焊接內(nèi)應(yīng)力及變形Ⅰ、Ⅱ

1、焊接內(nèi)應(yīng)力及變形焊接內(nèi)應(yīng)力及變形、(IWE-3/4.11-12)焊接內(nèi)應(yīng)力及變形導(dǎo)論w焊接的熱效應(yīng)導(dǎo)致焊接內(nèi)產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力，不同的焊接工藝在焊接部位產(chǎn)生不同形狀的溫度場。該溫度場的溫度變化區(qū)間為從金屬的熔點（鋼的為15000）至室溫（約為20）。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形導(dǎo)論w在不同的溫度，不同的位置及不同的時刻，將產(chǎn)生不同的熱變形，延伸或收縮，由此導(dǎo)致產(chǎn)生塑性變形及內(nèi)應(yīng)力。同樣的過程也存在于板材及型材軋制使得冷卻過程中。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形導(dǎo)論w以鋼棒為例，在自由狀態(tài)下，鋼棒被加熱而延伸，在冷卻時又恢復(fù)到原始長度，在整個過程中不存在延伸和收縮阻力，因此在鋼棒中不存在內(nèi)應(yīng)力，見圖3。w在自由延伸限制收縮的狀

2、態(tài)下，鋼棒被加熱時自由延伸，在冷卻時其收縮卻受到限制，因此冷卻后鋼棒內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于材料抗拉強度時，導(dǎo)致鋼棒斷裂，見圖4。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形導(dǎo)論w限制延伸自由收縮狀態(tài)下，鋼棒受熱時不能自由延伸而產(chǎn)生壓應(yīng)力,隨溫度提高，屈服極限下降并導(dǎo)致“鍛粗”，壓應(yīng)力隨之下降。在冷卻時對收縮沒有限制，而“鍛粗”部位不能恢復(fù)原態(tài)，故鋼棒縮短,但不存在內(nèi)應(yīng)力，見圖5。w在限制延伸限制收縮的狀態(tài)下，鋼棒被加熱時延伸受限，產(chǎn)生壓應(yīng)力，溫度升高使鋼棒的屈服極限下降，直至產(chǎn)生“鍛粗”，壓應(yīng)力隨之減小。在冷卻時其收縮受到限制，導(dǎo)致在鋼棒內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力（收縮應(yīng)力）。見圖6。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形導(dǎo)論w拉伸試驗與溫度的關(guān)系焊

3、接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w典型鋼棒內(nèi)應(yīng)力的分析 將鋼棒固定在剛性結(jié)構(gòu)上并加熱，由于鋼棒的延伸受到限制，在鋼棒內(nèi)會產(chǎn)生壓應(yīng)力。鋼棒材料：St37(Re=235N/mm2）長度l=100mmt = 60/80/100/120l=l0t，= l/l0 ， =/E，=t Et = 60 =151N/mm2，t = 80 =201N/mm2，t = 100 =252N/mm2，t = 120 =302N/mm2，=/E=(235/210000)100% =0.11%焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w鋼棒一端固定并加熱到1500，隨溫度升高，鋼棒變形抗力下降，出現(xiàn)延伸及墩粗。當(dāng)冷卻到室溫時，鋼棒

4、縮短了約2%，該2%即為鑄造時所考慮的收縮量。見圖9。w鋼棒兩端固定并如上加熱及冷卻，當(dāng)冷卻到室溫時，鋼棒大約被拉長2%（其中一部分為塑性變形，另一部分為彈性變形），由彈性部分導(dǎo)致了殘余應(yīng)力，即拉應(yīng)力。根據(jù)平衡原理，在固定鋼棒的鋼結(jié)構(gòu)中，也有應(yīng)力存在。見圖9。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w鋼的屈服極限s在0500時基本是一常數(shù)。當(dāng)溫度超過500時， s發(fā)生陡降，當(dāng)溫度達到600時， s接近于零。說明鋼材此時幾乎處于完全塑性狀態(tài)，在很小的外力作用下就可以發(fā)生塑性變形。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w縱向應(yīng)力產(chǎn)生的原因w自由狀態(tài)下，金屬受熱時的伸長量與溫度成正比，假設(shè)被焊鋼板是由無數(shù)可以

