焊接工程學(第七章)

第七章焊接應力變形與接頭強度一、內應力和內部變形

第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程內應力是在沒有外力的條件下產生并平衡于物體內部的應力◎內應力在物體內部構成平衡，即內力與內力矩之和為零◎內應力不同于外載條件下產生的應力◎不論是自由狀態(tài)下的焊接，還是拘束條件下（通過夾具緊固）的焊接，一般均有內應力出現

第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程1、內應力原因分析圖1內應力產生的金屬框架模型只給右圖金屬框架的中心桿件加熱，兩邊的桿件溫度保持不變，中心桿件由于溫度升高而伸長，由于其受到兩邊桿件的約束不能自由伸長，中心桿件將受到壓力作用而產生壓應力，兩邊桿件將受到中心桿件的拉應力2、內應力的分類第一類內應力——宏觀內應力，與物體尺寸大小相當，分布范圍較大第三類內應力——超微觀內應力，在金屬晶格的超微觀范圍內平衡第二類內應力——微觀內應力，其范圍在一個或幾個晶粒的微觀區(qū)域內平衡根據內應力的存在方式，分為瞬時內應力和殘余內應力第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程3、內部變形①自由變形：物體在某些因素（如溫度影響）作用下，無任何外界阻礙而自由進行的變形。

△LT=a·L0(T1-T0)單位長度上的自由變形，即自由變形率，用εT表示：εT=△LT/L0=a(T1-T0)=a△Ta、L0、T0、T1分別表示材料的熱膨脹系數、桿件的原始長度、原始溫度及加熱后溫度圖2自由變形第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程②外觀變形：當物體的自由變形受到外界阻礙時只能部分表現出來的變形部分，即△Le。單位長度上的外觀變形，即為外觀變形率，用εe表示：εe

=△Le/L0③內部變形：物體自由變形受到外界阻礙而沒有表現出來的變形部分，即△L。單位長度上的內部變形，即內部變形率，用ε表示：ε=△L/L0圖3外觀變形和內部變形第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程④自由變形、外觀變形和內部變形之間的關系一般而言，當材料拉伸時，其變形為正值；當受到壓縮時，其變形量為負值?！鱈=-(△LT—△Le)=△Le—△LT；

ε=εe—εT在彈性范圍內，內應力與內部應變滿足虎克定律：σ=E·ε=E·(εe—εT)圖4自由變形、外觀變形和內部變形的關系第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程二、熱循環(huán)中應力與應變的演變過程假設受拘束的金屬桿件為低碳鋼棒，其長度為單位長度，并固定在絕緣的剛性壁之間，對其進行均勻加熱然后均勻冷卻至原始溫度，完成熱循環(huán)過程。假定熱循環(huán)過程中低碳鋼的熱膨脹系數為常數，其屈服應變在500℃以下為常數，現分析當桿件的內部應變小于屈服應變時（ε＜εs），應力和應變的演變過程第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程由于金屬鋼棒在整個熱循環(huán)過程中被固定，故其外觀變形量εe=0；內部變形量ε=εe—εT0—t1：隨溫度升高，壓縮的內部變形量增加，壓應力上升t1：溫度至最大值，內部變形和壓應力也為最大t1—t2：溫度逐漸降低，內部變形及壓應力減小t2：溫度降至原始值，內部變形及壓應力減至零圖5受拘束碳鋼棒熱循環(huán)過程中的應力與變形第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程經過以上的熱循環(huán)過程后，在低碳鋼金屬棒內沒有殘余應力和殘余變形，應力和變形的大小隨時間而變化，且變化是瞬時性的第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程三、焊接過程中應力和變形的形成1、焊接熱過程的特點①加熱的局部性——熱源僅作用在焊件的接頭部位，焊件上的溫度分布很不均勻，溫差很大②熱源的移動性——焊接過程中熱源沿一定方向移動，在焊件上形成一種準穩(wěn)定溫度場③加熱速度和冷卻速度快——可在短時間內升至很高溫度并降至很低溫度，如加熱速度可至1500℃/s以上第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程圖6低碳鋼力學性能與溫度的關系1-彈性模量E；2-抗拉強度點σb；3-屈服點σs；4-膨脹系數α；5-伸長率δ焊接過程中應力和變形的過程十分復雜，比一般的熱處理過程要復雜得多第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程2、焊接條件下應力和變形的分布右圖為沿低碳鋼板條長度方向焊一縱向焊縫，焊后溫度升高造成的膨脹使端面從A′A平移至A1A1′，則A′A1為外觀變形εe

