焊接應(yīng)力與變形

1、,陳信,陳信,焊接應(yīng)力與變形,本節(jié)主要內(nèi)容 一、應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)知識(shí)； 二、焊接應(yīng)力與變形的幾個(gè)假定； 三、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因；,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,一、應(yīng)力與變形的基本知識(shí),1.應(yīng)力物體單位截面上表現(xiàn)的內(nèi)力。 分類,內(nèi)力：在外力作用下，材料發(fā)生變形的同時(shí)，材料內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生阻止變形的抗力 。,陳信,2.變形物體在外力的作用下，其內(nèi)部原子的相對(duì)位置發(fā)生變化，其宏觀表現(xiàn)為形狀和尺寸的變化。 分類 按物體變形的性質(zhì)分為： 按變形的拘束條件分為：,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,由焊接熱過程引起的應(yīng)力和變形就是焊接應(yīng)力和焊接變形。 焊后，當(dāng)焊件溫度降至常溫時(shí)，殘存于焊件中的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力，焊

2、件上不能恢復(fù)的變形稱為焊接殘余變形。,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,為了便于討論，對(duì)于低碳鋼材料作如下假設(shè)：在0500時(shí)，屈服點(diǎn)不變，而在500600時(shí)，按直線規(guī)律減小到零。600以上時(shí)，就變?yōu)樗苄圆牧?鋼受熱時(shí)力學(xué)性能的變化,陳信,圖所示為金屬桿件進(jìn)行均勻加熱后的變形過程。當(dāng)溫度由T0升至T1時(shí)，金屬桿件便出現(xiàn)了熱膨脹，如果在伸長過程中不受阻礙，桿長將增加LT，這段長度的改變稱為自由變形，如圖83a所示。同樣，冷卻時(shí)又能自由收縮，金屬桿件始終處在自由無約束的狀態(tài)下，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力和變形。,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,假如金屬桿件在伸長過程中受到阻礙，不能自由地變形，這時(shí)的長度變化 量稱為外觀變形

3、L，見圖b。桿件內(nèi)部因受壓而產(chǎn)生的變形，稱為內(nèi) 部變形L，內(nèi)部變形在數(shù)值上等于自由變形和外觀變形之差，即L二LT Le，此時(shí)在金屬桿件內(nèi)將產(chǎn)生壓應(yīng)力。,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,如果壓應(yīng)力小于金屬材料的屈服點(diǎn)，則當(dāng)桿件溫度從T1恢復(fù)到T0時(shí)，若允許桿件自由收縮，則桿件將恢復(fù)到原來長度L0，桿件中不存在應(yīng)力。 如果桿件溫度很高，產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于材料的屈服點(diǎn)，則桿件產(chǎn)生塑性變形”，在桿件溫度恢復(fù)到了。的自由收縮結(jié)束后，將比原來縮短，產(chǎn)生了壓縮塑性變形。,陳信,假設(shè)焊件是由許多金屬小板條組成，它們互相結(jié)合，互相制約。當(dāng)焊接時(shí)，焊件受到局部不均勻的加熱和冷卻，焊接接頭各區(qū)域會(huì)出

4、現(xiàn)不同程度的熱脹和冷縮。溫度高、伸長大的板條要受到相鄰的溫度低、伸長小的板條的壓縮；相反，溫度低、伸長小的板條要受到溫度高、伸長大的板條的拉抻。,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,在鋼板的兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力，中間產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)壓應(yīng)力超過材料的屈服點(diǎn)時(shí)，就產(chǎn)生壓縮塑性變形，即圖a中虛線所圍繞的空白部分。 由于鋼板是一個(gè)整體，中間部分的收縮要受到兩邊的牽制，所以實(shí)際收縮變形如圖中實(shí)線所示，即鋼板總長縮短了L。在鋼板的兩側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，而鋼板中間，因沒有完全收縮，則產(chǎn)生了拉應(yīng)力。,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,三、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因 根本原因焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮。,1

5、.桿件的不均勻受熱.,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,（1）長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應(yīng)力與變形。,鋼板條中心加熱和冷卻時(shí)的應(yīng)力與變形,陳信,（2）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。,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時(shí)的應(yīng)力與變形,陳信,(3)桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由變形的變形和應(yīng)力。,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,(4)長板條非對(duì)稱加熱引起的變形和應(yīng)力,焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生,陳信,本節(jié)主要內(nèi)容： 一、焊接變形的種類 二、控制焊接變形的措施 三、矯正焊接變形的措施,焊接殘余變形,陳信,一、焊接變形的種類 焊接變形分為5種基本變形形式：收縮變形、角變形、

