鋼結(jié)構(gòu)焊接制造PPT課件

1、2021-5-4 熱應(yīng)力-是指在加熱過程中，焊件內(nèi)部溫度有差異所引起的應(yīng)力， 故又稱溫差應(yīng)力。 相變應(yīng)力-是指在加熱過程中，局部金屬發(fā)生相變，使比容增大 或減小而引起的應(yīng)力。 塑變應(yīng)力-是指金屬局部發(fā)生拉伸或壓縮塑性變形后引起的內(nèi)應(yīng) 力。 2021-5-4 1.溫度應(yīng)力由于不均勻受熱 2021-5-4 2.變形 彈性變形 塑性變形 自由變形 非自由變形（包括外觀變形和內(nèi)部變形）。 彈性變形、自由變形-應(yīng)力為0，變形為0； 塑性變形-理想狀態(tài)應(yīng)力為0，變形為0；否則 不為0。 2021-5-4 自由變形： LT = 0 L0 (T 1 - T 0 ) LT自由變形量； L0原長； 0金屬材料的線

2、脹系數(shù)； T 1加熱的溫度； T 0原始溫度。 T = = (T 1 - T 0 ) 0 L LT 2021-5-4 非自由變形 L=( LT - Le) L 內(nèi)部變形 未表現(xiàn)出的那部分變形 Le外觀變形 表現(xiàn)出的那部分變形 （滿足自由變形規(guī)律） 2021-5-4 3.研究焊接應(yīng)力與變形基本假定 (1) 平截面假定：構(gòu)件變形時(shí)整個(gè)橫截面是平行移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)； (2) 金屬性能不變的假定：物理性能不隨溫度的變化而變化。 (2) 金屬屈服點(diǎn)的假定： 可見低碳鋼溫度大于600 內(nèi)應(yīng)力為零. 2021-5-4 2.2 焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因 1.不受約束的自由桿件均勻加熱和冷卻時(shí)應(yīng)力變形 結(jié)論:沒有殘余

3、應(yīng)力和殘余變形. 應(yīng)用：焊接生產(chǎn)采用整體預(yù)熱和后熱,可以減少殘余應(yīng) 力. 2021-5-4 2.受拘束件在熱循環(huán)中的應(yīng)力與變形 （1）若s （彈性變形） 加熱時(shí)： T應(yīng)力 s ; 冷卻時(shí)： T應(yīng)力 s . 2021-5-4 （2）若 s ,TMax500 加熱時(shí) ： T 應(yīng)力 s ，p壓縮塑性變形; 冷卻時(shí) ：T應(yīng)力 s =0，p 拉伸塑性變形 2021-5-4 （3）若 s溫度大于600 若金屬板條是互不相連的小窄條， 則變形為圖2-2a所示。但金屬因整體 變形保持一致，故實(shí)際變形為圖2-2b。 加熱時(shí)，出現(xiàn)中心受壓應(yīng)力，兩側(cè)受 拉應(yīng)力。冷卻后，若加熱應(yīng)力 S，則無內(nèi)應(yīng)力；若加熱應(yīng)力 則中心

4、受壓，兩側(cè)受拉。 高溫區(qū)應(yīng)力為高溫區(qū)應(yīng)力為0變形不為變形不為0 2021-5-4 3 長板條不均勻受熱時(shí)的應(yīng)力和變形 （1）三個(gè)板條加熱、冷卻自由變形 當(dāng)三個(gè)板條均處于自由狀態(tài)，對B板條進(jìn)行加熱時(shí)，B獨(dú)立 伸長，板條A、C未受熱，所以長度無變化。 2021-5-4 （2）三個(gè)板條加熱、冷卻非自由變形 2021-5-4 （3）中心加熱實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力與變形 2021-5-4 中心加熱實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力與變形 2021-5-4 結(jié)論 1、板條中心對稱加熱時(shí)，板條中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，中心受壓兩邊受拉。 2、若不產(chǎn)生壓縮塑性變形， s則冷卻后內(nèi)應(yīng)力消失，平板復(fù)原，沒有殘余變形。 3、若 s，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)時(shí)，有殘

5、余應(yīng)力，中心受拉兩側(cè)受壓。且有殘余變形。其方向與加 熱時(shí)相反。 2021-5-4 （4）非對稱加熱應(yīng)力與變形 0 000 x B E BB xTex dxfEdEdY 2021-5-4 焊后產(chǎn)生應(yīng)力與變形 2021-5-4 4 焊接引起的內(nèi)應(yīng)力及變形 （1） 焊接應(yīng)力與變形的特殊性 2021-5-4 （2）焊接應(yīng)力變形的演變過程 2021-5-4 焊接應(yīng)力變形的演變過程 2021-5-4 （3）焊接熱應(yīng)變循環(huán)組織應(yīng)力 2021-5-4 （4）焊接瞬態(tài)應(yīng)力變形 2021-5-4 計(jì)算機(jī)模擬焊接應(yīng)力 2021-5-4 2021-5-4 小結(jié) 在平板條中心堆焊，由于板條在焊接過程中是一個(gè)不均勻受熱的

