屈服強度。焊接殘余應力是荷載未作用時的內應力，因此會在焊件內部自相平衡，這就必然在距焊縫稍遠區域應力。用三塊剪切下料的鋼板焊成的工字形截面，縱向焊接殘余應力分布。 2.橫向殘余應力 橫向殘余應力產生的原因有：①由於焊縫縱向收縮，兩塊鋼板趨向於外彎成弓形的趨勢，但在實際上焊縫將兩塊鋼板連成整體，不能分開，於是在焊縫中部將產生橫向拉應力，而在兩端產生橫向壓應力。②焊縫在施焊過程中，先後冷卻的時間不同，先焊的焊縫已經凝固，且具有一定的強度，會阻止後焊焊縫在橫向的自由膨脹，使其產生橫向的塑性壓縮變形。當焊縫冷卻時，後焊焊縫的收縮受到已凝固焊縫的限制而產生橫向拉應力，同時在先焊部分的焊縫內產生橫向壓應力。橫向收縮引起的橫向應力與施焊方向及先後次序有關，焊縫的橫向殘余應力是上述兩種原因產生的應力的合成。 3.沿焊縫厚度方向的殘余應力 在厚鋼板的連接中，焊縫需要多層施焊。因此，除有縱向和橫向殘余應力之外，沿厚度方向還存在著殘余應力。這三種應力可能形成比較嚴重的同號三軸應力；會大大降低結構連接的塑性。這就是焊接結構易發生脆性破壞的原因之一。 以上分析是焊件在無外加約束情況下的焊接殘余應力。若焊件施焊時處在約束狀態，如採用強大夾具或焊件本身剛度較大等，焊件將因不能自由伸縮變形而產生更大的焊邊殘余應力，且隨約束程度增加而增大。 如果想要解決殘余應力和焊接變形的問題最好的辦法是振動時效啊，沒有 熱時效那麼麻煩而且還能消除95%以上的殘余應力，華雲家的就不錯，你可以看一下。。。

3. 焊接變形的矯正方法

機械矯正法
1，手錘鍛（敲）打：利用鐵錘手工敲打變形焊接工件，為防止敲壞工件，一般要墊鐵（最好是軟金屬材料），這是最簡單的矯正方法。

2，對於薄型焊件，可採用輾壓設備，如擀平機等，對焊縫及周圍進行輾壓，達到矯正目的；沒有設備也可以根據實際情況利用現場的大貨車，鏟車等重車進行輪壓。

3，對於簡單，中小型焊接構件，可利用千斤頂（液壓的，螺桿的均可）進行矯正。

4，對於剛度大，強度大的焊接件，可用壓機（油壓機，水壓機，氣壓機）進行矯正。

5，對於型材可用專門的矯正設備（如輥壓機等）進行矯正。

加熱矯正法

6，加熱矯正法的熱源主要是火焰加熱，決定加熱矯正效果主要因素為:加熱位置，加熱溫度和加熱區形狀；其中成敗的關鍵是加熱位置的正確選擇，一般簡構件憑經驗判斷；對於復雜構件要反復測試才能找到最佳加熱位置。加熱溫度的判斷，一般目測，也可用市售的測溫儀（計）進行測量，加熱溫度一般不超過800℃（櫻紅色）。

7，點狀加熱：就是在金屬表面集中一個點加熱，圓點直徑約10-20mm，點距在50-150mm,常加熱完一個點後，立即用軟錘敲擊加熱點，薄板敲打時背應加墊鐵，並加水冷卻（濕抹布擦拭也可），主要適合薄板的波浪形變形的矯正。

8，條狀加熱：在工件表面加熱成條狀帶，帶寬及帶密度根據變形量決定，適用於厚板，變形量大，剛性大的結構（如粱，柱等）。

9，三角形加熱（楔形加熱）：加熱區成三角形，三角形底邊收縮量大於頂端收縮量，適用於剛度大，變形大的構件，比如彎曲變形。

10，點狀加熱，條狀加熱和三角形加熱能夠有機，靈活運用，對於矯正工作起到事半功倍的效果。

11，整體加熱：適用於數量大，焊件小的情況下，考慮採用整體加熱，給以機械矯正（趁熱打鐵）緩冷，這對於淬火性較強的材料很實用。

其它熱源加熱矯正
12，對於表面沒有要求的焊件可採用焊條電弧焊，熔化極氣保焊等在需要加熱的部位施焊，進而矯正。

13，對於表面有要求的構件可採用鎢極氬弧焊對需要加熱的部位進行不添絲施焊（母材不熔化）的方式進行矯正。

14，感應加熱矯正，適合焊件較小而數量較大工件，這種方法生產效率高。

15，遠紅外加熱矯正，適合大型復雜的構件和野外作業使用。

焊接變形矯正時注意事項
16，焊接性好的材料一般都能採用加熱法矯正，比如：低碳鋼，塑性好的不銹鋼，強度較低的低合金鋼（14MnNb,Q345,Q390,Q420,14MnVTiXt,10MnpNb等）。

