《焊接結(jié)構(gòu)學(xué)》--第二章-課件

1、焊接結(jié)構(gòu)學(xué)第二章 焊接應(yīng)力與變形 焊接結(jié)構(gòu)實(shí)例水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的焊接加工水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的焊接部位焊接結(jié)構(gòu)的杰作舉例-巴頓橋(烏克蘭基輔)特點(diǎn)：跨度大，全焊結(jié)構(gòu)，無鉚釘、無螺栓2-1 內(nèi)應(yīng)力及變形的基本概念一、內(nèi)應(yīng)力及產(chǎn)生原因按分布范圍分為：第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀，工程中主要研究對象）第二類內(nèi)應(yīng)力（晶粒尺寸）第三類內(nèi)應(yīng)力（晶格尺寸）內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分類：溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）產(chǎn)生條件：受熱不均勻溫度均勻結(jié)果：應(yīng)力殘留或消失舉例：框架結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力平衡特點(diǎn)殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因： 不均勻加熱產(chǎn)生條件：局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形或相變二、自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形自由變形：LT=L0(T1-T

2、0) T=LT /L0 = (T1-T0) 外觀變形：Lee =Le /L0內(nèi)部變形：L =(LT Le) =L /L0低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 = E =E (e T)三、長板條在不均勻溫度場作用下的變形和應(yīng)力研究的前提條件：平面假設(shè)原理長板條中心加熱截取板條的單位長度研究溫度低，無塑性變形,應(yīng)力平衡：溫度高，產(chǎn)生塑性變形，殘余應(yīng)力：非對稱加熱（一側(cè)加熱）b)和c)兩種情況為不平衡力矩，不能發(fā)生內(nèi)應(yīng)力平衡條件為：截面有轉(zhuǎn)動，所以e 非常數(shù)，是x的線性函數(shù)板條平均伸長率為：板條曲率為：結(jié)論：當(dāng)s時產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形（如圖27）；當(dāng)s時不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形；四、焊接引起的內(nèi)應(yīng)力及變形焊接應(yīng)力與

3、變形的特殊性金屬高溫性能隨溫度變化對于低碳鋼典型焊接溫度場平面假設(shè)的適用條件：焊接速度快材料導(dǎo)熱慢（鋼）受拘束體在熱循環(huán)中的應(yīng)力與變形的演變過程彈性狀態(tài)，無殘余應(yīng)力有塑性變形及殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力等于材料屈服極限焊接應(yīng)力應(yīng)變的演變過程焊接熱應(yīng)變循環(huán)近縫區(qū)的兩種情況a)無相變；b)有相變（焊縫）金屬在高溫時的延性和斷裂脆性溫度區(qū)熱裂紋產(chǎn)生 條件熱應(yīng)變脆化焊接瞬態(tài)應(yīng)力變形研究的新發(fā)展有限元法和計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用取代簡單計算22 焊接殘余變形焊接殘余變形的分類：分七類縱向收縮變形 橫向收縮變形撓曲變形角變形 波浪變形：薄板易發(fā)生錯邊變形：長度方向和厚度方向螺旋形變形焊接變形影響結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確、美觀可能降低

4、結(jié)構(gòu)承載能力（附加彎曲應(yīng)力）焊接變形可能降低結(jié)構(gòu)承載能力舉例二二、縱向收縮變形以及它引起的撓曲變形假想力作用在塑性變形區(qū)上線能量對焊接縱向變形的影響:多層焊與單層焊細(xì)長構(gòu)件縱向收縮量的經(jīng)驗(yàn)公式估算:單層焊的縱向收縮量多層焊的縱向收縮量兩面角焊縫丁字接頭 再乘以系數(shù)1.151.40鋼制構(gòu)件的撓度估算單道焊縫引起的撓度:多層焊和雙面角焊縫引起的撓度:三、橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形堆焊及角焊縫橫向收縮變形與線能量和板厚的關(guān)系 圖236橫向收縮在焊縫長度方向上的分布 圖237對接接頭留有間隙的平板對接焊的橫向變形不留間隙的平板對接焊的橫向變形沿焊縫縱向熱變形對橫向變形的影響四、角變形產(chǎn)生原因：橫向

5、收縮在厚度方向上的不均勻分布堆焊對接接頭對接焊層數(shù)與角變形的關(guān)系對接多層焊防止角變形方法丁字接頭的角變形五、波浪變形產(chǎn)生原因：受壓部位失穩(wěn)螺旋形變形八、預(yù)防焊接變形的措施設(shè)計措施1.合理選擇焊縫尺寸和形式開坡口的好處:減小變形節(jié)省人力物力減小焊接變形措施:坡口選取設(shè)計措施之二2.減少不必要的焊縫設(shè)計措施之三3.合理安排焊縫位置焊縫盡量對稱于中性軸或靠近中性軸工藝措施1.反變形法2.剛性固定法3.合理選擇焊接方法和焊接規(guī)范4.選擇合理的裝配焊接次序方案一方案二方案三九、矯正焊接變形的方法機(jī)械矯正法火焰加熱矯正法焊接角變形的利用火焰成型(水火彎板)2-3 焊接殘余應(yīng)力一、焊接殘余應(yīng)力的分布縱向殘余