。在D′D區(qū)域內溫度超過熱塑性溫度600℃，可認為該區(qū)域內σs=0，不產生應力圖7低碳鋼長板條中心焊接的溫度及應力分布第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程DC和D′C′區(qū)域的溫度從600℃的熱塑性溫度降至500℃的屈服應變溫度，屈服應變εs從零上升到室溫時的數值。這兩個區(qū)域內的內應力大小是隨屈服應變εs的增加而增加。在CB和C′B′區(qū)域內(εe-εT)＞εs，故內應變?yōu)槭覝貢r的εs并保持不變。AB和A′B′區(qū)域內金屬完全處于彈性狀態(tài)，其內應力正比于內部應變值圖7低碳鋼長板條中心焊接的溫度及應力分布第一節(jié)焊接應力和變形的形成過程第二節(jié)焊接殘余應力焊接殘余應力是焊接后殘留在焊接結構中的應力。薄板時視為二維分布，厚板時則為三維分布一般而言，將平行于焊縫方向的應力稱為縱向殘余應力，σx；將垂直于焊縫方向的應力稱為橫向殘余應力，σy；厚度方向的殘余應力用σz表示一、焊接殘余應力的分布1、縱向殘余應力σx焊縫附近的縱向殘余應力σx為拉應力。離開焊縫區(qū)，拉應力迅速下降，隨后出現壓應力圖8垂直焊縫截面的縱向殘余應力σx第二節(jié)焊接殘余應力焊縫中縱向殘余應力σx的分布并不完全相同，且與焊縫長度有關。長焊縫的中部區(qū)域σx基本保持一穩(wěn)定的常數，在焊縫的兩端σx逐漸降為零；隨焊縫長度的縮小，焊縫中部的σx穩(wěn)定區(qū)域逐漸減小直至消失；且短焊縫比長焊縫的σx應力峰值小。若長焊縫進行分段焊接，可減少焊件的σx圖9不同長度焊縫的縱向殘余應力σx第二節(jié)焊接殘余應力2、橫向殘余應力σy橫向殘余應力σy由兩部分組成：焊縫及附近塑性區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應力σy′以及焊縫及附近塑性區(qū)的橫向收縮不同時引起的橫向殘余應力σy″①縱向收縮引起的橫向殘余應力σy′：沿焊縫方向截面上的上、下端部為壓應力，中部為拉應力圖10縱向應力σx引起的橫向應力σy′第二節(jié)焊接殘余應力在與焊縫距離不同的截面上，σy′的分布不同：離焊縫越遠，應力值越?。划敽缚p長寬比（L/B）增加時，σy′將隨之增加。但當焊縫足夠長時，中部區(qū)域的σy′將逐漸減小，甚至趨于零圖11不同長度焊縫的σy′分布第二節(jié)焊接殘余應力②橫向收縮不同時引起的橫向殘余應力σy″：焊接過程中由于焊接熱源對材料的加熱存在時間上的先后順序，因此其冷卻不完全同步，這種冷卻時的不同時性將引起材料的橫向殘余應力σy″圖12焊縫橫向收縮不同時引起的橫向應力σy″第二節(jié)焊接殘余應力當焊接構件的厚度超過25mm時，除了有縱向殘余應力σx和橫向殘余應力σy外，在厚度方向還有殘余應力σz下圖為碳鋼焊接后焊接接頭在厚度方向上的應力分布。由于焊縫正面和背面均有水冷銅塊，故凝固過程中，中心部位冷卻最慢，中心部位就有較高的拉應力3、厚板中的殘余應力σz圖13低碳鋼焊接接頭的應力分布σz第二節(jié)焊接殘余應力右圖為低碳鋼板材中的殘余應力分布，中間為殘余拉應力，兩側為壓應力。在外力的作用下，構件內部應力應是殘余應力和外力共同作用的結果

