焊接应力的研究方法

1. 在焊接研究领域内，控制焊接变形和减少应力集中是目前比较棘手的事，请问各位专家有更好的招吗

一、产生变形的原因及减少变形的方法
1、产生变形的原因
（1）焊接层数太多。
（2）焊接顺序不当。
（3）施工准备不足。
（4）母材冷却过速。
（5）母材过热。（薄板）
（6）焊缝设计不当。
（7）焊着金属过多。
（8）拘束方式不确实。
2、减少变形的方法
（1）使用直径较大之焊条及较高电流。
（2）改正焊接顺序
（3）焊接前，使用夹具将焊件固定以免发生翘曲。
（4）避免冷却过速或预热母材。
（5）选用穿透力低之焊材。
（6）减少焊缝间隙，减少开槽度数。
（7）注意焊接尺寸，不使焊道过大。
（8）注意防止变形的固定措施。
二、防止和减少焊接结构应力的方法
1、选择合理的装焊接顺序
（1）尽可能考虑恢复能自由收缩
1）对大型焊接结构，焊接应从中间向四周进行焊接，只有这样才能使恢复由中间向外依次收缩，减少焊接应力。
2）带肋板的工字钢，若先焊盖板与腹板再焊肋板和腹板的恢复，因角恢复的横向收缩会在盖板与腹板间造成很大的应力，若按顺序从中间逐格、并两边对称焊接使焊件能自由收缩，焊接应力就会大大减少。
（2）、收缩量最大的恢复应先焊
1）先焊的恢复受阻小，故焊后有一定的变形但应力较小。
2）收缩量大的焊缝，容易产生较大的焊接应力。因此焊件上收缩量最大的焊缝先焊可减少焊接应力。若焊件上即有对接焊缝又有角焊缝，应尽量先焊对接焊缝因为对接焊缝的收缩量比较焊缝大。
（3）平面交叉时应先焊横向焊缝
1）在焊缝交叉点会产生较大的焊接应力，若设计不可避免就应采用合理的焊接顺序。
2）T形焊缝和十字焊缝的合理顺序应确保横向焊缝先焊让其自由收缩以减少焊接应力，
注意：起弧点和收弧点应避免在焊缝的交叉点上。
2、选择合理的焊接参数
焊接时，应按焊件的具体情况尽可能采用小直径焊条（焊丝）与较小的热输入，以减少焊件受热范围，从而减少焊接应力。
3、预热法
（1）焊前对焊件的全部（或局部）进行加热，一般为150～350℃，其目的是减少焊接区域整体焊件的温差。温差越小，越能使焊缝区与结构整体均匀冷却，从而减少内应力。
（2）对淬硬倾向较大的材料或修补刚性较大的焊件常用此法。预热温度视金属材料的物理性能、结构刚性、散热条件等具体情况而有所差异。
4、加热“减应区”法
选择焊件的适当部位进行加热使之伸长。加热后再施焊，可使原来刚性大的焊件黄金原来大为减小。它可使焊件焊接区上阻碍接头自由收缩的部位之间温差大为减小，并可均匀冷却与收缩，进行焊接应力。
5、锤击法
（1）焊缝金属因在冷却收缩时受阻而产生拉伸应力，若在焊后冷却过程中用手锤或风动锤敲击焊缝金属，促使焊缝金属产生塑性变形，可抵消一定的焊缝收缩量，起到减小焊接应力的作用。
（2）实践证明：敲击第一层焊缝金属能使内应力几乎全部消除。为防止产生裂纹，应在焊缝塑性较好的热态时进行锤击；但盖面焊缝不宜锤击，因有损焊缝外观。

