焊接結(jié)構(gòu)+PPT (2)

1、1.桿件桿件的均勻加熱、冷卻過程的變形與應(yīng)力的均勻加熱、冷卻過程的變形與應(yīng)力 2.長板條長板條中心堆焊中心堆焊時的變形與應(yīng)力時的變形與應(yīng)力 3.板邊堆焊板邊堆焊時焊接殘余應(yīng)力時焊接殘余應(yīng)力 4.焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力 5.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6.焊接殘余變形焊接殘余變形 7.預(yù)防和消除殘余變形的措施預(yù)防和消除殘余變形的措施本章重點（難點）：本章重點（難點）：（1）內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力按分布范圍按分布范圍（2）按作用按作用時間時間應(yīng)力小范圍內(nèi)相互平衡的內(nèi)微觀內(nèi)應(yīng)力：在原子大力構(gòu)尺寸范圍平衡的內(nèi)應(yīng)宏觀內(nèi)應(yīng)力：在整個結(jié). 2. 1應(yīng)力的分類應(yīng)力的分類下的應(yīng)力殘余應(yīng)力：焊

2、接后保留力和相變應(yīng)力）（溫度應(yīng)隨時間而變化現(xiàn)的應(yīng)力瞬時應(yīng)力：焊接過程出. 2. 1 （3）根據(jù)應(yīng)力根據(jù)應(yīng)力 形成原因形成原因 受阻屬組織轉(zhuǎn)變時體積變化相變應(yīng)力：由于接頭金均勻加熱引起的應(yīng)力溫度應(yīng)力：由于焊件不. 2. 1 溫度應(yīng)力是由于構(gòu)件受熱不勻引起的。溫度應(yīng)力是由于構(gòu)件受熱不勻引起的。如果只讓框架的如果只讓框架的中心桿件中心桿件受熱受熱，而，而兩側(cè)桿件兩側(cè)桿件的溫度保持不變，則框架為的溫度保持不變，則框架為不均勻加熱系統(tǒng)不均勻加熱系統(tǒng)。此時，此時，中心桿件中心桿件由于溫度上升而伸長，但是由于溫度上升而伸長，但是這種伸長的趨勢受到兩側(cè)桿件的這種伸長的趨勢受到兩側(cè)桿件的阻礙阻礙，不能，不能自由

3、進行。因此自由進行。因此中心桿件中心桿件就受到壓縮，產(chǎn)生就受到壓縮，產(chǎn)生壓應(yīng)力壓應(yīng)力。 兩側(cè)桿件兩側(cè)桿件在阻礙中心桿件膨脹伸長的同時在阻礙中心桿件膨脹伸長的同時受到中心桿件的受到中心桿件的反作用反作用而產(chǎn)生而產(chǎn)生拉應(yīng)力拉應(yīng)力。這種。這種應(yīng)力由于不均勻溫度造成的，所以稱為應(yīng)力由于不均勻溫度造成的，所以稱為溫度溫度應(yīng)力應(yīng)力或或熱應(yīng)力熱應(yīng)力，用用T T表示。表示。 如果溫度如果溫度應(yīng)力不高應(yīng)力不高( (Ts) )，框架里不，框架里不產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)框架的溫度均勻化溫度均勻化以后以后, ,熱熱應(yīng)力隨之消失應(yīng)力隨之消失。（1）溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）-補充補充金金 屬屬

4、 框框 架架簡簡 化化 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)加加 熱熱 時時 假設(shè)：假設(shè)：當(dāng)當(dāng)中心桿件中心桿件溫度恢復(fù)到原始溫度時溫度恢復(fù)到原始溫度時,若任其若任其自由收縮自由收縮，它的長度必然要，它的長度必然要比原來的短比原來的短。這個差值就是中心桿件的這個差值就是中心桿件的壓縮塑性變形量壓縮塑性變形量。 實際：實際：框架兩側(cè)桿件阻礙著框架兩側(cè)桿件阻礙著中心桿件中心桿件自由自由收縮，使它受到收縮，使它受到拉應(yīng)力拉應(yīng)力。而。而兩側(cè)桿件兩側(cè)桿件，則由于，則由于中心桿件的反作用而產(chǎn)生中心桿件的反作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力壓應(yīng)力。這樣，就在。這樣，就在框架中形成了一個新的內(nèi)應(yīng)力體系，即框架中形成了一個新的內(nèi)應(yīng)力體系，即殘余應(yīng)殘余應(yīng)力力

5、。 (2) 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力-冷卻后冷卻后 如果中心桿件加熱產(chǎn)生的壓應(yīng)力達到材料的如果中心桿件加熱產(chǎn)生的壓應(yīng)力達到材料的屈服限屈服限（Ts），桿件中將出現(xiàn)），桿件中將出現(xiàn)壓縮塑性變形壓縮塑性變形。冷卻時冷卻時加熱時加熱時2焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力和變形的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力和變形的原因原因 （1）焊接結(jié)構(gòu)溫度不均勻的影響焊接結(jié)構(gòu)溫度不均勻的影響 焊縫及其附近區(qū)域焊縫及其附近區(qū)域金屬被金屬被加熱加熱至至熔化熔化，然后逐漸冷卻，然后逐漸冷卻凝固凝固，降到，降到常溫常溫。近縫區(qū)近縫區(qū)的金屬也要經(jīng)歷從的金屬也要經(jīng)歷從常溫到高溫常溫到高溫，再由，再由高溫降至常溫高溫降至常溫。 結(jié)構(gòu)各處結(jié)構(gòu)各處的的溫度極不均勻溫度極

6、不均勻，膨脹和收縮變形膨脹和收縮變形也差別較大，這種也差別較大，這種變形變形不一致不一致導(dǎo)致各處材料導(dǎo)致各處材料相互約束相互約束，即產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。，即產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。 （2）接頭形式的影響接頭形式的影響 接頭形式接頭形式不同，熔池內(nèi)熔化金屬的不同，熔池內(nèi)熔化金屬的散熱條件散熱條件有差別。這種熔化金屬有差別。這種熔化金屬凝固、凝固、冷卻快慢不一致冷卻快慢不一致引起收縮變形的差別，導(dǎo)致焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。引起收縮變形的差別，導(dǎo)致焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。 （3）相變的影響相變的影響 焊接過程中，一部分金屬發(fā)生焊接過程中，一部分金屬發(fā)生相變相變，組織轉(zhuǎn)變引起體積變化。例如：，組織轉(zhuǎn)變引起體積

7、變化。例如：碳鋼碳鋼，當(dāng)，當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或馬氏體奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或馬氏體時，其體積將增大，產(chǎn)生應(yīng)力和時，其體積將增大，產(chǎn)生應(yīng)力和變形。焊接變形。焊接合金鋼合金鋼更明顯。更明顯。 （4）焊前加工工藝的影響焊前加工工藝的影響 施焊前構(gòu)件若經(jīng)歷施焊前構(gòu)件若經(jīng)歷冷沖壓等冷沖壓等工藝而具有工藝而具有較高的內(nèi)應(yīng)力較高的內(nèi)應(yīng)力，在焊接時，在焊接時應(yīng)力重應(yīng)力重新分布新分布，形成，形成新的應(yīng)力和變形新的應(yīng)力和變形。3. 焊接應(yīng)力與變形的若干假設(shè)焊接應(yīng)力與變形的若干假設(shè) 焊接一般為焊接一般為局部加熱局部加熱，熱源又，熱源又同時移動同時移動，因此距熱源不同，因此距熱源不同點處的點處的溫度是不同溫度是不同的。

8、的。溫度不均勻溫度不均勻造成造成變形的不均勻變形的不均勻。 局部塑性變形局部塑性變形是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形的是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形的主要原因主要原因。研。研究焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生（演變過程），必須要探討構(gòu)件上各究焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生（演變過程），必須要探討構(gòu)件上各點的點的溫度分布溫度分布情況。情況。 由于焊接過程的由于焊接過程的復(fù)雜性復(fù)雜性，對焊接應(yīng)力和變形的研究較為困，對焊接應(yīng)力和變形的研究較為困難，為了使問題簡化，通常作以下難，為了使問題簡化，通常作以下假定假定： 3. 焊接應(yīng)力與變形的若干假設(shè)焊接應(yīng)力與變形的若干假設(shè) 極限溫度場極限溫度場：在焊接熱源作用下，構(gòu)件上在焊接熱源作用下，構(gòu)件上

