焊接變形與應(yīng)力

1、Chapter 2 焊接變形與應(yīng)力 Stress and reform of welding 本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)：1.桿件的均勻加熱、冷卻過(guò)程的變形與應(yīng)力桿件的均勻加熱、冷卻過(guò)程的變形與應(yīng)力 2.長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力 3.焊接殘余變形焊接殘余變形 4.預(yù)防和矯正殘余變形的方法預(yù)防和矯正殘余變形的方法 5.焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力 6.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施 本章難點(diǎn)本章難點(diǎn)：1.桿件的均勻加熱、冷卻過(guò)程的變形與應(yīng)力桿件的均勻加熱、冷卻過(guò)程的變形與應(yīng)力 2.長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力長(zhǎng)板條在不均勻

2、溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力 3.焊接殘余變形焊接殘余變形 4.焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力 3.1 焊接應(yīng)力與變形的基本概念 1.按應(yīng)力的 分布范圍 2.根據(jù)結(jié)構(gòu)中 的空間位置 圍平衡的應(yīng)力超微觀應(yīng)力：在晶格范 內(nèi)相互平衡的應(yīng)力微觀應(yīng)力：在晶粒范圍 范圍平衡的應(yīng)力宏觀應(yīng)力：在整個(gè)焊接 . 3 . 2 . 1 焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類 1 的三個(gè)方向作用三向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件 的兩個(gè)方向作用雙向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件 的一個(gè)方向作用單向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件 . 3 . 2 . 1 焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類 2 3.根據(jù)應(yīng)力與焊根據(jù)應(yīng)力與焊 縫的相對(duì)位置縫的相對(duì)位置 4.根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生根據(jù)應(yīng)力

3、產(chǎn)生 、作用的時(shí)間、作用的時(shí)間 5.根據(jù)應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力 形成原因形成原因 向與焊縫垂直橫向應(yīng)力：應(yīng)力作用方 向與焊縫平行縱向應(yīng)力：應(yīng)力作用方 . 2 . 1 應(yīng)力殘余應(yīng)力：焊后留下的 現(xiàn)的應(yīng)力瞬時(shí)應(yīng)力：焊接過(guò)程出 . 2 . 1 受阻屬組織轉(zhuǎn)變時(shí)體積變化組織應(yīng)力：由于接頭金 力變形受到拘束引起的應(yīng)拘束應(yīng)力：由于焊件熱 均勻加熱引起的應(yīng)力溫度應(yīng)力：由于焊件不 . 3 . 2 . 1 焊接變形產(chǎn)生原因及分類 1 1.自由變形：自由變形：當(dāng)金屬物體溫度發(fā)生變化，或發(fā)生了當(dāng)金屬物體溫度發(fā)生變化，或發(fā)生了 相變，其尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變相變，其尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變 化沒(méi)有受到外界

4、的阻礙而自由的進(jìn)行。化沒(méi)有受到外界的阻礙而自由的進(jìn)行。 單位長(zhǎng)度的自由變形量：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的自由變形量： 010 TTLLT 0 L LT T 01 TT 焊接變形產(chǎn)生原因及分類 2 2.外觀變形外觀變形：當(dāng)金屬物在溫度變化過(guò)程中受到阻礙，：當(dāng)金屬物在溫度變化過(guò)程中受到阻礙， 不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來(lái)的這部分變不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來(lái)的這部分變 形，稱為外觀變形形，稱為外觀變形 。 3.內(nèi)部變形內(nèi)部變形：把未表現(xiàn)出來(lái)的那部分變形，稱為內(nèi)：把未表現(xiàn)出來(lái)的那部分變形，稱為內(nèi) 部變形部變形 ； 0 0 0 L L T LLL 0 0 L L 焊接殘余變形的基本類型 厚度方向上的錯(cuò)邊 度或

