焊接应力与变形

第一章焊接应力与变形第一节焊接应力与变形的产生第二节焊接残余应力第三节焊接变形焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。第一节焊接应力与变形的产生一、焊接应力与变形的基本知识二、研究焊接应力与变形的基本假定三、焊接应力与变形产生的原因返回焊接应力与变形的基本知识1.变形：物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。变形可分为弹性和塑性变形。按拘束条件分为自由变形和非自由变形;而非自由变形中有外观变形和内部变形两种，如图1-1。2.应力：物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力。按引起内力原因的不同，可分为工作应力和内应力。内应力的显著特点：在物体内部，内应力是自成平衡的，形成一个平衡力系。3.焊接应力与焊接变形：焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。返回图1-1金属杆件的变形a)自由变形b)非自由变形返回ΔLT是自由变形：ΔLT=L-L0（如图a)ΔLe是外观变形，ΔL是内部变形：ΔL=ΔLT-ΔLe（如图b)εT是自由变形率：εT=ΔLT/L0=α(T-T0)外观变形率εe=ΔLe/L0内部变形率ε=ΔL/L0研究焊接应力与变形的基本假定金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：1.平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。2.金属性质不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。3.金属屈服点假定：如图1-2。4.焊接温度场假定：假定焊接温度场不随时间而改变。返回图1-2低碳钢的屈服点与温度的关系在500℃以下，屈服点与常温相同，不随温度而变化；500℃~600℃之间，屈服点迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态，即屈服点为零返回焊接应力与变形产生的原因1.焊件的不均匀受热：2.焊缝金属的收缩：3.金属组织的变化：钢在加热与冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织的比体积不一样，由此造成焊接应力与变形。4.焊件的刚性和拘束：焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大。返回焊件的不均匀受热（1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：冷却后不会有任何残余应力与变形。（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：1）当加热温度TTs时，冷却后即不存在残余变形也不存在残余应力。2）当加热温度TTs时，可能出现以下三种情况：a)如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形面无残余应力。b)如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力。c)如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。（3）长板条中心加热引起的应力与变形：如图1-3。（4）长板条一侧加热引起的应力与变形：如图1-4。下一页图1-3钢板条中心加热和冷却时的应力与变形a)原始状态b)、c)加热过程d)、e)冷却过程返回图1-4钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形a)原始状态b)假设各板条的伸长c)加热后的变形d)假设各板条的收缩e)冷却后的变形a)b)c)d)e)返回由上述讨论可知：1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。返回第二节焊接残余应力一、焊接残余应力的分类二、焊接残余应力的分布三、焊接残余应力对焊接结构的影响四、减小焊接残余应力的措施五、消除焊接残余应力的方法六、焊接残余应力的测定返回焊接残余应力的分类1.按应力在焊件内的空间位置分：（1）一维空间应力：即单向（或单轴）应力（2）二维空间应力：即双向（或双轴）应力（3）三维空间应力：即三向（或三轴）应力2.按产生应力的原因分：（1）热应力：又叫温差应力。它是在焊接过程中，焊件内部温度有差异引起的应力。（2）相变应力：焊接过程中，局部金属发生相变，其体积增大或减小而引起的应力（3）塑变应力：金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。3.按应力存在的时间分：（1）焊接瞬时应力：焊接过程中，某一瞬时的焊接应力。（2）焊接残余应力：焊件焊完冷却后残留在焊件内的应力。返回焊接残余应力的分布1.纵向残余应力σx的分布:2.横向残余应力σy的分布3.特殊情况下的残余应力分布返回纵向残余应力σx的分布作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服点，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。如图1-5、图1-6、图1-7返回横向残余应力σy的分布垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，我们将其分为两部分讨论：（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力σ′y如图1-8、图1-9（2）横向收缩所引起的横向残余应力σ″y：一条焊缝先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分又限制后冷却部分的横向收缩，这就引起了σ″y，如图1-10总之，横向残余应力的两个组成部分同时存在，焊件中的横向残余应力σy是由σ′y和σ″y合成的。