17，火焰矯正時採用水急冷，一般要等紅色退去後再澆水，對於有淬火傾向或剛性很大構件不宜使用。

18，加熱火焰一般中性焰，如果加熱深度有要求時，可用氧化焰。

19，加熱矯正時要考慮到下道工序的要求，若下道工序是熱加工（焊接、熱切割），可在加熱矯正過程中作出後序所需的反變形量。

20，加熱法可以用來矯正變形，使構建平直，反過來也可以把平直的構件彎曲成形。

21，火焰加熱的燃料有多種：乙炔、丙烷、液化氣、天燃氣、汽油、煤油等；設備有氧焊槍、噴燈等。

22，對於大件、復雜構件，往往需要雙人或多人同時加熱才行！

23，為提高矯正效率，有必要製作一些專用多頭火焰噴火工具，以達到加熱均勻，並提高矯正質量。

4. 怎麼防止焊接應力集中

可以應用1隨焊敲擊法，2焊接過程中採取分段焊接，3焊接過程中適當改變焊接順序，4焊接完成後可以用火焰烘烤並對焊口敲擊的方法等

5. 工業常用的焊接方法分幾種

3、釺焊包括火焰釺焊、感應釺焊、爐釺焊、鹽溶釺焊、電子束釺焊

6. 焊接應力怎樣消除

1 整體高溫回火（消除應力退火），
將整個焊接結構加熱到一定溫度（根據具體工件金屬材質而定），保溫一段時間，在冷卻。可以消除80%-90%的殘余應力。應用最為廣泛的一種應力消除工藝。

2 局部高溫回火，只針對焊縫及其周圍部分局部回火，消除應力效果不如整體回火。設備較簡單，適用於結構較簡單，拘束度較小工件，諸如 長筒形容器，管道接頭，長構件的對接接頭等。

3 機械拉伸法，對焊接工件進行載入，使得焊接壓縮塑性變形區得到拉伸，減少焊接引起的局部壓縮變形量，來降低應力。常見的有水壓試驗，水壓壓力大於容器的使用壓力，水壓試驗的同時對容器進行了一次機械拉伸。消除部分焊接引起的應力。

4 溫差拉伸法 （低溫消除應力），在焊縫兩側各一個適當寬度用氧乙炔火焰加熱。在焊槍後邊一定距離噴水冷卻。焊槍火焰 冷卻噴水以相同速度移動。形成一個兩個溫度高（峰值約200攝氏度） 焊接區域溫度低（約100攝氏度）。兩側金屬因受熱膨脹對溫度較低的焊接區進行拉伸，產生拉伸塑性變形。來抵消 原來的壓縮塑性變形。從而消除內應力。常用於規則焊縫厚度小於40毫米的板 殼結構，應力的消除。

5 振動法，針對焊縫區域進行振動。使得振源與結構發生穩定的共振。利用穩定共振產生的變載應力，使焊縫區產生塑性變形。達到消除焊接應力的目的。碳素鋼及 不銹鋼金屬結構 使用振動法消除應力效果較好。具有設備價格低廉，簡單，處理成本低，時間短。不會產生高溫回火的氧化問題 的特點。

7. 基於ANSYS的焊接溫度場和應力的數值模擬研究

通過分析鑄件等效應力隨時間變化的各雲圖可知，
（1）起始時刻，鑄件溫度在1400攝氏度開始降溫時，底座螺栓孔部位等效應力出現最大值，達到4.29GPa，然後在82.7s鑄件等效應力最大值迅速下降到1.38GPa，然後依次在896.5s、1896.5s、3896.5s、5896.5s、11896.5s、15000s時刻，鑄件等效應力最大值分別下降到0.551 GPa，0.294 GPa，0.126 GPa，0.068 GPa，0.027 GPa，0.025 GPa；
（2）整個降溫階段，軸承孔頂部的等效應力一直比底座部位小，主要是兩個原因，一是因為應力分析時，對底座螺栓孔施加固定約束，造成此部分產生應力集中效應，二是因為底座料厚較厚，容易因降溫造成變形，導致應力集中；
（3）通過對數據分析可知，降溫初始階段，等效應力下降較快，這是因為鑄件材料線膨脹系數在高溫階段數值更大，更容易造成鑄件變形，然後由變形不均勻導致等效應力出現。
鑄件軸承孔頂端位置單元等效應力隨時間變化如下圖所示，由此圖可知，在前1600s，軸承孔頂端位置單元等效應力迅速下降，然後1600s-15000s軸承孔頂端位置單元等效應力緩慢下降，造成此現象的原因是，降溫初始階段，溫度迅速下降，鑄件由熱膨脹效應導致位移出現，產生應力；

