第2章-焊接變形和應(yīng)力

1、焊接結(jié)構(gòu) 第二章 焊接變形和應(yīng)力,第2章 焊接變形和應(yīng)力,本章學(xué)習(xí)要點,1.材料的熱脹冷縮 2.材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線 3.系統(tǒng)平衡,第一節(jié) 焊接變形與應(yīng)力的產(chǎn)生機理,幾個基本概念,合力等于零，即F = 0； 合力矩等于零，即M = 0,2.1.1 自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形,(1)自由變形,自由變形：當(dāng)金屬物體溫度發(fā)生變化，或發(fā)生了相變，其尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變化沒有受到外界的阻礙而自由的進行。,自由變形量：,自由變形率：,(2) 外觀變形,外觀變形量：Le,外觀變形率：,外觀變形：當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來的這部分變形，稱為外觀變形,(3)

2、 內(nèi)部變形,內(nèi)部變形：當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，把未表現(xiàn)出來的那部分變形，稱為內(nèi)部變形。,內(nèi)部變形量：,內(nèi)部變形率：,三種變形的分析結(jié)論： 外觀變形在數(shù)值上等于自由變形與內(nèi)部變形的代數(shù)和。 它的應(yīng)變表達式為： e T 它的等價形式為： e T,這兩個公式一定要牢記！,以上情況是內(nèi)部變形率的絕對值小于金屬屈服時的變形率，即 或， ， 則桿件中的壓應(yīng)力 。當(dāng)桿件溫度從T1恢復(fù)到T0時，桿件將恢復(fù)到原來長度L0，也不存在任何形式的應(yīng)力。,若溫度繼續(xù)升高，桿件中由于阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)部變形量大于金屬屈服時的變形量，即 則在這種情況下該如何？,？,綜上可知，壓縮塑性變形會使得金屬材料在環(huán)境載荷消失后

3、收縮變短，收縮變形量約等于壓縮而產(chǎn)生的壓縮塑性變形量。同理可知，拉伸塑性變形也將會使得金屬材料在環(huán)境載荷消失后延伸變長，伸長變形量約等于已產(chǎn)生的拉伸塑性變形量。,提示：小試件均勻加熱過程的變形一旦受到拘束等效于外力作用，就會產(chǎn)生內(nèi)部變形，同樣會產(chǎn)生應(yīng)力。 計算方法： 在彈性范圍內(nèi) E E（ e T ） 超出彈性范圍 則有 s,材料力學(xué)中，當(dāng)物體在外力作用下處于平衡狀態(tài)下，可以說該物體處于受力平衡狀態(tài)。 內(nèi)應(yīng)力定義：沒有外力的條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。,2.1.2 焊接內(nèi)應(yīng)力的種類和產(chǎn)生,內(nèi)應(yīng)力的分類,1）按應(yīng)力的 分布范圍,2）根據(jù)結(jié)構(gòu)中的空間位置,宏觀應(yīng)力：在整個焊接范圍平衡的應(yīng)力 微觀應(yīng)

4、力：在晶粒范圍內(nèi)相互平衡的應(yīng)力 超微觀應(yīng)力：在晶格范圍平衡的應(yīng)力,單向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的一個方向作用 雙向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的兩個方向作用 三向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的三個方向作用,3）根據(jù)應(yīng)力與焊 縫的相對位置,縱向應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫平行 橫向應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫垂直,瞬時應(yīng)力：焊接過程出現(xiàn)的應(yīng)力 殘余應(yīng)力：焊后留下的應(yīng)力,溫度應(yīng)力：由于焊件不均勻加熱引起的應(yīng)力 拘束應(yīng)力：由于焊件熱變形收到拘束引起的應(yīng)力 組織應(yīng)力：由于接頭金屬組織轉(zhuǎn)變時提及變化受阻,5）根據(jù)應(yīng)力 形成原因,4）根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生 、作用的時間,(1)溫度應(yīng)力,溫度應(yīng)力：由于構(gòu)件受熱不均勻引起的內(nèi)應(yīng)力。 產(chǎn)生條件：受熱不均勻 溫

5、度均勻結(jié)果：應(yīng)力殘留或消失(如果溫度應(yīng)力不高，即低于材料的屈服極限， ，亦即溫度應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)時，在框架中不產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化后，熱應(yīng)力隨之消失。 ) 舉例：框架結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力平衡特點,(2)殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力：溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)均勻后殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力。 產(chǎn)生原因：不均勻加熱 產(chǎn)生條件：局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形或相變 舉例：金屬框架,因此：任何原因引起的伸長變形受阻時，則該伸長部分受壓應(yīng)力，阻礙構(gòu)件伸長的其它部分則受拉應(yīng)力。 任何原因引起的收縮變形受阻時，則收縮部分受拉應(yīng)力，而阻礙收縮的構(gòu)件的其它部分則受壓應(yīng)力。,加熱膨脹受拘束產(chǎn)生溫度應(yīng)力（壓應(yīng)力）壓縮屈服變形 冷卻收宿受拘束

