第15章 焊接應(yīng)力及變形

1、第十五章 焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力與變形是直接影響焊接結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性和制造工藝性的重要因素。它會(huì)導(dǎo)致在焊接接頭中產(chǎn)生冷、熱裂紋等缺陷，在一定的條件下還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的斷裂特性、疲勞強(qiáng)度和形狀尺寸精度有不利的影響。在構(gòu)件制造過程中，焊接變形往往引起正常工藝流程中斷。因此掌握焊接應(yīng)力與變形的規(guī)律，了解其作用與影響，采取措施控制或消除，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)和制造工藝方法的選擇以及運(yùn)行中的安全評(píng)定都有重要意義。15.1產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及其內(nèi)在聯(lián)系圖給出了引起焊接應(yīng)力和變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系。焊接時(shí)的局部不均勻熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的決定因素。熱輸入是通過材料因素、制造因素和結(jié)構(gòu)因素所構(gòu)成的

2、內(nèi)拘束度和外拘束度而影響熱源周圍的金屬運(yùn)動(dòng)，最終形成了焊接應(yīng)力和變形。材料因素主要包括有材料特性、熱物理常數(shù)及力學(xué)性能（熱膨脹系數(shù)f（T），彈性模量Ef（T），屈服強(qiáng)度sf（T），s（T）0時(shí)的溫度TK或稱“力學(xué)熔化溫度”以及相變等）；在焊接溫度場中，這些特性呈現(xiàn)出決定熱源周圍金屬運(yùn)動(dòng)的內(nèi)拘束度。制造因素（工藝措施、夾持狀態(tài)）和結(jié)構(gòu)因素（構(gòu)件形狀、厚度及剛性）則更多地影響著熱源周圍金屬運(yùn)動(dòng)的外拘束度。焊接應(yīng)力和變形是由多種因素交互作用而導(dǎo)致的結(jié)果。通常，若僅就其內(nèi)拘束度的效應(yīng)而言，焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生機(jī)理可表述如下。焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區(qū)熔化；而與熔池比鄰的高溫區(qū)材料的熱膨脹

3、則受到周圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻過程中，已發(fā)生壓縮塑性變形的這部分材料（如長焊縫的兩側(cè)）又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸而卸載；與此同時(shí)，熔池凝固，金屬冷卻收縮時(shí)也產(chǎn)生相應(yīng)的收縮拉應(yīng)力與變形。這樣，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變（即殘余塑性應(yīng)變，或稱初始應(yīng)變、固有應(yīng)變）。與焊接接頭區(qū)產(chǎn)生的縮短不協(xié)調(diào)應(yīng)變相對(duì)應(yīng)，在構(gòu)件中會(huì)形成自身相平衡的內(nèi)應(yīng)力，通稱為焊接應(yīng)力。焊接接頭區(qū)金屬在冷卻到較低溫度時(shí)，材料回復(fù)到彈性狀態(tài)；此時(shí)，若有金相組織轉(zhuǎn)變（如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體），則伴隨體積變化，出現(xiàn)相變應(yīng)力。隨焊接過程而變化的內(nèi)應(yīng)力場和構(gòu)件變形，稱為焊接瞬態(tài)應(yīng)力

4、與變形。而焊后，在室溫條件下，殘留于構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力場和宏觀變形，稱為焊接殘余應(yīng)力與焊接殘余變形。焊接結(jié)構(gòu)多用熔焊方法制造。而熔焊時(shí)的焊接應(yīng)力與變形問題最為突出，電阻焊次之。釬焊的不均勻加熱或不均勻冷卻也會(huì)引起構(gòu)件中的殘余應(yīng)力和變形。在釬焊和擴(kuò)散焊接頭中，由于采用不同材質(zhì)的釬料和中間過渡層，熱膨脹系數(shù)的差異也是導(dǎo)致殘余應(yīng)力場的一個(gè)重要因素。由于焊接應(yīng)力與變形問題的復(fù)雜性，在工程實(shí)踐中，往往采用實(shí)驗(yàn)測試與理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，掌握其規(guī)律，以期能達(dá)到預(yù)測、控制和調(diào)整焊接應(yīng)力與變形的目的。15.2材料物理特性和力學(xué)特性的影響焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生和發(fā)展是一個(gè)隨加熱與冷卻而變化的材料熱彈塑性應(yīng)力

