第3章焊接應(yīng)力與變形ppt課件

1、3-3 焊接殘余應(yīng)力 焊接殘余應(yīng)力在構(gòu)件中的分布情況 焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件的影響 主要以低碳鋼和低合金鋼制成的結(jié)構(gòu)為例主要內(nèi)容1、厚度（1520不大的結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，厚度方向上的應(yīng)力可以忽略。2、焊縫方向的應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力，用x 3、垂直于焊縫方向的應(yīng)力為橫向應(yīng)力，用y 4、厚度方向上的應(yīng)力，用z 表示符號焊接殘余應(yīng)力的分布（1特點(diǎn)：焊縫及其附近區(qū)域中的縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，數(shù)值一般達(dá)到材料的屈服極限（2縱截面和橫截面上的分布： 應(yīng)力在橫截面中平衡縱向應(yīng)力（3） 不同長度焊縫中的分布 1存在內(nèi)應(yīng)力過渡區(qū) 2長焊縫：存在應(yīng)力穩(wěn)定區(qū) 3短焊縫：最大應(yīng)力小于屈服應(yīng)力縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力（4） 鈦

2、和鋁的應(yīng)力分布 1分布規(guī)律與低碳鋼相似 2但應(yīng)力較小 3鈦：0.50.8s 鋁： 0.60.8s 縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力（5） 圓筒上環(huán)縫引起的縱向應(yīng)力 1圓筒直徑與厚度之比較大時(shí) 縱向應(yīng)力 2圓筒直徑與厚度之比較小時(shí)，縱向應(yīng)力峰值降低 縱向應(yīng)力 3緣由：焊縫收縮自由度更大 4應(yīng)力大小影響因素： 圓筒半徑 壁厚 塑性變形區(qū)寬度 橫向應(yīng)力 組成： 縱向收縮引起的y 橫向收縮的不同時(shí)性引起的 y橫向應(yīng)力橫向應(yīng)力橫向收縮的不同時(shí)性引起橫向收縮的不同時(shí)性引起后焊的部位受拉應(yīng)力后焊的部位受拉應(yīng)力橫向應(yīng)力 橫向應(yīng)力(總的)在縱截面上平衡拘束狀態(tài) 拘束狀態(tài)下焊接橫向殘余應(yīng)力由f 和y組成拘束狀態(tài) 拘束狀態(tài)下焊接縱

3、向殘余應(yīng)力由f和x組成封閉焊縫封閉焊縫相變應(yīng)力相變應(yīng)力相變應(yīng)力相變應(yīng)力相變應(yīng)力1、對靜載強(qiáng)度的影響2、對疲勞強(qiáng)度的影響3、對加工精度的影響4、對受壓桿件穩(wěn)定性的影響5、對剛度的影響6、對應(yīng)力腐蝕開裂的影響焊接殘余應(yīng)力的影響1、對靜載強(qiáng)度的影響（1塑性好的材料焊接殘余應(yīng)力的影響只要材料有足夠的塑性，能進(jìn)行塑性變形，內(nèi)應(yīng)力的存在對構(gòu)件靜載強(qiáng)度沒有影響（2脆性材料焊接殘余應(yīng)力的影響當(dāng)材料的塑性不足時(shí)，內(nèi)應(yīng)力的存在降低構(gòu)件的靜載強(qiáng)度（3塑性變形產(chǎn)生的必要條件是切應(yīng)力的存在焊接殘余應(yīng)力的影響許多材料處于單軸和雙軸拉伸應(yīng)力下表現(xiàn)為塑性 處于三軸應(yīng)力下表現(xiàn)為脆性2、對剛度的影響焊接殘余應(yīng)力的影響EBLPEF

4、LPLLFELPtgEbBLPL)(2bBPBP卸載后應(yīng)力下降剛度表征焊接構(gòu)件經(jīng)過一次加載和卸載后，如再加載，只要其大小不超過前一次，內(nèi)應(yīng)力不再起作用，外載也不影響內(nèi)應(yīng)力的分布指靜載）焊接殘余應(yīng)力的影響B(tài)PsB區(qū)卸載后內(nèi)應(yīng)力：3、對受壓桿件穩(wěn)定性的影響焊接殘余應(yīng)力的影響FlEIcr2222EcrrlFIr 12/23bxBI12/23bxBI長細(xì)比焊接殘余應(yīng)力的影響（1焊接H型受壓構(gòu)件，焊后不熱處理的比焊后高溫回火消除內(nèi)應(yīng)力的低2030%（2焊后又在邊緣堆焊，可提高臨界應(yīng)力（3翼緣采用氣割加工，可提高臨界應(yīng)力（4若拉應(yīng)力離中性軸較遠(yuǎn)，則消除應(yīng)力對提高臨界應(yīng)力的效果不顯著。（5桿件的長細(xì)比較大大