6、產(chǎn)生殘余應(yīng)力（拉應(yīng)力）拉伸屈服變形,(3)相變應(yīng)力,相變應(yīng)力：材料在凝固冷卻過程中，由于組織轉(zhuǎn)變，帶來體積尺寸變化，產(chǎn)生的應(yīng)力。 產(chǎn)生原因：組織轉(zhuǎn)變,2.1.3不均勻溫度場作用下的變形和應(yīng)力,金屬在焊接過程中，其物理性能和力學(xué)性能都會發(fā)生復(fù)雜的變化，為了分析問題方便，對金屬材料焊接應(yīng)力與變形作以下假定： 1.平截面假定：假定構(gòu)件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。 2.金屬性質(zhì)不變的假定：假定在焊接過程中材料的某些熱物理性質(zhì)不隨溫度而變化。 3.焊接溫度場假定：假定焊接溫度場不隨時間而改變。 4.金屬屈服點假定：,在500以下，屈服點與常溫相同，不隨溫度而變化； 500 600之間，屈服點迅速下

7、降； 600以上時呈全塑性狀態(tài)，即屈服點為零。,低碳鋼的屈服點與溫度的關(guān)系,2.1.3.1在長板條中心對稱加熱,溫度場： 對端面中心對稱的不均溫度場T=f(x),變形分析：取單位長度分析其變形與應(yīng)力,假設(shè)：T0=0，則T=T,由平面假設(shè)，變形時截面保持平面 溫度場對稱，端面只作平移，e為常數(shù),可見：板條中心0，受壓；板條兩側(cè)0，受壓,內(nèi)應(yīng)力與變形的計算,當(dāng)溫度較低，無塑性變形，即,矩形面積=曲線下的面積,力的平衡相當(dāng)于拉、壓應(yīng)力區(qū)面積的平衡,即為T=f(x)時的外觀應(yīng)變,可求得各點應(yīng)力的大小， 應(yīng)力分布分為三個區(qū)域：兩側(cè)受拉，中間受壓,冷卻后，應(yīng)力和應(yīng)變消失；即無殘余應(yīng)力和殘余變形,當(dāng)溫度較高

8、，板件中產(chǎn)生塑性變形，即,產(chǎn)生壓縮塑性變形，,冷卻后，應(yīng)力和應(yīng)變不能完全消失(存在壓縮塑性變形),實際上，殘余外觀變形：e,理論上，中心凹陷量,殘余應(yīng)力,結(jié)論： 對稱溫度場：變形僅為端面平移；e;e 力的平衡條件： ，實質(zhì)是圖形中面積的平衡 應(yīng)力：加熱時，中間壓，兩側(cè)拉；冷卻后，中間拉，兩側(cè)壓 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，加熱時存在塑性變形 熱量集中的熱源，C小，殘余變形小 的大小取決于C的大小，所以熱量集中的熱源 小,2.1.3.2在長板條邊緣非對稱加熱,溫度場： 典型的非對稱溫度場,這兩種情況為不平衡力矩，不能發(fā)生,內(nèi)應(yīng)力平衡條件為：,截面有轉(zhuǎn)動，所以e 非常數(shù)，是x的線性函數(shù),板條平均伸長率為：,板

9、條曲率為：,結(jié)論： 當(dāng)s時產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形； 當(dāng)s時不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形；,1）對構(gòu)件進行不均勻加熱，在加熱過程中，只要溫度高于材料屈服點的溫度，構(gòu)件就會產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后，構(gòu)件必然有殘余應(yīng)力和殘余變形 。 2）通常，焊接過程中焊件的變形方向與焊后焊件的變形方向相反。 3）焊接加熱時，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻時壓縮塑性變形區(qū)要收縮。 4）焊接過程中及焊接結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力分布是不均勻的。焊接結(jié)束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力通常是拉應(yīng)力。,由上述討論可知：,2.1.4 焊接引起的變形和應(yīng)力,2.1.4.1 焊接過程的特殊性及假定條件,(1)高溫下金屬的性能發(fā)生

10、顯著變化 例如：低碳鋼不同溫度下的屈服強度 可能出現(xiàn)的相變將引起許多物理和力學(xué)參量的變化 (2)焊接溫度場是一個空間分布極不均勻的溫度場 與前面分析的沿長度同時加熱的模型有較大差別，平面假設(shè)的準確性受到影響。 平面假設(shè)的適用條件：焊接速度快；材料導(dǎo)熱慢,2.1.4.2 受拘束體在熱循環(huán)中的應(yīng)力與應(yīng)變的演變過程,(1),取一單位長度的低碳鋼棒，其兩端被固定不能伸縮，將該棒均勻加熱，然后冷卻。,彈性狀態(tài)， 無殘余應(yīng)力,(2),有塑性變形 及殘余應(yīng)力,(3),殘余應(yīng)力等于材料屈服極限,2.1.4.3 焊接應(yīng)力與應(yīng)變的演變過程,2.1.4.4 焊接熱應(yīng)變循環(huán),近縫區(qū)的兩種情況a)無相變；b)有相變,第

