第十章 焊接结构和焊接应力与变形分解

第十章焊接结构和焊接应力与变形焊接过程中，由于工件受热不均匀，膨胀和收缩程度不同，工件内就会产生焊接应力和变形。焊接应力和变形直接影响结构的制造质量和使用性能，甚至导致报废。因此，了解焊接应力和变形产生的原因和影响因素，熟悉并掌握防止、减小焊接应力和变形的途径和措施非常重要。第一节应力与变形概述一、应力的基本概念物体受到外力作用而发生变形的同时，在其内部就会出现一种抵抗变形的抗力，这种力称为内力。物体受到外力的作用，在单位截面积上出现的内力称为应力。计算公式为σ=F/SF——外力或载荷，N；S——横截面积，mm2；σ——应力，MPa。（1N/mm2=106Pa=1MPa）FFσF•内应力：在没有外力作用条件下平衡于物体内部的力。如焊接接头的加热膨胀和冷却收缩受到拘束阻碍而产生的应力。各种加工工艺几乎都会产生内应力。内应力的特点：在物体内某一截面上自平衡。•工作应力：由外力作用引起的应力。如物体外部受拉力、压力或剪切力作用而形成的拉应力、压应力或切应力，统称为工作应力。构件受热不均匀而引起的应力，称为热应力或温度应力。应力集中应力集中系数二、变形的基本概念物体在受到外力作用的同时，会发生形状或尺寸的改变，称为变形。材料产生变形的大小主要取决于外力的大小及材料本身的强度、刚度等。σσs时（应力小于屈服点），只产生弹性变形；σσs时，不仅产生弹性变形还产生塑性变形。•弹性变形外力解除后能够恢复到原始状态的变形；•塑性变形外力去除后不能恢复至原始状态的变形。对于受拉力F作用的金属杆件，其长度从原始长度L增加到L+ΔL，则增加的长度ΔL与原长L之比，称为应变，即ε=ΔL/LL+ΔLLFF受拉的金属杆根据胡克定律，得应力与应变的关系为ε=σ/Eε—材料的弹性模量，MPa；σ—材料的正应力，MPa。三、焊接应力与变形焊接是一种不均匀加热和冷却的工艺过程，在工件中一般都会产生焊接变形和焊接应力。•焊接瞬时应力和变形：焊接过程中产生的随时间而变化的应力和变形。•焊接残余应力和变形：焊件完全冷却后仍残留在工件中的应力和变形，即通常所说的焊接应力和变形。焊接加热时工件的温度分布焊接区域的加热极不均匀，接头各部分金属处于不同的状态。熔池金属为液态，靠近熔池部分的金属处于塑性和半塑性状态，远离熔池的部分处于弹性状态，这些区域又随着热源的移动而移动。焊接加热时焊件上温度分布垂直焊缝截取一加热温度在600℃以上的单元体，并假设温度均匀。单元体两端以外温度低于600℃，并认为是具有一定刚性拘束的支撑。分析应力和变形产生过程当单元体两端的拘束很小可以忽略时，即近似为自由状态。单元体受热时产生变形，自由伸长。冷却时自由缩短，在室温恢复到原来长度，不发生任何可见变形。自由状态焊接应力和变形产生的原因和过程一般刚性拘束状态当单元体两端以外的刚性拘束较大，不可忽略时，即非自由状态。单元体加热时膨胀受阻，产生一定的压缩塑性变形。冷却时单元体的收缩受到两端拘束的限制，单元体内产生拉应力，并有所缩短。焊接接头区域可看成由许多这样的单元体组成，所以单元体的变形过程可揭示焊接变形的产生和变形过程。可见，在焊接不均匀加热和冷却循环过程中，焊缝和近缝区内产生了热应变并伴随压缩塑性变形，而不均匀压缩塑性变形是产生焊接变形和焊接应力的主要原因。第二节焊接应力焊接过程中，工件内产生的内应力称为焊接应力。按作用时间分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬时应力是指焊接过程中某一瞬时的焊接应力，它随着时间而变化。焊后残留在工件内的焊接应力称为焊接残余应力。一、焊接应力的分类1根据焊接应力产生的原因分类•热应力焊件内部因温度分布不均匀所引起的应力。主要与基体金属的热物理性质、焊件内的温度分布及材料高温时的力学性能有关。•组织应力焊接过程中由于组织转变而引起的内应力。奥氏体分解为珠光体或转变为马氏体时引起体积变化，并受到周围金属的拘束。同时组织的转变也并不均匀，因此产生了组织应力。