9、各點的溫度在不斷變化，這是一個復(fù)雜的各點的溫度在不斷變化，這是一個復(fù)雜的熱循環(huán)過程。但可以認為達到熱循環(huán)過程。但可以認為達到某一極限熱某一極限熱狀態(tài)狀態(tài)時，溫度場不再改變溫度場不再改變。 準穩(wěn)定場準穩(wěn)定場： 同一瞬時不同截面同一截面不同瞬時。同一瞬時不同截面同一截面不同瞬時。 圖l-1 半無限大體溫度場溫度場立體圖（1）焊接溫度場焊接溫度場 定義定義：焊接過程中：焊接過程中某一瞬間某一瞬間焊接接頭中焊接接頭中各點的溫度分布各點的溫度分布狀態(tài)。狀態(tài)。3) 金屬屈服點假定金屬屈服點假定 低碳鋼低碳鋼屈服點屈服點隨溫度變化如圖中隨溫度變化如圖中實線實線2；簡化假定為圖中簡化假定為圖中虛線虛線所示的關(guān)

10、系。所示的關(guān)系。 即在即在500以下時為一條水平線，同常溫以下時為一條水平線，同常溫屈服點，而屈服點，而600以上呈完全塑性狀態(tài)，以上呈完全塑性狀態(tài)，即屈服點為零。即屈服點為零。4) 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的假設(shè)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的假設(shè) 材料呈理想彈材料呈理想彈-塑性狀態(tài)，即材料屈服后不塑性狀態(tài)，即材料屈服后不發(fā)生強化。發(fā)生強化。（2）有關(guān)力學(xué)和物理性能的假定）有關(guān)力學(xué)和物理性能的假定ss1) 平截面假定平截面假定 假定桿件在焊前所取的橫截面焊后仍保持為假定桿件在焊前所取的橫截面焊后仍保持為平面平面。2) 金屬性能假定金屬性能假定 材料的某些材料的某些物理性能物理性能不隨溫度的變化而變化，如不隨溫度的變化而變

11、化，如線脹系數(shù)線脹系數(shù) ()、比熱容、比熱容(c)、熱導(dǎo)率、熱導(dǎo)率()等。等。1.2 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生 自由變形：自由變形：桿件不受任何約束桿件不受任何約束，自由產(chǎn)生出來的變形。，自由產(chǎn)生出來的變形。 ）（010TTLLTT 1. 均勻加熱均勻加熱時應(yīng)力與變形的產(chǎn)生時應(yīng)力與變形的產(chǎn)生（1）不受約束不受約束桿件均勻加熱時的應(yīng)力與變形桿件均勻加熱時的應(yīng)力與變形 ）（010TTLLT 金屬的線脹系數(shù)金屬的線脹系數(shù)(1) 自由變形率自由變形率：單位長度的自由變形量。：單位長度的自由變形量。 實際變形實際變形（外觀變形）（外觀變形）：由于桿件在膨脹時受到由于桿件在膨脹時受到阻礙，

12、不能完全自由變形；表現(xiàn)出來的變形量正好阻礙，不能完全自由變形；表現(xiàn)出來的變形量正好就是間隙量就是間隙量b， 稱稱b為實際變形。為實際變形。0shbL）（bTLLTshTLLLL00b（2）受部分約束受部分約束桿件的應(yīng)力與變形桿件的應(yīng)力與變形 內(nèi)部變形內(nèi)部變形 ：未表現(xiàn)出來的那部分變形未表現(xiàn)出來的那部分變形L 。 產(chǎn)生應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力力 注注：式中：式中負號負號表示受壓縮。表示受壓縮。低碳鋼低碳鋼Tmax500 時，桿件與兩剛性壁之間留有間隙時，桿件與兩剛性壁之間留有間隙b，當(dāng)溫度逐漸升高，當(dāng)溫度逐漸升高時，桿件將自由伸長變形，當(dāng)自由變形量達到間隙量時，桿件將自由伸長變形，當(dāng)自由變形量達到間隙量b時，

13、自由變形受阻礙。時，自由變形受阻礙。若繼續(xù)升溫，桿件將受到壓縮，若繼續(xù)升溫，桿件將受到壓縮，壓縮變形量壓縮變形量為：為：圖1-3a 桿件受約束加熱時的變形L0LTbL1）max500;|osTC圖圖1-3 均勻加熱桿件在熱循環(huán)下的應(yīng)力與變形均勻加熱桿件在熱循環(huán)下的應(yīng)力與變形加熱加熱溫度較低溫度較低，低碳鋼桿件發(fā)生，低碳鋼桿件發(fā)生彈性變形，當(dāng)桿件降溫到彈性變形，當(dāng)桿件降溫到初始溫初始溫度度T0，自由收縮到，自由收縮到原來的長度原來的長度，壓應(yīng)力全部消失壓應(yīng)力全部消失。E材料力學(xué)材料力學(xué)中：外觀變形與應(yīng)力相聯(lián)系中：外觀變形與應(yīng)力相聯(lián)系：討論討論內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力時：根據(jù)胡克定律，內(nèi)部變形與應(yīng)力時：根據(jù)胡

14、克定律，內(nèi)部變形與應(yīng)力：注意：材料的變形在注意：材料的變形在彈性范圍彈性范圍內(nèi)！內(nèi)！shE 2） 加熱加熱溫度較高溫度較高，桿件將發(fā)生，桿件將發(fā)生壓縮塑性變形壓縮塑性變形，其變形率，其變形率總總將由將由彈性變形率彈性變形率ee和和塑性變形率塑性變形率pp兩部分組成（圖兩部分組成（圖1-3b1-3b）。）。 即：即：max500; |osTC圖1-3續(xù) 均勻加熱的桿件的應(yīng)力和變形升溫階段升溫階段：t1：壓縮：壓縮彈性變形彈性變形，出現(xiàn)，出現(xiàn)壓應(yīng)力；壓應(yīng)力；t2：壓縮：壓縮塑性變形塑性變形；t3：塑：塑性變形達到最大值。性變形達到最大值。降溫階段降溫階段：由于產(chǎn)生：由于產(chǎn)生壓縮塑性變形壓縮塑性變形

15、，冷卻開始時它的端面不再以冷卻開始時它的端面不再以2點為起點為起點，而從點，而從2點開始收縮。點開始收縮。t4：高于初始溫度高于初始溫度，但由于壓縮塑性，但由于壓縮塑性變形一直被保存下來，桿件卻已經(jīng)變形一直被保存下來，桿件卻已經(jīng)恢復(fù)到了恢復(fù)到了初始長度初始長度。t5初始溫度：桿件比初始長度初始溫度：桿件比初始長度縮短縮短，縮短量縮短量正好等于受熱膨脹時所產(chǎn)生正好等于受熱膨脹時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形量的壓縮塑性變形量。t5pe總t53）桿件受桿件受完全約束完全約束時應(yīng)力和變形（時應(yīng)力和變形（ ）soCT|;600max圖1-3續(xù) 均勻加熱的桿件的應(yīng)力和變形升溫階段升溫階段：桿件桿件一開始一開始加熱

