課件-焊接應(yīng)力

1、HuaQiao UniversityOF Technology焊接基礎(chǔ)焊接基礎(chǔ)機(jī)電及自動化學(xué)院6 焊接應(yīng)力與變形HuaQiao UniversityOF Technology焊接基礎(chǔ)焊接基礎(chǔ)機(jī)電及自動化學(xué)院6 6 焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力與變形一一. 焊接焊接應(yīng)力與變形的概念應(yīng)力與變形的概念焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力。焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力。按作用時間可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。按作用時間可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。物體在受到外力的作用時，會出現(xiàn)形狀、尺寸的變化，這就稱為物體物體在受到外力的作用時，會出現(xiàn)形狀、尺寸的變化，這就稱為物體的變形。的變形。焊

2、接變形是焊件由焊接而產(chǎn)生的變形（尺寸和形狀的改變）。焊接變形是焊件由焊接而產(chǎn)生的變形（尺寸和形狀的改變）。焊后焊件殘留的變形稱為焊接殘余變形。焊后焊件殘留的變形稱為焊接殘余變形。在物體受到外力作用發(fā)生變形的同時，在內(nèi)部會出現(xiàn)一種抵抗變形的力，在物體受到外力作用發(fā)生變形的同時，在內(nèi)部會出現(xiàn)一種抵抗變形的力，這種力叫內(nèi)力。這種力叫內(nèi)力。在單位截面積上的內(nèi)力叫應(yīng)力。在單位截面積上的內(nèi)力叫應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分類：溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力 溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力） 產(chǎn)生條件：受熱不均勻 溫度均勻結(jié)果：應(yīng)力殘留或消失舉例過程：加熱-承受壓應(yīng)力-屈服（250）-應(yīng)力降低、壓應(yīng)變繼續(xù)增加；750 開始冷卻拉應(yīng)力應(yīng)變上

3、升-室溫-殘余應(yīng)力和相變應(yīng)力。圖圖3-1 加熱和冷卻產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的實驗及溫度曲線加熱和冷卻產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的實驗及溫度曲線（二）殘余應(yīng)力 產(chǎn)生原因：不均勻加熱 產(chǎn)生條件：局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形或相變加熱中心桿，溫度均勻加熱中心桿，溫度均勻化后，熱應(yīng)力消失?；?，熱應(yīng)力消失。6.2 焊接應(yīng)力與變形的形成過程 自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形 自由變形： LT=L0(T1-T0) T=LT /L0 = (T1-T0) 外觀變形： Lee =Le /L0 內(nèi)部變形： L =(LT Le) =L /L0 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 = E =E (e T)3.2.1簡單桿件的應(yīng)力與變形 圖圖3-4 金屬桿件的受熱變形金屬桿件的受

4、熱變形a）自由變形量）自由變形量b）外觀變形量）外觀變形量桿件的溫度、變形與內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律 T1溫度下1s，則只存在彈性變形； T2溫度下2s，則只存在塑性變形， p= e -T - s；圖圖3-5 低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線對于低碳鋼，假定桿件中的對于低碳鋼，假定桿件中的應(yīng)力應(yīng)力達(dá)到達(dá)到s后就不再升高后就不再升高即將低碳鋼視為理想彈塑性體即將低碳鋼視為理想彈塑性體3.2.2不均勻溫度場作用下的應(yīng)力與變形 研究的前提條件：平面假設(shè)原理 長板條中心加熱（對稱加熱）圖圖3-6 長板條中心加熱示意圖長板條中心加熱示意圖截取板條的單位長度研究dxYBB.2/2/dxEBBTe2/2/)

