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钢结构的连接 焊缝连接 焊接残余应力的成因 1) 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。 纵向焊接残余应力 2) 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。 焊接残余应力的成因 3) 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。 焊接残余应力的成因 焊接残余应力的成因 横向焊接残余应力 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； 焊接残余应力的成因 焊接残余应力的成因 (a) 焊缝纵向收缩 时的变形趋势 - + - (b) 焊缝纵向收缩 时的横向应力 x y 横向焊接残余应力 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。 焊接残余应力的成因 焊接残余应力的成因 + - + 施焊方向 (c) 焊缝横向收缩 时的横向应力 x y (a) 焊缝纵向收缩 时的变形趋势 - + - (b) 焊缝纵向收缩 时的横向应力 x y + - + 施焊方向 (c) 焊缝横向收缩 时的横向应力 x y - + + 施焊方向 (e) - + - 施焊方向 ( d ) x y y x 不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力 焊接残余应力的成因 - - + (f) 焊缝横向 残余应力 y x 焊接残余应力的成因 沿厚度方向的焊接残余应力 1) 在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。 2) 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。 3) 因此，除了横向和纵向焊接残余应力?x ，?y外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力?z ，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。 焊接残余变形的产生 焊接残余应力的成因 在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。 焊接残余变形 焊接残余变形的产生 焊接残余应力和变形对结构工作性能的影响 对结构静力强度的影响 因焊接残余应力自相平衡，故： 当板件全截面达到fy，即N=Ny时： 结论： 焊接残余应力不会影响结构的静力强度 焊接应力和变形对结构工作性能的影响 焊接残余应力和变形对结构刚度的影响 对结构刚度的影响 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： △ε1 △ε2 当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增量为： 结论：焊接残余应力使结构变形增大，即降低了结构的刚度。 焊接应力和变形对结构工作性能的影响 低温冷脆的影响 低温冷脆的影响 对疲劳强度的影响 对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，阻碍塑性的发展，使裂缝容易发生和发展，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。 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。 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。 对压杆稳定的影响 焊接应力和变形对结构工作性能的影响 焊接残余应力和变形对结构工作性能总的影响 ▲ 常温下不影响结构的静力强度； ▲ 增大结构的变形，降低结构的刚度； ▲ 降低疲劳强度； ▲ 在厚板或交叉焊缝处产生三向应力状态，阻碍了塑性 变形，在低温下使裂纹易发生和发展； ▲ 降低压杆的稳定性。 焊接变形的影响 ▲ 焊接变形若超出验收规范规定，需花许多工时去矫正； ▲ 影响构件的尺寸和外形美观，还可能降低结构的承载 力，引起事故。 焊接应力和变形对结构工作性能的影响 焊接应力的影响 减少影响的措施 （1）采用合理的施焊顺序和方向 （2）采用反变形法减小焊接变形或焊接应力 （3）锤击或碾压焊缝使焊缝得到延伸 （4）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理 合理的焊缝设计 （1）合理的选择焊缝的尺寸和形式 （2）尽可能减少不必要的焊缝 （