•拘束应力焊接过程中由于结构自身拘束或外部拘束条件所造成的应力。它与结构形式、刚度、焊缝位置、施焊顺序、部件自重、夹持件位置及松紧程度有关。2.根据焊接应力的作用形式拉应力和压应力。（+拉应力，-压应力）焊接加热时（I）,焊缝及近缝区内金属受热膨胀，但受到周围低温基体金属的拘束，使受热膨胀金属受压应力作用，而周围低温部位金属受拉应力作用；冷却时（II）,焊缝及近缝区金属收缩，亦受其周围金属的拘束限制，则产生拉应力，而周围金属受压应力作用。纵向应力横向应力焊接加热和冷却时的应力3.根据焊接应力对焊缝的作用方向纵向应力平行于焊缝方向的应力（σx）。横向应力垂直于焊缝方向的应力（σy）。对接焊缝对接焊缝内残余应力的典型分布σx在焊缝附近区域为高值拉应力，在等于焊缝宽度几倍距离处变为压应力。σy在焊缝中部区域为拉应力，两段为压应力。σx的分布σy的分布通常低碳钢工件，纵向残余应力σx的最大值与焊缝金属屈服点σs接近。4.根据焊接应力所处的空间状态单向应力只沿一个方向存在的应力，即线应力。存在于薄板结构（厚度在12mm以下），长而窄的对接焊缝及表面堆焊结构中。双向应力在一个平面内沿两个方向存在的应力，即平面应力。存在于中厚板结构（厚度在16~36mm之间）或宽板的对接焊、表面堆焊及交叉焊的结构中。单向应力双向应力纵向横向3.三向应力焊接应力在工件中沿空间三个方向（纵向、横向和厚度方向）上作用的应力。它存在于厚大工件对接焊、表面堆焊、立体交叉焊的结构中，以及具有裂纹、未焊透等缺陷的缺口尖端部位。体积应力使材料的塑性变形能力降低，易导致结构脆性断裂，因而是一种危险的应力状态。厚板焊接立体交叉焊缝二、焊接残余应力的分布1.平板对接板厚为16~36mm的一般结构中，残余应力基本是双向的，厚度方向的应力很小（可忽略）。纵向应力σx分布在焊缝的端点，纵向应力σx=0，并沿焊缝逐渐增大达到稳定区（一般达到σs）。纵向应力沿焊缝的分布随焊缝长度不同，应力稳定区也不同，工件较短时不存在稳定区。焊缝长度对纵向应力分布的影响横向应力σy的分布离开焊缝越远，应力值越低，边缘σy=0。横向应力沿板宽的分布三向应力在厚度方向的分布厚板中的焊接应力，除了σx、σy外，还存在较大的厚度方向上的应力σz。三向应力在厚度方向上的分布是不均匀的。厚板V形多层焊缝中，σy在焊缝根部大大超过材料的屈服点。σzσxσy厚板焊接时产生的三向残余应力分布这是由于每焊一层都要产生一次角变形，在根部多次拉伸塑性变形的积累造成了应变硬化，使应力不断上升所致。如果焊接时能限制角变形，则根部可能出现拉应力。2.对接圆筒圆筒对接环焊缝的纵向应力分布当圆筒直径与厚度相差很大时σx的分布与平板相似，可达到σs；当直径较小时σx有所降低。筒体环缝的纵向残余应力分布3.封闭焊缝环形封闭焊缝残余应力大小与外板和镶入板的刚度有关，刚度越大，残余应力越大。人孔、接管、圆环等类型的对接或角接焊缝，其形状常是环形封闭的.径向应力σr（σx）由内板径向收缩引起；周向应力σθ（σy）由焊缝周向收缩引起。内板上σr、σθ均为拉应力，且大体相等。圆形焊缝内残余应力分布4.T形梁T形梁翼板内的应力在焊缝及近缝区为拉应力，远离焊缝处为压应力。腹板上缘处的拉应力是由纵向收缩造成的弯曲变形引起的。T形梁内残余应力分布5.工字梁和箱形梁焊缝及近缝区的残余应力为拉应力，远离焊缝区内的应力为压应力。工字梁和箱形梁内残余应力分布三、焊接应力的危害焊接应力是产生焊接裂纹的重要原因之一。当结构承载时残余拉应力与工作应力叠加，使总的应力水平提高。对于塑性材料，当应力峰值达到屈服点后，该区应力不再增加而产生塑性变形。当材料的塑性耗尽时，就会造成塑性破坏。平板内残余应力与工作应力叠加后应力状态的变化塑性材料应力均匀化后再增大对于脆性材料，由于缺少足够的塑性，不能很好地进行塑性变形，随着工作应力的增加，结构中不能产生应力均匀化，应力峰值将不断增加，一直达到强度极限(σb)发生局部破坏，最后导致整体结构的脆性破坏。