5、(0)(2/2/dxxfEBBe溫度低，無塑性變形,應(yīng)力平衡：圖圖3-7 長板條中心長板條中心加熱時的變形加熱時的變形2222)(YBBpeBBdxEdx222222)(BCeCCpeCBedxEdxxfEdxE溫度高，產(chǎn)生塑性變形，殘余應(yīng)力：0)()(22BBpeedxxfECBE當(dāng)加熱溫度高，板中心將發(fā)生塑性變形，如果已知塑性區(qū)壓縮變形的分布規(guī)律為當(dāng)加熱溫度高，板中心將發(fā)生塑性變形，如果已知塑性區(qū)壓縮變形的分布規(guī)律為:)(xfpp則殘余應(yīng)力為：則殘余應(yīng)力為： )(xfEpe殘余應(yīng)力和變形的平衡條件可表達(dá)為：殘余應(yīng)力和變形的平衡條件可表達(dá)為： 長板條單側(cè)加熱（非對稱加熱）b)和c)兩種情況為

6、不平衡力矩，不能發(fā)生圖圖3-8 板條一側(cè)不對稱受熱時的應(yīng)力和變形板條一側(cè)不對稱受熱時的應(yīng)力和變形板條截面上應(yīng)力及力矩平衡方程內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 = E =E (e T)圖圖3-9板條單邊加熱到不同溫度時的應(yīng)力與變形板條單邊加熱到不同溫度時的應(yīng)力與變形BBdxxMdxY0000力矩平衡：內(nèi)應(yīng)力平衡：6.2.3焊接引起的應(yīng)力與變形 焊接時發(fā)生焊接應(yīng)力和變形的原因是焊件受到不均勻加熱，同時因加熱引起的熱變形和組織變形（相變）受到焊件本身剛度的約束。 焊接過程中焊接過程中所發(fā)生的應(yīng)力和變形被稱為暫態(tài)或瞬態(tài)的應(yīng)力變形，而在焊接完畢和試件完全冷卻后殘留的應(yīng)力和變形，稱之為殘余或剩余的應(yīng)力變形。 焊接殘余應(yīng)力和殘

7、余變形會在某種程度上影響焊接結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命。1.引起焊接應(yīng)力與變形的機(jī)理及影響因素圖圖3-10 引起焊接應(yīng)力與變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系引起焊接應(yīng)力與變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系6.3焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力這一節(jié)討論焊接殘余應(yīng)力的分布、影響。這一節(jié)討論焊接殘余應(yīng)力的分布、影響。 6.3.1 6.3.1 焊接殘余應(yīng)力的分布焊接殘余應(yīng)力的分布 一般焊接結(jié)構(gòu)制造所用材料的厚度相對于長和寬都很小，一般焊接結(jié)構(gòu)制造所用材料的厚度相對于長和寬都很小，在板厚小于在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接結(jié)構(gòu)中，的薄板和中厚板制造的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向上的焊接應(yīng)力很小，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，厚度方

8、向上的焊接應(yīng)力很小，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，即為平面應(yīng)力狀態(tài)。只有在大型結(jié)構(gòu)厚截面焊縫中，在即為平面應(yīng)力狀態(tài)。只有在大型結(jié)構(gòu)厚截面焊縫中，在厚度方向上才有較大的殘余應(yīng)力。厚度方向上才有較大的殘余應(yīng)力。 應(yīng)力通常表示方法： 將沿焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力，以x表示； 將垂直于焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力，以y表示； 對厚度方向上的殘余應(yīng)力以z表示。1、縱向殘余應(yīng)力的分布x圖圖3-17 平板對接時焊縫上縱向應(yīng)力沿焊縫長度方向上的分布平板對接時焊縫上縱向應(yīng)力沿焊縫長度方向上的分布（*此圖對于低碳鋼適用，焊縫足夠長）此圖對于低碳鋼適用，焊縫足夠長）*焊縫長度較短時，焊縫長度較短時， xs焊縫

