焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件

金屬材料焊接工藝

南華大學(xué)

（四）

張元鐘金屬材料焊接工藝

南華大學(xué)

（四）

張元鐘1焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝過程第五章焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計備料焊接檢驗裝配焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝過程第五章焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計備料焊接檢2本章主要內(nèi)容1.焊接變形與焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因2.焊接殘余變形3.預(yù)防和矯正殘余變形的方法4.焊接殘余應(yīng)力5.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施本章主要內(nèi)容3第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因一、簡單桿件的變形與應(yīng)力L0——桿件原始長度ΔLT——自由變形ΔLe——外觀變形內(nèi)部變形：-(ΔLT–ΔLe)

第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因一、簡單桿件的變形與應(yīng)力4第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因二、焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因當(dāng)金屬桿件在加熱過程中受到阻礙，其長度不能自由增長，則在桿件中將產(chǎn)生內(nèi)部變形。如果內(nèi)部變形率的絕對值小于金屬屈服強(qiáng)度時的變形率，說明桿件中受到小于σs的應(yīng)力。當(dāng)桿件溫度恢復(fù)到T0時，如果允許桿件自由收縮，則桿件將恢復(fù)到原來的長度L0，桿件中也不存在應(yīng)力。第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因二、焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因5第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因如果桿件溫度升得較高，使其內(nèi)部變形率大于金屬屈服時的變形率，桿件中不但產(chǎn)生達(dá)到屈服極限的應(yīng)力，同時還產(chǎn)生壓縮塑性變形。在桿件溫度恢復(fù)到T0的過程中，若允許自由收縮，最后桿件比原來長度縮短ΔLp，桿件中也不存在內(nèi)應(yīng)力。如果不能自由收縮，則會在桿件中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因：

工件的局部加熱、焊接接頭的膨脹與收縮的不自由。第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因如果桿件溫度升得較高，使6三、焊接變形的基本類型三、焊接變形的基本類型7焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件8第二節(jié)預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法

一、合理設(shè)計1.選用對稱截面的結(jié)構(gòu)，焊縫布置對稱，在設(shè)計時，安排焊縫盡可能使焊縫對稱于截面的中性軸。第二節(jié)預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法一、合理設(shè)計92.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，盡量采用較小的焊縫尺寸3.盡可能減少焊縫的數(shù)量：用型鋼代替鋼板，用斷續(xù)焊代替連續(xù)焊2.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10二、工藝措施1.正確的確定裝配、焊接順序不正確的裝配次序：工字構(gòu)件，先丁字，然后在裝另一塊蓋板，焊后仍有較大的撓度正確應(yīng)該是，先點固成工字，然后焊接，注意次序

二、工藝措施112.選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?/p>

2.選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?23、反變形法

定義：構(gòu)件在焊前預(yù)制成與變形方向相反的變形，這種方法可以防止彎曲變形，和角變形。3、反變形法13焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件14焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件154、剛性固定法在無反變形的情況下，將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形，（在焊法蘭盤上），防止角變形和波浪變形較好4、剛性固定法16焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件175、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接方法，采用多層焊代替單層焊5、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接方法，18二、矯正殘余變形的方法

1.機(jī)械矯正法：將變形的構(gòu)件中的尺寸較短的部分通過機(jī)械力作用，使之產(chǎn)生塑性延展變形，而恢復(fù)和達(dá)到形狀的要求，可以利用螺旋、氣動、液壓的器具來加外力。機(jī)械矯正法二、矯正殘余變形的方法1.機(jī)械矯正法：機(jī)械矯正法192.火焰矯正法：利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮變形使較長部分在冷卻后縮短來消除變形（不適用于具有晶間腐蝕傾向的不銹鋼和淬硬傾向較大的鋼材）。

2.火焰矯正法20焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件21火焰矯正法火焰矯正法22焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件23第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力