16、就立即產(chǎn)生加熱就立即產(chǎn)生壓縮彈性變形壓縮彈性變形。t1：達到：達到s，開始出，開始出現(xiàn)現(xiàn)壓縮塑性變形壓縮塑性變形。t2：500繼續(xù)升溫，繼續(xù)升溫，彈性變形減少而塑性變形增大彈性變形減少而塑性變形增大，s降低，壓應(yīng)力降低。降低，壓應(yīng)力降低。t3：600時時s降到零，處于降到零，處于全塑性狀態(tài)全塑性狀態(tài)，壓應(yīng)力消失。，壓應(yīng)力消失。降溫階段降溫階段：t4：600性性能開始恢復(fù)，屈服點逐能開始恢復(fù)，屈服點逐漸升高。此時桿端將不漸升高。此時桿端將不以以4為起點而以為起點而以4為起點為起點收縮收縮。由于收縮時又受。由于收縮時又受到約束，桿內(nèi)產(chǎn)生到約束，桿內(nèi)產(chǎn)生拉伸拉伸變形和拉應(yīng)力變形和拉應(yīng)力。t5：下降至

17、：下降至500，材料，材料完全完全恢復(fù)彈性恢復(fù)彈性；隨溫度；隨溫度降低，降低，拉伸塑性變形不拉伸塑性變形不斷增加斷增加，而拉應(yīng)力達到，而拉應(yīng)力達到屈服點，則不再增加。屈服點，則不再增加。sp低碳鋼桿件的應(yīng)力與變形的低碳鋼桿件的應(yīng)力與變形的總結(jié)：總結(jié)： 構(gòu)件構(gòu)件均勻加熱均勻加熱時，如在時，如在升溫過程升溫過程中產(chǎn)生中產(chǎn)生塑性變形塑性變形，那么在，那么在自由自由冷卻冷卻時，此變形將保留下來，形成時，此變形將保留下來，形成殘余變形殘余變形。 完全約束的桿件完全約束的桿件，在，在不高的溫度不高的溫度(低碳鋼加熱到約低碳鋼加熱到約100)時即時即產(chǎn)生產(chǎn)生壓縮塑性變形壓縮塑性變形，該變形在自由冷卻后將被保

18、留下來。如果，該變形在自由冷卻后將被保留下來。如果在在冷卻時受約束冷卻時受約束，則必然會產(chǎn)生，則必然會產(chǎn)生拉應(yīng)變和拉應(yīng)力拉應(yīng)變和拉應(yīng)力。 完全約束的桿件完全約束的桿件，即使加熱溫度不高（低碳鋼加熱溫度超過，即使加熱溫度不高（低碳鋼加熱溫度超過200），產(chǎn)生的），產(chǎn)生的壓縮塑性變形壓縮塑性變形也足以使它在冷卻時產(chǎn)生的拉也足以使它在冷卻時產(chǎn)生的拉應(yīng)力達到材料的應(yīng)力達到材料的拉伸屈服點拉伸屈服點。長板條長板條在在不均勻溫度場不均勻溫度場作用下的變形和應(yīng)力作用下的變形和應(yīng)力 假設(shè)：假設(shè)：T0=0，T=T T：T=T=T=f (x)sh ：a. 由平截面假設(shè)，變形時由平截面假設(shè)，變形時截面保持平面；截面

19、保持平面； b. 溫度場對稱，端面只作溫度場對稱，端面只作平移，平移，sh為常數(shù)。為常數(shù)。：可見：可見：板條中心板條中心0，受壓；，受壓； 兩側(cè)兩側(cè)0，受拉。，受拉。 （1）中心加熱）中心加熱 溫度場溫度場：對端面中心對稱的不均勻溫度場，對端面中心對稱的不均勻溫度場，T = f(x) 。 變形分析變形分析：取單位長度取單位長度(L0=1)來分析其變形與應(yīng)力。來分析其變形與應(yīng)力。Tsh補充部分補充部分假設(shè)：假設(shè)：板條是由若干互不板條是由若干互不相連的小窄條組成，則每相連的小窄條組成，則每根小窄條都可以按照自己根小窄條都可以按照自己被加熱的溫度自由變形。被加熱的溫度自由變形。這三個區(qū)域的應(yīng)力平衡，

20、即這三個區(qū)域的應(yīng)力平衡，即平行線平行線以上的面積和平行線以下以上的面積和平行線以下面積相等面積相等,見圖見圖b。sha. s（加熱溫度較低）加熱溫度較低） 板條發(fā)生板條發(fā)生彈性變形彈性變形。當(dāng)加熱電源斷開，板條逐漸冷卻，恢復(fù)到原來的溫度，。當(dāng)加熱電源斷開，板條逐漸冷卻，恢復(fù)到原來的溫度，此時板條亦將恢復(fù)到此時板條亦將恢復(fù)到原來長度原來長度，應(yīng)力和變形均將消失應(yīng)力和變形均將消失。 b. s（加熱溫度較高）（加熱溫度較高）板條板條“c”區(qū)中將產(chǎn)生區(qū)中將產(chǎn)生壓縮塑性變形壓縮塑性變形。在冷。在冷卻到原始溫度后，應(yīng)力和變形就不能消失。卻到原始溫度后，應(yīng)力和變形就不能消失。如果允許其自由收縮如果允許其自由

21、收縮，板條，板條“c”區(qū)的長度區(qū)的長度將將比原來短比原來短，其，其縮短量縮短量等于加熱時所產(chǎn)生等于加熱時所產(chǎn)生的的壓縮塑性變形量壓縮塑性變形量。此時板條端面就成了。此時板條端面就成了一個一個中心凹中心凹的曲面。的曲面。 實際上實際上板條是一個板條是一個整體整體，“c”區(qū)的收縮受區(qū)的收縮受到兩側(cè)金屬的到兩側(cè)金屬的限制限制，截面保持為，截面保持為平面平面，因，因此出現(xiàn)新的變形和應(yīng)力。此出現(xiàn)新的變形和應(yīng)力。即：板條即：板條中心受拉中心受拉,兩側(cè)受壓兩側(cè)受壓，這個新的平，這個新的平衡應(yīng)力系統(tǒng)就是衡應(yīng)力系統(tǒng)就是殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力。而板條端面的。而板條端面的位移就是位移就是殘余變形殘余變形。加熱冷卻（-）（

22、+）（-）根據(jù)上述兩種情況分析歸納如下：根據(jù)上述兩種情況分析歸納如下：在板條中心對稱在板條中心對稱加熱加熱時，板條中產(chǎn)生溫時，板條中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，度應(yīng)力，中心受壓，兩邊受拉中心受壓，兩邊受拉。同時平。同時平板端面板端面向外平移向外平移(伸長伸長)。 如果加熱如果加熱不產(chǎn)生塑性變形不產(chǎn)生塑性變形即即 ，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)后，內(nèi)應(yīng)力消失，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)后，內(nèi)應(yīng)力消失，平板端面平板端面亦恢復(fù)到亦恢復(fù)到原來的位置原來的位置。 如果加熱如果加熱產(chǎn)生塑性變形產(chǎn)生塑性變形，即，即 ，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)時，還會出現(xiàn)由當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)時，還會出現(xiàn)由于不均勻塑性變形引起的于不均勻塑性變形引起的殘余應(yīng)

23、力殘余應(yīng)力，其，其符號與溫度應(yīng)力大致相反（符號與溫度應(yīng)力大致相反（中間受拉，中間受拉，兩側(cè)受壓兩側(cè)受壓）；同時板條端面）；同時板條端面向內(nèi)平移向內(nèi)平移（縮短縮短），即為），即為殘余變形殘余變形。ss加熱冷卻（-）（+）（-）sh（2） 非對稱加熱非對稱加熱（一側(cè)加熱（一側(cè)加熱）1）溫度場：）溫度場：非對稱溫度場非對稱溫度場2）變形分析：）變形分析： （1） 平面假設(shè)；平面假設(shè)； （2） 內(nèi)應(yīng)力平衡條件內(nèi)應(yīng)力平衡條件: Y=0 ；M=0 。 3）應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)：狀態(tài)： 高溫側(cè)：高溫側(cè)：=shT0，受壓；，受壓； 中中 間：間： =shT0，受拉；，受拉； 低溫側(cè)：低溫側(cè)：=shT0，受壓。，受壓。