2. 焊接残余应力怎么分析，有哪些方面

焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限（Yield strength），以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。 这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。 焊接残余应力，是焊接工程研究领域的重点问题。涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。例如，在土木工程领域，对于钢结构焊接连接，残余应力对结构的疲劳性能，稳定承载力等均有影响。 焊接应力有暂时应力与残余应力之分。暂时应力只在焊接过程中一定的温度条件 下存在，当焊件冷却至常温时，暂时应力即行消失。焊接残余应力是指焊件冷却后残留在焊件内的应力。从结构的使用要求来看，焊接残余应力有着重要意义。残余应力按其方向可分为纵向、横向和沿厚度方向的应力三种。 1.纵向焊接残余应力 焊接过程一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场， 焊缝及附近温度最高，可达1600℃以上，其邻近区域则温度急剧下降。不均匀的温度场将产生不均匀的膨胀。焊缝及附近高温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低，膨胀较小的钢材的限制，产生了热状态塑性压缩。焊缝冷压时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩得比原始长度稍短，这种缩短变形受到焊缝两侧钢材的限制，使焊缝区产生纵向拉应力。在低碳钢和低合金钢中，这种拉应力以常达到钢材的屈服强度。焊接残余应力是荷载未作用时的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区域应力。用三块剪切下料的钢板焊成的工字形截面，纵向焊接残余应力分布。 2.横向残余应力 横向残余应力产生的原因有：①由于焊缝纵向收缩，两块钢板趋向于外弯成弓形的趋势，但在实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是在焊缝中部将产生横向拉应力，而在两端产生横向压应力。②焊缝在施焊过程中，先后冷却的时间不同，先焊的焊缝已经凝固，且具有一定的强度，会阻止后焊焊缝在横向的自由膨胀，使其产生横向的塑性压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固焊缝的限制而产生横向拉应力，同时在先焊部分的焊缝内产生横向压应力。横向收缩引起的横向应力与施焊方向及先后次序有关，焊缝的横向残余应力是上述两种原因产生的应力的合成。 3.沿焊缝厚度方向的残余应力 在厚钢板的连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向残余应力之外，沿厚度方向还存在着残余应力。这三种应力可能形成比较严重的同号三轴应力；会大大降低结构连接的塑性。这就是焊接结构易发生脆性破坏的原因之一。 以上分析是焊件在无外加约束情况下的焊接残余应力。若焊件施焊时处在约束状态，如采用强大夹具或焊件本身刚度较大等，焊件将因不能自由伸缩变形而产生更大的焊边残余应力，且随约束程度增加而增大。 如果想要解决残余应力和焊接变形的问题最好的办法是振动时效啊，没有 热时效那么麻烦而且还能消除95%以上的残余应力，华云家的就不错，你可以看一下。。。

3. 焊接变形的矫正方法

机械矫正法
1，手锤锻（敲）打：利用铁锤手工敲打变形焊接工件，为防止敲坏工件，一般要垫铁（最好是软金属材料），这是最简单的矫正方法。

2，对于薄型焊件，可采用辗压设备，如擀平机等，对焊缝及周围进行辗压，达到矫正目的；没有设备也可以根据实际情况利用现场的大货车，铲车等重车进行轮压。

3，对于简单，中小型焊接构件，可利用千斤顶（液压的，螺杆的均可）进行矫正。

4，对于刚度大，强度大的焊接件，可用压机（油压机，水压机，气压机）进行矫正。

5，对于型材可用专门的矫正设备（如辊压机等）进行矫正。

加热矫正法

6，加热矫正法的热源主要是火焰加热，决定加热矫正效果主要因素为:加热位置，加热温度和加热区形状；其中成败的关键是加热位置的正确选择，一般简构件凭经验判断；对于复杂构件要反复测试才能找到最佳加热位置。加热温度的判断，一般目测，也可用市售的测温仪（计）进行测量，加热温度一般不超过800℃（樱红色）。

7，点状加热：就是在金属表面集中一个点加热，圆点直径约10-20mm，点距在50-150mm,常加热完一个点后，立即用软锤敲击加热点，薄板敲打时背应加垫铁，并加水冷却（湿抹布擦拭也可），主要适合薄板的波浪形变形的矫正。

8，条状加热：在工件表面加热成条状带，带宽及带密度根据变形量决定，适用于厚板，变形量大，刚性大的结构（如粱，柱等）。

9，三角形加热（楔形加热）：加热区成三角形，三角形底边收缩量大于顶端收缩量，适用于刚度大，变形大的构件，比如弯曲变形。

10，点状加热，条状加热和三角形加热能够有机，灵活运用，对于矫正工作起到事半功倍的效果。

11，整体加热：适用于数量大，焊件小的情况下，考虑采用整体加热，给以机械矫正（趁热打铁）缓冷，这对于淬火性较强的材料很实用。

其它热源加热矫正
12，对于表面没有要求的焊件可采用焊条电弧焊，熔化极气保焊等在需要加热的部位施焊，进而矫正。

13，对于表面有要求的构件可采用钨极氩弧焊对需要加热的部位进行不添丝施焊（母材不熔化）的方式进行矫正。

14，感应加热矫正，适合焊件较小而数量较大工件，这种方法生产效率高。

15，远红外加热矫正，适合大型复杂的构件和野外作业使用。

焊接变形矫正时注意事项
16，焊接性好的材料一般都能采用加热法矫正，比如：低碳钢，塑性好的不锈钢，强度较低的低合金钢（14MnNb,Q345,Q390,Q420,14MnVTiXt,10MnpNb等）。