5、應(yīng)變動(dòng)態(tài)過程。以熔焊方法為例，影響這一過程的主要因素有以下三方面。15.2.1材料物理特性隨焊接溫度的變化表1中列出了一些常用材料的熱物理特性在給定的溫度T區(qū)間的平均值。表中，熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率/c、比熱容c、和密度以及熱焓s是影響焊接溫度場分布的主要熱物理參數(shù)。線脹系數(shù)隨溫度的變化則是決定焊接熱應(yīng)力、應(yīng)變的重要物理特性。表1 常用材料的熱物理性能系數(shù)材料/×10-6l/0CT區(qū)間/0C/J/(cm.s.)c./J/ (cm.s.)/c/ (cm2.s-1)低碳鋼低合金鋼奧氏體鉻鎳鋼鋁工業(yè)鈦121616.517162023278.55006006003007000.380.420.25

6、0.332.72.84.95.24.44.82.72.80.0750.090.0630.071.00.0615.2.2相變時(shí)的比容變化金屬在加熱及冷卻時(shí)發(fā)生相變也會(huì)引起比容及性能的變化。不同組織由于晶格類型不一樣，其比容也不一樣，其數(shù)值如表2 。 鋼材加熱冷卻時(shí)容積變化/V如下圖，圖中1為加熱時(shí)的變化，2為冷卻時(shí)的變化；一般情況下，由于奧氏體變?yōu)殍F素體和珠光體的轉(zhuǎn)變在7000C以上發(fā)生，因此不影響焊接變形與應(yīng)力；當(dāng)冷卻速度很快或合金及碳元素增加時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，并可能變成馬氏體，如圖中線3；在7000C以下的這種變化，對(duì)焊接變形和應(yīng)力，將發(fā)生相當(dāng)大的影響。表2 不同組織的物理性能特性組織

7、類型奧氏體鐵素體珠光體滲碳體馬氏體密度/g.cm-3比容l/(cm3/g)線膨脹系數(shù)a (10-6l/0C)體膨脹系數(shù) (10-6l/0C)晶格類型7.8430.1230.12523.070.0面心立方體7.8460.12714.543.5體心立方體7.7780.1286體心立方體7.670.13012.537.5斜方體7.6330.1270.13111.535.0正方體15.2.3材料力學(xué)特性變化的影響在焊接熱過程中，金屬材料的力學(xué)特性隨溫度的升高或降低而發(fā)生變化。高溫力學(xué)性能的變化規(guī)律，直接影響焊接熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變的全過程和殘余應(yīng)力的大??；由于各類材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量和線脹系數(shù)隨溫度變

8、化的規(guī)律不同，在低碳鋼和不銹鋼焊縫中的峰值拉應(yīng)力一般接近材料的屈服強(qiáng)度；而在鈦合金和鋁合金焊縫中的峰值拉應(yīng)力往往低于材料的屈服強(qiáng)度。15.3不同類型焊接熱源的影響焊接時(shí)的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的決定因素。焊接熱源的種類有別，熱源能量密度的分布、熱源的移動(dòng)速度、被焊構(gòu)件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場分布，因而也改變著焊接應(yīng)力與變形的規(guī)律。15.3.1三類熱源模型：1)點(diǎn)熱源在半無限體表面上作用的點(diǎn)熱源模型，是厚板表面點(diǎn)狀加熱（熱源不移動(dòng)）堆焊（熱源移動(dòng)）熱傳導(dǎo)過程的簡化，屬三維傳熱模型。與此對(duì)應(yīng)，焊接熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變過程也是三維狀態(tài)。2)線熱源在無限大板沿厚度方向均勻加熱（熱源不移