11、二節(jié) 焊接殘余變形,縱向收縮變形 橫向收縮變形 彎曲變形 角變形 波浪變形 錯邊變形 扭曲變形,焊接殘余變形分為七類,焊接殘余變形：焊接后殘存于結(jié)構(gòu)中的變形。,2.2.1 縱向收縮變形,縱向收縮變形：焊后在沿焊縫長度方向發(fā)生的收縮變形。,壓縮塑性變形：焊縫近縫區(qū)金屬在高溫下的自由變形受到阻礙，產(chǎn)生了壓縮塑性變形； 收縮變形：焊縫區(qū)液態(tài)金屬在冷卻過程中形成固態(tài)焊縫，產(chǎn)生收縮變形。,這兩個區(qū)域統(tǒng)稱為收縮變形區(qū),2.2.1.1 縱向收縮變形產(chǎn)生的原因,縱向收縮變形產(chǎn)生的根本主要原因,收縮變形區(qū)的存在使構(gòu)件相當(dāng)于受到一個假想外力Ff的作用而縮短L,2.2.1.1 縱向收縮變形的影響因素,焊縫的長度：L

12、 L(間斷焊連續(xù)焊) 構(gòu)件的截面積：AL 壓縮塑性變形：？,規(guī)范：焊接熱輸入APL 工藝措施： 焊接層數(shù)：(熱輸入)多層焊單層焊 ( L)多層焊單層焊 預(yù)熱：T0，相當(dāng)于熱輸入 L T0過高，溫度均勻化溫差 L 焊接方法：不同焊接方法，熱源集中程度不同，HAZ不同，即AP不同 材料性質(zhì)：L,精確計算： 的計算，溫度場、物理、機械性能 工程計算：近似估計,2.2.1.3 縱向收縮量的估算,Aw 為單層或一層對接焊縫金屬或一條角焊縫的截面積； k1 為單層對接焊縫時考慮的系數(shù)，與焊接方法和材料有關(guān)； k2 為多層對接焊縫時考慮的系數(shù)；或雙面角焊縫T型接頭時考慮的系數(shù)。,2.2.2 橫向收縮變形,橫

13、向收縮變形：焊后在垂直于焊縫方向發(fā)生的收縮變形。,壓縮塑性變形：焊縫近縫區(qū)金屬在高溫下的自由變形受到阻礙，產(chǎn)生了壓縮塑性變形； 收縮變形：焊縫區(qū)液態(tài)金屬在冷卻過程中形成固態(tài)焊縫，產(chǎn)生收縮變形。,這兩個區(qū)域統(tǒng)稱為收縮變形區(qū),2.2.2.1 橫向向收縮變形產(chǎn)生的原因,橫向收縮變形產(chǎn)生的根本主要原因,即在熱源附近的金屬受熱膨脹，但將受周圍溫度較低的金屬的約束而承受壓應(yīng)力，這樣在板寬方向上產(chǎn)生壓縮塑性變形，并使其厚度增加，最終結(jié)果表現(xiàn)為橫向收縮。,通過熱變形計算和實驗得到 橫向收縮變形B大小為,(1)堆焊 原因：a)沿厚度方向溫度分布不均勻 b)沿焊縫方向溫度分布不均勻 故在熱源附近的金屬熱膨脹變形不

14、但受到板厚深度，而且受到前后溫度較低的金屬的限制和約束而承受壓力，使之在寬度方向產(chǎn)生壓縮塑性變形，而在厚度上增厚，焊后產(chǎn)生橫向收縮變形。,(2)對接接頭 留有間隙的對接焊： 加熱，膨脹，間隙減??；冷卻，收縮； 橫向收縮 不留間隙的對接焊： 板的膨脹引起板邊的擠壓，使厚度方向變形橫向收縮,2.2.2.2 橫向收縮的影響因素,焊接熱輸入：q B 焊縫截面積：A q B 板 厚：堆焊： B 對接： A B 坡 口 形 式： A B 焊 接 層 數(shù)：焊接層數(shù) B,橫向收縮變形量的對比,2.2.2.3 橫向收縮的分布和估算,分布：沿焊縫長度的分布不均勻。沿焊縫方向由小到大逐漸增長，一定長度后趨于穩(wěn)定。

15、原因：先焊的焊縫的橫向收縮對后焊的焊縫產(chǎn)生擠壓作用，使后者產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形。,(1)分布,2.2.3 彎曲變形,彎曲變形：構(gòu)件焊后向某一方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象。用f表示其大小。,根本原因：產(chǎn)生壓應(yīng)力的部位相對于構(gòu)件中性軸不對稱,2.2.3.1 縱向收縮引起的彎曲變形,(1)產(chǎn)生原因 焊縫在構(gòu)件中的位置相對于其截面中性軸不對稱 Ff是個偏心力,(2)影響因素,構(gòu)件的剛度EI：EI f 焊 縫 位 置：不對稱，e f 假 想 力 Ff： 裝 焊 順 序,【例2-1】如圖2-19所示，工字梁的制造一般有兩種裝焊順序，兩種裝焊順序產(chǎn)生的彎曲變形大小不同。,方向相反,焊后會表現(xiàn)出較大的彎曲變形,(1)