24、 4）變形變形：端面端面平移，角位移；平移，角位移；板條板條彎曲變形彎曲變形。加熱側(cè)位移大小受內(nèi)應(yīng)力必須平衡這一條件的制約，不能位移大小受內(nèi)應(yīng)力必須平衡這一條件的制約，不能出現(xiàn)圖中出現(xiàn)圖中b和和c的情況。因為將產(chǎn)生不平衡力矩。的情況。因為將產(chǎn)生不平衡力矩。0)()(Y000BeBTeBdxxfEdxEdx0)()(M000BeBTeBdxxfxExdxEdxx a. s（加熱溫度較低）加熱溫度較低） 當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時，板條中當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時，板條中不存在不存在殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力，不出現(xiàn)殘余變形不出現(xiàn)殘余變形。 b. s（加熱溫度較高）（加熱溫度較高） 板條中將出現(xiàn)板條中將出現(xiàn)壓縮塑性

25、變形壓縮塑性變形。冷卻時，板。冷卻時，板條恢復(fù)到原始溫度，其中將出現(xiàn)條恢復(fù)到原始溫度，其中將出現(xiàn)殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力。板條也產(chǎn)生板條也產(chǎn)生殘余彎曲變形和收縮變形殘余彎曲變形和收縮變形，但，但方向方向與加熱時與加熱時相反相反(圖圖2-7)。 冷卻后冷卻后加熱時加熱時加熱側(cè)2長板條中心堆焊時長板條中心堆焊時的應(yīng)力和變形的應(yīng)力和變形（對稱加熱）（對稱加熱） 圖圖a加熱加熱時，中心部和邊部時，中心部和邊部加熱溫度加熱溫度不同，不同，其其伸長變形伸長變形不同，但又不同，但又互相制約互相制約。自由變形自由變形曲線曲線T上：上： ac段段彈性變形區(qū)；彈性變形區(qū)；cd段段應(yīng)力達到屈服點，同應(yīng)力達到屈服點，同時存在

26、著時存在著壓縮塑性變形壓縮塑性變形； d點點已達到已達到500，材料屈服點開始下降，材料屈服點開始下降，de段段應(yīng)力逐漸由應(yīng)力逐漸由s下降為下降為零零；在；在e點壓縮塑點壓縮塑性變形達到性變形達到最大值最大值。 圖圖b冷卻冷卻時，由于在加熱過程中產(chǎn)生的時，由于在加熱過程中產(chǎn)生的壓縮塑壓縮塑性變形性變形將被部分保留下來，所以在將被部分保留下來，所以在堆焊區(qū)纖堆焊區(qū)纖維變短維變短，由于各纖維之間的相互約束，板條，由于各纖維之間的相互約束，板條端部仍保持平直端部仍保持平直(nn)。中部中部產(chǎn)生達到產(chǎn)生達到屈服點屈服點的拉應(yīng)力的拉應(yīng)力和拉伸塑性變形和拉伸塑性變形。而。而靠近靠近兩側(cè)兩側(cè)產(chǎn)生產(chǎn)生壓應(yīng)力壓

27、應(yīng)力，二者相互平衡。，二者相互平衡。 圖1-4 低碳鋼長板條中心堆焊時的應(yīng)力變形情況加熱時冷卻后OO焊焊縫縫3板邊堆焊時板邊堆焊時焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生（非對稱加熱）（非對稱加熱） 每一纖維的內(nèi)部變形（率）每一纖維的內(nèi)部變形（率）：Tsh圖1-5 板邊堆焊的應(yīng)力與變形)(shTEE) 完全彈性變形區(qū)完全彈性變形區(qū)。此區(qū)域變形率小。此區(qū)域變形率小于于s，冷卻后沒有殘留的塑性變形。，冷卻后沒有殘留的塑性變形。) T500區(qū)域是區(qū)域是彈性區(qū)和部分塑性變彈性區(qū)和部分塑性變形區(qū)形區(qū)。冷卻后塑性變形部分，。冷卻后塑性變形部分，abc區(qū)域區(qū)域?qū)⒈Ａ粝聛?。將保留下來? 500T600的區(qū)域

28、是的區(qū)域是完全塑性區(qū)完全塑性區(qū)。600以上纖維在伸長和縮短時都沒有任以上纖維在伸長和縮短時都沒有任何阻力，冷卻時其塑性變形將不會被保何阻力，冷卻時其塑性變形將不會被保留下來，而留下來，而600時時所具有的塑性變形將所具有的塑性變形將一直保留下來，即一直保留下來，即demg區(qū)。區(qū)。（）（）（）（）（）（）實際變形實際變形sh 線線的位置（的位置（加熱或冷卻加熱或冷卻）根據(jù)）根據(jù)內(nèi)應(yīng)力平衡內(nèi)應(yīng)力平衡得到的，得到的，應(yīng)力應(yīng)力在在y軸軸的投影為的投影為y，應(yīng)力對任意點，應(yīng)力對任意點力矩力矩為為M，則有：，則有： 二式結(jié)果：圖中二式結(jié)果：圖中sh線上下有陰影線的線上下有陰影線的面積面積(彈性變形彈性變形

29、)相互抵消，相互抵消，面積與面積與形心距離的乘積形心距離的乘積(矩矩)相互抵消。相互抵消?？紤]到平截面假設(shè)考慮到平截面假設(shè)，I-I截面由截面由mm 位置變位置變到位到到位到nn 位置。位置。0dx)(dx0shW0WTEY0 xdx)(xdx0shW0WTEM冷卻時冷卻時堆焊區(qū)堆焊區(qū)為為拉應(yīng)力拉應(yīng)力,其值可達到其值可達到屈服點，同時會產(chǎn)生屈服點，同時會產(chǎn)生拉伸塑性變形拉伸塑性變形?？拷押竻^(qū)為靠近堆焊區(qū)為壓應(yīng)力區(qū)壓應(yīng)力區(qū)，遠離堆焊，遠離堆焊區(qū)的另一側(cè)又出現(xiàn)區(qū)的另一側(cè)又出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)拉應(yīng)力區(qū)。即：。即：拉拉-壓壓-拉拉。板條堆焊區(qū)縮短，全板條出現(xiàn)板條堆焊區(qū)縮短，全板條出現(xiàn)彎曲彎曲變形變形。圖1-5

30、 板邊堆焊的應(yīng)力與變形（）（）（）板條堆焊板條堆焊結(jié)論結(jié)論： 板條堆焊后其板條堆焊后其殘余應(yīng)力的分布殘余應(yīng)力的分布和和變形的大小變形的大小完全取決于完全取決于加熱加熱過程中所產(chǎn)生的過程中所產(chǎn)生的壓縮塑性變形區(qū)的大小壓縮塑性變形區(qū)的大小和和分布分布。 凡是影響凡是影響壓縮塑性變形區(qū)壓縮塑性變形區(qū)大小和分布的因素大小和分布的因素(如如溫度場、溫度場、材料的熱物理性能、板件的幾何尺寸材料的熱物理性能、板件的幾何尺寸等等)都會對板條中的都會對板條中的殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響。殘余應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響。4相變相變對應(yīng)力和變形的影響對應(yīng)力和變形的影響 低碳鋼低碳鋼在在相變點相變點727時呈時呈完全塑性狀態(tài)完全

31、塑性狀態(tài)，此時奧氏體轉(zhuǎn)變時的體積變化不，此時奧氏體轉(zhuǎn)變時的體積變化不受任何阻力，所以對應(yīng)力和變形受任何阻力，所以對應(yīng)力和變形不產(chǎn)生影響。不產(chǎn)生影響。 （鐵素體為體心立方（鐵素體為體心立方bcc，體積小；奧氏體為面心立方，體積??；奧氏體為面心立方fcc，體積大。），體積大。） 有有淬火傾向淬火傾向的的合金鋼合金鋼則不同，在焊后出現(xiàn)則不同，在焊后出現(xiàn)低溫馬氏體轉(zhuǎn)變低溫馬氏體轉(zhuǎn)變，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為為200300。這時材料已完全恢復(fù)彈性，馬氏體轉(zhuǎn)變時。這時材料已完全恢復(fù)彈性，馬氏體轉(zhuǎn)變時體積膨脹體積膨脹受到周受到周圍金屬的阻礙，產(chǎn)生圍金屬的阻礙，產(chǎn)生相變應(yīng)力相變應(yīng)力。 如果如果焊縫金屬