5、脹不一致，所引起的長(zhǎng)錯(cuò)邊變形：兩焊件熱膨 現(xiàn)波浪形，在焊薄板中出波浪變形：焊后構(gòu)件程 移面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位角變形：焊后構(gòu)件的平 布置偏離焊件的形心軸彎曲變形：由于焊縫的 尺寸縮短后在垂直焊縫的方向上橫向收縮變形：構(gòu)件焊 尺寸縮短后在平行焊縫的方向上縱向收縮變形：構(gòu)件焊 . 6 . 5 . 4 . 3 . 2 . 1 縱向橫向收縮變形 角變形、彎曲變形和波浪變形 桿件的均勻加熱和冷卻過(guò)程中的變 形和應(yīng)力 簡(jiǎn)化假定簡(jiǎn)化假定： 1. 金屬材料的性參數(shù)金屬材料的性參數(shù) 是與溫度變化無(wú)關(guān)的參數(shù)是與溫度變化無(wú)關(guān)的參數(shù) 2. 金屬的相變溫度很高，不考慮組織應(yīng)力金屬的相變溫度很高，不考慮組織應(yīng)力 3. 材料

6、屈服極限與溫度變化關(guān)系材料屈服極限與溫度變化關(guān)系 、 bS EC 不同拘束條件下桿件均勻加熱、冷 卻時(shí)的變形和應(yīng)力 1.桿件在無(wú)拘束條件下桿件均勻加熱、冷卻時(shí)的 變形和應(yīng)力 桿件一端固定的自由熱變形 0 T t T 2.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 受拘束桿件均勻加熱、冷卻過(guò)程中的變形和應(yīng)力 s |1.2 t t T T 0 1 t 2 t 2.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 受拘束桿件均勻加熱、冷卻過(guò)程中的變形和應(yīng)力 CT o s 500;|2 . 2 max 0 T t 1 t 2 t 3 t 4 t s 2p sr s T 2

7、.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 受拘束桿件均勻加熱、冷卻過(guò)程中的變形和應(yīng)力 s 0 1 t 2 t 3 t 4 t t s 5 t 6 t 7 t 4p s T s 500 600 C o 500 C o 600 CT o s 600;|3 . 2 max T 3.桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨 脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力 s |1 . 3 T 0 t 1 t 3.桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨 脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力 T T 1 t 2 t 3 t 4 t 2p t 500 C o 500 s s 2p CT o s 500;|2 .

8、3 max 0 3.桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨 脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力 500 600 C o 500 C o 600 4p 4p 1 t 2 t3 t 4 t 5 t T 0 T t s CT o s 600;|3 . 3 max 3.長(zhǎng)板條（長(zhǎng)寬比45）在不均勻 溫度場(chǎng)作用下變形和應(yīng)力 假定假定： 1.單向應(yīng)力單向應(yīng)力 2.線熱源，厚度方向上溫度是均勻的線熱源，厚度方向上溫度是均勻的 3.截面保持平面截面保持平面 長(zhǎng)板條在中心加熱引起的縱向收縮 變形和應(yīng)力 長(zhǎng)板條非對(duì)稱加熱引起的變形和應(yīng)力 長(zhǎng)板條冷卻后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形 殘余應(yīng)力的分殘余應(yīng)力的分 布是：焊縫及布是：焊縫

9、及 近焊縫區(qū)域受近焊縫區(qū)域受 到拉應(yīng)力，常到拉應(yīng)力，常 達(dá)以后隨遠(yuǎn)離達(dá)以后隨遠(yuǎn)離 焊縫依次是壓焊縫依次是壓 應(yīng)力，拉應(yīng)力，應(yīng)力，拉應(yīng)力， 形成三個(gè)正負(fù)形成三個(gè)正負(fù) 相間的應(yīng)力分相間的應(yīng)力分 布區(qū)。布區(qū)。 4.焊接殘余變形 縱向收縮變形及產(chǎn)生的彎曲變形 縱向收縮變形結(jié)論 長(zhǎng)度的增大而增大焊縫絕對(duì)收縮量隨焊縫 橫截面面積成反比焊縫縱向收縮量與工件 積成正比線能量或主作用區(qū)的面焊縫縱向收縮量與焊接 . 3 . 2 . 1 縱向收縮量的計(jì)算 1.單層焊的縱向收縮量單層焊的縱向收縮量： F構(gòu)件截面積構(gòu)件截面積 L構(gòu)件長(zhǎng)度構(gòu)件長(zhǎng)度 -焊縫截面積焊縫截面積 2.多層焊的收縮量多層焊的收縮量： F LFK L