17，火焰矫正时采用水急冷，一般要等红色退去后再浇水，对于有淬火倾向或刚性很大构件不宜使用。

18，加热火焰一般中性焰，如果加热深度有要求时，可用氧化焰。

19，加热矫正时要考虑到下道工序的要求，若下道工序是热加工（焊接、热切割），可在加热矫正过程中作出后序所需的反变形量。

20，加热法可以用来矫正变形，使构建平直，反过来也可以把平直的构件弯曲成形。

21，火焰加热的燃料有多种：乙炔、丙烷、液化气、天燃气、汽油、煤油等；设备有氧焊枪、喷灯等。

22，对于大件、复杂构件，往往需要双人或多人同时加热才行！

23，为提高矫正效率，有必要制作一些专用多头火焰喷火工具，以达到加热均匀，并提高矫正质量。

4. 怎么防止焊接应力集中

可以应用1随焊敲击法，2焊接过程中采取分段焊接，3焊接过程中适当改变焊接顺序，4焊接完成后可以用火焰烘烤并对焊口敲击的方法等

5. 工业常用的焊接方法分几种

3、钎焊包括火焰钎焊、感应钎焊、炉钎焊、盐溶钎焊、电子束钎焊

6. 焊接应力怎样消除

1 整体高温回火（消除应力退火），
将整个焊接结构加热到一定温度（根据具体工件金属材质而定），保温一段时间，在冷却。可以消除80%-90%的残余应力。应用最为广泛的一种应力消除工艺。

2 局部高温回火，只针对焊缝及其周围部分局部回火，消除应力效果不如整体回火。设备较简单，适用于结构较简单，拘束度较小工件，诸如 长筒形容器，管道接头，长构件的对接接头等。

3 机械拉伸法，对焊接工件进行加载，使得焊接压缩塑性变形区得到拉伸，减少焊接引起的局部压缩变形量，来降低应力。常见的有水压试验，水压压力大于容器的使用压力，水压试验的同时对容器进行了一次机械拉伸。消除部分焊接引起的应力。

4 温差拉伸法 （低温消除应力），在焊缝两侧各一个适当宽度用氧乙炔火焰加热。在焊枪后边一定距离喷水冷却。焊枪火焰 冷却喷水以相同速度移动。形成一个两个温度高（峰值约200摄氏度） 焊接区域温度低（约100摄氏度）。两侧金属因受热膨胀对温度较低的焊接区进行拉伸，产生拉伸塑性变形。来抵消 原来的压缩塑性变形。从而消除内应力。常用于规则焊缝厚度小于40毫米的板 壳结构，应力的消除。

5 振动法，针对焊缝区域进行振动。使得振源与结构发生稳定的共振。利用稳定共振产生的变载应力，使焊缝区产生塑性变形。达到消除焊接应力的目的。碳素钢及 不锈钢金属结构 使用振动法消除应力效果较好。具有设备价格低廉，简单，处理成本低，时间短。不会产生高温回火的氧化问题 的特点。

7. 基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究

通过分析铸件等效应力随时间变化的各云图可知，
（1）起始时刻，铸件温度在1400摄氏度开始降温时，底座螺栓孔部位等效应力出现最大值，达到4.29GPa，然后在82.7s铸件等效应力最大值迅速下降到1.38GPa，然后依次在896.5s、1896.5s、3896.5s、5896.5s、11896.5s、15000s时刻，铸件等效应力最大值分别下降到0.551 GPa，0.294 GPa，0.126 GPa，0.068 GPa，0.027 GPa，0.025 GPa；
（2）整个降温阶段，轴承孔顶部的等效应力一直比底座部位小，主要是两个原因，一是因为应力分析时，对底座螺栓孔施加固定约束，造成此部分产生应力集中效应，二是因为底座料厚较厚，容易因降温造成变形，导致应力集中；
（3）通过对数据分析可知，降温初始阶段，等效应力下降较快，这是因为铸件材料线膨胀系数在高温阶段数值更大，更容易造成铸件变形，然后由变形不均匀导致等效应力出现。
铸件轴承孔顶端位置单元等效应力随时间变化如下图所示，由此图可知，在前1600s，轴承孔顶端位置单元等效应力迅速下降，然后1600s-15000s轴承孔顶端位置单元等效应力缓慢下降，造成此现象的原因是，降温初始阶段，温度迅速下降，铸件由热膨胀效应导致位移出现，产生应力；