16、裝焊順序：工,如果焊接前先將腹板和上下翼板點固成工字梁，施焊時按照括號內(nèi)的順序進行，則會使焊接過程中結(jié)構(gòu)的慣性矩II和偏心距eI基本保持不變，這樣就可以使兩對角焊縫引起的彎曲變形相互抵消，能夠保持構(gòu)件的基本平直。,說明，通過調(diào)整裝配和焊接順序，可以對彎曲變形的程度進行調(diào)整，可以根據(jù)實際情況要求，降低構(gòu)件的彎曲撓度。,(2)焊前先點固成工字形截面，則近似地有：f=f工,(3)彎曲撓度的估算,2.2.3.2 橫向收縮變形引起的彎曲變形,橫向焊縫在構(gòu)件上分布不對稱，其橫向收縮變形會引起結(jié)構(gòu)的彎曲變形。,(1) 產(chǎn)生原因,(2) 影響因素,構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式 剛度 焊縫的位置 裝配焊接順序 影響橫向收縮變

17、形的因素,(3) 彎曲撓度的估算,下?lián)系臄?shù)值可以根據(jù)每對角焊縫產(chǎn)生的橫向收縮變形量來估算,每對肋板與腹板之間的角焊縫橫向收縮B1使構(gòu)件彎曲的角度1為： 每對肋板與翼板之間的角焊縫的橫向收縮將使構(gòu)件彎曲一個角度 2： 每對肋板產(chǎn)生的總彎曲角度為，則構(gòu)件的總撓度可按下式估算：,肋板數(shù)量n為偶數(shù)時,肋板數(shù)量n為奇數(shù)時,2.2.4 角變形,焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移稱為角變形 。 用代表角變形的大小。,圖2-21 角變形,(1) 角變形的產(chǎn)生原因,角變形產(chǎn)生的根本原因： 橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布。,堆焊時產(chǎn)生的角變形 平板堆焊高溫區(qū)金屬的熱膨脹受到附近溫度較低區(qū)金屬的阻礙受擠壓，壓

18、縮塑性變形。 焊接面壓縮塑性變形背面 角變形。,影響因素： a.角變形的大小取決于壓縮塑性變形的大小和分布情況，同時也取決于板的剛度。 b.焊接線能量與板厚的影響.,圖2-24 平板表面火焰加熱的線能量與其角變形的關(guān)系曲線,對接接頭的角變形 影響因素：坡口角度 焊縫截面形狀 焊接方式 焊接順序,對接焊層數(shù)與角變形的關(guān)系,對接多層焊防止角變形方法,丁字接頭的角變形,筋板與主板的角變形 主板自身的角變形,角焊縫所產(chǎn)生的角變形,(2) 角變形的影響因素,溫度場分布 焊接熱輸入 板厚 焊接方法 坡口角度 焊接層數(shù) 焊接順序,(3) 角變形的分布,沿長度上開始比較小，以后逐漸增加,圖2-25 角變形在焊

19、縫長度上的分布,2.2.5 波浪變形,構(gòu)件焊后呈現(xiàn)出波浪形狀稱為波浪變形或失穩(wěn)變形。,圖2-26 波浪變形,圖2-27 薄板受壓失穩(wěn),(1) 產(chǎn)生原因,薄板在承受壓力時，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達到某一臨界數(shù)值時，薄板將因出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力，這種現(xiàn)象稱之為失穩(wěn)。,焊接波浪變形的形成原因： 焊后存在于平板中的內(nèi)應(yīng)力，一般情況下在焊縫附近是拉應(yīng)力，離開焊縫較遠的區(qū)域為壓應(yīng)力。在壓應(yīng)力的作用下，如果 ，薄板可能失穩(wěn)，產(chǎn)生波浪變形。,(2) 影響因素,壓應(yīng)力：降低壓應(yīng)力，減小塑性變形區(qū)。 臨界應(yīng)力：提高臨界應(yīng)力，增加板厚和減小板寬。 焊接角變形也可能產(chǎn)生類似的波浪形變形：施加預(yù)拉應(yīng)力最有效的方法,2.2

20、.6 錯邊變形,在焊接過程中，兩焊接件的熱膨脹不一致，可能引起長度方向上的錯邊和厚度方向上的錯邊。,(1)產(chǎn)生原因,焊接過程中對接邊的熱量不平衡，裝配不善。 兩種材料的熱膨脹的差異,圖2-32 焊接過程中對接邊的 熱輸入不平衡的典型例子,工件與夾具一邊接觸較緊，導(dǎo)熱較快，另一邊接觸不良，導(dǎo)熱較慢； b) 工件與夾具間一邊導(dǎo)熱不良，另邊導(dǎo)熱良好； c) 焊接熱源偏離中心，一邊熱輸入量大，另一邊熱輸入量??； d) 對接邊一邊熱容量大，導(dǎo)熱快，另一邊熱容量小，導(dǎo)熱慢。,對接縫兩邊剛度不同 封頭剛度大，變形小 筒身剛度小，變形大,圖2-33 封頭與筒身環(huán)焊縫 對接邊錯邊的產(chǎn)生過程,2.2.7扭曲變形,

