CH2焊接應力和變形

1、1第一節(jié)應力第一節(jié)應力應力的危害：熱應力存在不僅會引起工件尺寸形狀的變化，還會降低構(gòu)件的承載能力，使工件產(chǎn)生裂紋。因此，必須盡量減小工件在加工過程中產(chǎn)生的應力。應力：在熱加工過程中，工件因經(jīng)歷了加熱和冷卻過程，其尺寸和形狀將發(fā)生變化。如果這種變化受到了阻礙，就會在工件內(nèi)產(chǎn)生應力；伴隨加熱和冷卻過程而變化的應力稱為瞬時應力；完全冷卻后殘存在工件中的應力稱為殘余應力。第二章焊接應力和變形第二章焊接應力和變形2按其形成原因可分為：熱應力、相變應力和機械阻礙應力。1熱應力 工件在加熱和冷卻過程中，由于各部分的溫度不同造成工件上同一時刻各部分的收縮或膨脹量不同，從而導致內(nèi)部彼此相互制約而產(chǎn)生應力。該應力

2、是由不均勻溫度場引起的，故稱為熱應力。（一）應力的形成3一般來說，凡是在冷卻過程中產(chǎn)生相變的合金，若新舊兩相的比容相差很大，同時產(chǎn)生相變的溫度低于塑性向彈性轉(zhuǎn)變的臨界溫度，都會在工件中產(chǎn)生較大的相變應力，甚至引起開裂。但焊接高強度合金鋼時，奧氏體分解所引起的體積膨脹，可減輕焊后收縮時產(chǎn)生的拉伸應力，反而會降低冷裂傾向。2相變應力具有固態(tài)相變的合金，若各部分發(fā)生相變的時刻及相變程度不同，其內(nèi)部就可能產(chǎn)生應力。這種應力稱為相變應力。鋼在加熱和冷卻過程中，由于相變產(chǎn)物的比容不同，發(fā)生相變時其體積要變化。如：鐵素體或珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時，因奧氏體的比容較小，鋼材的體積要縮??；而奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光

3、體或馬氏體時，體積要膨脹。低碳鋼的相變溫度較高（600以上），發(fā)生相變時鋼材仍處于塑性狀態(tài)，故不會產(chǎn)生相變應力。而合金鋼只有冷卻到200350時才發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，并且馬氏體的比容較大，因此馬氏體形成后，將造成較大的應力。4在冷卻過程中的某一瞬間，當局部應力的總和大于金屬在該溫度下的強度極限時，工件就會產(chǎn)生裂紋。金屬在冷卻過程中因收縮受到外界阻礙而產(chǎn)生的應力，稱為機械阻礙應力。機械阻礙的來源：強度較高、退讓性較低的鑄型和型芯，砂箱內(nèi)的箱檔和型芯內(nèi)的芯骨，設置在鑄件上的拉桿、防裂肋、分型面上的鑄件飛邊，澆冒口系統(tǒng)和鑄件上的某些突出部分，焊接時采用的剛性固定裝置.綜上所述，鑄件或焊件內(nèi)的應

4、力=熱應力+相變應力+機械阻礙應力。3機械阻礙應力567示例：桿件均勻加熱示例：桿件均勻加熱8示例：鋼板不均勻加熱示例：鋼板不均勻加熱理論收縮線9示例：平板焊接應力示例：平板焊接應力10示例：鑄件冷卻應力的形成示例：鑄件冷卻應力的形成11第一階段（0-1）：在高于彈塑性轉(zhuǎn)變溫度的階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，兩桿冷卻速度雖然不同，收縮也不一致，但該瞬時的應力均可通過塑性變形釋放。第二階段（1-2）：繼續(xù)冷卻，冷卻較快的桿已進入彈性狀態(tài)，而粗桿仍處于塑性狀態(tài)，由于細桿冷卻快，收縮大于粗桿，所以細桿受拉伸，粗桿受壓縮，形成臨時內(nèi)應力，該應力隨之會由于粗桿的微量塑性變形（壓短）而消失。第三階段（2-3）