9、動(dòng)）和單道對(duì)接焊（熱源移動(dòng)）的熱傳導(dǎo)過程的簡化，一般為二維傳熱，沿板厚方向上的熱源功率為常數(shù)。若熱源不移動(dòng)，在點(diǎn)狀加熱時(shí)，相應(yīng)的二維焊接熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變過程為軸對(duì)稱（相對(duì)于Z軸）平面應(yīng)力問題。若熱源移動(dòng)，相應(yīng)于薄板單道對(duì)接焊過程（或大功率電子束、激光束一次穿透中厚板的焊接過程）；這時(shí)的焊接熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變過程亦可簡化為二維平面應(yīng)力問題近似求解。3)面熱源在無限長桿的軸向截面上均布作用的面熱源模型的典型實(shí)例為棒材的閃光對(duì)接焊或摩擦焊，在桿截面上的熱源功為常數(shù)，沿桿件的軸線方向?yàn)橐痪S傳熱。與此相應(yīng)的焊接熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變過程可視為一維問題；但在實(shí)際工程問題中，由于在橫截面的表面上并非絕熱的邊界條件，

10、最終的殘余應(yīng)力呈現(xiàn)復(fù)雜的分布狀態(tài)。15.3.2熱源的其它影響因素?zé)o論是采用函數(shù)解析求解，還是采用有限元數(shù)值計(jì)算，焊接熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變過程總是由焊接溫度場所決定的。因此，直接影響溫度場計(jì)算準(zhǔn)確性的因素，也必然會(huì)間接地耦合到焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的計(jì)算中去，從而影響其結(jié)果的準(zhǔn)確性。15.4焊接應(yīng)力焊接應(yīng)力與變形，成為孿生，互為因果。15.4.1焊接應(yīng)力分類在沒有外力作用下，構(gòu)件中的焊接應(yīng)力為自身相互平衡分布的內(nèi)應(yīng)力場。可安下圖所示的各種不同方法進(jìn)行分類。15.4.2焊接殘余應(yīng)力測量方法通常采用實(shí)驗(yàn)力學(xué)的方法，包括機(jī)械方法和物理方法，測定構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力。機(jī)械方法一般屬破壞性測試，或稱應(yīng)力釋放法；在釋

11、放應(yīng)力的同時(shí)，用電阻應(yīng)變片、機(jī)械應(yīng)變儀、柵線或光彈法、表面脆裂涂層測得其相應(yīng)的彈性應(yīng)變量。物理方法多屬非破壞性測試，也可以是非接觸式測試，如X射線法等。以下是幾種常用的焊接殘余應(yīng)力測量方法。1）切條法將需要測定內(nèi)應(yīng)力的構(gòu)件先劃分成幾個(gè)區(qū)域，在各區(qū)的待測點(diǎn)上貼應(yīng)變片或者加工出機(jī)械應(yīng)變儀所需的標(biāo)距孔，然后測定它們的原始讀數(shù)。當(dāng)讀取標(biāo)距Lm的原始讀數(shù)后，在靠近測點(diǎn)處將構(gòu)件沿垂直于焊縫方向切斷，然后在各測點(diǎn)間切出幾個(gè)梳狀切口，使內(nèi)應(yīng)力得以完全釋放。再測出釋放應(yīng)力后各應(yīng)變片或各對(duì)標(biāo)距的讀數(shù)，求出應(yīng)變量x，按照公式：可算出焊接縱向應(yīng)力。2）小孔法原理是在應(yīng)力場中鉆小孔，應(yīng)力的平衡受到破壞，則小孔周圍的應(yīng)力

12、將重新調(diào)整；測得孔附近的彈性應(yīng)變增量，就可以用彈性力學(xué)原理來推算出小孔處的殘余應(yīng)力。具體步驟如下：在離鉆孔中心一定距離處粘貼幾個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片之間保持一定角度。然后鉆孔，撤出各應(yīng)變片的應(yīng)變增量讀數(shù)。3）套鉆環(huán)形槽本法采用套料鉆加工環(huán)形槽來釋放應(yīng)力。如果在環(huán)形槽內(nèi)部預(yù)先在表面貼上應(yīng)變片或加工標(biāo)距孔，則可測出釋放后的應(yīng)變量，換算出內(nèi)應(yīng)力。無損測量法1）X射線法晶體在應(yīng)力作用下原子間的距離發(fā)生變化，其變化與應(yīng)力成正比。如果能直接測得晶格尺寸，則可部破壞物體而直接測出內(nèi)應(yīng)力的數(shù)值。本法的最大優(yōu)點(diǎn)是它的非破壞性。但它的缺點(diǎn)是：只能測表面應(yīng)力；對(duì)被測表面要求較高，為避免由局部塑性變形所引起的誤差，需要用電