21、焊后在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的扭曲現(xiàn)象稱為扭曲變形，也稱為螺旋形變形。,（1）扭曲變形的產(chǎn)生原因,根源：與焊接角變形沿長度上的分布不均勻性和工件的縱向錯邊有關(guān)。 焊縫角變形沿長度方向上的分布不均勻所造成。 焊縫長度方向上的錯邊變形造成。,（2）影響因素,凡是影響角變形和焊接錯邊的因素均會影響扭曲變形。,第三節(jié) 焊接殘余應(yīng)力,2.3.1焊接殘余應(yīng)力的分布,縱向應(yīng)力x：沿焊縫方向上的應(yīng)力 橫向應(yīng)力y：垂直于焊縫方向上的應(yīng)力 z：厚度方向上的應(yīng)力,(1) 縱向殘余應(yīng)力在縱向上的分布,2.3.1.1縱向殘余應(yīng)力的分布x,原因：板條兩端的邊界條件與中間部分不同，拘束度和熱循環(huán)特性不盡相同，使兩端的縱向殘余應(yīng)力出現(xiàn)過

22、渡區(qū)。,總結(jié)： 板條中部區(qū)，焊縫縱向殘余應(yīng)力基本保持不變。在板條的端部存在一個內(nèi)應(yīng)力的過渡區(qū)，縱向殘余應(yīng)力逐漸降至零。,不同長度低碳鋼板焊接縱向應(yīng)力分布,圖2-37 不同焊縫長度x值的變化,(2)x在橫截面上的分布,中間拉應(yīng)力，兩側(cè)壓應(yīng)力,（a）低碳鋼 （b） 鋁合金 圖2-38 焊縫縱向應(yīng)力沿板材橫向上的分布,x=s,xs,與材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、彈性模量等物理性能有關(guān),(3)圓筒環(huán)形焊,圖2-39 圓筒環(huán)焊縫縱向殘余應(yīng)力的分布,低碳鋼：圓筒直徑與壁厚之比較大時，分布與平板相似，x=s 圓筒直徑與壁厚之比較小時，xs,圖2- 40 環(huán)焊縫縱向應(yīng)力與圓筒半徑及焊接塑性變形區(qū)寬度的關(guān)系,取決

23、于圓筒的半徑R、壁厚、塑變區(qū)的寬度bp,2.3.1.2 橫向殘余應(yīng)力的分布y,y 由焊縫及其附近的塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的 y= +(疊加) y由焊縫及其附近的塑性變形區(qū)的橫向收縮的不 同時性所引起的,兩塊平板對焊件，其縱向應(yīng)力的分布是焊縫及其附近的塑性變形區(qū)為拉應(yīng)力，兩側(cè)為壓應(yīng)力。 若沿焊縫中心將構(gòu)件一分為二，相當(dāng)于板邊堆焊變形、向外側(cè)彎曲 必須在,(1)y分析：,圖2-41 縱向應(yīng)力x引起的橫向應(yīng)力y,不同材料、工藝會形成不同的應(yīng)力分布,圖2-42 不同長度焊縫中的橫向殘余應(yīng)力（y）的分布,焊縫焊接有先后之分，不同時完成。先焊先冷(受壓應(yīng)力)，后焊后冷(受拉應(yīng)力)。同時，先冷卻的部分有限

24、制后冷卻部分的橫向收縮 。 y 的分布與焊接方向、分段方法、焊接順序有關(guān) 。,(2)y分析：,1 2 3,T1,T2,對接過程中，設(shè)將焊縫分為三個區(qū)域，電弧位于某點時，區(qū)段I的焊縫金屬恢復(fù)彈性，區(qū)段II的焊縫金屬處于完全塑性狀態(tài)，區(qū)段III的焊縫金屬處于熔化狀態(tài)。,開始，區(qū)段I的焊縫金屬橫向收縮不會受到區(qū)段II和區(qū)段III的拘束，此時屬于自由變形，不會產(chǎn)生橫向殘余應(yīng)力，只是接頭寬度有微量縮小。 中間過程，區(qū)段II的焊縫金屬恢復(fù)到彈性狀態(tài)并開始橫向收縮，將受到區(qū)段I的拘束，在II段的上端和區(qū)段I的下端產(chǎn)生橫向拉伸應(yīng)力，在區(qū)段I和II的結(jié)合處產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力，此時區(qū)段III的焊縫金屬處于完全塑性狀態(tài)

25、，對區(qū)段II的橫向收縮不起約束作用。 當(dāng)區(qū)段III恢復(fù)彈性時，其收縮受到區(qū)段I和II的拘，使y擴展。,s,圖2-43 不同焊接順序?qū)M向應(yīng)力的影響,？思考：從一端向另一端的直通焊焊接殘余應(yīng)力的分布情況。,不同焊接順序?qū)M向應(yīng)力y的影響,(3)總的y,大小受s的限制,圖2-44 橫向應(yīng)力沿板寬上的分布,(4)橫向應(yīng)力在板寬方向上的分布,焊縫中心應(yīng)力幅值大，兩側(cè)應(yīng)力幅值小，邊緣處應(yīng)力值為零。,2.3.1.3厚板中的殘余應(yīng)力,厚板中的殘余應(yīng)力：x y z 三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工藝差別很大,圖 電渣焊俯視圖,厚鋼板,焊縫,水冷銅滑塊,圖 厚板電渣焊接現(xiàn)場,(1)電渣焊,Y,Z,X,

