造船焊接与切割技术-9

苗玉刚2010-3-1哈尔滨哈尔滨工程大学HarbinEngineerUniversity造船焊接与切割技术WeldingandCuttingTechnologyforShipbuilding焊接应力与变形(1)Weldstressanddeformation(1)第9讲焊接应力与变形授课内容：z几个基本概念z焊接应力与变形原因z几种典型焊接变形基本概念一、内应力及产生原因当物体受到不均匀作用(如局部加热或加压)就会产生应力，如果作用取消后物体内部还有应力的话，把这种没有外力作用平衡于物体内部的应力，称作内应力。基本概念内应力按分布范围分为：第一类内应力（宏观，工程中主要研究对象）第二类内应力（晶粒尺寸）第三类内应力（晶格尺寸）基本概念内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力㈠温度应力（热应力）¾产生条件：受热不均匀¾温度均匀结果：应力残留或消失举例残余应力z产生原因：不均匀加热z产生条件：局部区域产生塑性变形或相变基本概念•自由变形：•⊿LT=α·L0(T1-T0)•εT=⊿LT/L0=α·(T1-T0)•外观变形：•⊿Le•εe=⊿Le/L0•内部变形：•⊿L=－(⊿LT－⊿Le)•ε=⊿L/L0焊接变形低碳钢应力应变关系σ=E·ε=E(εe－εT)结论：当ε﹤εs时，杆件可以恢复到原来的长度，则杆件中不存在应力当ε﹥εs时产生残余应力和残余变形。不均匀温度场作用下的变形和应力研究的前提条件：平面假设原理假设一个长度比宽度大得多的板条，当构件受纵向应力或弯矩作用而变形时，在构件中的平截面始终保持是平面。不均匀温度场作用下的变形和应力㈠长板条中心加热¾假设这个金属板条是由若干互不相连的小窄条组成，则每很小窄条都可以按着自己被加热到的温度自由变形。¾实际上，组成板条的小窄条之间是互相牵连和约束的整体，截面必须保持平面。由于温度场在板条上的分布是对称的，故端面只作平移。截取板条的单位长度研究==∑∫−dxYBB..2/2/δσdxEBBTe⋅⋅−∫−δεε2/2/)(0)]([2/2/=⋅−⋅=∫−dxxfEBBeαεδ温度低，无塑性变形,应力平衡：温度高，产生塑性变形，残余应力：∫∑∫−−−⋅=⋅⋅=2222)(YBBpeBBdxEdxεεδδσ‘∫∫∫⋅+−⋅⋅−−−22'2222)]([BCeCCpeCBedxEdxxfEdxEεδεδεδ’‘＋＝0)]([)(22=−⋅+−⋅⋅∫−BBpeedxxfECBE’‘＝εδεδ不均匀温度场作用下的变形和应力¾在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心受压，两边受拉。¾温度恢复到原始状态时当εεs时，内应力消失当εεs时，产生残余应力和塑性变形，中心受拉，两边受压。非对称加热（一侧加热）板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。非对称加热（一侧加热）结论：当ε﹥εs时产生残余应力和残余变形（如图2－7）；当ε﹤εs时不产生残余应力和残余变形；焊接应力与变形金属高温性能随温度变化CTCTcCTcsssooo600,0600500,0500,≥=−=→=≤=σσσ焊接应力与变形CTCTcCTcsssooo600,0600500,0500,≥=−=→=≤=σσσ典型焊接温度场平面假设的适用条件：①焊接速度快②材料导热慢(钢)受拘束体在热循环中应力与变形)(.1TesEεεσεε−=〈弹性状态，无残余应力受拘束体在热循环中应力与变形CETECTsTeMAXsoo100)(500,.2=⋅=−=〈〉ασεεσεε有塑性变形及残余应力残余应力等于材料屈服极限CTMAXso600,.3〉〉εε%72.0600102.15=××=∆•=∆=−TLLαε船用低碳钢的延伸率20%,故不可能产生断裂。焊接应力应变的演变过程截面I塑性温度最宽处截面II最高温度为600℃截面III离热源稍远处截面IV温度恢复到常温焊接应力应变的演变过程在截面I处，横向温度高于600℃范围内自由变形全部为塑性变形，应力为零，横向温度在600℃至100℃范围内，出现压缩弹性变形和部分塑性变形，较远处出现拉应力。在截面II处，焊缝中心温度高达600C，故该处拉应力为零，两侧随温度的降低拉应力逐渐增大，在远处出现压应力，压应力达到屈服极限后，产生压缩塑性变形。