13、解拋光去除表層；測試所用設(shè)備比較昂貴。2）電磁測量法利用磁致伸縮效應(yīng)測定應(yīng)力；鐵磁物質(zhì)的特性是：當(dāng)外加磁場強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，鐵磁物質(zhì)將伸長或縮短。如用一傳感器（有線圈勵(lì)磁的探頭）與鐵磁材料物體接觸，形成一閉合磁路；當(dāng)應(yīng)力變化時(shí)，由于鐵磁材料物體的伸縮引起磁路中磁通的變化，并使傳感器線圈的感應(yīng)電流發(fā)生變化，由此可測出應(yīng)力變化。測試時(shí)，先利用相同材料的無應(yīng)力試樣調(diào)零，實(shí)測出有殘余應(yīng)力構(gòu)件的I或U的變化（即I、U值）。然后再根據(jù)用材料試驗(yàn)機(jī)以相同材料標(biāo)定出的應(yīng)力與電流或電壓的關(guān)系曲線，按測得的I或U值求出應(yīng)力3）超聲波測定法聲彈性研究表明，在沒有應(yīng)力作用時(shí)，超聲波在各向同性的彈性體內(nèi)的傳播速度不同于有

14、應(yīng)力作用時(shí)的傳播速度，傳播速度的差異與主應(yīng)力的大小有關(guān)。因此，如果能分別測得無應(yīng)力和有應(yīng)力作用時(shí)彈性體橫波和縱波傳播速度的變化，就可以求得主應(yīng)力。本法測定焊接殘余應(yīng)力，不但是無損的，而且有可能用來測定三維的空間殘余應(yīng)力。因此，盡管超聲波法目前還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但受到關(guān)注和重視。15.5焊接殘余應(yīng)力的作用和影響焊接殘余應(yīng)力在構(gòu)件中并非都是有害的。在分析其對(duì)結(jié)構(gòu)失效或使用性能可能帶來的影響時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同材料、不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、不同承載條件和不同運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行具體分析。1）對(duì)構(gòu)件承受靜載能力的影響在一般焊接構(gòu)件中，焊縫區(qū)的縱向拉伸殘余應(yīng)力的峰值較高，在某些材料上可接近材料的屈服強(qiáng)度s。當(dāng)外載工作應(yīng)力和

15、它的方向一致而相疊加，在這一區(qū)域會(huì)發(fā)生局部塑性變形，這部分材料喪失繼續(xù)承受外載的能力，減小了構(gòu)件的有效承載截面。2）對(duì)結(jié)構(gòu)脆性斷裂的影響在實(shí)際構(gòu)件中，當(dāng)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的韌性較低時(shí)，在焊接接頭處的缺陷（裂紋、未焊透）會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力脆性斷裂，在斷裂評(píng)定中必須考慮拉伸殘余應(yīng)力與工件應(yīng)力共同作用的影響，應(yīng)引入應(yīng)力強(qiáng)度修正系數(shù)。若裂紋尖端處于焊接殘余應(yīng)力范圍內(nèi)，則缺陷尖端的應(yīng)力強(qiáng)度增大，裂紋趨向于擴(kuò)展，直至裂紋尖端超出殘余拉應(yīng)力范圍。隨后，裂紋有可能停止擴(kuò)展或繼續(xù)擴(kuò)展，這將取決于裂紋長度、應(yīng)力強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)運(yùn)行環(huán)境溫度。焊接殘余應(yīng)力只分布于局部區(qū)域，對(duì)斷裂的影響也局限于這一范圍。對(duì)于由高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或超高強(qiáng)