10、 H 1 H F 焊接方法CO2焊埋弧焊手工焊 材料低碳鋼低碳鋼奧氏體鋼 K10.0430.0710.0760.0480.0570.076 nK F LFKK L s H 851 2 12 層數(shù) n E s s 縱向引起彎曲變形結(jié)論 反比與構(gòu)件的截面慣性矩成 的距離成正比與焊縫偏離板條形心軸 積成正比與焊接線能量或堆焊面 . 3 . 2 . 1 橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形 固定的剛性系數(shù) 鋼板厚度 焊接線能量 大小為橫向收縮變形 得到通過(guò)熱變形計(jì)算和實(shí)驗(yàn) L L q q B B 對(duì)接接頭橫向變 形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 丁字接頭及搭接 接頭橫向收縮 橫向收縮變形結(jié)論 變形小橫板上的熱能量越小，丁字接頭

11、：立板越厚， 越大，橫向收縮小角焊縫：板越厚，剛度 坡口角度的增大而增大隨焊絲金屬量，板厚和 自動(dòng)焊手工焊變形量：氣焊 . 4 . 3 . 2 . 1 橫向引起彎曲變形 橫向引起彎曲橫向引起彎曲 變形與焊縫變形與焊縫 到焊件形心到焊件形心 的距離成正的距離成正 比比 角變形 1.焊縫橫向收縮焊縫橫向收縮 引起的彎曲角引起的彎曲角 變形變形 2.焊縫金屬收縮焊縫金屬收縮 引起的傾斜角引起的傾斜角 變形變形 對(duì)接接頭角變形 丁字接頭和搭接 接頭的角變形 波浪變形 原因原因：薄板在承受壓：薄板在承受壓 應(yīng)力，當(dāng)其中的壓應(yīng)應(yīng)力，當(dāng)其中的壓應(yīng) 力達(dá)到力達(dá)到-臨界應(yīng)力，薄臨界應(yīng)力，薄 板將出現(xiàn)波浪變形失板

12、將出現(xiàn)波浪變形失 去承載能力，稱之為去承載能力，稱之為 失穩(wěn)。失穩(wěn)。 22 2 2 1 12B A B Ek cr 錯(cuò)邊變形 原因原因：主要是：主要是 焊接過(guò)程中對(duì)焊接過(guò)程中對(duì) 接邊的熱量不接邊的熱量不 平衡，裝配不平衡，裝配不 善會(huì)造成錯(cuò)邊善會(huì)造成錯(cuò)邊 5.預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法 1.合理設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)：1.選選 用對(duì)稱截面的用對(duì)稱截面的 結(jié)構(gòu)，焊縫布結(jié)構(gòu)，焊縫布 置對(duì)稱，在設(shè)置對(duì)稱，在設(shè) 計(jì)時(shí)，安排焊計(jì)時(shí)，安排焊 縫盡可能使焊縫盡可能使焊 縫對(duì)稱于截面縫對(duì)稱于截面 的中性軸的中性軸 1.合理設(shè)計(jì) 2.合理的選擇焊縫的尺寸和形式合理的選擇焊縫的尺寸和形式：在保證結(jié)構(gòu)的承載：在保證結(jié)構(gòu)的承

13、載 能力的條件下，盡量采用較小的焊縫尺寸能力的條件下，盡量采用較小的焊縫尺寸 3.盡可能減少焊縫的數(shù)量盡可能減少焊縫的數(shù)量：用型鋼代替鋼板，用斷續(xù)：用型鋼代替鋼板，用斷續(xù) 焊代替連續(xù)焊焊代替連續(xù)焊 2.工藝措施 1. 正確的確定裝配、焊接順序正確的確定裝配、焊接順序 不正確的裝配次序：工字構(gòu)件，不正確的裝配次序：工字構(gòu)件， 先丁字，然后在裝另一塊蓋板，先丁字，然后在裝另一塊蓋板， 焊后仍有較大的撓度焊后仍有較大的撓度 丁字丁字 工字工字 正確應(yīng)該是，先點(diǎn)固成工字，正確應(yīng)該是，先點(diǎn)固成工字， 然后焊接，注意次序然后焊接，注意次序 L L EJ LeP f 8 2 2, 1 I I EJ LeP