26、Z,X,Y,+,+,+,240mm,180MPa,240MPa,300MPa,圖 厚板電渣焊厚度(Z)方向的殘余應(yīng)力分布,(2)厚板對接焊多層多道焊的三向殘余應(yīng)力(10Cr2Mo),圖2-46 厚板V形坡口多層焊時沿厚度上的應(yīng)力分布,應(yīng)力集中,塑性絞鏈中心,角變形,多層焊的熱疲勞,焊根裂紋,圖 厚板焊接接頭缺陷,2.3.1.4 拘束狀態(tài)下焊接的內(nèi)應(yīng)力,=y+f,結(jié)論：由拘束產(chǎn)生的反作用力f與自由狀態(tài)下焊接產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力y之和。,=x+f,結(jié)論：焊縫引起的縱向收縮受到限制，將產(chǎn)生縱向反作用內(nèi)應(yīng)力f。焊縫還將引起縱向應(yīng)力x， 最終的內(nèi)應(yīng)力是二者的綜合。,注意,反作用應(yīng)力是拉應(yīng)力，且分布范圍大，

27、對結(jié)構(gòu)的影響較大，在設(shè)計和施工時應(yīng)注意采取措施消除或減少。,2.3.1.5封閉焊縫引起的內(nèi)應(yīng)力,圖2-49 容器接管焊縫,封閉焊縫是在較大拘束下焊接的，因此內(nèi)應(yīng)力比自由狀態(tài)時大。,圖 封閉環(huán)焊縫殘余應(yīng)力分布,a-封閉環(huán)焊縫,b-縱橫應(yīng)力分布,中部存在均勻的雙軸應(yīng)力場 中心的應(yīng)力的大小與鑲塊直徑d和圓盤直徑D的比值有關(guān)，d/D越小，拘束度越大，鑲塊中的內(nèi)應(yīng)力越大。,2.3.1.6相變應(yīng)力,（a）相變溫度高于塑性溫度 （b）相變溫度低于塑性溫度 圖2-51 鋼材加熱和冷卻時的膨脹和收縮曲線,圖2-52 高強鋼焊接相變應(yīng)力對縱向殘余應(yīng)力分布的影響,(a)焊縫金屬為奧氏體鋼,(b)焊縫成分與母材相近,

28、2.3.2 焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)性能的影響,2.3.2.1 焊接殘余應(yīng)力對靜載強度的影響,內(nèi)應(yīng)力：焊縫及近縫區(qū)，拉應(yīng)力；遠離焊縫，壓應(yīng)力 外應(yīng)力： 總應(yīng)力：內(nèi)應(yīng)力+外應(yīng)力,塑性材料：有足夠的塑性變形能力，無影響,外應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力疊加，當(dāng)拉應(yīng)力峰值達到材料的屈服極限s后，該區(qū)域的應(yīng)力不再增加，而產(chǎn)生塑性變形。 繼續(xù)增加外力，構(gòu)件中尚未屈服的區(qū)域的應(yīng)力值繼續(xù)增加并逐漸屈服，直至整個截面上應(yīng)力完全達到s，應(yīng)力就全面均勻化了。 由于初始內(nèi)應(yīng)力是平衡的，即拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的面積相等。所以使構(gòu)件截面完全屈服所需要施加的外力與無內(nèi)應(yīng)力而使構(gòu)件完全屈服所需要施加的外力是相等的。,塑性材料,脆性材料：材料發(fā)生局部

29、破壞，有影響，降低靜載強度,脆性材料,當(dāng)外載荷增加時，由于材料不能發(fā)生塑性變形而使構(gòu)件上的應(yīng)力均勻化，因而應(yīng)力峰值不斷增加，一直達到材料的斷裂極限 。這將造成局部破壞，從而導(dǎo)致整個構(gòu)件斷裂。,2.3.2.2 焊接殘余應(yīng)力對剛度的影響,剛度：構(gòu)件在外力作用下抵抗變形的能力；伸長單位長度所需的外力。,E ：彈性模量；L：構(gòu)件長度； F ：外力； A：構(gòu)件截面積。,伸長量,剛度,(1)拉伸殘余應(yīng)力,剛度減小,加載過程,b區(qū)域：,B-b區(qū)域：,外力作用消失，各區(qū)的應(yīng)力均勻下降,卸載過程,回彈量,( ),卸載后，相對于卸載前伸長了,b區(qū)域：,B-b區(qū)域：,(2)拉伸殘余應(yīng)力,加載過程,卸載過程,即焊接構(gòu)

30、件經(jīng)過一次加載和卸載后，如再加載，只要其大小不超過前一次，內(nèi)應(yīng)力就不再起作用，外載也不影響內(nèi)應(yīng)力的分布。 只適用于靜載，對頻率較高、次數(shù)較多的變載荷另當(dāng)別論，,重要結(jié)論,2.3.2.3 焊接殘余應(yīng)力對桿件受壓穩(wěn)定性的影響,兩端鉸支的受壓桿件，在彈性范圍內(nèi)工作時，其失穩(wěn)的臨界應(yīng)力，可由下式求得：,E：彈性模量； l：受壓桿件的自由長度； I：為構(gòu)件截面慣性矩； A：截面積。,：細長比； ：截面慣性距半徑。,受壓前,受壓后,F,受壓焊接柱的彈性區(qū)與拉伸殘余應(yīng)力相對應(yīng)，如果能使殘余拉應(yīng)力區(qū)遠離截面中性軸，則會大大提高有效截面慣性距，從而提高臨界應(yīng)力。,氣體火焰加熱翼板邊緣,兩板疊焊,內(nèi)應(yīng)力的影響只在