5、自由伸縮的小板條組成。在焊接過程中由于他們的受熱不同，將按溫度分布情況伸長。同時在冷卻時，又將收縮回原處。這樣就不會出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力。w如果認為小板條之間相互制約，同步脹縮，則溫度高的部位就會受到溫度較低處的壓縮作用，同時其對低溫處有拉伸作用。因此，在高溫部分產(chǎn)生壓應(yīng)力，低溫部分產(chǎn)生拉應(yīng)力。w當(dāng)焊件冷卻時，由于焊縫及近縫區(qū)附近的壓縮塑性變形不能恢復(fù)，因此該處的收縮量也較大，其余部分逐漸減小。根據(jù)平面假設(shè)，焊縫及近縫區(qū)被拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力，其他溫度低的部分產(chǎn)生壓應(yīng)力。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w橫向應(yīng)力產(chǎn)生的原因：1. 由縱向收縮變形引起的橫向應(yīng)力w兩塊板對接焊時，相當(dāng)于兩塊板進行對稱的單邊堆焊

6、，其撓曲變形方向相反，由于相互制約，將在焊縫中部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，在焊縫兩端出現(xiàn)橫向壓應(yīng)力，見圖12b）。w單邊堆焊時由于板的縱向收縮不均勻，會引起撓曲變形，如圖12a）。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w橫向應(yīng)力產(chǎn)生的原因：2. 由焊縫冷卻先后順序不同而引起的橫向應(yīng)力 焊縫先焊的部位先冷卻，并恢復(fù)變形抗力，將對后冷卻部位的橫向收縮變形產(chǎn)生制約，并由此使后冷卻部位產(chǎn)生拉應(yīng)力，而后冷卻部位的橫向收縮作用會對先冷卻部位產(chǎn)生壓縮作用，因此使先冷卻部位產(chǎn)生壓應(yīng)力。此外，由于應(yīng)力平衡的結(jié)果，在焊縫的最末段也將產(chǎn)生壓應(yīng)力。 上述兩方面原因綜合作用結(jié)果決定了焊縫中最終橫向應(yīng)力。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及

7、分布w應(yīng)力分布狀態(tài)焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w應(yīng)力分布狀態(tài)焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布w應(yīng)力分布狀態(tài)當(dāng)板材較厚，不能按照平面應(yīng)力假設(shè)考慮時，厚度方向的內(nèi)應(yīng)力也起作用，這就產(chǎn)生了三軸應(yīng)力狀態(tài)，如圖16。多軸應(yīng)力狀態(tài)下，材料的屈服極限不再是由棒狀試樣進行單軸拉伸所獲得的結(jié)果，甚至可能發(fā)生不出現(xiàn)明顯屈服就斷裂的情況。其斷裂強度至少要超過標(biāo)準(zhǔn)屈服極限的二倍。焊接結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會出現(xiàn)多軸應(yīng)力狀態(tài)。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布手工焊及埋弧焊T形接頭的應(yīng)力分布情況應(yīng)力測量試件焊接內(nèi)應(yīng)力及變形 不同應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變圖缺口導(dǎo)致局部出現(xiàn)多軸應(yīng)力狀態(tài)。利用開缺口的試樣進行拉伸，可反映出多軸應(yīng)力狀