5、于150） 內(nèi)應(yīng)力對穩(wěn)定性無影響（6桿件的長細(xì)比較小小于30），相對偏心不大小于0.1內(nèi)應(yīng)力對穩(wěn)定性無影響4、內(nèi)應(yīng)力對機(jī)械加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響 緣由：加工后應(yīng)力重新分布 解決方式： 蠕變和應(yīng)力松弛 消應(yīng)力處理 不穩(wěn)定組織的存在 分多次加工 焊接殘余應(yīng)力的影響5、內(nèi)應(yīng)力對腐蝕開裂的影響焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余變形的分類 1、縱向收縮變形：構(gòu)件焊后在焊縫方向發(fā)生收縮3-4 焊接殘余變形焊接殘余變形的分類 2、橫向收縮變形：構(gòu)件焊后在垂直焊縫方向發(fā)生收縮焊接殘余變形的分類 3、撓曲變形：構(gòu)件焊后發(fā)生撓曲焊接殘余變形的分類 4、角變形：焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移焊接殘余變形的分類 5、

6、波浪變形：焊后構(gòu)件呈波浪形焊接殘余變形的分類 6、錯(cuò)邊變形：在焊接過程中，兩焊件的熱膨脹不一致，可能引起長度方向上的錯(cuò)邊和厚度方向的錯(cuò)邊。焊接殘余變形的分類 7、螺旋形變形：焊后在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的扭曲焊接殘余變形的分類 綜上，焊接變形大致可以分為七類：（1縱向收縮變形（2橫向收縮變形（3撓曲變形（4角變形（5波浪變形（6錯(cuò)邊變形（7螺旋形變形研究焊接殘余變形的意義 （1影響結(jié)構(gòu)的尺寸準(zhǔn)卻和外形美觀（2降低結(jié)構(gòu)的承載能力（3變形矯正費(fèi)時(shí)費(fèi)力，增加成本（4有時(shí)，因?yàn)樽冃?，需片面地多放余量，增加材料成本和加工成本縱向收縮力模型 dAEFpApf縱向收縮力模型 圖3-57 板邊無拘束的帶有中心縱向焊縫的板

7、條的簡化應(yīng)力分布 ppspptrcBBBBBBpcsfBF)(BFcfpsfBF 收縮力和縮短變形區(qū)影響因素 ）焊接接頭的熱流（）縱向剛度（熱膨脹系數(shù)彈性模量屈服強(qiáng)度）材料的熱物理特性值（焊接速度熱效率焊接電壓焊接電流熱輸入量）焊接過程參數(shù)（43 2 1wfqF170swpq170B wwkAq 縱向收縮力模型 對于低碳鋼：3/2 nkn縱向收縮變形 AdALAELFLpApf縱向收縮變形 ALAkLH11單層焊：多層焊：ALAkkLkLHn2112nks8512丁字接頭：ALAkkkLHT32140. 115. 13k例題 例題：低碳鋼工字形構(gòu)件，長5m,腹板高250mm ,腹板厚10mm,

8、翼板寬250mm,厚12mm，四條角焊縫，每條均用埋弧自動焊一次焊成，焊腳K=8mm解 每條角焊縫的截面積：)mm(3288212hA 構(gòu)件截面積：)mm(8500102501225022A 縱向收縮量：)3.12(mm 28500500032072. 015. 1 2072. 015. 1ALALh縱向收縮變形引起的撓曲變形 EILeFEIMLff8822ILeAkEIMLfh88212單道焊：縱向收縮變形引起的撓曲變形 EILeFff822, 1EILeFff824, 3工工ee II 工橫向收縮變形堆焊及角焊縫產(chǎn)生機(jī)理: 沿焊縫長度各點(diǎn)的溫度不一致前后溫度較低的金屬板厚深處的金屬寬度方向

9、上產(chǎn)生壓縮塑性變形厚度方向上增厚橫向收縮變形堆焊及角焊縫影響因素： （1板厚 （2焊接線能量沿長度方向上的分布： 由小到大逐漸增長，至一定長度后趨于穩(wěn)定橫向收縮變形堆焊及角焊縫丁字接頭和搭接接頭角焊縫： 應(yīng)考慮接頭形式對熱輸入的影響橫板上的熱輸入量:VHHq22橫向收縮變形對接焊產(chǎn)生機(jī)理: (1)留間隙: 焊接時(shí),隨著焊接熱源的移動,平板被逐步加熱膨脹,使焊接間隙減小.在冷卻過程中,焊縫金屬很快凝固,恢復(fù)彈性,阻礙平板的焊接邊收縮到原來的位置。橫向收縮變形對接焊產(chǎn)生機(jī)理: (2)不留間隙: 焊接時(shí),隨著焊接熱源的移動,平板被逐步加熱膨脹,引起板邊的擠壓，使之向厚度方向變形，冷卻后，產(chǎn)生橫向收縮