6、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。,焊接殘余變形,陳信,1收縮變形焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象稱為收 縮變形。分為縱向縮短和橫向縮短。,焊件在焊后沿焊縫長度方間的收縮稱為縱向縮短。 焊件在焊后垂直于焊縫方向的收縮叫橫向縮短。,焊接殘余變形,陳信,2角變形,角變形產(chǎn)生的根本原因：由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致。角變形的大小以變形角進(jìn)行度量。,焊接殘余變形,幾種接頭的角變形,T形接頭的角變形,陳信,3. 彎曲變形,彎曲變形主要是結(jié)構(gòu)上的焊縫布置不對(duì)稱或焊件斷面形狀不對(duì)稱，焊縫收縮引起的變形。 彎曲變形的大小用撓度進(jìn)行度量撓度是指焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離。,焊接殘余變形,陳信,（1

7、）縱向收縮引起的彎曲變形,焊縫的縱向收縮引起的彎曲變形,（2）橫向收縮引起的變曲變形,焊縫的橫向收縮引起的彎曲變形,陳信,4.波浪變形,波浪變形常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊接過程中，又稱之為失穩(wěn)變形。,焊接殘余變形,焊縫角變形引起的波浪變形,陳信,5.扭曲變形,產(chǎn)生扭曲變形的原因主要是焊縫角變形沿焊縫長度方向分布不均勻。 一般發(fā)生在有數(shù)條平行的長焊縫的焊件上，如焊接工形梁。扭曲變形的產(chǎn)生往往與焊接方向或順序不當(dāng)有關(guān)。,焊接殘余變形,工字梁的扭曲變形,陳信,焊接殘余變形,陳信,二、控制焊接變形的措施,1. 設(shè)計(jì)措施 （1）合理地選擇焊縫的尺寸和形狀（如圖） 在保證結(jié)構(gòu)承載力的情況下,盡可能采用

8、較小的焊縫尺寸, 減少熱輸入對(duì)材料性能的影響, 并降低成本。,相同承載力的十字接頭,箱形梁的不同接頭形式,焊接殘余變形,陳信,（2）合理選擇焊縫長度和數(shù)量 只要允許，多采用型材、沖壓件；焊縫多且密集處，可以采用鑄焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)，就可以減少焊縫數(shù)量。此外，適當(dāng)增加壁板厚度，以減少肋板數(shù)量，或者采用壓型結(jié)構(gòu)代替肋板結(jié)構(gòu)，都對(duì)防止薄板結(jié)構(gòu)的變形有利。,某人行天橋加強(qiáng)筋狀況,焊接殘余變形,陳信,（3）合理地安排焊縫的位置 安排焊縫盡可能對(duì)稱與截面中性軸,或使焊縫接近中性軸, 這對(duì)減少梁柱的撓曲變形有良好的效果。,箱形和工字梁的焊縫布置（后者較好）,焊接殘余變形,陳信,2.工藝措施 （1）反變形法 ( 如圖

9、),幾種反變形措施,焊接殘余變形,陳信,（2）留余量法 在下料時(shí)，將零件的實(shí)際長度或?qū)挾瘸叽绫仍O(shè)計(jì)尺寸適當(dāng)加大，以補(bǔ)償焊件的收縮。 留余量法主要用于防止焊件的收縮變形。,焊接殘余變形,陳信,（3）剛性固定法 1） 將焊件固定在剛性平臺(tái)上。,焊接殘余變形,薄板拼接時(shí)的剛性固定,陳信,2）將焊件組合成剛性更大或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)。,焊接殘余變形,T形梁的剛性固定和反變形,陳信,3）利用焊接夾具增加結(jié)構(gòu)的剛性和拘束。,焊接殘余變形,對(duì)接拼板時(shí)的剛性固定,陳信,4）利用臨時(shí)支撐增加結(jié)構(gòu)的拘束。,焊接殘余變形,防護(hù)罩焊接時(shí)的臨時(shí)支撐,陳信,（4） 選擇合理的裝配焊接順序。裝配焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)變形的影響很大。

