橋式起重機(jī)焊接工藝及制造工藝(2015年課件)(1)VIP

起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)制造基礎(chǔ)知識焊接應(yīng)力與變形第一節(jié) 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生 一、焊接應(yīng)力與變形的基本知識 1、彈性變形和塑性變形 變形: 物體在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱為物體的變形。 彈性變形: 當(dāng)使物體產(chǎn)生變形的外力或其他因素去除后變形也隨之消失，物體可恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為彈性變形。 塑性變形: 當(dāng)外力或其他因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為塑性變形。 2、應(yīng)力 物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力。 另外，在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時(shí)，在物體內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力。 作用在物體單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。 根據(jù)引起內(nèi)力原因的不同，可將應(yīng)力分為工作應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。 工作應(yīng)力是由外力作用于物體而引起的應(yīng)力； 內(nèi)應(yīng)力是由物體的化學(xué)成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部的不均勻性變形而引起的應(yīng)力。 3、焊接應(yīng)力與焊接變形 焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。 焊接變形是由焊接而引起的焊件尺寸的改變。 三、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因 1、焊件的不均勻受熱 （1）不受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形 其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過程中不會(huì)產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，冷卻后也不會(huì)有任何殘余應(yīng)力和殘余變形。 （2）受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形 如果加熱溫度較高，達(dá)到或超過材料屈服點(diǎn)溫度時(shí)（TTS=600 ） ，則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時(shí)，彈性變形恢復(fù)，塑性變形不可恢復(fù)，可能出現(xiàn)以下三種情況： 如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形而無殘余應(yīng)力； 如果桿件受絕對拘束，那么桿件中沒有殘余變形而存在較大的殘余應(yīng)力； 如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應(yīng)力又有殘余變形。 （3）長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應(yīng)力與變形（4）長板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊堆焊）引起的應(yīng)力與變形 2、焊縫金屬的收縮 當(dāng)焊縫金屬冷卻、由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個(gè)焊件的變形，同時(shí)在焊縫中引起殘余應(yīng)力。 3、金屬組織的變化 鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生金相組織的變化，這些組織的比體積不一樣，也會(huì)造成焊接應(yīng)力與變形。4.焊件的剛性和拘束 焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大；反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越小。 剛性是指焊件抵抗變形的能力。 拘束是指焊件周圍物體對焊接變形的約束。第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力及分布 一、焊接殘余應(yīng)力 是焊件焊完冷卻后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。 二、焊接殘余應(yīng)力的分布 1、縱向殘余應(yīng)力 x 的分布 作用方向平行于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力。 2、橫向殘余應(yīng)力 y 的分布 垂直于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力。 （1）焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力 y 圖 1-8a （2）橫向收縮所引起的橫向殘余應(yīng)力 y 總之，橫向殘余應(yīng)力的兩個(gè)組成部 y、y 同時(shí)存在，焊件中的橫向殘余應(yīng)力 y 是由 y、y 合成的，但它的大小要受 s 的限制。 三、焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響 1、對焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響 焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。 2、對構(gòu)件加工尺寸精度的影響 3、對受壓桿件穩(wěn)定性的影響 4、對疲勞強(qiáng)度的影響 四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施 1、設(shè)計(jì)措施 1）盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸 2）避免焊縫過分集中 3）采用剛度較小的接頭形式 2、工藝措施 （1）采用合理的裝配焊接順序和方向 在一個(gè)平面上的焊縫，焊接時(shí)應(yīng)保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由，如圖 1-20 所示的拼板焊接，合理的焊接順序應(yīng)是圖 1-20 中的110，即先焊相互錯(cuò)開的短焊縫，后焊直通長焊縫。收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊。因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，因而殘余應(yīng)力就比較小。如圖 1-21 所示的帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊蓋板上的對接焊縫 1，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫 2，原因是對接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。工作時(shí)受力最大的焊縫應(yīng)先焊。如圖 1-22 所示的大型工字梁，應(yīng)先焊受力最大的翼板對接焊縫 1，再焊腹板對接焊縫 2，最后焊預(yù)先留出來的一段角焊縫3。 焊接平面交叉焊縫時(shí)，在焊縫的交叉點(diǎn)易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。對接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。 （2）預(yù)熱法 （3）冷焊法 冷焊法是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結(jié)構(gòu)上其他部位間的溫度差。 （4）降低焊縫的拘束度 （5）加熱“ 減應(yīng)區(qū)” 法 焊接時(shí)加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。 五、消除焊接殘余應(yīng)力的方法 1、熱處理法 包括整體高溫回火和局部回火 （1）整體熱處理 是將整個(gè)構(gòu)件緩慢加熱到一定的溫度（低碳鋼為650） ，并在該溫度下保溫一定的時(shí)間（一般按每毫米板厚保溫24min，但總時(shí)間不少于 30min） ，然后空冷或隨爐冷卻。 （2）局部熱處理 2、機(jī)械拉伸法 在壓力容器制造