32、和母材焊縫金屬和母材也發(fā)生也發(fā)生低溫馬氏體轉(zhuǎn)變低溫馬氏體轉(zhuǎn)變，這樣馬氏體膨脹而產(chǎn)生，這樣馬氏體膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力壓應(yīng)力,這樣使得該區(qū)內(nèi)由于焊接而產(chǎn)生的這樣使得該區(qū)內(nèi)由于焊接而產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力。（見減小，甚至出現(xiàn)壓應(yīng)力。（見圖圖1-9）。）。 馬氏體馬氏體: 它的溶碳能力較高，最高可達它的溶碳能力較高，最高可達2%。奧氏體奧氏體是鐵是鐵-碳合金的高溫相。鋼在高溫碳合金的高溫相。鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到時所形成的奧氏體，過冷到727以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到速度過冷到230以下，這時奧氏體中

33、的碳原子已無擴散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種成一種含碳過飽和的含碳過飽和的固溶體固溶體，稱為馬氏體，稱為馬氏體M(畸變了的體心立方晶格畸變了的體心立方晶格)。它具有。它具有高的高的強度和硬度強度和硬度。 5影響焊接應(yīng)力與變形的影響焊接應(yīng)力與變形的2個個主要因素主要因素 （1）焊縫及近縫區(qū)焊縫及近縫區(qū)不均勻加熱的范圍和程度不均勻加熱的范圍和程度，也即產(chǎn)生熱變，也即產(chǎn)生熱變形的范圍和程度。形的范圍和程度。 包括包括焊縫焊縫尺寸、數(shù)量及位置、材料尺寸、數(shù)量及位置、材料熱物理性能熱物理性能(熱導(dǎo)率、比熱容、熱熱導(dǎo)率、比熱容、熱脹系數(shù)等脹系數(shù)等

34、)、焊接工藝方法焊接工藝方法(如焊條電弧焊、埋弧焊等如焊條電弧焊、埋弧焊等)和參數(shù)和參數(shù)(I、U、V及熱及熱輸入輸入Q等等)以及以及焊接操作方法焊接操作方法(直通焊、分段跳焊、逆向分段焊等直通焊、分段跳焊、逆向分段焊等)因素。因素。 （2）焊件焊件本身的剛度本身的剛度以及受到以及受到周圍環(huán)境的拘束程度周圍環(huán)境的拘束程度，即阻止，即阻止焊縫及其附近加熱所產(chǎn)生熱變形的程度。焊縫及其附近加熱所產(chǎn)生熱變形的程度。 焊接構(gòu)件在拘束小的條件下，焊接變形大而應(yīng)力??；焊接構(gòu)件在拘束小的條件下，焊接變形大而應(yīng)力?。?反之，則焊接變形小而應(yīng)力大反之，則焊接變形小而應(yīng)力大。第第2節(jié)節(jié) 焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力 本節(jié)

35、主要討論焊接殘余應(yīng)力的本節(jié)主要討論焊接殘余應(yīng)力的分布情況分布情況，它的，它的影響影響以及消除以及消除和降低焊接殘余應(yīng)力的和降低焊接殘余應(yīng)力的措施措施。 焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力：在焊接過程中全部結(jié)束，焊件完全冷卻后殘余：在焊接過程中全部結(jié)束，焊件完全冷卻后殘余在焊件中的內(nèi)應(yīng)力。在焊件中的內(nèi)應(yīng)力。 在厚度不大（在厚度不大（1520mm）的常規(guī)焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力）的常規(guī)焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，厚度方向的應(yīng)力很小。只有在大厚度的焊基本上是雙軸的，厚度方向的應(yīng)力很小。只有在大厚度的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的應(yīng)力才比較大。接結(jié)構(gòu)中，厚度方向的應(yīng)力才比較大。 為了方便研究為了方便研究，我們把應(yīng)力

36、分為：，我們把應(yīng)力分為：xyz(3) (1) 縱向殘余應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫平行，殘余應(yīng)力 (2) 橫向殘余應(yīng)力：應(yīng)力作用方向與焊縫垂直， 厚度方向應(yīng)力：表示為x 1. 縱向殘余應(yīng)力的分布縱向殘余應(yīng)力的分布在低碳鋼結(jié)構(gòu)中，在低碳鋼結(jié)構(gòu)中，焊縫及其附近區(qū)域焊縫及其附近區(qū)域中的縱向應(yīng)力為中的縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力拉應(yīng)力，數(shù)值一般達到材料的屈服極限。分析對象是長板條等。數(shù)值一般達到材料的屈服極限。分析對象是長板條等。現(xiàn)在研究現(xiàn)在研究X 在在整條焊縫上的分布整條焊縫上的分布：x焊縫各截面焊縫各截面中的應(yīng)力分布中的應(yīng)力分布（1）構(gòu)件幾何尺寸的影響）構(gòu)件幾何尺寸的影響幾何形狀（板寬、板厚）幾何形狀（板寬、板厚

37、）不同不同 剛度剛度 塑性變形區(qū)大小和形狀塑性變形區(qū)大小和形狀 殘余應(yīng)力的分布不同。殘余應(yīng)力的分布不同。較寬的板較寬的板(a)：板邊堆焊時焊道及其附近區(qū)：板邊堆焊時焊道及其附近區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)域?qū)⒊霈F(xiàn)高達屈服點高達屈服點拉應(yīng)力拉應(yīng)力。較窄的板較窄的板(b) ：焊縫處為：焊縫處為壓應(yīng)力壓應(yīng)力，且應(yīng)力值，且應(yīng)力值較低。較低。窄板窄板（c）：分布則較為均勻，焊道處仍為）：分布則較為均勻，焊道處仍為壓應(yīng)力壓應(yīng)力。一般低碳鋼結(jié)構(gòu)，可認為其一般低碳鋼結(jié)構(gòu)，可認為其W150mm，焊縫及近縫區(qū)中的縱向殘余應(yīng)力是焊縫及近縫區(qū)中的縱向殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力拉應(yīng)力,其數(shù)值一般可達到材料的屈服點。鄰近此其數(shù)值一般可達到材料的屈服

38、點。鄰近此區(qū)域為區(qū)域為壓應(yīng)力壓應(yīng)力，遠處則又是，遠處則又是拉應(yīng)力拉應(yīng)力區(qū)。區(qū)。圖1-6 板邊堆焊殘余應(yīng)力分布(W從堆焊邊計起)相同的焊接條件（焊接參數(shù)） 殘余應(yīng)力的分布與焊接過程中形成的塑性壓縮變形的大小和殘余應(yīng)力的分布與焊接過程中形成的塑性壓縮變形的大小和分布有很大關(guān)系，凡是影響分布有很大關(guān)系，凡是影響壓縮塑性變形的因素壓縮塑性變形的因素，都能影響，都能影響殘余應(yīng)力的分布。殘余應(yīng)力的分布。（2）焊接參數(shù)的影響）焊接參數(shù)的影響 試驗表明：當(dāng)試驗表明：當(dāng)板寬板寬l00mm，板邊堆焊，板邊堆焊焊接速度焊接速度為為0.72mmin。 I150A時，堆焊處為時，堆焊處為壓縮殘余應(yīng)力壓縮殘余應(yīng)力; I1

39、50A時，堆焊處為時，堆焊處為拉伸殘余應(yīng)力拉伸殘余應(yīng)力. 增大增大焊接速度焊接速度與減小與減小焊接電流焊接電流I的的 影響相影響相近似近似。 若以極限溫度場若以極限溫度場600以上的以上的受熱區(qū)受熱區(qū) 寬度寬度bs來衡量。來衡量。(bsW)0.15時，殘余應(yīng)力圖時，殘余應(yīng)力圖b、c。同樣的板寬在同樣的板寬在不同的焊接參數(shù)不同的焊接參數(shù)下焊接，形成的下焊接，形成的溫度場不同溫度場不同，其其殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)力、壓縮塑性變形區(qū)壓縮塑性變形區(qū)的大小和分布有所差異。的大小和分布有所差異。鋼板鋼板對接焊對接焊時縱向殘余應(yīng)力的分布時縱向殘余應(yīng)力的分布（2）兩塊）兩塊不等寬不等寬鋼板對接焊鋼板對接焊 寬度寬度