31、構(gòu)件的一定的長細比范圍內(nèi)起作用。即30 150范圍內(nèi)較明顯。,圖2-58 殘余應(yīng)力對焊接桿件受壓失穩(wěn)強度的影響,2.3.2.4 焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性的影響,焊接應(yīng)力穩(wěn)定性：即焊接應(yīng)力是否會在長期存放過程中隨時間變化，而破壞已經(jīng)加工完畢的工件尺寸的精度。,原因：焊件在不經(jīng)過焊后消應(yīng)力處理，內(nèi)部存在著相互平衡的應(yīng)力，當(dāng)進行機械加工時，如切削掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會重新變形（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布來保持平衡，焊件不斷的切削，就會不斷的變形，加工精度難以保證。,圖2-59 機械加工引起的內(nèi)應(yīng)力釋放和變形,造成構(gòu)件尺寸不穩(wěn)定的原因主要有兩方面： 一是蠕變和應(yīng)力松弛；

32、 二是不穩(wěn)定組織的存在。 為保證尺寸穩(wěn)定，焊后要進行熱處理，使組織穩(wěn)定，并使殘余應(yīng)力消除，然后再進行機械加工。,第四節(jié) 焊接變形與殘余應(yīng)力的調(diào)控措施,2.4.1 焊前預(yù)防措施設(shè)計措施,在焊接設(shè)計的時候就要考慮到的防止和減少焊接變形和應(yīng)力的措施。這會在很大程度上降低構(gòu)件后續(xù)加工的難度并有利于保證構(gòu)件的質(zhì)量。,(1) 合理選擇焊縫形式和尺寸 設(shè)計原則：在保證結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的前提下，盡量選用應(yīng)力集中小的焊接接頭，并采用較小的焊縫尺寸,焊縫尺寸大，不但焊接量大，而且焊接變形也大,但并不是焊縫越小越好，因為焊接尺寸太小的焊縫，冷卻速度過大，容易產(chǎn)生一系列焊接缺陷，如裂紋、HAZ硬度過高等。,a)角變

33、形大 b)角變形小 圖 T形接頭的坡口,圖 相同承載能力的十字接頭,避免應(yīng)力集中：焊縫不要設(shè)計在高應(yīng)力和斷面突變的地方,圖 焊縫設(shè)計位置分析,采用剛性較小的接頭形式，減小接頭拘束度，減小焊縫殘余應(yīng)力,圖 接頭形式對拘束度及焊接殘余應(yīng)力的影響,(2) 盡可能減少焊縫的數(shù)量 設(shè)計原則：在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)該力求減少焊縫數(shù)量和總長度，避免不必要的焊縫。,圖2-60 軸承的加固形式,用型鋼代替鋼板，用斷續(xù)焊代替連續(xù)焊。,（a）壓形板 （b）拼焊板 圖2-61 兩種隔艙板的形式,采用壓型結(jié)構(gòu)代替肋板結(jié)構(gòu)，防止薄板結(jié)構(gòu)變形,(3) 合理安排焊縫的位置 設(shè)計原則：焊縫盡可能對稱于截面中性軸或接近中性軸；盡量避免焊

34、縫的密集與交叉。,減少彎曲變形,圖2-62 箱形梁的焊縫布置,圖2-63 避免焊縫交叉的措施與最優(yōu)焊接順序,2.4.2 焊中控制措施工藝措施,指在焊接過程中同步采取的防止和減小焊接應(yīng)力和變形的措施。在焊接過程中對焊接變形和應(yīng)力進行隨時的調(diào)控具有重要的意義，同時也是調(diào)控焊接變形和應(yīng)力的重要措施。,合理選擇焊接方法 選擇合理的焊接規(guī)范 合理安排裝配焊接順序,2.4.2.1 合理選擇焊接方法、焊接規(guī)范和裝配順序,一般情況下焊縫深寬比大的焊接方法，其焊接變形要小。,(1)合理選擇焊接方法,圖2-64 防止非對稱截面彎曲變形的焊接,(2)選擇合理的焊接規(guī)范,e1,2e3,4,f1,2f3,4,選擇線能量

35、較低的焊接方法 采用多層焊代替單層焊 選擇高能量密度的焊接方法 采用冷卻方式限制、縮小焊接熱場,(3)合理安排裝配焊接順序,圖2-65 帶蓋板的雙槽鋼焊接梁的焊接順序,第一種焊接順序： 焊縫3、1、2 彎曲變形：f1+f2+f3 第二種焊接順序： 焊縫1、2、3 彎曲變形：f1+f2-f3 第三種焊接順序： 焊縫2、1、3 彎曲變形：f1-f3 ,大型儲油罐的焊接,2.4.2.2 合理采用輔助措施和工藝,反變形法 剛性固定法,此法的要點是事先估算好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，再給予與焊接變形相抵的反向變形。,(1)反變形法,反變形法舉例 ： 下料反變形措施 對于縱向收縮和橫向收縮反映在長度與寬度尺寸