一、焊接殘余應(yīng)力分布

第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力一、焊接殘余應(yīng)力分布241.縱向應(yīng)力的分布1.縱向應(yīng)力的分布251.縱向應(yīng)力的分布1.縱向應(yīng)力的分布262、橫向應(yīng)力的分布2、橫向應(yīng)力的分布27焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件28焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件293、厚板中的殘余應(yīng)力分布3、厚板中的殘余應(yīng)力分布304、封閉焊縫中的殘余應(yīng)力分布4、封閉焊縫中的殘余應(yīng)力分布31組織應(yīng)力[相變應(yīng)力]組織應(yīng)力[相變應(yīng)力]32二、焊接殘余應(yīng)力的影響1.對靜載強(qiáng)度的影響

2.對機(jī)械加工精度的影響原因：焊件在不經(jīng)過焊后消應(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，如切削掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會重新變形（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布來保持平衡，焊件不斷的切削，就會不斷的變形，加工精度難以保證二、焊接殘余應(yīng)力的影響1.對靜載強(qiáng)度333、對疲勞強(qiáng)度的影響（研究不夠充分）4對應(yīng)力腐蝕的影響原因：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)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的時間越早。5對結(jié)構(gòu)剛度的影響

結(jié)論：在靜載下，焊件經(jīng)過一次加載，卸載后，以后再次加載，只要其大小不超過前一次，殘余應(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3、對疲勞強(qiáng)度的影響（研究不夠充分）34三、焊接殘余應(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1.1設(shè)計措施:設(shè)計上減小焊接應(yīng)力的核心是正確布置焊縫，以避免應(yīng)力疊加三、焊接殘余應(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35設(shè)計原則設(shè)計原則36工藝措施工藝措施37工藝原則工藝原則38消除殘余應(yīng)力的措施注：振動法的優(yōu)點，從應(yīng)力消除效果看，振動法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設(shè)備簡單，價廉，處理成本低，時間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優(yōu)點。消除殘余應(yīng)力的措施39四、焊接殘余應(yīng)力的測定1.應(yīng)力測定方法的分類按其對結(jié)構(gòu)的是否破壞來分

按測試原理分四、焊接殘余應(yīng)力的測定1.應(yīng)力測定方法的分類40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)生變形來重新分布應(yīng)力來達(dá)到平衡，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來求出應(yīng)力。屬于此法的有切條法，車削法，刨削法，套孔法，小孔法。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41應(yīng)力釋放法1.切條法：將待測焊件劃分幾個區(qū)域，在各區(qū)待測點上貼應(yīng)變片或加工的標(biāo)距孔然后測原始讀數(shù)，然后切斷，然后在讀數(shù)根據(jù)

可以算出應(yīng)力。應(yīng)力釋放法1.切條法：將待測焊件劃分幾個區(qū)域，在各區(qū)待測點上42應(yīng)力釋放法2.車削法：此法多用于測圓柱零件堆焊后的殘余應(yīng)力分布應(yīng)力釋放法2.車削法：此法多用于測圓柱零件堆焊后的殘余應(yīng)力分433.小孔法：是應(yīng)力破壞性最小的一種，原理是：在應(yīng)力場中鉆一個小孔，應(yīng)力平衡受到破壞，鉆孔周圍的應(yīng)力重新調(diào)整，測得孔附近的應(yīng)變片的變化，可用彈性力學(xué)推算小孔處的應(yīng)力。