10、1）大型而復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，只要條件允許，把它分成若干個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的部件，單獨(dú)進(jìn)行焊接，然后再總裝成整體。 2）正在施焊的焊縫應(yīng)晝靠近結(jié)構(gòu)截面的中性軸。,焊接殘余變形,主梁裝配焊接,陳信,3）對(duì)于焊縫非對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，裝配焊接時(shí)應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。,壓力機(jī)壓型上模的焊接順序,焊接殘余變形,陳信,4）焊縫對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)由偶數(shù)焊工對(duì)稱地施焊。,焊接殘余變形,圓筒體對(duì)接焊縫焊接順序,陳信,5）長焊縫（1m以上）焊接時(shí)，可采用下圖所示的方向和順序進(jìn)行焊接，以減小其焊后的收縮變形。,焊接殘余變形,陳信,（5）合理地選擇焊接方法和焊接工藝參數(shù),焊接殘余變形,非對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)的焊接,陳信,（6）熱平衡法 采用

11、熱平衡法防止焊接變形,焊接殘余變形,陳信,（7）散熱法 散熱法示意圖,焊接殘余變形,陳信,三、矯正焊接變形的措施,1. 手工矯正法 2. 機(jī)械矯正法 用機(jī)械方法矯正變形的原理就是將縮短的尺寸拉長，使之與較長的部分相適應(yīng)，從而恢復(fù)到原來的尺寸，或達(dá)到技術(shù)條件對(duì)幾何尺寸的要求。 機(jī)械矯正法會(huì)使金屬材料因冷作硬化而變脆，并產(chǎn)生附加應(yīng)力，因此一般適用于變形不大的小型結(jié)構(gòu)件。,焊接殘余變形,機(jī)械矯正法矯正梁的彎曲變形,陳信,3.火焰加熱矯正法 火焰矯正的原理與機(jī)械矯正相反，它是通過局部加熱并隨之快冷，使焊件伸長的部位縮短，達(dá)到矯正變形的目的。 火焰加熱的方式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱。 此法一般使

12、用的是氣焊炬，不需專門設(shè)備。操作簡單方便，機(jī)動(dòng)靈活，可以在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)上進(jìn)行矯正。,焊接殘余變形,陳信,（2）線狀加熱,（1）點(diǎn)狀加熱,焊接殘余變形,陳信,（3）三角形加熱 工字梁彎曲變形的火焰矯正 火焰加熱矯正焊接變形的取決于下列三個(gè)因素： （1）加熱方式 （2）加熱位置 （3）加熱溫度和加熱區(qū)的面積,焊接殘余變形,陳信,焊接殘余應(yīng)力,本節(jié)主要內(nèi)容： 一、焊接殘余應(yīng)力的分類； 二、焊接殘余應(yīng)力的分布； 三、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的影響； 四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施； 五、消除殘余應(yīng)力的措施； 六、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定方法。,陳信,概念如果不均勻的溫度場(chǎng)所造成的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，使構(gòu)件局

13、部發(fā)生塑性變形（加熱桿件中將出現(xiàn)壓縮塑性變形），當(dāng)溫度恢復(fù)均勻后，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)殘留在物體里。故稱之為殘余應(yīng)力。,焊接殘余應(yīng)力,陳信,一、焊接殘余應(yīng)力的分類：,按應(yīng)力的分布范圍 根據(jù)結(jié)構(gòu)中的空間位置,焊接殘余應(yīng)力,陳信,根據(jù)應(yīng)力與焊 縫的相對(duì)位置 根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生 作用的時(shí)間 根據(jù)應(yīng)力 形成原因,焊接殘余應(yīng)力,陳信,二、焊接殘余應(yīng)力的分布,1. 縱向殘余應(yīng)力 的分布,焊接殘余應(yīng)力,對(duì)接接頭 在焊縫橫截面上的分布,陳信,2. 橫向殘余應(yīng)力 分布,由縱向焊接應(yīng)力引起的 橫向應(yīng)力分布,不同焊接方向時(shí) 橫向應(yīng)力分布,焊接殘余應(yīng)力,（1）焊接及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力,（2） 橫向收縮年引起

14、的機(jī)工向應(yīng)力,陳信,3. 厚板焊接接頭中的殘余應(yīng)力分布 厚板（大于20mm）焊接接頭中存在三維的殘余應(yīng)力。,厚板焊接接頭中的殘余應(yīng)力分布,焊接殘余應(yīng)力,陳信,4.在拘束狀態(tài)下焊接的殘余應(yīng)力 由于焊接時(shí)的焊縫收縮會(huì)受到拘束力的制約，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，將和自由狀態(tài)下焊接相似的橫向（縱向）應(yīng)力疊加。,在拘束狀態(tài)下焊接的殘余應(yīng)力,焊接殘余應(yīng)力,陳信,5.在封閉焊縫中殘余應(yīng)力的分布：,焊接殘余應(yīng)力,陳信,1.對(duì)靜載強(qiáng)度的影響 只要材料有足夠的延性，能夠進(jìn)行塑性變形，內(nèi)應(yīng)力的存在不影響構(gòu)件的承載能力，對(duì)強(qiáng)度無影響。 如果材料處于脆性狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，構(gòu)件將發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。,三、焊