36、上預(yù)先加余量； 對于撓曲變形預(yù)制拱度；,a）按圖紙下料 b）焊后殘余變形 c）預(yù)制反變形,下?lián)?上拱,平直,裝配反變形舉例： a）沒有預(yù)制反變形 b）預(yù)制反變形,焊前 焊后,焊前 焊后,圖2-67 焊接梁柱結(jié)構(gòu)的反變形,(2)剛性固定法,這種方法是將待焊接的構(gòu)件設(shè)法固定，限制焊接變形，用于防止角變形和波浪變形效果較好，但對于防止彎曲變形效果遠不及反變形法。 基本原理：力圖使焊縫區(qū)在冷卻過程產(chǎn)生較大的拉伸塑性變形，以抵償加熱過程產(chǎn)生的熱壓縮塑性變形。 基本應(yīng)用：適用于控制薄板波浪變形和角變形！,應(yīng)用舉例：,工件,壓板,控制薄板 T形接頭的 角變形!,圖2-68 剛性固定法焊接法蘭盤,（a）采用壓

37、鐵 （b）用角鋼臨時增加近縫區(qū)剛性 圖2-69 防止薄板波浪變形的輔助措施,2.4.2.3 隨焊溫度場調(diào)控方法,該方法是通過加熱或者冷卻不同的部位，調(diào)整焊接溫度場，控制焊縫和近縫區(qū)塑性應(yīng)變的發(fā)展，減小塑性變形的大小和范圍，達到控制焊接變形和調(diào)整焊接應(yīng)力的目的。 隨焊溫差拉伸法 隨焊激冷法,(1)隨焊溫差拉伸法,方法要點：三要素 位置、形狀、溫度。 在焊縫兩側(cè)母材帶狀加熱至200左右。利用加熱帶自身的熱脹效應(yīng)，對焊縫產(chǎn)生直接的拉伸作用并產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而松弛應(yīng)力。,圖2-70 溫差拉伸專用夾具,(2)隨焊激冷法,圖2-71 隨焊激冷法的原理,基本原理是利用與焊接加熱過程相反的方法，采用冷卻介

38、質(zhì)使焊接區(qū)獲得比相鄰區(qū)域（母材）更低的負溫差，在冷卻過程中，焊接區(qū)由于受到周圍金屬的拉伸而產(chǎn)生伸長塑性變形，從而抵消焊接過程中形成的壓縮塑性變形，達到消除殘余應(yīng)力的目的。,2.4.2.4 隨焊逆變形調(diào)控法,通過在焊接過程中引入一些特殊的機械手段，使不均勻的焊接溫度場造成的焊縫及近縫區(qū)不均勻的變形均勻化，從而達到調(diào)控焊接變形和殘余應(yīng)力的目的。 預(yù)拉伸法 隨焊碾壓法 隨焊錘擊法 隨焊沖擊碾壓法,通過在近縫區(qū)施加拉伸載荷，使得焊縫和近縫區(qū)由于受熱不均造成的不均勻變形均勻化，從而達到調(diào)控焊接變形和殘余應(yīng)力的作用。 應(yīng)用對象：對塑性好的材料適用。,圖2-72 施加預(yù)拉伸載荷的幾種方案,(1)預(yù)拉伸法,(

39、2)隨焊碾壓法,隨焊碾壓法是將碾壓方法與焊接過程同時進行,采用本方法的主要目的是為了減小焊接變形和降低殘余應(yīng)力，可以用平面輪或凸面輪直接碾壓焊縫金屬或近縫區(qū)。,(3)隨焊錘擊法,將錘擊方法在焊接進行的過程中使用就構(gòu)成了本方法。,焊槍 2-汽錘 3-固定平臺 4-錘頭 5-工件 圖2-74隨焊錘擊實施方案,(4)隨焊沖擊碾壓法,這種方法是將隨焊錘擊的錘頭換成可以轉(zhuǎn)動的小尺寸碾壓輪，碾壓輪在沖擊載荷作用的間隙內(nèi)向前滾動，它保持了隨焊錘擊的優(yōu)點，并克服了焊縫表面質(zhì)量不佳的問題。,2.4.3 焊后調(diào)節(jié)措施矯正措施,機械方法 加熱方法,2.4.3.1 機械方法,利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者相互抵消，這是減小和消除焊接應(yīng)力與變形的基本思路之一。 機械矯正法 機械拉伸法 振動時效法,(1)機械矯正法,(a) 三點彎曲矯形 (b) 輾壓矯形 圖2-75 機械矯正法的應(yīng)用,平板：利用平板機或輥床平板，適用于薄板拼接后的波浪變形； 碾壓：利用圓盤或輪輾壓焊道及其兩側(cè)，使之產(chǎn)生塑性伸長； 特別適 用于塑性好的鋁合金； 錘擊：適用于局部角變形（如客車鋼結(jié)構(gòu)總裝之前的矯正）； 專機：適用于大型結(jié)構(gòu)（如客車廠350t側(cè)墻矯直機）。,(2)機械拉伸法,對焊件施加一次機械拉伸，可以起到減小縱向焊接變形和降低殘余應(yīng)力的效果。因為焊接殘余應(yīng)力正是由于局部壓縮塑性變形引起的，