3.小孔法：是應(yīng)力破壞性最小的一種，原理是：在應(yīng)力場中鉆一個444.套孔法：采用套料鉆或管形電火花加工環(huán)形孔來釋放應(yīng)力，在孔內(nèi)預(yù)先貼上應(yīng)變片，可以算出表面殘余應(yīng)力，切削深度為[0.6~0.8]D，破壞性不大。4.套孔法：采用套料鉆或管形電火花加工環(huán)形孔來釋放應(yīng)力，在孔45X射線衍射法原理：晶體在應(yīng)力的作用下，原子間距發(fā)生變化，其變化與應(yīng)力大小成正比，當(dāng)用X射線，以掠角入射到晶體表面時，如果能滿足2dSin=n，則X射線在反射方向因干涉而加強(qiáng)缺點：X射線衍射法原理：晶體在應(yīng)力的作用下，原子間距發(fā)生變化，其461、焊縫設(shè)計的原則1）便于焊接操作（可達(dá)性）2）焊縫要避開構(gòu)件的工作應(yīng)力最大處3）焊縫應(yīng)避免密集和交叉4）焊縫一般應(yīng)避開加工部位5）盡量減少焊縫數(shù)量6）焊縫設(shè)置應(yīng)盡量對稱7）盡量將工作焊縫變?yōu)槁?lián)系焊縫第四節(jié)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝要點1、焊縫設(shè)計的原則第四節(jié)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝要點472、焊接方法的選用原則1）接頭性能、焊接質(zhì)量要符合結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求2）生產(chǎn)率高、低成本3）工藝可能性如間隔太小的立板間、管徑太小的內(nèi)焊縫。2、焊接方法的選用原則483、焊接接頭的設(shè)計1）接頭形式的設(shè)計

熔化焊盡量采用對接形式釬焊、電阻焊多用搭接形式2）坡口形式的設(shè)計根據(jù)板厚選擇，第一保證焊透，再要考慮生產(chǎn)率和成本以及坡口加工條件。3、焊接接頭的設(shè)計49金屬材料焊接工藝

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張元鐘50焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝過程第五章焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計備料焊接檢驗裝配焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)工藝過程第五章焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計備料焊接檢51本章主要內(nèi)容1.焊接變形與焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因2.焊接殘余變形3.預(yù)防和矯正殘余變形的方法4.焊接殘余應(yīng)力5.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施本章主要內(nèi)容52第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因一、簡單桿件的變形與應(yīng)力L0——桿件原始長度ΔLT——自由變形ΔLe——外觀變形內(nèi)部變形：-(ΔLT–ΔLe)

第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因一、簡單桿件的變形與應(yīng)力53第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因二、焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因當(dāng)金屬桿件在加熱過程中受到阻礙，其長度不能自由增長，則在桿件中將產(chǎn)生內(nèi)部變形。如果內(nèi)部變形率的絕對值小于金屬屈服強(qiáng)度時的變形率，說明桿件中受到小于σs的應(yīng)力。當(dāng)桿件溫度恢復(fù)到T0時，如果允許桿件自由收縮，則桿件將恢復(fù)到原來的長度L0，桿件中也不存在應(yīng)力。第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因二、焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因54第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因如果桿件溫度升得較高，使其內(nèi)部變形率大于金屬屈服時的變形率，桿件中不但產(chǎn)生達(dá)到屈服極限的應(yīng)力，同時還產(chǎn)生壓縮塑性變形。在桿件溫度恢復(fù)到T0的過程中，若允許自由收縮，最后桿件比原來長度縮短ΔLp，桿件中也不存在內(nèi)應(yīng)力。如果不能自由收縮，則會在桿件中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因：

工件的局部加熱、焊接接頭的膨脹與收縮的不自由。第一節(jié)焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因如果桿件溫度升得較高，使55三、焊接變形的基本類型三、焊接變形的基本類型56焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件57第二節(jié)預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法

一、合理設(shè)計1.選用對稱截面的結(jié)構(gòu)，焊縫布置對稱，在設(shè)計時，安排焊縫盡可能使焊縫對稱于截面的中性軸。第二節(jié)預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法一、合理設(shè)計582.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，盡量采用較小的焊縫尺寸3.盡可能減少焊縫的數(shù)量：用型鋼代替鋼板，用斷續(xù)焊代替連續(xù)焊2.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59二、工藝措施1.正確的確定裝配、焊接順序不正確的裝配次序：工字構(gòu)件，先丁字，然后在裝另一塊蓋板，焊后仍有較大的撓度正確應(yīng)該是，先點固成工字，然后焊接，注意次序