8. 焊接残余应力的计算机模拟研究方法

近年来，计算机数值模拟技术逐渐应用于焊接结构残余应力的研究中。
焊接残余应力应力的计算机模拟采用热力耦合的弹塑性有限元模型，采用热分析与静力分析耦合的方法，计算得到了包括电弧焊、激光焊、电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、惯性摩擦焊等高新焊接技术在内的几乎所有焊接技术得到的焊接结构中的残余应力分布。模拟结果与实验测得值吻合良好。
计算机模拟方法正在逐步推广成为工业界广泛采用的一种不可或缺的数字化制造技术。
多家国内大学与研究单位，如清华大学（先进成型制造技术教育部重点实验室），西北工业大学（摩擦焊陕西省重点实验室）等，都在焊接残余应力的模拟与仿真技术开发与应用方面有着丰富的研究经验。

9. 如何控制焊接应力和变形（一）

由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形 ,严重影响着工程的质量、安装进度和结构承载力 (即使用功能 ),急需采用合理的方法予以控制。 钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程 ,但由于不均匀温度场 ,导致焊件不均匀的膨胀和收缩,从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有 :1)纵向应力 ;2)横向应力 ;3)厚度方向应力。常见的焊接变形有:1)纵向收缩变形 ;2)横向收缩变形 ;3)角变形 ;4)弯曲变形 ;5)扭曲变形 ;6)波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布,追溯根源,具体进行研究控制。 1、焊接变形的控制措施 全面分析各因素对焊接变形的影响 ,掌握其影响规律 ,即可采取合理的控制措施。 1.1 焊缝截面积的影响 焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大 ,冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的 ,而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。 1.2 焊接热输入的影响 一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。 1.3 焊接方法的影响 多种焊接方法的热输入差别较大，在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中，除电渣以外，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝断面积等相同情况下，收缩变形最大，手工电弧焊居中，ＣＯ2气体保护焊最小。 1.4 接头形式的影响 在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方面等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。 1)表面堆焊时，焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束，而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚、深度、母材方面的约束 ,因此 ,变形相对较小。 2)Ｔ形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似，其横向收缩值与角焊缝面积成正比，与板厚成反比。 3)对接接头在单道 (层 )焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因而角变形较大。 双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的减小，横向收缩减小，同时角变形也减小。 1.5 焊接层数的影响 1)横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。 2)纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束 ，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。 在工程焊接实践中 ,由于各种条件因素的综合作用 ,焊接残余变形的规律比较复杂，了解各因素单独作用的影响便于对工程具体情况做具体的综合分析。所以 ,了解焊接变形产生的原因和影响因素 ,则可以采取以下控制变形的措施： 1)减小焊缝截面积，在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸 (角度和间隙 )。 2)对屈服强度 345ＭＰａ以下，淬硬性不强的钢材采用较小的热输入，尽可能不预热或适当降低预热、层间温度；优先采用热输入较小的焊接方法 ,如ＣＯ2气体保护焊。 3)厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。 4)在满足设计要求情况下，纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。 5)双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。 6)Ｔ形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。 7)采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。 8)采用刚性夹具固定法控制焊后变形。 9)采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形，如Ｈ形纵向焊缝每米长可预留 0.5ｍｍ～ 0.7ｍｍ。 10)对于长构件的扭曲 ,主要靠提高板材平整度和构件组装精度 ,使坡口角度和间隙准确 ,电弧的指向或对中准确，以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。 11)在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时，要采取合理的焊接顺序。 12)设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理布置焊缝，除了要避免焊缝密集以外，还应使焊缝位置尽可能靠近构件的中和轴，并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。