9、越短縱向應(yīng)力焊縫越短縱向應(yīng)力x的數(shù)值就越小。（對于低碳鋼適用）的數(shù)值就越小。（對于低碳鋼適用）圖圖3-18不同焊縫長度不同焊縫長度x值的變化值的變化不同尺寸、不同截面上縱向殘余應(yīng)力x x的分布（對于低碳鋼適用）（對于低碳鋼適用）不同材料上縱向殘余應(yīng)力在橫截面上的分布圖圖3-19 焊縫縱向應(yīng)力沿板材橫向上的分布焊縫縱向應(yīng)力沿板材橫向上的分布a)低碳鋼低碳鋼 b)鋁合金鋁合金2 2橫向殘余應(yīng)力的分布橫向殘余應(yīng)力的分布 圖圖3-22 由縱向收縮所引起的橫向應(yīng)力的分布由縱向收縮所引起的橫向應(yīng)力的分布（1）縱向收縮的影響）縱向收縮的影響-y焊縫較長時，中心部分拉應(yīng)力焊縫較長時，中心部分拉應(yīng)力y有所下降有

10、所下降圖圖3-23 不同長度焊縫上的橫向應(yīng)力的比較不同長度焊縫上的橫向應(yīng)力的比較（2）橫向收縮的影響-y圖圖3-24 不同焊接方向?qū)M向應(yīng)力分布的影響不同焊接方向?qū)M向應(yīng)力分布的影響 圖圖3-25 橫向應(yīng)力沿板寬方向的分布橫向應(yīng)力沿板寬方向的分布 3.4 焊接殘余變形3.4.1 焊接殘余變形的分類 （1）縱向收縮變形）縱向收縮變形 （2）橫向收縮變形）橫向收縮變形 圖圖3-48 縱向和橫向收縮變形縱向和橫向收縮變形（3）撓曲變形）撓曲變形 :撓曲可以由縱向收縮、橫向收縮、角變形引起撓曲可以由縱向收縮、橫向收縮、角變形引起 圖圖3-49 撓曲變形撓曲變形a）由縱向收縮引起的撓曲變形）由縱向收縮引

11、起的撓曲變形 b）由橫向收縮引起的撓曲變形）由橫向收縮引起的撓曲變形（4）角變形）角變形 表現(xiàn)為焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生角位移表現(xiàn)為焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生角位移 圖圖3-50 角變形角變形 （5）波浪變形）波浪變形 （6）錯邊變形）錯邊變形 圖圖3-51 波浪變形波浪變形圖圖3-52 錯邊變形錯邊變形a）長度方向的錯邊）長度方向的錯邊 b）厚度方向的錯邊）厚度方向的錯邊（7）螺旋形變形 圖圖3-53 螺旋形變形螺旋形變形焊接變形帶來的影響：影響外形和承載能力圖圖3-54 角變形引起的不圓度角變形引起的不圓度圖圖3-55 不等厚板搭接接頭的角變形不等厚板搭接接頭的角變形3. 縱向收縮引起的

12、撓曲變形縱向收縮引起的撓曲變形 eFMf彎矩為：圖圖3-60焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置不對稱所引起的焊接變形焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置不對稱所引起的焊接變形彎矩彎矩M的作用使構(gòu)件終端的橫截的作用使構(gòu)件終端的橫截面發(fā)生轉(zhuǎn)角面發(fā)生轉(zhuǎn)角和撓度和撓度f。轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角可如可如下計算：下計算：IELePf構(gòu)件的撓度構(gòu)件的撓度f可由下式獲得：可由下式獲得：IELePff82平面上的封閉環(huán)焊縫導(dǎo)致失穩(wěn)變形平面上的封閉環(huán)焊縫導(dǎo)致失穩(wěn)變形 圖圖3-86 平面封閉環(huán)焊縫引起的馬鞍形變形（計算結(jié)果）平面封閉環(huán)焊縫引起的馬鞍形變形（計算結(jié)果）角變形產(chǎn)生的波浪變形角變形產(chǎn)生的波浪變形 圖圖3-87 角變形引起的波浪變形角變形引起的波浪變形