二、焊接殘余應力對焊接結構性能的影響1、殘余應力對靜載強度的影響圖14殘余應力對材料強度的影響第二節(jié)焊接殘余應力構件在外加拉力的作用下，殘余應力為拉應力的區(qū)域將與外加拉力疊加而使拉力增大，直至屈服產生塑性變形；殘余應力為壓應力的區(qū)域與外加拉力疊加后，壓應力逐漸變小并轉變?yōu)槔瓚?。如果材料的塑性足夠好，使其全面屈服而不破壞，則殘余應力的存在并不影響靜載強度第二節(jié)焊接殘余應力如果構件是塑性較低的材料，在外加拉力的作用下，應力峰值高的部位在發(fā)生塑性變形后應力繼續(xù)上升，當達到材料的最大抗拉強度后，構件就會發(fā)生破壞。此時，殘余應力的存在會影響其靜載強度圖15殘余應力對材料強度的影響第二節(jié)焊接殘余應力2、殘余應力對機加工精度的影響在機械加工時，如果構件被切削部分的材料中有殘余應力存在，機械加工后構件中殘余應力的平衡狀態(tài)將被破壞，殘余應力將重新分布，并達到新的平衡。如，對T型焊件進行平面加工后，工件將會出現翹曲變形；若在加工過程中用夾具將其夾緊，使之不發(fā)生變形，但松開夾具后，變形就會逐漸表現出來

對一些精度要求較高的構件，保證加工精度最好的辦法是先消除焊接應力，再進行加工第二節(jié)焊接殘余應力對于某些細長的構件（如豎立的柱），當其長細比達到一定程度時（λ＞150），外載引起的壓應力與構件中的殘余壓應力疊加，使該區(qū)域的應力值達到屈服點以后時，可能會使構件出現失穩(wěn)現象3、殘余應力對結構受壓穩(wěn)定性的影響圖16工字梁焊接后受壓時的應力分析第二節(jié)焊接殘余應力4、焊接殘余應力對應力腐蝕開裂的影響焊件在拉應力和腐蝕介質的共同作用下，易出現應力腐蝕開裂，如低碳鋼在NaOH溶液中的腐蝕應力腐蝕開裂的原因和步驟：①在腐蝕介質中，構件表面出現的局部腐蝕將形成微小蝕坑造成應力集中，并產生微小裂紋②在腐蝕介質的作用下，裂紋尖端將被不斷腐蝕，并在應力的作用下產生新的表面③新表面又將被腐蝕介質腐蝕掉，并使裂紋擴展。當裂紋擴展到臨界值時，在應力的作用下裂紋將快速擴展造成脆斷第二節(jié)焊接殘余應力應力腐蝕開裂所需的時間與應力大小有關。應力越大，發(fā)生斷裂的時間越短圖17不銹鋼的應力腐蝕開裂○—Cr18Ni9Ti△—Cr25Ni20第二節(jié)焊接殘余應力三、焊接殘余應力的控制和消除措施1、焊接殘余應力的控制①采用合理的焊接順序——先焊收縮量大和工作應力大的焊縫圖18焊接過程中焊接順序的選擇第二節(jié)焊接殘余應力②采用局部加熱法——通過局部加熱既減少溫度梯度降低內應力，同時局部加熱產生的膨脹使焊接區(qū)產生與焊縫收縮時相反的變形，冷卻時加熱區(qū)的收縮和焊縫收縮一致，通過焊縫自由收縮降低內應力圖19通過局部加熱降低內應力第二節(jié)焊接殘余應力2、焊接后消除應力的措施①機械拉伸法——通過施加外載對焊件進行拉伸，焊件的拉應力區(qū)在外力的作用下總體拉力變大，甚至產生塑性變形；構件的壓應力區(qū)將與外載的拉力相互抵消，甚至壓應力完全消除圖20通過加載降低內應力第二節(jié)焊接殘余應力②焊后熱處理——焊后熱處理是將焊接構件整體或局部加熱到某一溫度，并保持一定時間，然后使其均勻冷卻到室溫，從而降低或消除應力的方法A、局部高溫回火——在焊縫周圍的局部區(qū)域內進行加熱。該方法可改善焊接接頭的力學性能，降低應力的峰值，但不能完全消除應力第二節(jié)焊接殘余應力沖擊斷口剪切唇B、整體高溫回火——將整個焊接構件在高溫下進行回火。一般而言，回火溫度越高，回火時間越長，應力消除就越徹底圖21消除應力與高溫回火溫度和時間的關系第二節(jié)焊接殘余應力焊接殘余變形是焊接熱循環(huán)過程中的壓縮塑性變形導致構件出現縮短的現象一、焊接殘余變形的基本形式焊接構件的收縮主要是由沿焊縫長度方向的縱向收縮和垂直于長度方向的橫向收縮綜合作用形成第三節(jié)殘余應力變形焊接殘余變形的部分實例圖22沿焊縫縱向和橫向的收縮變形第三節(jié)殘余應力變形圖23翹曲變形第三節(jié)殘余應力變形圖25薄板焊件承受外力后的波浪變形圖24焊件平面圍繞焊縫產生的角變形第三節(jié)殘余應力變形圖26兩焊件的熱膨脹不一致出現的錯邊第三節(jié)殘余應力變形圖27焊接后發(fā)生扭曲變形第三節(jié)殘余應力變形二、焊接殘余變形的計算1、縱向收縮變形對于細長的鋼質焊件（如梁、柱），單層焊時其縱向收縮率可用如下的經驗公式進行估算：△L=k1·AH·L/AA——焊縫截面積（mm2）AH——塑性變形區(qū)面積（mm2）L——構件長度（mm）第三節(jié)殘余應力變形2、橫向收縮變形