8、態(tài)對強度的影響。下圖為對應(yīng)左圖不同缺口形式下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。鋼結(jié)構(gòu)中不希望咬邊存在，因為咬邊處會出現(xiàn)很高的應(yīng)力值。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形裂紋的形成w構(gòu)件在承載之前就存在焊接應(yīng)力并可能存在焊接裂紋。導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生有兩方面的原因：應(yīng)力超過材料的斷裂強度；應(yīng)變超過材料的延伸率。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形消除內(nèi)應(yīng)力的措施1. 預(yù)熱w可降低厚大件的應(yīng)力峰值w可避免高強鋼及合金鋼的淬硬傾向及冷裂紋w可以改善點固焊和第一條焊道的熱循環(huán)狀態(tài)w補償冷空氣的影響w提高材料的導(dǎo)熱能力，改善高導(dǎo)熱材料的熔合w降低冷卻速度，減弱淬火效應(yīng)，避免淬硬傾向焊接內(nèi)應(yīng)力及變形消除內(nèi)應(yīng)力的措施2. 消除應(yīng)力退火w消除焊接內(nèi)應(yīng)力的最佳辦法是對焊

9、件進行整體消除應(yīng)力退火，這樣不僅可以消除焊接內(nèi)應(yīng)力，還可以消除構(gòu)件在軋制及校形過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)殘余應(yīng)力在50-100N/mm2時，可認為是安全的。最佳的退火溫度在580650之間，并按退火溫度曲線圖進行退火。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形消除內(nèi)應(yīng)力的措施3. 局部退火w對不能進行整體退火的構(gòu)件，可考慮進行局部退火。但應(yīng)注意，局部加熱會造成構(gòu)件內(nèi)的溫度分布不均勻，并因而產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，局部退火的作用取決于退火面積。實際中，局部退火經(jīng)常應(yīng)用于環(huán)焊縫，如鍋爐管道等。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形消除內(nèi)應(yīng)力的措施4. 火焰加熱法消除應(yīng)力w用兩把火焰槍加熱近縫區(qū)，使近縫區(qū)溫度保持在200左右，而焊縫中心的溫度維持在100左

10、右，火焰加熱區(qū)的外側(cè)用水冷卻，這將在焊縫的橫截面上造成一個雙峰分布的溫度場，處于高溫的近縫區(qū)會對焊縫金屬產(chǎn)生拉伸作用，減小焊縫的縱向收縮，并由此減小焊縫的縱向拉應(yīng)力。同時，雙峰分布的溫度場在橫向上對焊縫也有一定的擠壓作用，如能產(chǎn)生塑性變形，也可減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形消除內(nèi)應(yīng)力的措施5. 機械法消除應(yīng)力w錘擊：對韌性材料的厚大件，在每道焊縫冷卻后都對焊縫進行錘擊，既可以消除內(nèi)應(yīng)力，又可以避免收縮裂紋。但是，如果材料的韌性較差，錘擊時也可能產(chǎn)生裂紋。w碾壓：用碾壓機對焊縫進行碾壓，使焊縫得以延展，從而減小內(nèi)應(yīng)力。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的測量w內(nèi)應(yīng)力的測量及再現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的設(shè)計及各類結(jié)構(gòu)的安

11、全性評定具有重要意義。1.X射線衍射應(yīng)力測量法：是目前唯一的無損檢測內(nèi)應(yīng)力的方法，但其僅能測量表層0.01mm厚度范圍內(nèi)的應(yīng)力。激光全息法也是一種無損檢測內(nèi)應(yīng)力的新方法。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的測量2、機械應(yīng)變測量法：各種機械應(yīng)變測量方法幾乎都是破壞性測量方法，如：切條法和小孔法。其測量原理是根據(jù)破壞后所測量部位的回彈量來推算內(nèi)應(yīng)力。切條法焊接內(nèi)應(yīng)力及變形內(nèi)應(yīng)力的測量小孔法：焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w材料的選擇材料的選擇w選材時主要考慮的因素為：應(yīng)力狀態(tài)、構(gòu)件作用、工作溫度、工件厚度及冷作成形性等。w焊接填充材料：表1給出了按DIN1913標(biāo)準(zhǔn)要求的部分焊條的機械性能。w低溫下焊接時