40、相差越多相差越多，寬板寬板中的應(yīng)力中的應(yīng)力分布越接近于分布越接近于板邊堆焊板邊堆焊時的分時的分布情況，而布情況，而窄板窄板邊緣處出現(xiàn)較邊緣處出現(xiàn)較大的大的壓應(yīng)力壓應(yīng)力，圖，圖d。 寬度寬度相差較小相差較小，其應(yīng)力分布近，其應(yīng)力分布近似于似于等寬板等寬板的分布規(guī)律，圖的分布規(guī)律，圖e。圖1-7 鋼板對接焊時縱向殘余應(yīng)力的分布焊縫及近縫區(qū)出現(xiàn)焊縫及近縫區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力拉應(yīng)力，焊件，焊件邊緣邊緣出現(xiàn)出現(xiàn)壓應(yīng)力壓應(yīng)力，如圖，如圖a。當(dāng)當(dāng)板寬增大板寬增大時，縱向壓應(yīng)力的數(shù)值變小并趨于均勻，圖時，縱向壓應(yīng)力的數(shù)值變小并趨于均勻，圖b。當(dāng)板寬當(dāng)板寬進一步進一步增大時，板邊處的壓應(yīng)力下降為零，如圖增大時，板邊處的

41、壓應(yīng)力下降為零，如圖c。（1）兩塊）兩塊等寬度等寬度鋼板對接焊鋼板對接焊 (bsW)0.15 -（相對寬板相對寬板）縱向殘余應(yīng)力的縱向殘余應(yīng)力的分布分布和近似估算和近似估算 對接焊時對接焊時板寬板寬W與與焊接參數(shù)焊接參數(shù)q對縱向應(yīng)力的影響。對縱向應(yīng)力的影響。 圖圖1-8中給出寬度為中給出寬度為400mm和和100mm兩種尺寸的鋼板對接。兩種尺寸的鋼板對接。殘余應(yīng)力的分布是由幾個關(guān)鍵點的坐標位置來確，它們分別為殘余應(yīng)力的分布是由幾個關(guān)鍵點的坐標位置來確，它們分別為(y1,1)，(y2,2)、(y3,3)，可由表，可由表1-1中的公式來計算。中的公式來計算。1y 400 1001y2y3y1y2y

42、Wy3y0表表1-1 對接接頭縱向殘余應(yīng)力分布的對接接頭縱向殘余應(yīng)力分布的近似估算式近似估算式表表1-1中按照熱輸入和板厚之比中按照熱輸入和板厚之比q與板寬與板寬W的關(guān)系將焊件分的關(guān)系將焊件分為為寬板和窄板寬板和窄板兩種情況。表中應(yīng)力數(shù)值是用材料的屈服點兩種情況。表中應(yīng)力數(shù)值是用材料的屈服點S表示。表示。寬板寬板：y1、y2和和y3三個三個坐標值坐標值都隨焊接熱輸入的增加而變大都隨焊接熱輸入的增加而變大.即即熱輸入增加，殘余應(yīng)力分布范圍變大熱輸入增加，殘余應(yīng)力分布范圍變大。窄板窄板：y1、y2、y3坐標坐標只與板寬有關(guān)只與板寬有關(guān)。1y 400 1001y2y3y1y2yWy3y0有有相變相變

43、時縱向殘余應(yīng)力的分布時縱向殘余應(yīng)力的分布 -原理原理 焊接焊接合金鋼合金鋼時，焊后出現(xiàn)時，焊后出現(xiàn)馬氏體的低溫轉(zhuǎn)變馬氏體的低溫轉(zhuǎn)變，馬氏體體積膨脹馬氏體體積膨脹將受到周圍將受到周圍金屬的阻礙，產(chǎn)生金屬的阻礙，產(chǎn)生相變應(yīng)力相變應(yīng)力，使得在發(fā)生，使得在發(fā)生相變的區(qū)域相變的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)內(nèi)出現(xiàn)壓應(yīng)力壓應(yīng)力；這樣；這樣與焊接加熱時產(chǎn)生的壓縮塑性變形所形成的拉應(yīng)力相疊加和抵消，與焊接加熱時產(chǎn)生的壓縮塑性變形所形成的拉應(yīng)力相疊加和抵消，拉應(yīng)力拉應(yīng)力減小減小，甚至焊縫區(qū)出現(xiàn)，甚至焊縫區(qū)出現(xiàn)壓應(yīng)力壓應(yīng)力和臨近區(qū)域中出現(xiàn)和臨近區(qū)域中出現(xiàn)拉應(yīng)力拉應(yīng)力。相變應(yīng)力對縱向殘余應(yīng)力分布影響 為為無相變時無相變時的縱向殘余應(yīng)力

44、；的縱向殘余應(yīng)力； 為為相變產(chǎn)生的縱向應(yīng)力相變產(chǎn)生的縱向應(yīng)力；總內(nèi)應(yīng)力總內(nèi)應(yīng)力應(yīng)該為應(yīng)該為兩者的綜合兩者的綜合。 xmx板邊堆焊板邊堆焊時縱向殘余應(yīng)力時縱向殘余應(yīng)力-實測結(jié)果實測結(jié)果 低溫馬氏體轉(zhuǎn)變低溫馬氏體轉(zhuǎn)變往往往往延續(xù)較長延續(xù)較長時間時間，使殘余應(yīng)力的分布不斷，使殘余應(yīng)力的分布不斷變化，變化，近縫區(qū)近縫區(qū)的的拉伸殘余應(yīng)力拉伸殘余應(yīng)力會會逐漸增大逐漸增大，超過材料的抗拉，超過材料的抗拉強度強度b而產(chǎn)生而產(chǎn)生裂紋裂紋。圖1-9 有相變發(fā)生時縱向殘余應(yīng)力的分布a) 2Cr13鋼 b) Cr26Ni20馬氏體鋼馬氏體鋼板邊堆焊縱向殘余應(yīng)力與板邊堆焊縱向殘余應(yīng)力與時間時間關(guān)系關(guān)系 圖圖1-10為馬

45、氏體鋼板邊堆焊后，當(dāng)時為馬氏體鋼板邊堆焊后，當(dāng)時測得測得焊縫中心殘余應(yīng)力為焊縫中心殘余應(yīng)力為-195MPa，近縫區(qū)拉應(yīng)力為近縫區(qū)拉應(yīng)力為510MPa(左圖左圖)。經(jīng)過。經(jīng)過兩個半月兩個半月后，后，近縫區(qū)的拉應(yīng)力近縫區(qū)的拉應(yīng)力竟增至竟增至765MPa(右圖右圖)。 還有一些金屬，如還有一些金屬，如鋁和鈮鋁和鈮等，因在等，因在很很寬的溫度區(qū)間屈服點相當(dāng)?shù)蛯挼臏囟葏^(qū)間屈服點相當(dāng)?shù)停箟嚎s，使壓縮塑性區(qū)變得比較寬，冷卻后形成塑性區(qū)變得比較寬，冷卻后形成相當(dāng)相當(dāng)寬的拉伸殘余應(yīng)力區(qū)寬的拉伸殘余應(yīng)力區(qū)。另外，。另外，鋁鋁的的熱熱脹系數(shù)脹系數(shù)比鋼要大，這也導(dǎo)致產(chǎn)生比鋼要大，這也導(dǎo)致產(chǎn)生過大過大的焊接殘余應(yīng)力和