15、接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的影響,焊接殘余應(yīng)力,陳信,2.殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 在疲勞節(jié)段專門進(jìn)行講解。 3.殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工精度的影響 機(jī)械加工后，原內(nèi)應(yīng)力的平衡打破，工件將產(chǎn)生變形。,焊接殘余應(yīng)力,機(jī)械加工引起內(nèi)應(yīng)力釋放和變形,陳信,4.殘余應(yīng)力對(duì)受壓桿件的影響 波浪變形是構(gòu)件由于內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生構(gòu)件局部失穩(wěn)造成。 當(dāng)桿件的長細(xì)比（大于150),失穩(wěn)臨界應(yīng)力本來就低,或內(nèi)應(yīng)力較低時(shí),外載應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和在失穩(wěn)之前未達(dá)到屈服極限,殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。,焊接殘余應(yīng)力,陳信,當(dāng)桿件的較小(小于30),相對(duì)偏心又不大（小于0.1），其失穩(wěn)臨界應(yīng)力主要取決于桿件的全面屈服，內(nèi)應(yīng)力也不致產(chǎn)生影響

16、。 對(duì)翼緣寬厚比較大的H型截面，壓縮殘余應(yīng)力將降低翼緣的局部穩(wěn)定性。 局部失穩(wěn)可能造成桿件整體失穩(wěn)。,焊接殘余應(yīng)力,陳信,5.殘余應(yīng)力1對(duì)剛度的影響 構(gòu)件中存在與外力方向一致的殘余應(yīng)力1 ，而1數(shù)值又達(dá)到屈服極限，則在外力作用下，剛度將降低，而且卸載后構(gòu)件的原尺寸也不能復(fù)員。 6.殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕（開裂）的影響 焊接接頭區(qū)域往往比其他部位的腐蝕速度快，就是因?yàn)樵搮^(qū)域存在著較大的焊接殘余應(yīng)力。 在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同的作用下引起材料產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕。,焊接殘余應(yīng)力,陳信,四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施 1.設(shè)計(jì)措施:設(shè)計(jì)上減小焊接應(yīng)力的核心：正確布置焊縫，以避免應(yīng)力疊加。 1）盡量減少結(jié)

17、構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。 2）避免焊縫過分集中，焊縫間應(yīng)保持足夠的距離。,焊接殘余應(yīng)力,3）采用剛性較小的接頭形式。,容器接管焊接,減小接頭的剛性措施,陳信,帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)焊接順序,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。,拼接焊縫合理的裝配焊接順序, 收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊。,焊接殘余應(yīng)力,陳信, 工作時(shí)受力最大的焊縫應(yīng)先焊。,焊接殘余應(yīng)力,對(duì)接工字梁的焊接順序, 平面交叉焊縫焊接時(shí)，在焊縫的交叉點(diǎn)易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。,平面交叉焊縫的焊接順序,陳信,焊接殘余應(yīng)力, 對(duì)接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。,2）

18、預(yù)熱法。 3）冷焊法。 4）降低焊縫的拘束度。,降低局部剛度減少內(nèi)應(yīng)力,陳信,焊接殘余應(yīng)力,5）加熱“減應(yīng)區(qū)”法。,加熱“減應(yīng)區(qū)”法示意圖,陳信,五、消除殘余應(yīng)力的措施,注：振動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)，從應(yīng)力消除效果看，振動(dòng)法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設(shè)備簡單，價(jià)廉，處理成本低，時(shí)間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優(yōu)點(diǎn)。,焊接殘余應(yīng)力,陳信,六、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定,1.應(yīng)力測(cè)定方法的分類 按其對(duì)結(jié)構(gòu)的是否破壞來分 按測(cè)試原理分,焊接殘余應(yīng)力,陳信,應(yīng)力釋放法,原理：利用構(gòu)件在機(jī)加工后應(yīng)力部分釋放，回產(chǎn)生變形來重新分布應(yīng)力來達(dá)到平衡，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來求出應(yīng)力。屬于此法的有切條法，車削法，刨削法，套孔法，小孔法。,焊接殘余應(yīng)力,陳