平板内残余应力与工作应力叠加后应力状态的变化脆性材料如果存在三轴等值拉应力，则根本不可能产生塑性变形，完全呈脆性状态，因此易导致脆性破坏。三轴应力状态焊后需加工的工件，由于机械加工去掉一部分材料的同时破坏了原来工件中内应力的平衡，使工件产生变形并影响加工精度。加工T形梁上表面齿轮箱加工轴孔应力释放后将产生弯曲变形加工第二个孔所引起的变形将影响第一个孔的精度残余应力影响加工精度、结构形状和尺寸的稳定性内应力的变化将引起结构形状、尺寸的变化。拉伸残余应力与腐蚀介质共同作用将引起应力腐蚀开裂。拉伸残余应力越大，产生应力腐蚀开裂的时间越短。残余应力的分布状态影响压杆的稳定性。残余应力影响结构的疲劳强度。当存在应力集中和残余应力时，疲劳强度将下降。应力集中系数越高，残余应力的影响程度越明显。因此，高强钢、低温、刚性拘束较大的厚壁结构，有应力腐蚀倾向及尺寸精度、密封性要求较高或形状复杂的结构，焊后应作消除应力热处理。四、焊接应力的控制与消除1.控制焊接应力的途径降低焊接应力不仅可避免焊接裂纹，而且将减小残余应力的影响。（1）焊前预热可减少焊缝及热影响区金属温差，减缓焊后冷却速度，从而减小焊接应力。预热分为整体预热和局部预热法。预热时可采用远红外线或气体火焰加热。（2）采用合理的焊接顺序和方向焊接长焊缝或大型结构件时，焊接顺序应从中间向两端或四周，即从中间向自由端。采取合理的焊接顺序和方法(a)长焊缝(b)管板与管束的焊接1）自由收缩。使焊缝在焊接过程中尽量能自由收缩而不受较大的约束。如管板与管束的焊接常采用放射交叉式的焊接顺序，以分散应力。焊接平面上带有交叉焊缝的接头，焊接顺序的选择应保证交叉部位不易产生缺陷和过大的应力。交叉焊缝焊接顺序拼板焊接先焊错开的短焊缝1、2，再焊直通的长焊缝3。若相反，则由于短焊缝的横向收缩受到限制而产生很大的拉应力。合理的焊接顺序2）先焊收缩量大的焊缝因先焊的焊缝收缩时受阻小，故应力小。如在结构上同时有对接焊缝和角焊缝，应先焊对接焊缝。3）采用较小的焊接热输入采用较小的热输入，可减小焊接加热区的热压缩塑性变形，降低应力水平。4）锤击或碾压焊缝每焊完一道焊缝，用圆头小锤均匀地锤击焊缝使之延展从而降低内应力。但第一层和表面层不宜锤击，以免影响焊缝质量。锤击应保持均匀、适度。铸铁冷焊时经常采用这种方法，并且效果显著。5）反变形法焊接圆环焊缝或其他刚性较大、自由度较小的焊缝时，可采取反变形法或开缓和槽的方法以增加焊缝的自由度，减小应力。降低局部应力的措施2.消除焊接应力的方法焊接残余应力会导致焊接结构承载能力的下降，例如使结构的抗疲劳、抗脆断、抗应力腐蚀能力降低，使结构的尺寸稳定性下降，增大压杆、梁的失稳性等。因此消除焊接结构中的残余应力极其必要。焊接过程中近缝区产生的压缩塑性变形是残余应力形成的根源。因此，消除残余应力的实质是使焊接区产生适量的塑性伸长。焊后消除应力的方法有：焊后热处理、过载拉伸法、振动时效法、锤击法、爆炸处理法、温差法等。焊后热处理除部分高强度钢和有特殊要求的构件焊后采用调质处理，奥氏体不锈钢有时采用固溶处理外，大部分结构钢的热处理是进行整体或部分高温回火。（1）整体高温回火将工件整体放入炉中，并缓慢加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷却。低碳钢和16MnR一般加热到600~650℃，保温时间一般按每毫米壁厚2~3min计算，最短不应少于30min，最多不超过3h。冷却时应力求缓慢，使工件不同截面得到均匀冷却，否则可能造成新的内应力。整体高温回火可消除80%左右的残余应力。（2）局部高温回火在焊缝周围的一定区域进行加热，消除应力的效果不如整体热处理，只能降低应力峰值，但可改善接头的力学性能。局部热处理只适用于比较简单的接头，加热时可采用电阻丝、远红外线、火焰或工频感应加热等。为取得较好的降低应力效果，应保证足够的加热宽度。平板对接接头的加热宽度应与接头宽度相等。复杂结构进行局部热处理时，有产生新的内应力的危险。通常锅炉压力容器受压元件常采用整体热处理法消除焊接残余应力。管接头焊缝