13、扭曲變形扭曲變形(螺旋形變形螺旋形變形)舉例舉例圖圖3-91 工字形梁的扭曲變形工字形梁的扭曲變形a）焊前）焊前 b）焊后）焊后 圖圖3-92 由縱向焊接錯邊引起的由縱向焊接錯邊引起的箱形構(gòu)件的扭曲變形箱形構(gòu)件的扭曲變形 6.4.2 影響焊接殘余變形的因素影響焊接殘余變形的因素1. 焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置a.產(chǎn)生縱向縮短和橫向縮短b.產(chǎn)生彎曲變形2. 焊接結(jié)構(gòu)的剛性焊接結(jié)構(gòu)的剛性 拘束度大，剛性大，越不容易變形3. 焊縫的長度和坡口形式焊縫的長度和坡口形式4. 焊接結(jié)構(gòu)的裝配及焊接順序焊接結(jié)構(gòu)的裝配及焊接順序5. 焊接線能量焊接線能量3.5.3 焊接殘余應(yīng)力與變形的調(diào)整與控制 1

14、. 調(diào)控焊接應(yīng)力與變形的焊前措施調(diào)控焊接應(yīng)力與變形的焊前措施（1）合理地選擇焊縫的形狀和尺寸）合理地選擇焊縫的形狀和尺寸 圖圖3-106 焊接箱形梁的不同形式焊接箱形梁的不同形式 應(yīng)遵循的原則是：應(yīng)遵循的原則是：盡可能使焊縫長度盡可能使焊縫長度最短；盡可能使板最短；盡可能使板厚??；盡可能使焊厚?。槐M可能使焊腳尺寸小；斷續(xù)焊腳尺寸小；斷續(xù)焊縫和連續(xù)焊縫相比，縫和連續(xù)焊縫相比，優(yōu)先采用斷續(xù)焊縫；優(yōu)先采用斷續(xù)焊縫；角焊縫與對接焊縫角焊縫與對接焊縫相比，優(yōu)先采用角相比，優(yōu)先采用角焊縫以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)最好采用分部組合最好采用分部組合焊接。焊接。 (2)盡量避免焊縫的密集與交叉非常重要盡量避免

15、焊縫的密集與交叉非常重要 圖圖3-107 避免焊縫交避免焊縫交叉的措施與最優(yōu)焊叉的措施與最優(yōu)焊接順序接順序 圖圖3-108 軸承的加固形式軸承的加固形式 (3)采用壓形板來提高平板的剛性和穩(wěn)采用壓形板來提高平板的剛性和穩(wěn)定性，也可以減小焊接量和減小變形定性，也可以減小焊接量和減小變形 圖圖3-109 兩種隔艙板的形式兩種隔艙板的形式a）壓形板）壓形板 b）拼焊板）拼焊板(4)改變接頭設(shè)計改變接頭設(shè)計圖圖3-110 減小聯(lián)系焊縫的變形減小聯(lián)系焊縫的變形 a）用斷續(xù)角焊縫焊接面板與槽鋼頂面時變形相對嚴(yán)重）用斷續(xù)角焊縫焊接面板與槽鋼頂面時變形相對嚴(yán)重 b）用塞焊連接則變形較小）用塞焊連接則變形較?。?/p>

16、5）預(yù)變形法（反變形法）預(yù)變形法（反變形法）圖圖3-111 幾種反變形的措施幾種反變形的措施預(yù)變形法舉例二預(yù)變形法舉例二圖圖3-112 薄殼結(jié)構(gòu)支座焊接的反變形薄殼結(jié)構(gòu)支座焊接的反變形圖圖3-113 減小減小T型接頭的角變形型接頭的角變形 2. 焊后調(diào)控焊接殘余應(yīng)力與變形的措施 （1）機(jī)械方法）機(jī)械方法圖圖3-114 用壓力機(jī)校正工字梁的撓曲變形用壓力機(jī)校正工字梁的撓曲變形 圖圖3-115 錘擊法調(diào)節(jié)中厚板多層焊時的殘余應(yīng)力在厚度（錘擊法調(diào)節(jié)中厚板多層焊時的殘余應(yīng)力在厚度（z向）上的分布向）上的分布錘擊法的優(yōu)點是節(jié)省能源、降低成本、提高效率，錘擊法的優(yōu)點是節(jié)省能源、降低成本、提高效率，缺點是勞