6、應(yīng)力橫向應(yīng)力厚板中的殘余應(yīng)力電渣焊低碳鋼多層焊拘束狀態(tài)下的焊接內(nèi)應(yīng)力封閉焊縫引起的內(nèi)應(yīng)力相變應(yīng)力二、焊接殘余應(yīng)力的影響內(nèi)應(yīng)力對靜載強(qiáng)度的影響塑性材料在平面應(yīng)力狀態(tài)：無影響脆性材料或脆性狀態(tài)承載能力下降塑性脆性力學(xué)狀態(tài)的判斷內(nèi)應(yīng)力對機(jī)械加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響內(nèi)應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定性的影響內(nèi)應(yīng)力對剛度的影響三、焊接過程中調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的措施采用合理的焊接順序和方向先焊受力大的焊縫，使之最終受壓應(yīng)力作用拼板時先焊短縫，再焊直通長縫適當(dāng)采用反變形法隨焊錘擊或碾壓焊縫在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位加熱使之伸長四、焊后消除焊接內(nèi)應(yīng)力的方法整體高溫回火局部高溫回火機(jī)械拉伸法（過載法）溫差拉伸法振動法五、焊接殘余應(yīng)力的測定焊接

7、殘余應(yīng)力的測定應(yīng)力釋放法1.切條法切條（切塊）法舉例切條（塊）法的應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn) a.適合平面應(yīng)力測量（薄件），對厚件不合適；b.適合大尺寸構(gòu)件應(yīng)力測量；c.適合宏觀應(yīng)力即第一類殘余應(yīng)力測量；d.切條（塊）越小則測試精度越高；e.測試精度較高，數(shù)據(jù)比較可靠；f.測試過程簡單易行，不需要昂貴儀器設(shè)備；g.誤差來源：標(biāo)距孔加工精度、應(yīng)變片精度及粘貼質(zhì)量、 儀器誤差，機(jī)械切割震動；h.，破壞性大，屬于完全破壞性測試方法；測試周期長j. 測試部位面積過大。2.套孔法3.小孔法4.逐層銑削法5.壓痕法小孔（盲孔）法的應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn) a.適合表面二維應(yīng)力測量（4mm厚件）， 對4mm薄件不合適；b.適

8、合最小長或?qū)挸叽?0mm構(gòu)件的應(yīng)力測量；c.適合宏觀應(yīng)力即第一類殘余應(yīng)力測量；d.打孔直徑應(yīng)1mm ；e.測試精度高，數(shù)據(jù)可靠，目前應(yīng)用最廣泛；f.測試過程簡單易行，不需要昂貴儀器設(shè)備；g.誤差來源：標(biāo)距孔加工精度和位置精度， 應(yīng)變片制作精度、 粘貼質(zhì)量、 粘貼位置和角度誤差，儀器誤差；h.破壞性小，屬于部分破壞性測試方法；測試周期長；j.測試面積大； k.對高強(qiáng)度、高硬度材料打孔困難。6.激光全息散斑干涉法激光全息散斑干涉法：一次全息圖激光全息散斑干涉法：反映應(yīng)變場的干涉云紋圖激光全息散斑干涉法：測試結(jié)果激光全息測量法的應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn) a.適合表面二維應(yīng)力測量（3mm厚件）， 對3mm薄件

9、不合適；b.適合最小長或?qū)挸叽?0mm構(gòu)件的應(yīng)力測量；c.適合宏觀應(yīng)力即第一類殘余應(yīng)力測量；d.打孔直徑小，12mm，測試面積小 ；e.測試精度很高（誤差約5%），數(shù)據(jù)十分可靠， 目前最精確可靠的方法；f.測試過程簡單易行，分析過程計算機(jī)完成，快捷方便；g.消除盲孔（小孔）法的諸多誤差來源： 無需打標(biāo)距孔，無需粘貼應(yīng)變片，無需人工測量；h.屬于部分破壞性測試方法；對高強(qiáng)度、高硬度材料打孔困難；j.需要昂貴儀器設(shè)備 。無損測試方法1）x射線衍射法X射線衍射法測量應(yīng)力特點(diǎn)a.完全無損測量b.可以測量宏觀應(yīng)力和微觀應(yīng)力c.測量過程最方便快捷d.適合幾微米至幾十微米的表層二維應(yīng)力測量e.測試原理先進(jìn)f.對于碳鋼等成分簡單材料測量精度較高g.測量結(jié)果重復(fù)性較差h.對于很多有色金屬或多組元金屬測試精度很低對于待測工件的表面狀況要求高j. 測試儀器設(shè)備昂貴k.對人體有少量輻射，需采取屏蔽措施2）中子衍