對于對接接頭，其橫向收縮量可用如下的經驗公式進行估算：△B=0.18·AH/δ△B——對接接頭的橫向收縮量（mm）AH——焊縫截面積（mm2）δ——板厚（mm）第三節(jié)殘余應力變形三、焊接殘余變形的控制與矯正1、控制焊接變形的措施①設計措施A、合理選擇焊件尺寸——焊件的長度、寬度和高度對焊接變形有明顯影響。如，當鋼件和鋁件的厚度分別為9mm和7mm時，角變形最大；細長構件焊接時易產生彎曲變形；薄板焊接時易出現波浪變形，故對焊件的尺寸參數應精心設計第三節(jié)殘余應力變形B、合理選擇焊縫尺寸和坡口形式——一般而言，焊縫尺寸越大，填充金屬就越多，焊接變形就越大，因此，應在保證結構承載能力的情況下，盡量采用較小的焊縫尺寸；但是，若焊縫尺寸過小，冷卻速度就會很大，又容易產生焊接缺陷如焊接裂紋、熱影響區(qū)硬度過高等合理設計坡口也可控制焊接變形。如：雙Y型坡口對接接頭的角變形明顯比V型坡口的??；對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，開坡口的焊縫比不開坡口的角焊縫更能有效地減少焊接變形第三節(jié)殘余應力變形C、合理進行焊接安排——焊接規(guī)劃時，應盡量減少不必要的焊縫，減少焊縫數量就可減少焊接變形量應力求使焊縫位置對稱于焊接結構的中性軸，或接近中性軸。當焊縫對稱于中性軸時，有可能使焊縫引起的彎曲變形相互抵消；當焊縫接近中性軸時，可以減少由焊縫收縮引起的彎曲力矩，使彎曲變形減少第三節(jié)殘余應力變形②工藝措施圖28減少焊接變形的反變形法A、反變形法——焊接前通過估算構件在焊接后出現變形的大小和方向，在裝配時給予一相反的變形量，使之與焊后構件的焊接變形量相抵消，從而達到設計要求第三節(jié)殘余應力變形B、剛性固定方法——焊前將焊件固定再進行焊接。此法可在一定程度上減小焊接變形量，尤其適用于防止角變形和波浪變形的焊件圖29剛性固定法焊接法蘭盤第三節(jié)殘余應力變形C、合理選擇焊接規(guī)范——選擇熱輸入較小的焊接法，可有效防止焊接變形。也可采用水冷或銅冷卻塊的方法限制和縮小焊接熱場的分布，減少焊接變形第三節(jié)殘余應力變形

