第一部分焊接应力与变形

第一章 焊接应力与变形 n第一节 焊接应力与变形的产生 n第二节 焊接残余应力 n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 LT 是自由变形 LT L L0 如图a Le 是外观变形 L是内部变形 L LT Le 如图b T是自由变形率 T LT L0 T T0 外观变形率 e Le L0 内部变形率 L 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 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 n一 焊接残余应力的分类 n二 焊接残余应力的分布 n三 焊接残余应力对焊接结构的影响 n四 减小焊接残余应力的措施 n五 消除焊接残余应力的方法 n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 x的分布 2 横向残余应力 y的分布 3 特殊情况下的残余应力分布 返回 纵向残余应力 x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 y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 y如图1 8 图1 9 2 横向收缩所引起的横向残余应力 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 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 y是由 y 和 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 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 y 的分布 图1 8 纵向收缩引起的横向残余应力 y 的分布 a b c a b c 图1 9 不同长度平板对接焊时 y 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 y 的分布 图1 10 不同方向焊接时 y 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 z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 z在厚度上的分布 b x在厚度上的分布 c y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 和 r 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 18 2 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 18 b 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 20 b 收缩量最大的焊缝应先焊 如图1 21 c 工作时受力最大的焊缝应先焊 如图1 22 d 平面交叉焊缝的焊接顺序 如图1 23 e 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 12 345 67 8 9 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 25 a 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 下一页 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 n一 焊接变形的种类及其影响因素 n二 控制焊接变形的措施 n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 29 1 收缩变形 焊件尺寸比焊前缩短的现象 如图1 30 2 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 34 3 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 39 5 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