10、變形。橫向收縮變形影響因素： （1焊接線能量 （2焊縫坡口形式 （3焊縫截面積 （4焊接工藝 對接焊橫向收縮變形對接焊最終變形取決于：（1板側(cè)堆焊引起板的撓曲，使間隙變大（2橫向收縮使間隙變小橫向收縮變形對接焊橫向收縮變形對接焊橫向收縮變形對接焊經(jīng)驗(yàn)公式：HFB18. 0橫向收縮變形引起的撓曲變形角變形產(chǎn)生原因： 橫向收縮在厚度方向上的不均勻分布堆焊產(chǎn)生原因： 焊接面產(chǎn)生的塑性變形比背面大角變形影響因素： （1線能量 （2板厚 堆焊角變形堆焊沿長度方向上的分布： 開始比較小，以后逐漸增加角變形對接接頭影響因素： （1坡口角度 （2焊縫截面積形狀 （3焊接規(guī)范角變形對接接頭（4焊接順序（5焊接方

11、法角變形角焊縫丁字接頭角變形 有兩部分組成： 筋板與主板的角度變化 主板本身的角變形角變形失穩(wěn)：薄板在承受壓力時(shí)，當(dāng)其中的壓力達(dá)到某一臨界值時(shí)，薄板將因出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力，這種現(xiàn)象我們稱之為失穩(wěn)。波浪變形2BKcr波浪變形波浪變形降低波浪變形的措施： 提高臨界應(yīng)力 提高板厚 減小板寬 降低壓應(yīng)力減小塑性變形區(qū)的大?。?能量集中的焊接方法 小尺寸的焊縫 斷續(xù)焊或者點(diǎn)焊） 波浪變形波浪變形焊接錯(cuò)邊焊接錯(cuò)邊焊接錯(cuò)邊螺旋形變形產(chǎn)生原因：焊縫角變形沿長度上的分布不均勻 工件的縱向錯(cuò)邊螺旋形變形3-5 焊接殘余應(yīng)力與變形的測量和調(diào)控應(yīng)變、位移和焊接變形的測量應(yīng)變、位移和焊接變形的測量應(yīng)變、位移和焊

12、接變形的測量應(yīng)變、位移和焊接變形的測量焊接殘余應(yīng)力的測量相似關(guān)系磁致伸縮法超聲波法中子衍射法射線衍射法非破壞性測量套取芯棒測量法三軸應(yīng)力套孔法盲孔法鉆孔法切塊法雙軸應(yīng)力彈性變形法切條法單軸應(yīng)力破壞性測量焊接應(yīng)力測量方法X 破壞性測量1、焊接殘余應(yīng)力的破壞性測量 基本原理：通過完全或部分切除構(gòu)件的局部材料，測量被釋放的應(yīng)力，并根據(jù)胡克定律計(jì)算殘余應(yīng)力。（1切條法 在要測量應(yīng)力的方向，將構(gòu)件切成大量的窄條，并根據(jù)釋放的應(yīng)變求出應(yīng)力破壞性測量（2彈性變形法 具有不均勻單軸縱向應(yīng)力分布的桿件，在平面夾緊狀態(tài)下通過銑、磨、切割、腐蝕等方法對桿件進(jìn)行剝層。剝層進(jìn)行過程中松開桿件，桿件會因彈性變形而彎曲，彎

13、曲變形量由回位彈簧的偏斜、剝層側(cè)反面的曲率和應(yīng)變來確定。破壞性測量（3鉆孔法 對板鉆小通孔評價(jià)釋放的徑向應(yīng)變。 在應(yīng)力場中取一直徑為d的圓環(huán)，并在圓環(huán)上粘貼應(yīng)變片，在圓孔的中心處鉆一直徑為d0的小通孔，由于鉆孔使應(yīng)力的平衡收到破壞，測出孔周圍的應(yīng)力變化，就可以用彈性力學(xué)的理論來推算小孔處的應(yīng)力。2004524590*00902, 1424BA900090450022tan A*和B*可以通過單軸拉伸試驗(yàn)來標(biāo)定。 鉆孔的尺寸與測量元件的尺寸有關(guān)，一般可取d0=1.53mm,d=d0+3mm。4020203142121ddddEBddEA破壞性測量（4盲孔法 盲孔法的操作及計(jì)算公式與鉆孔法相同，只