5、：冷卻到更低溫度，已被壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此時，盡管兩桿長度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度較高，還會進行較大的收縮；細桿的溫度較低，收縮已較小了。因此，粗桿的收縮必然受到細桿的強烈阻礙，于是，桿受壓縮，桿受拉伸，直至室溫，形成了殘余應力。由此可見，熱應力使鑄件厚壁和心部受拉伸、薄壁或表層受壓縮。 12合理設置澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。（二）控制應力的措施1 合理設計結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)中，應避免焊縫交叉和密集，盡量采用對接而避免搭接；在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，盡量減少不必要的焊縫；采用剛度小的結(jié)構(gòu)代替剛度大的結(jié)構(gòu)等；在鑄造結(jié)構(gòu)中，鑄件的壁厚差要盡量小；厚薄壁連接處要圓滑過渡；鑄件厚壁部

6、分的砂層要減薄，或放置冷鐵；13 在焊接中，應根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的具體情況，盡量采用較小的線能量（如采用小直徑焊條和較低的焊接電流），以減小焊件的受熱范圍。采用合理的裝焊順序，盡可能使焊縫能自由收縮，收縮量大的焊縫應先焊。此外，采取預熱措施可降低工件中的溫度梯度，從而減小焊接應力。2 合理選擇工藝14（2）加載法對于某些壓力容器、橋梁、船體結(jié)構(gòu)，可以采取加載的辦法來消除焊接應力。其原理是利用加載所產(chǎn)生的拉伸應力與焊接應力疊加，使拉應力區(qū)（焊縫及近縫區(qū)）的應力值達到屈服強度，迫使材料發(fā)生塑性變形。卸載后構(gòu)件內(nèi)的應力得以完全或部分消除。（4）錘擊法焊后采用手錘或風槍等錘擊焊縫及近縫區(qū)，使之得到延展，以補

7、償或抵消焊接時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余應力。3消除殘余應力（1）熱處理法熱處理法是消除殘余應力最常用的方法。一般是將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度，并在此溫度下保溫一段時間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，使應力消除。再緩慢冷卻，使工件各部分的溫度均勻一致，避免出現(xiàn)新的應力。（3）振動法將鑄件或焊件在共振條件下振動一定時間，以達到消除殘余應力的目的。該法所用設備簡單，處理成本低，花費時間短，沒有熱處理給金屬表面造成的氧化問題，不受工件尺寸限制，也不會因處理規(guī)范不當而產(chǎn)生新的應力。15第二節(jié)焊接殘余變形第二節(jié)焊接殘余變形（一）變形的種類1整體變形 整體變形是指整個結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸發(fā)生的變化，包括收

8、縮變形、彎曲變形和扭曲變形等16對于厚薄均勻的平板鑄件（圖b），由于中心部分比四周冷卻慢，以致中心部分產(chǎn)生拉應力，而四周產(chǎn)生壓應力。當平板上下兩面存在溫差時，就可能產(chǎn)生彎曲變形。鑄件產(chǎn)生的彎曲變形如圖所示。對于厚薄不均的T型梁（圖a），因薄壁部分冷卻較快，厚壁部分冷卻較慢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，達到平衡態(tài)時，導致變形方向為厚的部分向內(nèi)凹，薄的部分向外凸。鑄件彎曲變形a) T 型鑄鋼件b)平板型鑄件17擴口變形：半圓形齒輪鑄鋼件在鑄態(tài)時其尺寸D1 超過了圖紙要求的尺寸D0，并且半圓邊端翹起。其形成原因是開口處的砂芯或砂型阻礙了鑄件的收縮，使鑄件開口自由結(jié)構(gòu)部分發(fā)生塑性變形所致。2局部變形角變形主要是由