二、工藝措施602.選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?/p>

2.選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?13、反變形法

定義：構(gòu)件在焊前預(yù)制成與變形方向相反的變形，這種方法可以防止彎曲變形，和角變形。3、反變形法62焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件63焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件644、剛性固定法在無反變形的情況下，將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形，（在焊法蘭盤上），防止角變形和波浪變形較好4、剛性固定法65焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件665、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接方法，采用多層焊代替單層焊5、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接方法，67二、矯正殘余變形的方法

1.機(jī)械矯正法：將變形的構(gòu)件中的尺寸較短的部分通過機(jī)械力作用，使之產(chǎn)生塑性延展變形，而恢復(fù)和達(dá)到形狀的要求，可以利用螺旋、氣動、液壓的器具來加外力。機(jī)械矯正法二、矯正殘余變形的方法1.機(jī)械矯正法：機(jī)械矯正法682.火焰矯正法：利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮變形使較長部分在冷卻后縮短來消除變形（不適用于具有晶間腐蝕傾向的不銹鋼和淬硬傾向較大的鋼材）。

2.火焰矯正法69焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件70火焰矯正法火焰矯正法71焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件72第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力

一、焊接殘余應(yīng)力分布

第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力一、焊接殘余應(yīng)力分布731.縱向應(yīng)力的分布1.縱向應(yīng)力的分布741.縱向應(yīng)力的分布1.縱向應(yīng)力的分布752、橫向應(yīng)力的分布2、橫向應(yīng)力的分布76焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件77焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因課件783、厚板中的殘余應(yīng)力分布3、厚板中的殘余應(yīng)力分布794、封閉焊縫中的殘余應(yīng)力分布4、封閉焊縫中的殘余應(yīng)力分布80組織應(yīng)力[相變應(yīng)力]組織應(yīng)力[相變應(yīng)力]81二、焊接殘余應(yīng)力的影響1.對靜載強(qiáng)度的影響

2.對機(jī)械加工精度的影響原因：焊件在不經(jīng)過焊后消應(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，如切削掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會重新變形（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布來保持平衡，焊件不斷的切削，就會不斷的變形，加工精度難以保證二、焊接殘余應(yīng)力的影響1.對靜載強(qiáng)度823、對疲勞強(qiáng)度的影響（研究不夠充分）4對應(yīng)力腐蝕的影響原因：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)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的時間越早。5對結(jié)構(gòu)剛度的影響

結(jié)論：在靜載下，焊件經(jīng)過一次加載，卸載后，以后再次加載，只要其大小不超過前一次，殘余應(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3、對疲勞強(qiáng)度的影響（研究不夠充分）83三、焊接殘余應(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1.1設(shè)計措施:設(shè)計上減小焊接應(yīng)力的核心是正確布置焊縫，以避免應(yīng)力疊加三、焊接殘余應(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84設(shè)計原則設(shè)計原則85工藝措施工藝措施86工藝原則工藝原則87消除殘余應(yīng)力的措施注：振動法的優(yōu)點，從應(yīng)力消除效果看，振動法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設(shè)備簡單，價廉，處理成本低，時間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優(yōu)點。消除殘余應(yīng)力的措施88四、焊接殘余應(yīng)力的測定1.應(yīng)力測定方法的分類按其對結(jié)構(gòu)的是否破壞來分

按測試原理分四、焊接殘余應(yīng)力的測定1.應(yīng)力測定方法的分類89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)生變形來重新分布應(yīng)力來達(dá)到平衡，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來求出應(yīng)力。屬于此法的有切條法，車削法，刨削法，套孔法，小孔法。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90應(yīng)力釋放法1.切條法：將待測焊件劃分幾個區(qū)域，在各區(qū)待測點上貼應(yīng)變片或加工的標(biāo)距孔然后測原始讀數(shù)，然后切斷，然后在讀數(shù)根據(jù)

可以算出應(yīng)力。應(yīng)力釋放法1.切條法：將待測焊件劃分幾個區(qū)域，在各區(qū)待測點上91應(yīng)力釋放法2.車削法：此法多用于測圓柱零件堆焊后的殘余應(yīng)力分布應(yīng)力釋放法