8. 焊接殘余應力的計算機模擬研究方法

近年來，計算機數值模擬技術逐漸應用於焊接結構殘余應力的研究中。
焊接殘余應力應力的計算機模擬採用熱力耦合的彈塑性有限元模型，採用熱分析與靜力分析耦合的方法，計算得到了包括電弧焊、激光焊、電子束焊、激光焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、慣性摩擦焊等高新焊接技術在內的幾乎所有焊接技術得到的焊接結構中的殘余應力分布。模擬結果與實驗測得值吻合良好。
計算機模擬方法正在逐步推廣成為工業界廣泛採用的一種不可或缺的數字化製造技術。
多家國內大學與研究單位，如清華大學（先進成型製造技術教育部重點實驗室），西北工業大學（摩擦焊陝西省重點實驗室）等，都在焊接殘余應力的模擬與模擬技術開發與應用方面有著豐富的研究經驗。

9. 如何控制焊接應力和變形（一）

由於焊接產生的焊接殘余應力和殘余變形 ,嚴重影響著工程的質量、安裝進度和結構承載力 (即使用功能 ),急需採用合理的方法予以控制。 鋼結構的焊接過程實際上是在焊件局部區域加熱後又冷卻凝固的熱過程 ,但由於不均勻溫度場 ,導致焊件不均勻的膨脹和收縮,從而使焊件內部產生焊接應力而引起焊接變形。常見的焊接應力有 :1)縱向應力 ;2)橫向應力 ;3)厚度方向應力。常見的焊接變形有:1)縱向收縮變形 ;2)橫向收縮變形 ;3)角變形 ;4)彎曲變形 ;5)扭曲變形 ;6)波浪變形。針對這些不同種類的焊接變形和應力分布,追溯根源,具體進行研究控制。 1、焊接變形的控制措施 全面分析各因素對焊接變形的影響 ,掌握其影響規律 ,即可採取合理的控制措施。 1.1 焊縫截面積的影響 焊縫截面積是指熔合線范圍內的金屬面積。焊縫面積越大 ,冷卻時收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的 ,而且是起主要的影響，因此，在板厚相同時，坡口尺寸越大，收縮變形越大。 1.2 焊接熱輸入的影響 一般情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區增大。 1.3 焊接方法的影響 多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建築鋼結構焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，ＣＯ2氣體保護焊最小。 1.4 接頭形式的影響 在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時，不同的接頭形式對縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對接焊。 1)表面堆焊時，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限於工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時受到板厚、深度、母材方面的約束 ,因此 ,變形相對較小。 2)Ｔ形角接接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。 3)對接接頭在單道 (層 )焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。 雙面焊時情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時角變形也減小。 1.5 焊接層數的影響 1)橫向收縮：在對接接頭多層焊接時，第一層焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規律，第一層以後相當於無間隙對接焊，接近於蓋面焊道時與堆焊的條件和變形規律相似，因此，收縮變形相對較小。 2)縱向收縮：多層焊接時，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成後都對下層焊縫形成約束 ，因此，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數越多，縱向變形越小。 在工程焊接實踐中 ,由於各種條件因素的綜合作用 ,焊接殘余變形的規律比較復雜，了解各因素單獨作用的影響便於對工程具體情況做具體的綜合分析。所以 ,了解焊接變形產生的原因和影響因素 ,則可以採取以下控制變形的措施： 1)減小焊縫截面積，在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下，盡可能採用較小的坡口尺寸 (角度和間隙 )。 2)對屈服強度 345ＭＰａ以下，淬硬性不強的鋼材採用較小的熱輸入，盡可能不預熱或適當降低預熱、層間溫度；優先採用熱輸入較小的焊接方法 ,如ＣＯ2氣體保護焊。 3)厚板焊接盡可能採用多層焊代替單層焊。 4)在滿足設計要求情況下，縱向加強肋和橫向加強肋的焊接可採用間斷焊接法。 5)雙面均可焊接操作時，要採用雙面對稱坡口，並在多層焊時採用與構件中和軸對稱的焊接順序。 6)Ｔ形接頭板厚較大時採用開坡口角對接焊縫。 7)採用焊前反變形方法控制焊後的角變形。 8)採用剛性夾具固定法控制焊後變形。 9)採用構件預留長度法補償焊縫縱向收縮變形，如Ｈ形縱向焊縫每米長可預留 0.5ｍｍ～ 0.7ｍｍ。 10)對於長構件的扭曲 ,主要靠提高板材平整度和構件組裝精度 ,使坡口角度和間隙准確 ,電弧的指向或對中准確，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構件長度方向一致。 11)在焊縫眾多的構件組焊時或結構安裝時，要採取合理的焊接順序。 12)設計上要盡量減少焊縫的數量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應使焊縫位置盡可能靠近構件的中和軸，並使焊縫的布置與構件中和軸相對稱。