17、動強(qiáng)度大，并且工件表面質(zhì)量差。缺點是勞動強(qiáng)度大，并且工件表面質(zhì)量差。 a)焊后狀態(tài)焊后狀態(tài) b）只錘擊最后一道焊縫）只錘擊最后一道焊縫 c）逐層錘擊）逐層錘擊3-116 碾壓矯形碾壓矯形對于薄板并具有規(guī)則的焊縫時，可采用碾壓的方法對于薄板并具有規(guī)則的焊縫時，可采用碾壓的方法 過載拉伸法過載拉伸法圖圖3-119 機(jī)械加載降低內(nèi)應(yīng)力機(jī)械加載降低內(nèi)應(yīng)力機(jī)械振動法機(jī)械振動法圖圖3-120 振動循環(huán)次數(shù)與消除應(yīng)力的效果振動循環(huán)次數(shù)與消除應(yīng)力的效果初始應(yīng)力分布初始應(yīng)力分布b)試件截面試件截面 c)經(jīng)過經(jīng)過6.2106次循環(huán)后的內(nèi)應(yīng)力分布次循環(huán)后的內(nèi)應(yīng)力分布 d)經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)作用后內(nèi)應(yīng)力峰值的變化經(jīng)不同循

18、環(huán)次數(shù)作用后內(nèi)應(yīng)力峰值的變化 （2）加熱方法）加熱方法一方面材料的屈服極限會因溫度的升高而降低一方面材料的屈服極限會因溫度的升高而降低 另一方面，高溫時材料的蠕變速度加快，蠕變引起應(yīng)力松弛。另一方面，高溫時材料的蠕變速度加快，蠕變引起應(yīng)力松弛。 圖圖3-121 鋼的彈性模量和屈服極限與溫度的關(guān)系鋼的彈性模量和屈服極限與溫度的關(guān)系 表表3-2 不同材料消除焊接殘余應(yīng)力的回火溫度不同材料消除焊接殘余應(yīng)力的回火溫度材料種材料種類類碳鋼及低合碳鋼及低合金鋼金鋼奧氏體奧氏體鋼鋼鋁合鋁合金金鎂合鎂合金金鈦合鈦合金金鈮合金鈮合金鑄鐵鑄鐵回火溫回火溫度度/580680850105025030025030055

19、060011001200600650局部加熱消除應(yīng)力局部加熱消除應(yīng)力 圖圖3-123 局部熱處理的加熱區(qū)寬度局部熱處理的加熱區(qū)寬度a)環(huán)焊縫環(huán)焊縫 b)長構(gòu)件對接焊縫長構(gòu)件對接焊縫RB5:經(jīng)驗公式翹曲變形的矯正方法舉例翹曲變形的矯正方法舉例圖圖3-125 薄板結(jié)構(gòu)點狀加熱矯形薄板結(jié)構(gòu)點狀加熱矯形 溫差拉伸法 圖圖3-128 溫差拉伸法溫差拉伸法 角變形規(guī)律的工程應(yīng)用角變形規(guī)律的工程應(yīng)用-火焰成形火焰成形圖圖3-124 氣體火焰局部加熱矯形氣體火焰局部加熱矯形圖圖3-126 火焰成形的三種方法火焰成形的三種方法圖圖3-127 火焰成形的典型實例火焰成形的典型實例3 .3 .隨焊調(diào)控焊接應(yīng)力與變形