14、是盲孔深度要稍大于盲孔直徑，如h0=1.2d0,求得殘余應(yīng)力是盲孔深度上的平均值。 當(dāng)垂直于表面方向上有明顯的應(yīng)力梯度時(shí)，盲孔法也能確定殘余應(yīng)力水平對深度坐標(biāo)的變化。 焊接殘余應(yīng)力與變形的調(diào)整和控制 焊接殘余應(yīng)力的存在會對焊件產(chǎn)生不同的影響 焊接殘余應(yīng)力與焊接變形在很大程度上具有相反的行為特征 要區(qū)分構(gòu)件的主要問題和次要問題，依據(jù)實(shí)際情況有針對性地采取措施，并綜合考慮方方面面的情況使得盡可能兼顧焊接殘余應(yīng)力和變形。設(shè)計(jì)措施1、合理的選擇焊縫的尺寸和形式 在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該遵循的原則：盡可能使焊縫長度短；盡可能使板厚??；盡量采用較小的焊縫尺寸；斷續(xù)焊縫跟連續(xù)焊縫相比，優(yōu)先采

15、用斷續(xù)焊縫；角焊縫與對接焊縫相比，優(yōu)先采用角焊縫以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)最好采用分部組合焊接。 錯(cuò)誤觀點(diǎn)：焊縫尺寸越大越好 焊縫尺寸越小越好必須在工藝許可的范圍內(nèi)）板厚（mm)67181930315051100最小焊腳（mm)346810 焊接變形的調(diào)整和控制 （1對于受力較大的丁字接頭和十字接頭，可采用開坡口的焊縫。設(shè)計(jì)措施 （2對于對接焊縫，盡量選用焊縫金屬少的坡口形式 （3薄板結(jié)構(gòu)，盡量采用點(diǎn)焊設(shè)計(jì)措施2、盡可能減少不必要的焊縫 合理設(shè)計(jì)筋板和選擇板厚 合理地選擇筋板的形狀，適當(dāng)安排筋板的位置設(shè)計(jì)措施 采用壓型來提高平板的剛性和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)措施3、合理安排焊縫的位置 安排焊縫盡可能對稱于截面中性軸設(shè)計(jì)

16、措施1、反變形法 預(yù)先估計(jì)好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，然后裝配時(shí)給予一個(gè)相反方向的變形與焊接變形相抵消，使焊后構(gòu)件保持設(shè)計(jì)的要求。工藝措施工藝措施工藝措施工藝措施2、剛性固定法 將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形 效果：能在一定程度上減小撓曲變形 對角變形和波浪變形比較好 工藝措施工藝措施工藝措施工藝措施3、合理地選擇焊接方法和規(guī)范 （1選用線能量較低的焊接方法（2有時(shí)可以通過選擇適當(dāng)?shù)木€能量來控制撓曲變形 (3)加冷卻措施，限制和縮小焊接熱場的分布。如水冷，銅冷滑塊 工藝措施工藝措施工藝措施工藝措施4、選擇合理的裝配焊接順序 1123 f1+f2-f3 2312 f3+f1+f2 3213 0+f1-

17、 f3 工藝措施工藝措施工藝措施準(zhǔn)繩： （1對于簡單的構(gòu)件要一次對稱裝配，對稱焊接（2不對稱的簡單構(gòu)件或不便于同時(shí)對稱焊接的對稱構(gòu)件，可以利用調(diào)整焊接次序的辦法來減小焊接變形，一般先焊焊縫較少的一側(cè)。(3)拼焊大面積薄板，先焊內(nèi)部的錯(cuò)開短縫、橫縫，后焊外部直通的縱縫、長縫。（4對于細(xì)長結(jié)構(gòu)，最易產(chǎn)生彎曲變形，可采用分段跳焊、分段對稱焊等（5對于大型件，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分成若干小部件，小部件安上面原則裝配焊接工藝措施工藝措施機(jī)械矯正（1壓力機(jī)矯形（2錘擊：比較簡單，但勞動強(qiáng)度大，表面質(zhì)量不好（3輾壓法：適用于比較規(guī)則的焊縫機(jī)械矯正原理：利用火焰局部加熱時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮?；鹧娉C正火焰矯正火焰矯正火焰成形原理：利用火焰局部加熱時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性變形，形成所需要的形狀?；鹧娉尚谓亲冃涡Ч罕忱淇绽湔錂M向收縮效果：背冷正冷空冷火焰成形措施1、采用合理的焊接順序和方向1盡量使焊縫能自由收縮，先焊收縮量比較大的焊縫 焊接應(yīng)力的調(diào)整和控制措施2先焊工作受力較大的焊縫措施3在拼板時(shí)，應(yīng)先焊錯(cuò)開的短焊縫，然后再焊直通長焊縫措施提示：應(yīng)注意交叉處焊縫質(zhì)量措施2、在焊接封閉或其它剛性較大，自由度較小的焊縫時(shí)，可以采用反變形法來增加焊縫的自由度措施3、錘擊或輾壓焊縫（1輾壓焊縫措施（2預(yù)