12、應(yīng)采取的預(yù)低溫下焊接時應(yīng)采取的預(yù)防措施：防措施：w用帳篷保護焊接區(qū)域w在帳篷內(nèi)加熱w焊接部位預(yù)熱（焊縫兩側(cè)30mm范圍）w緩慢冷卻型號延伸率(%)沖擊功(J) ISO-V-試樣 +20A5AR7AR1127-3227-3224-2870-10080-11065-80R3RR6RR8RR1122-2522-2624-2825-3060-8060-9070-11055-85R(C)3RR(C)622-2623-2760-9055-85C428-3380-110RR(B) 7RR(B)826-3026-2980-11080-110B9B10B1225-3028-3426-30120-155160-1

13、95110-140焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w避免采用厚翼板結(jié)構(gòu)形式避免采用厚翼板結(jié)構(gòu)形式w控制角焊縫厚度控制角焊縫厚度w在考慮到熱輸入量的條件下，按DIN18800標(biāo)準(zhǔn)來選擇角焊縫的厚度：5 . 0maxminta焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w避免用十字接頭避免用十字接頭w在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量避免采用十字接頭，其次還應(yīng)考慮選擇合理焊接順序，以降低應(yīng)力水平。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w分件組焊分件組焊w在考慮內(nèi)應(yīng)力的情況下，焊接時應(yīng)盡量使單一構(gòu)件可以自由伸縮，如：從中間向兩邊焊。而固定整個構(gòu)件的焊縫應(yīng)放在最后焊接。w在考慮變形的情況下，安排焊道的順序時，應(yīng)從外向內(nèi)焊，先焊固

14、定整個構(gòu)件的焊縫。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接w焊接工序焊接工序w車間：將腹板與翼板間的角焊縫焊至距接頭200300mm。w原因：1）安裝時裝配組對精度高。 2）在組對焊接時，可使內(nèi)應(yīng)力均勻分布。w安裝：下翼板的焊接受拉區(qū) 上翼板的焊接或上下翼板同時焊接 焊接腹板 焊接頸部焊縫和焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接w坡口準(zhǔn)備（下翼板）和焊接順序焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接w翼板的焊接及

15、檢驗w1、靜載結(jié)構(gòu)w在翼板焊縫的范圍內(nèi)的腹板上加工出一個缺口，這樣有利于翼板的焊接和檢驗，但焊接和檢驗完成后，再重新封閉焊接。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形防止裂紋產(chǎn)生的實例w抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接抗彎梁的現(xiàn)場組對焊接w翼板的焊接及檢驗w1、動載結(jié)構(gòu) 在翼板焊縫的范圍內(nèi)的腹板上加工出一個缺口，待焊接和檢驗完成后再封閉，封閉焊接時要采取全焊透形式。焊接內(nèi)應(yīng)力及變形收縮及變形w橫向收縮對接接頭的橫向收縮可按下述公式計算：橫向收縮也可按如下公式計算：)(18. 0mmFBH25102 . 1vqB焊接內(nèi)應(yīng)力及變形收縮及變形焊接內(nèi)應(yīng)力及變形收縮及變形焊接內(nèi)應(yīng)力及變形收縮及變形w角變形焊接內(nèi)應(yīng)力及變形收縮及變形w縱向收

16、縮w在焊縫長度方向的收縮導(dǎo)致焊接變形，而變形量取決于焊件的厚度和焊縫的位置。w薄板構(gòu)件：內(nèi)應(yīng)力小，變形大w厚板構(gòu)件：內(nèi)應(yīng)力大，變形小焊接內(nèi)應(yīng)力及變形影響收縮及變形的因素 參數(shù)材料比熱CJ/g導(dǎo)熱系數(shù)J/cms熱膨脹系數(shù) mm/m銅0.3953.9500.018鋼0.4830.5500.012鎳鉻鋼0.5040.1470.017鋁0.9202.1170.026焊接內(nèi)應(yīng)力及變形焊接內(nèi)應(yīng)力及變形(IWE-3/4.13)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 方洪淵2006.5.13焊接生產(chǎn)制造的相關(guān)資料w有關(guān)焊接方案的通用規(guī)程（DVS1610）焊接方案焊接方案切割工藝規(guī)程切割工藝規(guī)程點固焊方案點固焊方案焊接順序方案焊接順序