20、的措施隨焊調(diào)控焊接應(yīng)力與變形的措施 （1）剛性固定法）剛性固定法 圖圖3-129 剛性固定法焊接法蘭盤剛性固定法焊接法蘭盤圖圖3-130 采用焊接夾具防止波浪變形采用焊接夾具防止波浪變形圖圖3-131 防止薄板波浪變形的輔助措施防止薄板波浪變形的輔助措施a）采用壓鐵）采用壓鐵b）用角鋼臨時增加近縫區(qū)剛性）用角鋼臨時增加近縫區(qū)剛性 （2）減小焊縫的熱輸入）減小焊縫的熱輸入 圖圖3-132 防止非對稱截面撓曲變形的焊接防止非對稱截面撓曲變形的焊接直接水冷（圖直接水冷（圖3-133a）采用銅冷卻塊（圖采用銅冷卻塊（圖3-133b）來限制焊接熱場）來限制焊接熱場 圖圖3-133 通過加強(qiáng)冷卻來減小焊接

21、變形的方法通過加強(qiáng)冷卻來減小焊接變形的方法a）直接水冷）直接水冷 b）采用銅冷卻塊）采用銅冷卻塊 限制和縮小焊接熱場來減小焊接變形（3）合理安排裝配焊接的順序）合理安排裝配焊接的順序 321321fff撓度焊接次序213321fff撓度焊接次序31321312fffff撓度焊接次序圖圖3-134 帶蓋板的雙槽鋼焊接梁的焊接順序帶蓋板的雙槽鋼焊接梁的焊接順序 方案一方案二方案三321213fff撓度焊接次序（4）預(yù)拉伸法）預(yù)拉伸法 (預(yù)置應(yīng)力法預(yù)置應(yīng)力法)圖圖3-135 施加預(yù)拉伸載荷的幾種方案施加預(yù)拉伸載荷的幾種方案 圖圖3-136 常溫下預(yù)拉伸的縱向應(yīng)力場常溫下預(yù)拉伸的縱向應(yīng)力場a）平板）平

22、板 b）筒體）筒體（5）焊時溫差拉伸法）焊時溫差拉伸法 圖圖3-137溫差拉伸專用夾具溫差拉伸專用夾具隨焊溫差拉伸的效果隨焊溫差拉伸的效果圖圖3-138 Tp為為150時的焊接溫度場時的焊接溫度場 圖圖3-139 溫差拉伸作用下的焊縫縱向殘余應(yīng)力溫差拉伸作用下的焊縫縱向殘余應(yīng)力（6）隨焊激冷）隨焊激冷 （又稱為逆焊接加熱處理（又稱為逆焊接加熱處理 ）圖圖3-140 隨焊激冷法的原理隨焊激冷法的原理圖圖3-141幾種隨焊激冷方案幾種隨焊激冷方案圖圖3-142 柔性隨焊激冷器柔性隨焊激冷器圖圖3-143 常規(guī)焊與隨焊激冷焊接的溫度場常規(guī)焊與隨焊激冷焊接的溫度場（7）隨焊碾壓）隨焊碾壓 圖圖3-144 隨焊碾壓防止熱裂的原理隨焊碾壓防止熱裂的原理（8）隨焊錘擊）隨焊錘擊 圖圖3-145隨焊錘擊實施方案隨焊錘擊實施方案1-焊槍焊槍 2-汽錘汽錘 3-固定平臺固定平臺 4-錘頭錘頭 5-工件工件圖圖3-146 兩種隨焊錘擊方式兩種隨焊錘擊方式a) 強(qiáng)化焊趾強(qiáng)化焊趾 b)強(qiáng)化焊縫強(qiáng)化焊縫 隨焊錘擊方法的主要缺點隨焊錘擊方法的主要缺點是焊縫的表面質(zhì)量不佳，是焊縫的表面質(zhì)量不佳，存在明顯的錘