16、度鋼材制成的焊接結(jié)構(gòu)，一般都進(jìn)行焊后熱處理。這種熱處理除調(diào)質(zhì)作用外，還可以把焊接接頭中的峰值拉伸殘余應(yīng)力降低到0.30.5材料屈服強(qiáng)度的水平，但不能完全消除。通常，由相應(yīng)的使用法規(guī)給出對(duì)熱處理的技術(shù)要求。3）對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響焊接拉伸殘余應(yīng)力阻礙裂紋閉合，它在疲勞載荷中提高了應(yīng)力平均值和應(yīng)力循環(huán)特性，從而加劇了應(yīng)力循環(huán)損傷。當(dāng)焊縫區(qū)的拉應(yīng)力使應(yīng)力循環(huán)的平均值增高時(shí)，疲勞強(qiáng)度會(huì)降低。焊接接頭是應(yīng)力集中區(qū)，殘余拉應(yīng)力對(duì)疲勞的不利影響也會(huì)更明顯。在工作應(yīng)力作用下，在疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)中，殘余應(yīng)力的峰值有可能降低，循環(huán)次數(shù)越多，降低的幅度也越大。提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度不僅要著手于降低殘余應(yīng)力，而且應(yīng)減小

17、焊接接頭區(qū)的應(yīng)力集中，避免接頭區(qū)的幾何不完整性和力學(xué)不連續(xù)性，如去除焊縫余高和咬邊，使表面平滑。焊接構(gòu)件中的壓縮殘余應(yīng)力可以降低應(yīng)力比值并使裂紋閉合，從而延緩或終止疲勞裂紋的擴(kuò)展?？刹捎貌煌に嚧胧?，利用壓縮殘余應(yīng)力，改善焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能，如點(diǎn)狀加熱、局部錘擊或超載處理等。采用相變溫度低的焊接材料，在焊縫中會(huì)形成壓縮殘余應(yīng)力。4）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響當(dāng)外載的工作應(yīng)力為拉伸應(yīng)力時(shí)，與焊縫中的峰值拉應(yīng)力相疊加，會(huì)發(fā)生局部屈服；在隨后的卸載過程中，構(gòu)件的回彈量小于加載時(shí)的變形量，構(gòu)件卸載后不能恢復(fù)到初始尺寸。尤其在焊接梁形構(gòu)件上，這種影響會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度。5）對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響當(dāng)外載引起的壓應(yīng)力與

18、焊接殘余壓應(yīng)力疊加之和達(dá)到s，這部分截面就喪失進(jìn)一步承受外載的能力，消弱了桿件的有效截面積，并改變了有效截面積的分布，使穩(wěn)定性有所改變。內(nèi)應(yīng)力對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響大小，與內(nèi)應(yīng)力的分布有關(guān)。6）對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響一些焊接構(gòu)件工作在有腐蝕性的環(huán)境中，盡管外載的工作應(yīng)力不一定很高，但焊接殘余拉應(yīng)力本身就會(huì)引起應(yīng)力腐蝕開裂。這是在拉應(yīng)力與化學(xué)反應(yīng)共同作用下發(fā)生的，殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加后的拉應(yīng)力值越高，應(yīng)力腐蝕開裂的時(shí)間越短。7）對(duì)構(gòu)件精度和尺寸穩(wěn)定性的影響為保證構(gòu)件的設(shè)計(jì)技術(shù)條件和裝配精度，對(duì)復(fù)雜焊接件在焊后要進(jìn)行機(jī)械加工。切削加工把一部分材料從構(gòu)件上去除，使截面積相應(yīng)改變，所釋放的殘余應(yīng)力使構(gòu)件中原有的殘余應(yīng)力場失去平衡而重新分布、引起構(gòu)件變形。這類變形只是當(dāng)工件完成切削加工從夾具中松開后才能顯示出來，影響構(gòu)件精度。15.6焊接變形結(jié)構(gòu)件的焊接變形，不僅會(huì)影響生產(chǎn)工藝流程的正常進(jìn)行，而且會(huì)降低結(jié)構(gòu)承載能力，影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度與外觀。焊后矯正殘余變形