2、矯正焊接變形的方法①、機械矯正法——利用外力使構件產生與焊接變形方向相反的塑性變形，使之相互抵消。在薄板結構中，若焊縫為比較規(guī)則的直焊縫或圓焊縫，可用圓盤形輥輪碾壓焊縫及兩側，使之伸長來消除焊接殘余變形。該法尤其適用于塑性較好的材料，其效率高，質量好對于不太厚的板材，可用錘擊法來延展焊縫及周圍壓縮塑性變形區(qū)域，以消除焊接變形。該法簡單，但勞動強度大，錘擊力不易控制第三節(jié)殘余應力變形②火焰加熱矯正法——利用火焰局部加熱時產生的壓縮塑性變形，使焊件在冷卻后產生收縮，以矯正焊件的變形第三節(jié)殘余應力變形第四節(jié)焊接接頭強度基本理論一、焊接接頭的概念及特點焊接接頭是由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)及鄰近母材組成的化學成分、金相組織和力學性能不均勻的焊接體。其特點為：幾何形狀不連續(xù)；化學成分不連續(xù)；金相組織不連續(xù)；力學性能不連續(xù)第四節(jié)焊接接頭強度基本理論圖30焊接接頭的構成1-焊縫金屬；2-熔合線；3-熱影響區(qū)；4-母材二、焊縫及焊縫接頭的基本形式1、焊縫的基本形式——對接焊縫和角焊縫①對接焊縫：對接接頭實施的焊縫，是沿焊件的厚度方向進行連接，其力學性能較好第四節(jié)焊接接頭強度基本理論圖31角焊縫截面形狀及計算截面②角焊縫：沿焊件的兩個表面進行的截面為三角形的連接。一般用三角形的腰長，即焊角尺寸K表示角焊縫的大小，斜邊上的高a所在的截面為計算截面第四節(jié)焊接接頭強度基本理論2、焊接接頭的基本形式A、對接接頭——根據焊件的厚度，可分為卷邊對接、平對接和坡口對接等圖32對接接頭的形式第四節(jié)焊接接頭強度基本理論B、搭接接頭——用（角）焊縫將兩個工件相互重疊連接而成的接頭圖33搭接接頭的形式a-直焊搭接；b-鉆孔塞焊；c-電阻點焊；d-開槽塞焊第四節(jié)焊接接頭強度基本理論C、T型接頭——亦稱十字接頭，是將相互垂直的工件用（角）焊縫連接起來的接頭圖34T型接頭的基本形式第四節(jié)焊接接頭強度基本理論D、角接接頭——a-角接頭最簡單，但承載能力差；b-雙面角焊縫，承載能力增強；c、d-開坡口后易焊透，使用強度提高；e、f-簡單實用的接頭；g-有最準確直角的接頭；h-不易施焊的不合理接頭圖35角接頭的基本形式第四節(jié)焊接接頭強度基本理論三、焊接接頭工作應力分布特點在焊接接頭中，工作應力的分布是不均勻的，存在著局部應力峰值（σmax）比平均應力（σm）高的現象，稱為應力集中應力集中系數為：KT=σmax/σm應力集中主要是由焊縫中的工藝缺陷如氣孔、夾雜、裂紋引起。其中，裂紋和未焊透引起的應力集中最嚴重第四節(jié)焊接接頭強度基本理論1、對接接頭的工作應力分布對接接頭的工作應力分布比較均勻，其應力主要集中在焊縫的加厚高及焊縫與母材的過渡區(qū)對于承受沖擊載荷的構件，應將加厚高用砂輪等工具打磨掉，以降低應力集中系數四、焊接接頭的工作應力分布第四節(jié)焊接接頭強度基本理論圖36電弧焊對接接頭的應力分布第四節(jié)焊接接頭強度基本理論2、搭接接頭的工作應力分布根據搭接接頭中角焊縫的受力方向可分為：正面角焊縫——與受力方向垂直的角焊縫側面角焊縫——與受力方向平行的角焊縫斜向角焊縫——與受力方向成一定角度的角焊縫圖37電弧焊搭接接頭的角焊縫第四節(jié)焊接接頭強度基本理論A、正面角焊縫——應力主要集中在角焊縫的根部（A）和焊趾（B）。其中，焊趾部位的應力集中系數隨角焊縫的斜邊與直角邊的夾角而變化。當夾角θ減小和增大根部的焊透性時，可以大大降低應力集中系數圖38電弧焊正面搭接角焊縫的應力分布第四節(jié)焊接接頭強度基本理論由于搭接接頭的正面角焊縫常常不在板的中心，此時角焊縫將會產生附加彎曲應力。為減少彎曲應力，防止較大的變形，兩條角焊縫之間的距離應大于板厚的4倍，即l≥4δ圖39電弧焊