6、整體，焊接時(shí)沿焊縫長度產(chǎn)生 伸長變形，焊縫及其附近產(chǎn)生壓應(yīng)力；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力。 焊接結(jié)束后，板條產(chǎn)生縮短的殘余變形，同時(shí)在焊縫及其附近產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)兩 側(cè)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 （1）根據(jù)應(yīng)力與焊 縫的相對位置 （2）根據(jù)應(yīng)力形成原因 向與焊縫垂直橫向應(yīng)力：應(yīng)力作用方 向與焊縫平行縱向應(yīng)力：應(yīng)力作用方 受阻屬組織轉(zhuǎn)變時(shí)體積變化組織應(yīng)力：由于接頭金 力變形受到拘束引起的應(yīng)拘束應(yīng)力：由于焊件熱 均勻加熱引起的應(yīng)力溫度應(yīng)力：由于焊件不 2.3 焊接殘余應(yīng)力及分布 2021-5-4 焊接殘余應(yīng)力 平行焊縫軸線方向的應(yīng)力稱縱向殘余應(yīng)力， 垂直焊縫軸線的應(yīng)力為橫向殘余應(yīng)力，厚度方向 的殘

7、余應(yīng)力。 在厚度小于20mm的對接接頭結(jié)構(gòu)中，厚度方 向應(yīng)力較小。 ：厚度方向上的應(yīng)力 力：垂直焊縫方向上的應(yīng) 力：平行焊縫方向上的應(yīng) Z Y X 2021-5-4 （橫截面） 1.縱向殘余應(yīng)力 2021-5-4 （1 ）焊縫長度對縱向應(yīng)力（縱截面） 的影響 2021-5-4 （2） T形接頭的縱向應(yīng)力分布 2021-5-4 （3） 對接圓筒環(huán)焊縫的縱向殘余應(yīng)力 （切向應(yīng)力） 如直徑為1200mm，壁厚為6mm的低碳鋼圓筒，環(huán)縫中的為 210N/mm2，而直徑為384mm，壁厚也為6mm的圓筒環(huán)焊 縫中的為115N/mm2。 2021-5-4 2.橫向應(yīng)力 橫向殘余應(yīng)力有兩部分組成： 一部分是

8、由焊縫及其附近塑性區(qū)的縱向收縮引起的橫 向應(yīng)力y； y y 2021-5-4 (1) 縱向收縮引起的焊縫橫向應(yīng)力隨焊縫長度變化： 2021-5-4 （2）焊縫橫向收縮引起的橫向應(yīng)力y 先焊部分先冷卻，后焊部分后冷卻。先冷卻 的焊縫限制后冷卻焊縫的橫向收縮，導(dǎo)致最后 收縮的焊縫受拉應(yīng)力。 2021-5-4 3.厚度方向的殘余應(yīng)力 隨著填充材料厚度的增加，橫向收縮應(yīng) 力也沿z軸向上移動(dòng)，并在已填充的坡口的 縱截面上引起應(yīng)力。 2021-5-4 厚度方向應(yīng)力為壓應(yīng)力 2021-5-4 4.管板焊接的殘余應(yīng)力分布 2021-5-4 5. 工字梁中的殘余應(yīng)力 2021-5-4 6. 拘束狀態(tài)下焊縫的殘余

9、應(yīng)力分布 2021-5-4 2.4 殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響 對靜載強(qiáng)度的影響 對構(gòu)件加工尺寸精度的影響 對受壓桿件穩(wěn)定性的影響 對應(yīng)力腐蝕裂紋的影響 焊接變形及其對鋼結(jié)構(gòu)的影響 2021-5-4 2021-5-4 1.對靜載強(qiáng)度的影響 2021-5-4 2.對構(gòu)件加工尺寸精度的影響 球形焊接件變形 2021-5-4 2021-5-4 4.對應(yīng)力腐蝕裂紋的影響 金屬材料在某些特定介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下發(fā)生 的延遲開裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕裂紋主要是 由材質(zhì)、腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用的結(jié)果。 殘余拉應(yīng)力大小對腐蝕速度有很大的影響，當(dāng)焊接殘 余應(yīng)力與外載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)力值越高，

10、產(chǎn)生 應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向就高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的時(shí)間就越短。 2021-5-4 5.焊接變形及其對鋼結(jié)構(gòu)的影響 （1 1）鋼結(jié)構(gòu)整體如果產(chǎn)生扭曲變形，就會(huì) 降低承載能力、降低使用壽命，甚至不能 使用。 （2）變形會(huì)浪費(fèi)工時(shí)、增加生產(chǎn)周期，或 矯正變形過程中使構(gòu)件產(chǎn)生加工硬化。 2021-5-4 2.5 消除焊接殘余應(yīng)力的方法 消除焊接殘余應(yīng)力的方法有： 熱處理、錘擊、振動(dòng)法和加載法等。 1. 熱處理 對碳鋼及中、低合金鋼，加熱溫度為 580680；鑄鐵為600650，保溫時(shí) 間一般根據(jù)每毫米板厚保溫12min計(jì)算， 但總時(shí)間不少于30min，最長不超過3h。 2021-5-4 2.錘擊法 錘擊