9、于溫度在板厚方向分布不均勻，或金屬沿厚度方向的收縮不一致引起的，故多發(fā)生在中、厚板的對接和角接接頭中。波浪變形產(chǎn)生于薄板結(jié)構(gòu)，它是由于縱向和橫向的壓應力使薄板局部失穩(wěn)造成的。18（二）控制變形的措施（二）控制變形的措施在焊接結(jié)構(gòu)中，要合理地選擇焊縫的尺寸和形式，盡量減少不必要的焊縫，盡可能使焊縫對稱或接近于截面的中性軸。在保證結(jié)構(gòu)承載能力的條件下，盡量采用較小的焊縫尺寸。對于受力較大的T形或十字形接頭，在保證相同強度條件下，采用開坡口焊縫比一般角焊縫對減小變形有利。1結(jié)構(gòu)設計方面在鑄件的結(jié)構(gòu)設計中，可以采用局部加厚、設置拉肋等方法來減小鑄件變形。如帶輪的輪緣厚度比輪轂薄，冷卻后容易向內(nèi)凹，導致

10、加工余量不足。為此，可在輪緣與輪轂連接處的外圓進行局部加厚。192工藝方面工藝方面（1）反變形法根據(jù)構(gòu)件的變形情況， 預先給出一個方向相反、大小相等的變形，用來抵消構(gòu)件在加工過程中產(chǎn)生的變形，使加工后的構(gòu)件符合設計要求。采用反變形法減小焊接變形采用反變形法減小床身類鑄件的變形20（2）剛性固定法該法是將焊件固定在夾具中進行焊接，以限制其變形。例如，焊接法蘭盤時，將法蘭盤背對背固定在一起，可有效地減小角變形，使法蘭面保持平直；焊接薄板時， 在焊縫兩側(cè)放置壓鐵，可減小焊接后的波浪變形。此外，鋼板拼接時，在焊縫上加“馬板” 也可減小焊接變形。21在裝焊較大構(gòu)件時，對稱的焊縫同時進行焊接，遠離中性軸的

11、焊縫先焊，靠近中性軸的焊縫后焊，可減小焊接變形。（3）采用合理的工藝在鑄造工藝中，為了防止鑄件的彎曲變形，可在合箱以后澆注之前，將壓鐵放在砂箱上。采用線能量較小的焊接方法，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，也能有效防止或減小焊接變形。例如，采用CO2氣體保護焊代替手工電弧焊，可以減小薄板變形；采用多層焊代替單道焊，或采用小線能量焊接，均有利于減小焊接變形。對于大型結(jié)構(gòu)件如油罐、船體、車輛底架等，可將結(jié)構(gòu)件適當分成幾個部件，分別加以裝焊，然后再將焊好的部件拼焊成整體。這樣可使其中不對稱或收縮較大的焊縫能自由收縮，而不影響整體結(jié)構(gòu)，從而有效地控制焊接變形。222）火焰矯正 采用火焰局部加熱使金屬產(chǎn)

12、生壓縮塑性變形，利用冷卻后產(chǎn)生的收縮變形來矯正原有的變形。（4）焊接變形的矯正1）機械矯正 利用機械力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形相反的塑性變形，以消除原有的焊接變形。薄板結(jié)構(gòu)點狀火焰矯正三角形加熱矯正直線加熱矯正23焊焊接接變變形與形與應應力的危害力的危害 工件焊接后產(chǎn)生變形和應力對結(jié)構(gòu)的制造和使用會產(chǎn)工件焊接后產(chǎn)生變形和應力對結(jié)構(gòu)的制造和使用會產(chǎn)生不利影響。生不利影響。 產(chǎn)生焊接變形，可能使焊接結(jié)構(gòu)尺寸不合要求，組裝困產(chǎn)生焊接變形，可能使焊接結(jié)構(gòu)尺寸不合要求，組裝困難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質(zhì)量。難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質(zhì)量。 焊接殘余應力會增加工件工作時的內(nèi)應力，降低承載能焊接殘余應力會增加工件工作時的內(nèi)應力，