焊接應(yīng)力與焊接變形

關(guān)于焊接應(yīng)力與焊接變形講稿第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日焊接應(yīng)力與變形第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生一、焊接應(yīng)力與變形的基本知識1、彈性變形和塑性變形變形:

物體在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱為物體的變形。彈性變形:

當(dāng)使物體產(chǎn)生變形的外力或其他因素去除后變形也隨之消失，物體可恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為彈性變形。塑性變形:當(dāng)外力或其他因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為塑性變形。第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、應(yīng)力物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力。另外，在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時(shí)，在物體內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力。作用在物體單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。根據(jù)引起內(nèi)力原因的不同，可將應(yīng)力分為工作應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。工作應(yīng)力是由外力作用于物體而引起的應(yīng)力；內(nèi)應(yīng)力是由物體的化學(xué)成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部的不均勻性變形而引起的應(yīng)力。第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、焊接應(yīng)力與焊接變形焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。焊接變形是由焊接而引起的焊件尺寸的改變。第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日三、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因1、焊件的不均勻受熱（1）不受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過程中不會(huì)產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，冷卻后也不會(huì)有任何殘余應(yīng)力和殘余變形。（2）受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形如果加熱溫度較高，達(dá)到或超過材料屈服點(diǎn)溫度時(shí)（T﹥TS=600），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時(shí)，彈性變形恢復(fù)，塑性變形不可恢復(fù)，可能出現(xiàn)以下三種情況：第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日①如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形而無殘余應(yīng)力；②如果桿件受絕對拘束，那么桿件中沒有殘余變形而存在較大的殘余應(yīng)力；③如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應(yīng)力又有殘余變形。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日（3）長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應(yīng)力與變形第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日（4）長板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊堆焊）引起的應(yīng)力與變形第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、焊縫金屬的收縮當(dāng)焊縫金屬冷卻、由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個(gè)焊件的變形，同時(shí)在焊縫中引起殘余應(yīng)力。3、金屬組織的變化鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生金相組織的變化，這些組織的比體積不一樣，也會(huì)造成焊接應(yīng)力與變形。第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日4.焊件的剛性和拘束焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大；反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越小。剛性——是指焊件抵抗變形的能力。拘束——是指焊件周圍物體對焊接變形的約束。第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力及分布一、焊接殘余應(yīng)力

是焊件焊完冷卻后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。二、焊接殘余應(yīng)力的分布1、縱向殘余應(yīng)力σx的分布作用方向平行于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力。第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、橫向殘余應(yīng)力σy的分布垂直于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力。（1）焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力σ?y圖1-8a（2）橫向收縮所引起的橫向殘余應(yīng)力σ??y總之，橫向殘余應(yīng)力的兩個(gè)組成部σ?y、σ??y同時(shí)存在，焊件中的橫向殘余應(yīng)力σy是由σ?y、σ??y合成的，但它的大小要受σs的限制。第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日三、焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響1、對焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。2、對構(gòu)件加工尺寸精度的影響第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、對受壓桿件穩(wěn)定性的影響4、對疲勞強(qiáng)度的影響第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施1、設(shè)計(jì)措施1）盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸2）避免焊縫過分集中3）采用剛度較小的接頭形式第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、工藝措施（1）采用合理的裝配焊接順序和方向

在一個(gè)平面上的焊縫，焊接時(shí)應(yīng)保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由，如圖1-20所示的拼板焊接，合理的焊接順序應(yīng)是圖1-20中的1~10，即先焊相互錯(cuò)開的短焊縫，后焊直通長焊縫。第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊。因?yàn)橄群傅暮缚p收縮時(shí)受阻較小，因而殘余應(yīng)力就比較小。如圖1-21所示的帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊蓋板上的對接焊縫1，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫2，原因是對接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日工作時(shí)受力最大的焊縫應(yīng)先焊。如圖1-22所示的大型工字梁，應(yīng)先焊受力最大的翼板對接焊縫1，再焊腹板對接焊縫2，最后焊預(yù)先留出來的一段角焊縫3。第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日焊接平面交叉焊縫時(shí)，在焊縫的交叉點(diǎn)易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日對接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日（2）預(yù)熱法（3）冷焊法冷焊法是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結(jié)構(gòu)上其他部位間的溫度差。（4）降低焊縫的拘束度（5）加熱“減應(yīng)區(qū)”法焊接時(shí)加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日五、消除焊接殘余應(yīng)力的方法1、熱處理法包括整體高溫回火和局部回火（1）整體熱處理是將整個(gè)構(gòu)件緩慢加熱到一定的溫度（低碳鋼為650℃），并在該溫度下保溫一定的時(shí)間（一般按每毫米板厚保溫2~4min，但總時(shí)間不少于30min），然后空冷或隨爐冷卻。（2）局部熱處理第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、機(jī)械拉伸法在壓力容器制造的最后階段，通常要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，和起重機(jī)的靜載試驗(yàn)，其目的之一也是利用加載來消除部分殘余應(yīng)力。4、錘擊焊縫錘擊焊縫，可使焊縫金屬產(chǎn)生延伸變形，能抵消一部分壓縮塑性變形，起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。5、振動(dòng)法第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)焊接變形一、焊接變形的基本形式焊接變形在焊接結(jié)構(gòu)中的分布是很復(fù)雜的。按變形對整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的影響程度可將焊接變形分成局部變形和整體變形；五種基本變形形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。插[1]表2-1第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、矯正焊接變形的方法1、手工矯正法手工矯正法就是利用錘子、大