46、變形。的焊接殘余應(yīng)力和變形。 圖1-10 馬氏體鋼板邊堆焊縱向殘余應(yīng)力與時間關(guān)系縱向殘余應(yīng)力在縱向殘余應(yīng)力在焊縫長度焊縫長度方向上的分布方向上的分布 縱向殘余應(yīng)力沿焊縫長度方向上的分布與縱向殘余應(yīng)力沿焊縫長度方向上的分布與焊縫長短焊縫長短有關(guān)。圖有關(guān)。圖1-11當(dāng)焊縫當(dāng)焊縫較短較短時，其時，其峰值較低峰值較低；隨著焊縫；隨著焊縫長度的增加長度的增加，峰值應(yīng)力也，峰值應(yīng)力也逐漸變大逐漸變大，但焊縫長度，但焊縫長度超過大約超過大約500mm時，峰值應(yīng)力不再增加，長焊縫時，峰值應(yīng)力不再增加，長焊縫中部中部出現(xiàn)出現(xiàn)最高縱向殘余應(yīng)最高縱向殘余應(yīng)力平臺，靠近焊縫兩端力平臺，靠近焊縫兩端為應(yīng)力為應(yīng)力過渡區(qū)過

47、渡區(qū)，端面上端面上的縱向殘余應(yīng)力為的縱向殘余應(yīng)力為零零。圖圖1-11 縱向殘余應(yīng)力在焊縫長度方向上的分布縱向殘余應(yīng)力在焊縫長度方向上的分布埋弧焊焊條電弧焊橫向殘余應(yīng)力：橫向殘余應(yīng)力：垂直于焊縫的應(yīng)力，垂直于焊縫的應(yīng)力， 用表示用表示。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：（1）縱向收縮縱向收縮造成的板平面內(nèi)彎曲的趨勢造成的板平面內(nèi)彎曲的趨勢也引起了也引起了橫向殘余應(yīng)力橫向殘余應(yīng)力。 -（2）在焊接過程中，）在焊接過程中，焊縫及近縫區(qū)焊縫及近縫區(qū)金屬金屬橫向收縮的橫向收縮的先后次序不同先后次序不同(不同時性不同時性)，使對接的兩塊板有產(chǎn)生平面內(nèi)彎曲的趨勢，使得焊縫區(qū)出現(xiàn)使對接的兩塊板有產(chǎn)生平面內(nèi)彎曲的趨勢，使得焊縫

48、區(qū)出現(xiàn)橫向殘余應(yīng)力橫向殘余應(yīng)力。 - 2. 橫向殘余應(yīng)力的分布橫向殘余應(yīng)力的分布 當(dāng)把對接板由焊縫處當(dāng)把對接板由焊縫處裁開裁開，每塊板發(fā)生類似每塊板發(fā)生類似板邊堆焊板邊堆焊的彎曲變的彎曲變形。若使板保持平直，必須在形。若使板保持平直，必須在中部中部施加拉力施加拉力，兩端部施以壓力兩端部施以壓力。實際。實際上上焊縫的存在焊縫的存在就是對兩板施加作用就是對兩板施加作用使其平直，即：焊縫上存在著使其平直，即：焊縫上存在著中部中部為拉，兩端為壓為拉，兩端為壓的殘余應(yīng)力的殘余應(yīng)力 。y圖圖1-12 縱向收縮縱向收縮引起引起橫向殘余應(yīng)力橫向殘余應(yīng)力y yy焊縫長度對焊縫長度對 的影響的影響-補充補充 由圖

49、看出，對由圖看出，對長焊縫長焊縫來說，中心部分的來說，中心部分的拉應(yīng)力拉應(yīng)力將有所降低，將有所降低，逐漸趨近于零。逐漸趨近于零。y分析橫向應(yīng)力的另一個組成部分分析橫向應(yīng)力的另一個組成部分 - 補充補充 由于焊縫不是同時完成的，各部分有先焊和后焊之分。由于焊縫不是同時完成的，各部分有先焊和后焊之分。先焊先焊部分先冷卻，部分先冷卻，后焊后焊部分后冷卻。先冷卻部分又限制后冷卻的橫向收縮，這種限制與反限制部分后冷卻。先冷卻部分又限制后冷卻的橫向收縮，這種限制與反限制就構(gòu)成了橫向應(yīng)力就構(gòu)成了橫向應(yīng)力 。y y 把一條焊縫分成把一條焊縫分成兩段焊接兩段焊接，當(dāng)從，當(dāng)從中間向兩端焊中間向兩端焊時，中心部位先

50、焊的先收縮，時，中心部位先焊的先收縮，兩端后焊的后收縮，則兩端焊縫的橫向收縮受到中心部分的限制。因此，兩端后焊的后收縮，則兩端焊縫的橫向收縮受到中心部分的限制。因此， 是是兩端為拉應(yīng)力，中心為壓應(yīng)力兩端為拉應(yīng)力，中心為壓應(yīng)力(圖圖a)。反之反之，如圖，如圖b。直通焊直通焊的的 尾部是拉應(yīng)力，中段是壓應(yīng)力尾部是拉應(yīng)力，中段是壓應(yīng)力，起焊段起焊段由于必須滿足平衡條件的由于必須滿足平衡條件的原因仍為原因仍為拉應(yīng)力拉應(yīng)力，應(yīng)力分布與圖，應(yīng)力分布與圖a相似。相似。y y 后焊受拉；后焊受拉；先焊受壓。先焊受壓。冷卻時冷卻時平板對接橫向殘余應(yīng)力的分布平板對接橫向殘余應(yīng)力的分布 - 實際情況實際情況 橫向應(yīng)

51、力橫向應(yīng)力的兩個組成部分的兩個組成部分 和和 是同時存在的，最終的橫向是同時存在的，最終的橫向應(yīng)力應(yīng)力 是它們是它們兩者的合成兩者的合成。圖。圖1-13為為1m長焊縫橫向殘余應(yīng)力長焊縫橫向殘余應(yīng)力的分布，可代表一般情況。的分布，可代表一般情況。y yy圖1-13 平板對接橫向殘余應(yīng)力的分布試件雙面埋弧焊雙面焊條電弧焊 橫向殘余應(yīng)力的分布與橫向殘余應(yīng)力的分布與施焊的方向施焊的方向有關(guān)，采用的有關(guān)，采用的分段退焊法分段退焊法可出現(xiàn)可出現(xiàn)拉壓拉壓交替的分布狀態(tài)，交替的分布狀態(tài)，應(yīng)力應(yīng)力峰值較低峰值較低，分布，分布較為均勻較為均勻。分段退焊法：分段退焊法： 用于用于減小減小焊接變形（并不是防止變形），

52、使焊接應(yīng)力均勻分布。焊接變形（并不是防止變形），使焊接應(yīng)力均勻分布。 第一層打底焊第一層打底焊焊接變形較大，所以焊接變形較大，所以段焊較短段焊較短。 如果能如果能跳焊跳焊更好，焊完更好，焊完1，再焊，再焊3，回過頭來焊，回過頭來焊2，這樣更能防，這樣更能防止焊接變形止焊接變形,此類焊接方法，在此類焊接方法，在儲罐焊接儲罐焊接上應(yīng)用非常廣泛。上應(yīng)用非常廣泛。跳焊跳焊也是一種有效也是一種有效控制焊接變形控制焊接變形的工藝，兩者結(jié)合效果更佳的工藝，兩者結(jié)合效果更佳。 3. 特厚板中殘余應(yīng)力的分布特厚板中殘余應(yīng)力的分布 厚度較大的厚板件，縱、橫向應(yīng)力厚度較大的厚板件，縱、橫向應(yīng)力沿沿厚度方向上厚度方向