17、方案檢驗方案檢驗方案w焊接方案及焊接順序方案的定義（DIN1910T12）w焊接方案：焊接方案：整個焊接生產(chǎn)制造過程的方案，包括焊接順序方案，焊接條件和焊接參數(shù)等。w焊縫排列順序：焊縫排列順序：焊接時焊縫在工件上的排列順序。w焊接順序方案：焊接順序方案：整個焊接工作的排列順序。w焊道排列順序：焊道排列順序：每條焊縫中的焊道排列順序。w點固焊方案（順序方案）：點固焊方案（順序方案）：點固焊焊縫的尺寸及排列順序。制定焊接方案(焊接順序方案)的意義及依據(jù)w為制造高質(zhì)量的、經(jīng)濟的焊接構(gòu)件，制定焊接方案（焊接順序方案）是十分必要的，這項工作再焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計時就應(yīng)予以考慮，并貫穿在整個生產(chǎn)、制造的過程中，

18、焊接方案制定的正確與否將直接影響到整個焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。w制定焊接方案的依據(jù)：制定焊接方案的依據(jù)：w法律規(guī)定、技術(shù)規(guī)范或供貨協(xié)議w最佳的經(jīng)濟性w最小的焊接應(yīng)力及變形w構(gòu)件的焊接性（包括：材料的焊接性，結(jié)構(gòu)的焊接安全性，生產(chǎn)制造中的焊接可能性。見DIN8528）w事故說明（缺陷的起因）w輔助人員的使用（代替專業(yè)人員）焊接方案的內(nèi)容w母材w坡口形式及坡口準(zhǔn)備w裝配順序（予焊件）w焊接方法（經(jīng)濟性）w焊接材料和輔助材料（許用范圍）w焊接材料及輔助材料的烘干w企業(yè)能力證明、工藝評定、工藝規(guī)程w焊接位置（盡量采用平焊位置）w所用設(shè)備（吊裝、翻轉(zhuǎn)和焊接設(shè)備）w要求達到的焊接質(zhì)量w加熱工藝（焊前、焊后及焊接期

19、間）w惡劣的氣候條件下保證焊接質(zhì)量的措施w焊接參數(shù)（電流、電壓及焊接速度）w焊縫成形（蓋面焊道尤為重要）w焊接順序及焊接方向w預(yù)防焊接變形的措施w檢驗范圍（可包括檢驗時間）w主要尺寸及總重量焊接順序的基本規(guī)則w下面所列出的是焊接順序的基本規(guī)則，使用時應(yīng)經(jīng)常驗證，是否能最大限度地避免焊接變形和內(nèi)應(yīng)力。但當(dāng)母材、材料厚度及焊接材料或輔助材料一定時，也會出現(xiàn)例外情況。焊接時應(yīng)盡量減少熱輸入量和填充金屬 例外：對裂紋敏感的材料。組焊結(jié)構(gòu)應(yīng)合理分配各個組單元，并進行合理的組對焊接 例外：對裂紋不敏感的材料，對變形有特殊限制的結(jié)構(gòu)。位于構(gòu)件剛性最大的部位最后焊接（盡可能使構(gòu)件能自由伸縮） 例外：對裂紋不敏感的材料，對變形有特殊限制的結(jié)構(gòu)。焊接順序的基本規(guī)則由中間向兩側(cè)對稱焊接 例外：全自動焊接時。先焊對接焊縫，后焊角接焊縫焊接順序的基本規(guī)則先焊短焊縫，后焊長焊縫先焊對接焊縫，后焊環(huán)焊縫焊接順序的基本規(guī)則當(dāng)存在焊接應(yīng)力時，