14、f 8 2 4, 3 2.工藝措施 2.選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较蜻x擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?原則：原則： 翻轉(zhuǎn)輔助時(shí)間的交替焊，盡可能增加截面對(duì)稱的構(gòu)件應(yīng)對(duì)稱 最后焊，對(duì)構(gòu)件變形影響大的先焊離構(gòu)件形心軸近的 縫時(shí)，先焊少的一側(cè)當(dāng)結(jié)構(gòu)形心軸兩側(cè)有焊 . 3 . 2 . 1 反變形法 定義定義：構(gòu)件在焊前預(yù)制成與：構(gòu)件在焊前預(yù)制成與 變形方向相反的變形，這種變形方向相反的變形，這種 方法可以防止彎曲變形，和方法可以防止彎曲變形，和 角變形。角變形。 剛性固定法 在無(wú)反變形的情況下，將在無(wú)反變形的情況下，將 構(gòu)件加以固定來(lái)限制焊接構(gòu)件加以固定來(lái)限制焊接 變形，（在焊法蘭盤(pán)上），變形，（在焊法蘭盤(pán)上），

15、 防止角變形和波浪變形較防止角變形和波浪變形較 好好 合理的選擇焊接的方法和焊接規(guī)范 選擇線能量較低的焊選擇線能量較低的焊 接方法，采用多層焊接方法，采用多層焊 代替單層焊代替單層焊 矯正殘余變形的方法 1.機(jī)械矯正法機(jī)械矯正法：將變形的構(gòu)：將變形的構(gòu) 件中的尺寸較短的部分件中的尺寸較短的部分 通過(guò)機(jī)械力作用，使之通過(guò)機(jī)械力作用，使之 產(chǎn)生塑性延展變形，而產(chǎn)生塑性延展變形，而 恢復(fù)和達(dá)到形狀的要求，恢復(fù)和達(dá)到形狀的要求， 可以利用螺旋、氣動(dòng)、可以利用螺旋、氣動(dòng)、 液壓的器具來(lái)加外力液壓的器具來(lái)加外力 矯正殘余變形的方法 2.火焰矯正法火焰矯正法：利用：利用 火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的 局

16、部壓縮變形使較局部壓縮變形使較 長(zhǎng)部分在冷卻后縮長(zhǎng)部分在冷卻后縮 短來(lái)消除變形（不短來(lái)消除變形（不 適用于具有晶間腐適用于具有晶間腐 蝕傾向的不銹鋼和蝕傾向的不銹鋼和 淬硬傾向較大的鋼淬硬傾向較大的鋼 材）材） 6.焊接殘余應(yīng)力 焊接殘余應(yīng)力分布 ：厚度方向上的應(yīng)力 力：垂直焊縫方向上的應(yīng) ：焊縫方向上的應(yīng)力 Z Y X . 3 . 2 . 1 1.縱向應(yīng)力 的分布 X 1.縱向應(yīng)力 的分布 X 橫向應(yīng)力的分布 分段倒退焊 端向中間焊從中間向兩端焊或從兩 的直通焊從焊縫的一端到另一端 焊接順序引起的 力縱向收縮引起的橫向應(yīng) . 3 . 2 . 1 . 2 . 1 Y 橫向應(yīng)力的分布 另一端的直

17、通焊 從焊縫的一端到 從兩端向中間焊 從中間向兩端焊或 橫向應(yīng)力的分布 倒退焊 分段 厚板中的殘余應(yīng)力分布 封閉焊縫中的殘余應(yīng)力分布 組織應(yīng)力相變應(yīng)力 焊接殘余應(yīng)力的影響 1. 對(duì)靜載強(qiáng)度的影響對(duì)靜載強(qiáng)度的影響 2. 對(duì)機(jī)械加工精度的影響對(duì)機(jī)械加工精度的影響 原因：焊件在不經(jīng)過(guò)焊后消應(yīng)力處理，內(nèi)部存在著原因：焊件在不經(jīng)過(guò)焊后消應(yīng)力處理，內(nèi)部存在著 相互平衡的應(yīng)力，當(dāng)進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，如切削相互平衡的應(yīng)力，當(dāng)進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，如切削 掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會(huì)掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會(huì) 重新變形（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布重新變形（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布 來(lái)保