53、上的分布情況的分布情況與板面不與板面不同同。圖。圖1-14可見，其可見，其峰值峰值都出現(xiàn)在都出現(xiàn)在最后一層焊道下方某處最后一層焊道下方某處。 可以可以推斷推斷，在此峰值應(yīng)力區(qū)有可能，在此峰值應(yīng)力區(qū)有可能產(chǎn)生裂紋，并擴展至表面。這種殘產(chǎn)生裂紋，并擴展至表面。這種殘余應(yīng)力的分布情況是該鋼種產(chǎn)生余應(yīng)力的分布情況是該鋼種產(chǎn)生橫橫向裂紋向裂紋(垂直于焊縫軸線的裂紋垂直于焊縫軸線的裂紋)的的一個重要原因。一個重要原因。 圖圖l-14中中55和和100mm厚板殘余應(yīng)力厚板殘余應(yīng)力x和和y的峰值幾乎相同的峰值幾乎相同。即。即板厚達板厚達到一定程度到一定程度時，殘余應(yīng)力的時，殘余應(yīng)力的峰值峰值將將不受板厚變化的

54、影響，趨于一個不受板厚變化的影響，趨于一個定定值值。 圖圖1-14 2.25Cr l Mo鋼多層埋弧焊焊縫金屬中殘余應(yīng)力分布鋼多層埋弧焊焊縫金屬中殘余應(yīng)力分布 a) 試件試件 b) 板厚為板厚為55mm c) 板厚為板厚為100mm 電渣焊電渣焊是是利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱進行焊接的方法利用電流通過液體熔渣所產(chǎn)生的電阻熱進行焊接的方法。 根據(jù)使用的電極形狀，可分為根據(jù)使用的電極形狀，可分為絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊絲極電渣焊、板極電渣焊、熔嘴電渣焊等。等。 優(yōu)點：優(yōu)點：優(yōu)質(zhì)、高效、低成本優(yōu)質(zhì)、高效、低成本等；等； 缺點：接頭缺點：接頭過熱嚴重過熱嚴重，焊后一般需經(jīng)正火處理。，

55、焊后一般需經(jīng)正火處理。 應(yīng)用：應(yīng)用：低碳鋼、低合金鋼的厚大工件低碳鋼、低合金鋼的厚大工件。 電渣焊電渣焊電渣焊電渣焊接頭殘余應(yīng)力的分布接頭殘余應(yīng)力的分布 殘余應(yīng)力在殘余應(yīng)力在板厚方向板厚方向上的分布情況比較上的分布情況比較復(fù)雜復(fù)雜，用試驗測量比較，用試驗測量比較困難。困難。目前還未找出其較為明確的分布規(guī)律目前還未找出其較為明確的分布規(guī)律。圖l-15 電渣焊接頭殘余應(yīng)力的分布a) 試件 b) 縱向殘余應(yīng)力分布 c) 橫向殘余應(yīng)力分布厚板中殘余應(yīng)力的分布與厚板中殘余應(yīng)力的分布與焊接方法焊接方法密切相關(guān)。如密切相關(guān)。如電渣焊電渣焊焊縫焊縫表面表面由于水冷塊的強制冷卻作用而由于水冷塊的強制冷卻作用而先

56、期凝固冷卻先期凝固冷卻，而，而中心中心部位部位冷卻緩冷卻緩慢慢，中心部位金屬的收縮受到周圍金屬的約束中心部位金屬的收縮受到周圍金屬的約束，所以，所以縱、橫向殘縱、橫向殘余應(yīng)力的峰值余應(yīng)力的峰值均出現(xiàn)在均出現(xiàn)在中心部位中心部位，表現(xiàn)為，表現(xiàn)為拉應(yīng)力拉應(yīng)力。4焊接焊接T形、工形和箱形結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力形、工形和箱形結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力這類結(jié)構(gòu)組成元件這類結(jié)構(gòu)組成元件(腹板腹板和和翼板翼板)看作是看作是板邊堆焊板邊堆焊或或板中心堆焊板中心堆焊；焊縫及附近區(qū)域焊縫及附近區(qū)域中總是產(chǎn)生中總是產(chǎn)生縱向縱向高達屈服點的高達屈服點的拉伸拉伸殘余應(yīng)力；殘余應(yīng)力；腹板中部、翼板邊緣腹板中部、翼板邊緣則產(chǎn)生則產(chǎn)生壓應(yīng)力壓

57、應(yīng)力。這對于防止。這對于防止腹板腹板的的波浪變形波浪變形和防止和防止工工(H)形、箱形梁由此導(dǎo)致的形、箱形梁由此導(dǎo)致的局部或整體失穩(wěn)局部或整體失穩(wěn)是非常不利的。是非常不利的。 圖 l-16 焊接工(H)形、T形和箱形板構(gòu)件中的縱向焊接殘余應(yīng)力縱向焊接殘余應(yīng)力 a) T形構(gòu)件 b) 工(H)形構(gòu)件 c) 箱形構(gòu)件 d) 實測T形構(gòu)件翼板腹板5. 拘束條件下焊接的殘余應(yīng)力拘束條件下焊接的殘余應(yīng)力 圖圖1-17 a，在，在剛性大的條件下剛性大的條件下對接焊縫對接焊縫都可以都可以假設(shè)為板端剛性固定假設(shè)為板端剛性固定。如果對接。如果對接板可以自由收縮，那么板總寬板可以自由收縮，那么板總寬L(試件的試件的

58、拘束長度拘束長度) 將縮小為將縮小為L-L。在。在剛性拘剛性拘束束條件下板條件下板不能自由收縮不能自由收縮，則焊后相當(dāng)，則焊后相當(dāng)于于拉長了拉長了L，這時板內(nèi)產(chǎn)生，這時板內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力拉應(yīng)力： =ELL 圖圖b所示應(yīng)力稱為所示應(yīng)力稱為拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力。 當(dāng)焊縫當(dāng)焊縫較短較短時，拘束應(yīng)力時，拘束應(yīng)力大小不變大小不變；當(dāng)當(dāng)焊縫較長焊縫較長時，拘束應(yīng)力沿焊接方向時，拘束應(yīng)力沿焊接方向逐逐漸增大漸增大（圖（圖c）。）。圖1-17 鋼板對接焊接的剛性拘束情況 在生產(chǎn)過程中構(gòu)件往往是在在生產(chǎn)過程中構(gòu)件往往是在拘束狀態(tài)拘束狀態(tài)下焊接的。例如下焊接的。例如:構(gòu)件在構(gòu)件在剛性固定的剛性固定的胎夾具胎夾具上焊接，或

59、者是上焊接，或者是構(gòu)件本身剛度構(gòu)件本身剛度很大，在這種很大，在這種情況下焊接，構(gòu)件中情況下焊接，構(gòu)件中殘余應(yīng)力的分布殘余應(yīng)力的分布將發(fā)生很大變化。將發(fā)生很大變化。5.1 對接接頭對接接頭橫向拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系橫向拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系 圖圖1-18兩條曲線的拘束應(yīng)力用兩條曲線的拘束應(yīng)力用公式表示：公式表示： 1 = 550000L2 = 337000L L拘束長度拘束長度(mm)。 圖中圖中板厚板厚增大增大，拘束應(yīng)力，拘束應(yīng)力隨之變大隨之變大。 拘束長度拘束長度較短較短時時,拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力可以達到可以達到相當(dāng)高相當(dāng)高的水平的水平,以至以至于使某些屈服點較低的鋼材于使某些屈服點較低的鋼

60、材發(fā)生屈服，甚至于產(chǎn)生斷裂。發(fā)生屈服，甚至于產(chǎn)生斷裂。圖1-18 對接接頭橫向拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系1板厚為20mm 2板厚為l0mm拘束應(yīng)力與拘束應(yīng)力與拘束長度拘束長度(兩固定端的距離兩固定端的距離)有關(guān)，有關(guān)，拘束長度越大，拘束長度越大，拘束應(yīng)力越小。拘束應(yīng)力越小。（= ELL ）20mml0mm5.2 鋼管鋼管在拘束下對接時拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系在拘束下對接時拘束應(yīng)力與拘束長度的關(guān)系 管截面上單位面積的熱量：管截面上單位面積的熱量： 式中式中 U 電弧電壓電弧電壓(V)； I 焊接電流焊接電流(A)； t 電弧燃燒時間電弧燃燒時間(s)； A 構(gòu)件截面積構(gòu)件截面積(cm2); 平均值