焊接變形分析與應(yīng)力消除

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)板條在不均勻溫度場(chǎng)

2、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(lèi)焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類(lèi) 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(lèi) 23.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)力產(chǎn)生 、作用的時(shí)間、作用的時(shí)間5.根據(jù)應(yīng)力

3、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(lèi) 11.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)?/p>

4、位長(zhǎng)度的自由變形量：010TTLLT0LLTT01TT 焊接變形產(chǎn)生原因及分類(lèi) 22.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(chēng)為外觀變形形，稱(chēng)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(chēng)為內(nèi)：把未表現(xiàn)出來(lái)的那部分變形，稱(chēng)為內(nèi)部變形部變形 ； 000LLTLLL00LL焊接殘余變形的基本類(lèi)型 厚度方向上的錯(cuò)邊度或脹不一致，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

5、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、bSEC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

6、桿件一端固定的自由熱變形0TtT2.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 |1.2ttTT01t2t 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CTos500;|2 . 2max0Tt1t2t 3t4ts2psrsT2.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s01t2t3t4tts 5t6t7t4psTs500600Co500Co600CTos600;|3 . 2maxT3.桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由

7、膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力 s |1 . 3T0t1t3.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TT1t2t3t4t2pt500Co500ss2pCTos500;|2 . 3max03.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500600Co500Co6004p4p1t2t3t4t5tT0TtsCTos600;|3 . 3max3.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

8、的縱向收縮變形和應(yīng)力 長(zhǎng)板條非對(duì)稱(chēng)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)

9、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：FLFKLH1HF焊接方法CO2焊埋弧焊手工焊材料低碳鋼低碳鋼奧氏體鋼K10.0430.0710.0760.0480.0570.076nKFLFKKLsH851212層數(shù)nEss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)LLqqBB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

10、，丁字接頭：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)波浪變形失板將出現(xiàn)波浪變形失去承載能力，稱(chēng)之為去

11、承載能力，稱(chēng)之為失穩(wěn)。失穩(wěn)。22221 12BABEkcr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(chēng)截面的用對(duì)稱(chēng)截面的結(jié)構(gòu)，焊縫布結(jié)構(gòu)，焊縫布置對(duì)稱(chēng)，在設(shè)置對(duì)稱(chēng)，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(chēng)于截面縫對(duì)稱(chēng)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

12、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 LLEJLePf822, 1IIEJLePf824, 32.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

13、截面對(duì)稱(chēng)的構(gòu)件應(yīng)對(duì)稱(chēng)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），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

14、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

15、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ZYX. 3. 2. 11.縱向應(yīng)力 的分布 X1.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. 1Y 橫向應(yīng)力的分布 另一端的直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

16、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

17、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)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

18、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. 31003. 2. 1mmt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

19、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(lèi)應(yīng)力測(cè)定方法的分類(lèi)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(chē)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)焊件：將待測(cè)焊件劃分幾個(gè)區(qū)域，在