18、持平衡，焊件不斷的切削，就會(huì)不斷的變來(lái)保持平衡，焊件不斷的切削，就會(huì)不斷的變 形，加工精度難以保證形，加工精度難以保證 ，材料發(fā)生局部破壞至應(yīng)力峰值不斷增加，直 產(chǎn)生應(yīng)力的均勻化過(guò)程脆性材料，構(gòu)件不可能 性變形能力，無(wú)影響塑性材料，有足夠的塑 b . 2 . 1 焊接殘余應(yīng)力的影響 3 對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響（研究不夠充（研究不夠充 分）分） 4 對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響 原因：拉應(yīng)力和介質(zhì)、腐蝕共同作原因：拉應(yīng)力和介質(zhì)、腐蝕共同作 用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象，拉應(yīng)用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象，拉應(yīng) 力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的時(shí)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的時(shí) 間越早。間越早。 5 對(duì)結(jié)構(gòu)

19、剛度的影響對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響 結(jié)論：在靜載下，焊件經(jīng)過(guò)一次結(jié)論：在靜載下，焊件經(jīng)過(guò)一次 加載，卸載后，以后再次加載，加載，卸載后，以后再次加載， 只要其大小不超過(guò)前一次，殘余只要其大小不超過(guò)前一次，殘余 應(yīng)力不再起作用，外載也不影響應(yīng)力不再起作用，外載也不影響 焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布 7.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施 1.調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力的措施調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力的措施 1.1設(shè)計(jì)措施設(shè)計(jì)措施: 設(shè)計(jì)上減小焊接應(yīng)力設(shè)計(jì)上減小焊接應(yīng)力 的核心是正確布置的核心是正確布置 焊縫，以避免應(yīng)力焊縫，以避免應(yīng)力 疊加疊加 設(shè)計(jì)原則 減小應(yīng)力集中 面突變處，應(yīng)力最嚴(yán)重的區(qū)域和斷焊縫盡量不布置在工作

20、式采用剛性較小的接頭形 盡量避免三軸交叉焊縫 離為容器上相鄰焊縫最小距 合相關(guān)要求相鄰焊縫最小距離要符焊縫不止應(yīng)避免集中， 尺寸和長(zhǎng)度下，盡量減少焊縫截面在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提 . 5 . 4 . 3 100 3 . 2 . 1 mm t 工藝措施 工藝原則 焊接時(shí)預(yù)熱和跟蹤加熱 錘擊或碾壓焊縫 的自由度反變形法來(lái)增加焊縫處 的焊縫時(shí)，可采用剛性較大、自由度較小在焊接封閉焊縫后其他 然后在焊直通的長(zhǎng)焊縫 開(kāi)的短焊縫在拼板時(shí)，應(yīng)先拼焊錯(cuò) 焊縫先焊工作時(shí)受力較大的 先焊收縮量較大的焊縫 方向采用合理的焊接順序和 . 4 . 3 . 2 . 3 . 2 . 1 . 1 消除殘余應(yīng)力的措施 扭曲共振法

21、彎曲共振法 殘余應(yīng)力的交變應(yīng)力來(lái)消除部分振動(dòng)法：利用振動(dòng)產(chǎn)生 機(jī)械拉伸法 熱）兩側(cè)壓應(yīng)力區(qū)域局部加熱塑性法（在焊接接頭 織與性能）高溫回火（改變金相組 . 2 . 1 . 4 . 3 . 2 . 1 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(jiǎn)單，價(jià)廉，處理成本小的靜載拉伸效果好，且具有設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)廉，處理成本 低，時(shí)間短，無(wú)高溫回火的金屬氧化問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。低，時(shí)間短，無(wú)高溫回火的金屬氧化問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。 8.焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定 1.應(yīng)力測(cè)定方法的分類應(yīng)力測(cè)定方法的分類 按其對(duì)結(jié)構(gòu)的是否破壞來(lái)分按其對(duì)結(jié)構(gòu)的是否破壞來(lái)分 按測(cè)試原理分按測(cè)試原理分 無(wú)損法 半破壞法 全破壞法 . 3 . 2 . 1 射線法 應(yīng)力釋放法 X. 2 . 1 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(lái)重新分布應(yīng) 力來(lái)達(dá)到平衡，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 來(lái)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。 應(yīng)力釋放法 1.切條法切條法：將待測(cè)焊