返回图1-5对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况图1-6板边堆焊时的纵向残余应力与变形图1-7不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力σχ的分布a)短焊缝b)长焊缝返回图1-8纵向收缩引起的横向残余应力σyˊ的分布图1-8纵向收缩引起的横向残余应力σyˊ的分布a)b)c)a)b)c)图1-9不同长度平板对接焊时σyˊ的分布a)短焊缝b)中长焊缝c)长焊缝返回图1-10不同方向焊接时σy”的分布图1-10不同方向焊接时σy″的分布a)b)返回特殊情况下的残余应力分布（1）厚板中的焊接残余应力：除有纵向和横向残余应力外，在厚度方向还有较大的残余应力σz如图1-11（2）在拘束状态下的焊接残余应力：如图1-12（3）封闭焊缝中的残余应力：如图1-13（4）焊接梁柱中的残余应力：如图1-14（5）环形焊缝中的残余力：如图1-15返回图1-11图1-11厚板电渣焊中沿厚度方向的残余应力分布a)σz在厚度上的分布b)σx在厚度上的分布c)σy在厚度上的分布b)c)a)返回图1-12图1-12拘束状态下对接接头的横向残余应力分布a)拘束状态下的焊接b)拘束横向残余应力c)焊接横向残余应力d)合成横残余应力a)b)c)d)返回图1-13图1-13圆形镶块闭焊缝的残余应力a)封闭焊缝b)σθ和σr的分布a)b)返回图1-14图1-14焊接梁柱的纵向残余应力分布a)焊接T形梁的残余应力b)焊接工字梁的残余应力c)焊接箱形梁的残余应力a)b)c)返回图1-15圆筒环缝纵向残余应力分布图1-15圆筒环缝纵向残余应力分布返回焊接残余应力对焊接结构的影响1.对焊接结构强度的影响：焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。2.对构件加工尺寸精度的影响：为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。3.对受压杆件稳定性的影响：若能使有效截面远离压杆中性轴，可以改善其稳定。为了保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力，有些重要结构，焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。返回减小焊接残余应力的措施1.设计措施（1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸：（2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离：如图1-17（3）采用刚度较小的接头形式：如图1-182.工艺措施（1）采用合理的装配焊接顺序和方向：（2）预热法：（3）冷焊法：尽量采用小的焊接热输入，选用小直径焊条、小电流、快速焊及多层多道焊。（4）降低焊缝的拘束度：如图1-25（5）加热“减应区”法：此法在铸铁补焊中应用最多，如图1-26返回图1-17返回图1-17容器接管焊缝图1-18b)返回a)b)图1-18焊接管的连接a)插入式b)翻边式采用合理的装配焊接顺序和方向a)应保证焊缝纵向和横向收缩均能比较自由，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝，如图1-20b)收缩量最大的焊缝应先焊：如图1-21c)工作时受力最大的焊缝应先焊：如图1-22d)平面交叉焊缝的焊接顺序：如图1-23e)对接焊缝与角接焊缝交叉的结构：如图1-24返回图1-20拼接焊缝合理的装配焊接顺序返回123456789图1-21图1-21带盖板的双工字梁结构焊接顺序返回图1-22图1-22对接工字梁的焊接顺序返回图1-23图1-23平面交叉焊缝的焊接顺序a)b)c)d)返回图1-24图1-24对接焊缝与角焊缝交叉返回图1-25a)b)图1-25降低局部刚度减少内应力a)平板少量翻边b)镶板压凹返回图1-26受热后冷却收缩区热膨胀或冷却收缩方向图1-26加热“减应区”法示意图a)加热过程b)冷却过程返回被加热的减应区在下列情况中一般应考虑消除内应力1）在运输、安装、起动和运行中可能遇到低温，有发生脆性断裂危险的厚截面焊接结构。2）厚度超过一定限度的焊接压力容器。3)焊后机械加工量较大，不消除残余应力难以保证加工精度的结构。4）对尺寸稳定性要求较高的结构。5）有应力腐蚀危险的结构。返回消除焊接残余应力的方法1.热处理法（1）整体热处理（2）局部热处理2.机械拉伸法：在构件上施加一定的拉应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相抵消一部分，达到松弛焊接残余应力的目的。3.温差拉伸法：采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。4.锤击焊缝：5.振动法：返回焊接残余应力的测定1.机械方法：也称应力释放法，它是利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。（1）切条法：只适用于实验室中进行研究工作。（2）钻孔法：它适用于焊缝及其附近小范围内残余应力的测定。2.物理方法：是一种非破坏性测定残余应力的方法。（1）磁性法：是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。（2）X射线衍射法：是根据测定金属晶体的晶格常数在应力作用下发生的变化来测定残余应力，它是一种无损测量法。（3）超声波法：它是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的。返回第三节焊接变形一、焊接变形的种类及其影响因素二、控制焊接变形的措施三、矫正焊接变形的方法返回焊接变形的种类及其影响因素按照变形的外观形态来分，可分为：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形，如图1-291.收缩变形：焊件尺寸比焊前缩短的现象，如图1-302.角变形：产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致，如图1-343.弯曲变形：是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的4.波浪变形：常发生于板厚小于6mm的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形。通过降低焊接残余应力和提高焊件失稳临界应力来防止波浪变形。此外，角变形也可能产生类似的波浪变形，如图1-395.扭曲变形：主要是因为焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀所引起的。如图1-40返回收缩变形（1）纵向收缩变形：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短（2）横向收缩变形：指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。返回纵向收缩变形的影响因素1）焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小2）焊缝的长度越长，焊件的纵向收缩量越大3）多层焊时每层焊缝所产生的压缩塑性变形比单层焊时小，如图1-314）焊件的原始温度提高，焊后纵向收缩量增大5）线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大返回图1-29a)b)c)d)e)图1-29焊接变形的基本变形形式a)收缩变形b)角变形c)弯曲变形d)波浪变形e)扭曲变形返回图1-30图1-30纵向和横向收缩变形返回图1-31图1-31单层焊和双层焊的塑性变形区对比a)单层焊