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【钢结构课程】3.5 焊接应力和焊接变形

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第三章 钢结构的连接

3.5 焊接应力和焊接变形

3.5.1 焊接残余应力的分类及其产生的原因

(1)焊接残余应力的分类

(a)纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;

(b)横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向;

(c)沿厚度方向的焊接残余应力。

(2)焊接残余应力产生的原因

(a)纵向焊接残余应力

焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程,焊件上产生不均匀的温度场,焊缝处可达1600oC,而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大,但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制,产生热态塑性压缩,焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩,但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。

对于低碳钢和低合金钢,该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力,故在焊件内自相平衡,这必然在焊缝稍远区产生压应力。 


(b)横向焊接残余应力产生的原因

1)焊缝的纵向收缩,使焊件有反向弯曲变形的趋势,导致两焊件在焊缝处中部受拉,两端受压;


2)焊接时已凝固的先焊焊缝,阻止后焊焊缝的横向膨胀,产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时,后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力,而先焊焊缝产生压应力,因应力自相平衡,更远处焊缝则产生拉应力;应力分布与施焊方向有关。

不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:


  以上两种应力的组合即为,横向焊接残余应力。

(c)沿厚度方向的焊接残余应力

在厚钢板的焊接连接中,焊缝需要多层施焊,焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝,阻止后焊焊缝的膨胀,产生塑性压缩变形。焊缝冷却时,后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力,而先焊焊缝产生压应力,因应力自相平衡,更远处焊缝则产生拉应力。


因此,除了横向和纵向焊接残余应力σx,σy 外,还存在沿厚度方向的焊接残余应力σz,这三种应力形成同号(受拉)三向应力,大大降低连接的塑性。


3.5.2 焊接残余应力对结构性能的影响

(1)对结构静力强度的影响

(2)对结构刚度的影响


(a)当焊接残余应力存在时,因截面的bt部分拉应力已经达到fy ,故该部分刚度为零(屈服),这时在N作用下应变增量为: 

(b)当截面上没有焊接残余应力时,在N作用下应变增量为: 

因为B-b<B,所以△ε1> △ε2

结论:

焊接残余应力的存在增大了结构的变形,即降低了结构的刚度。

另外,对于轴心受压构件,焊接残余应力使其挠曲刚度减小,降低压杆的稳定承载力(后续章节将讲到)。

 (3)对低温冷脆的影响

对于厚板或交叉焊缝,将产生三向焊接残余拉应力,限制了其塑性的发展,增加了钢材低温脆断倾向。

所以,降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。

(4)对疲劳强度的影响

在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度,此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。


3.5.3 焊接变形分类

焊接变形包括:纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等,通常是几种变形的组合。

 


3.5.4 减小焊接残余应力和焊接变形的措施

(1)设计上的措施

(a)焊接位置的合理安排

(b)焊缝尺寸要适当

(c)焊缝数量要少,且不宜过分集中

(d)应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉

(e)应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力

(2)加工工艺上的措施

(a)采用合理的施焊顺序

(b)采用反变形处理

(c)小尺寸焊件,应焊前预热或焊后回火处理



查看往期课程,可点击如下链接:

第一章 钢结构概述

1.1 钢结构的特点

1.2 钢结构的应用范围

1.3 钢结构的设计方法

1.4 钢结构的发展

第二章 钢结构的材料

2.1 钢结构用钢的种类及如何选用

2.2 钢材的机械性能及影响因素

2.3 钢材在复杂应力下屈服条件、疲劳计算

第三章 钢结构的连接

3.1 钢结构连接概述

3.2 钢结构焊接种类和焊缝形式



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作者: ganggouren

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