11、時(shí)要掌握好打擊力量，保持均勻、適度，避免因打擊力量過大造成加工硬化或?qū)⒑缚p錘裂。 另外，焊后要及時(shí)錘擊，除打底層不宜錘擊外，其余焊完每一層或每一道都要進(jìn)行錘擊。錘擊鑄鐵時(shí) 要避開石墨膨脹溫度。 避免在藍(lán)脆區(qū)敲擊200-300。 2021-5-4 3.振動(dòng)消除法 截面為30mm50mm一側(cè)堆焊的試件，經(jīng)過 =128N/mm2和=5.6N/mm2多次應(yīng)力循環(huán)后，殘余應(yīng)力 的變化情況。由圖中看出，當(dāng)載荷達(dá)到一定數(shù)值，經(jīng)過多次 循環(huán)加載后，焊件中的殘余應(yīng)力逐漸降低。 2021-5-4 2.6 焊接殘余應(yīng)力測定方法 應(yīng)力釋放法 1、切條法 2、套孔法 3、小孔法 4、逐層銑削法 5、物理法 （1）X射線

12、衍射法 （2）磁應(yīng)力測試法 焊接殘余應(yīng)力測定方法 1.小孔法：是應(yīng)力破壞性最小 的一種，原理是：在應(yīng)力場 中鉆一個(gè)小孔，應(yīng)力平衡受 到破壞，鉆孔周圍的應(yīng)力重 新調(diào)整，測得孔附近的應(yīng)變 片的變化，可用彈性力學(xué)推 算小孔處的應(yīng)力。 2.套孔法：采用套料鉆或管 形電火花加工環(huán)形孔來釋 放應(yīng)力，在孔內(nèi)預(yù)先貼上 應(yīng)變片，可以算出表面殘 余應(yīng)力，切削深度為 0.60.8D，破壞性不 大。 2021-5-4 3.切條法 4 4、X X射線衍射法射線衍射法 原理：晶體在應(yīng)力的作用下，原子間距發(fā)生變化， 其變化與應(yīng)力大小成正比，當(dāng)用X射線，以掠角 入射到晶體表面時(shí)，如果 能滿足2dSin =n ， 則X射線在反

13、射方向因干涉而加強(qiáng)。 缺點(diǎn)： 用設(shè)備昂貴對被測表面要求高，所 只能測表面應(yīng)力 .2 .1 2021-5-4 小 結(jié) 焊接應(yīng)力通常指焊接殘余應(yīng)力： 分為縱向、橫向、厚度方向殘余應(yīng)力。 殘余應(yīng)力危害： 降低承載能力、降低疲勞強(qiáng)度、尺寸精度、耐腐蝕性。 測定殘余應(yīng)力方法：鉆孔法、X射線法，但不準(zhǔn)確。 2021-5-4 作業(yè)思考題2 1.焊接應(yīng)力分類？分析焊接縱向殘余應(yīng)力是如何形成的？ 2. 焊接殘余橫向應(yīng)力如何形成？如何防止焊接應(yīng)力？ 3. 焊接應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響？分析T型結(jié)構(gòu)、H型結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化與焊件尺寸的影響？ 4. 測定焊接應(yīng)力的方法有哪些？ 5.網(wǎng)上查關(guān)于焊接應(yīng)力引起焊接結(jié)構(gòu)件破壞事故圖片或

14、案例。 2021-5-4 1.溫度應(yīng)力由于不均勻受熱 2021-5-4 2.變形 彈性變形 塑性變形 自由變形 非自由變形（包括外觀變形和內(nèi)部變形）。 彈性變形、自由變形-應(yīng)力為0，變形為0； 塑性變形-理想狀態(tài)應(yīng)力為0，變形為0；否則 不為0。 2021-5-4 2.變形 彈性變形 塑性變形 自由變形 非自由變形（包括外觀變形和內(nèi)部變形）。 彈性變形、自由變形-應(yīng)力為0，變形為0； 塑性變形-理想狀態(tài)應(yīng)力為0，變形為0；否則 不為0。 2021-5-4 4 焊接引起的內(nèi)應(yīng)力及變形 （1） 焊接應(yīng)力與變形的特殊性 計(jì)算機(jī)模擬焊接應(yīng)力 2021-5-4 計(jì)算機(jī)模擬焊接應(yīng)力 2021-5-4 2021-5-4 2.5 消除焊接殘余應(yīng)力的方法 消除焊接殘余應(yīng)力的方法有： 熱處理、錘擊、振動(dòng)法和加載法等。 1. 熱處理