在截面III处，温度进一步下降，材料进一步受到拉伸，拉应力达到σs。在压应力区，又有一部分材料屈服，压缩塑性变形区稍扩大。在截面IV处，温度恢复至常温，焊缝中心形成拉伸变形，两侧产生压缩塑性变形。㈣焊接热应变循环近缝区的两种情况：a)无相变；b)有相变金属在高温时的延性和断裂产生裂纹三个因素①大小②脆性温度区ΔTB③金属塑性δmin1-临界条件2-不产生裂纹3-产生裂纹T∂∂/ε焊接瞬态应力变形研究的新发展有限元法和计算机技术的应用取代简单计算纵向应力产生的原因z自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成。在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样就不会出现内应力。z如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应力，低温部分产生拉应力。z当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸，产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。纵向应力产生的原理横向应力产生的原因1.由纵向收缩变形引起的横向应力Š单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起挠曲变形，见图a。Š两块板对接焊时，相当于两块板进行对称的单边堆焊，其挠曲变形方向相反，由于相互制约，将在焊缝中部产生横向拉应力，在焊缝两端出现横向压应力。横向应力的第一部分---由纵向收缩变形引起的横向应力横向应力产生的原因2.由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力，而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用，因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果，在焊缝的最末段也将产生压应力。上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。应力分布状态应力分布状态当板材较厚，不能按照平面应力假设考虑时，厚度方向的内应力也起作用，这就产生了三轴应力状态，如图16。多轴应力状态下，材料的屈服极限不再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得的结果，甚至可能发生不出现明显屈服就断裂的情况。其断裂强度至少要超过标准屈服极限的二倍。焊接结构中经常会出现多轴应力状态焊接变形焊接变形的分类：分七类㈠纵向收缩变形㈡横向收缩变形焊接变形㈢挠曲变形焊接变形㈣角变形㈤波浪变形：薄板易发生焊接变形㈥错边变形：长度方向和厚度方向㈦螺旋形变形焊接变形的影响焊接变形影响结构尺寸的准确、美观可能降低结构承载能力（附加弯曲应力）焊接变形的影响焊接变形可能降低结构承载能力举例二纵向收缩变形以及它引起的挠曲变形dFPpFpf⋅=∫ε假想力FdFLFELPLpFpf∫⋅⋅=⋅⋅=∆ε纵向收缩量假想力作用在塑性变形区上线能量对焊接纵向变形的影响细长构件纵向收缩量的经验公式估算单层焊的纵向收缩量为焊缝截面积，－取值见表其中HHFkFLFkL1211⋅⋅=∆多层焊的纵向收缩量为多层焊层数其中nnkFLFkkLsH,851212⋅+=⋅⋅=∆⋅ε两面角焊缝丁字接头再乘以系数1.15~1.40钢制构件的挠度估算单道焊缝引起的挠度:距离为焊缝到构件中性轴的见表ekcmILeFkfH1,-2)(8121⋅⋅⋅=)(8212cmILeFkkfH⋅⋅⋅⋅=多层焊和双面角焊缝引起的挠度:横向收缩变形及其产生的挠曲变形㈠堆焊及角焊缝横向收缩变形与线能量和板厚的关系横向收缩在焊缝长度方向上的分布㈡对接接头留有间隙的平板对接焊的横向变形不留间隙的平板对接焊的横向变形沿焊缝纵向热变形对横向变形的影响角变形产生原因：横向收缩在厚度方向上的不均匀分布(一)平板堆焊(一)平板堆焊㈡对接接头典型焊接对接接头对接焊层数与角变形的关系对接多层焊防止角变形方法丁字接头的角变形五、波浪变形产生原因：受压部位失稳螺旋形变形问题什么是内应力？什么是温度应力？什么是残余应力？焊接应力与变形产生的原因？