焊接應(yīng)力和集中

焊接應(yīng)力和集中第1頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

一、應(yīng)力與變形的基本知識(shí)1.應(yīng)力—物體單位截面上表現(xiàn)的內(nèi)力。分類熱應(yīng)力應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力工作應(yīng)力殘余應(yīng)力裝配應(yīng)力相變應(yīng)力第2頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.變形—物體在外力的作用下，其內(nèi)部原子的相對(duì)位置發(fā)生變化，其宏觀表現(xiàn)為形狀和尺寸的變化。分類

按物體變形的性質(zhì)分為：

按變形的拘束條件分為：彈性變形塑性變形自由變形非自由變形焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

第3頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自由變形：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，如果這種變化沒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：焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

第4頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月外觀變形：當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來的這部分變形，稱為外觀變形。內(nèi)部變形：把未表現(xiàn)出來的那部分變形，稱為內(nèi)部變形。

焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

第5頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接變形：由焊接而引起焊件的尺寸改變稱為焊接變形。焊接變形分類：焊接瞬時(shí)變形焊接殘余變形焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

第6頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、研究焊接應(yīng)力與變形的基本假定：（1）平截面假定（2）金屬性能不變的假定

是與溫度變化無關(guān)的參數(shù)（3）金屬屈服點(diǎn)的假定焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

第7頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因根本原因——焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮。1.桿件的不均勻受熱.焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

（1）長(zhǎng)板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應(yīng)力與變形。鋼板條中心加熱和冷卻時(shí)的應(yīng)力與變形第8頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）長(zhǎng)板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊堆焊）引起的應(yīng)力與變形。焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

鋼板邊緣一側(cè)加熱和冷卻時(shí)的應(yīng)力與變形

第9頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)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。焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

第10頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)長(zhǎng)板條非對(duì)稱加熱引起的變形和應(yīng)力

焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生

2.焊縫金屬的收縮。3.金屬組織的變化。4.焊件的剛性和拘束。第11頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本節(jié)主要內(nèi)容：一、焊接變形的種類二、控制焊接變形的措施三、矯正焊接變形的措施焊接殘余變形第12頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、焊接變形的種類焊接變形分為5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。

焊接殘余變形第13頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1．收縮變形—焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象稱為收縮變形。分為縱向縮短和橫向縮短。焊件在焊后沿焊縫長(zhǎng)度方間的收縮稱為縱向縮短。焊件在焊后垂直于焊縫方向的收縮叫橫向縮短。焊接殘余變形第14頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2．角變形

角變形產(chǎn)生的根本原因：由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致。角變形的大小以變形角α進(jìn)行度量。

焊接殘余變形幾種接頭的角變形T形接頭的角變形第15頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.彎曲變形彎曲變形主要是結(jié)構(gòu)上的焊縫布置不對(duì)稱或焊件斷面形狀不對(duì)稱，焊縫收縮引起的變形。彎曲變形的大小用撓度ｆ進(jìn)行度量．撓度ｆ是指焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離。焊接殘余變形第16頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）縱向收縮引起的彎曲變形焊縫的縱向收縮引起的彎曲變形（2）橫向收縮引起的變曲變形焊縫的橫向收縮引起的彎曲變形第17頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.波浪變形波浪變形常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊接過程中，又稱之為失穩(wěn)變形。焊接殘余變形焊縫角變形引起的波浪變形第18頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.扭曲變形產(chǎn)生扭曲變形的原因主要是焊縫角變形沿焊縫長(zhǎng)度方向分布不均勻。一般發(fā)生在有數(shù)條平行的長(zhǎng)焊縫的焊件上，如焊接工形梁。扭曲變形的產(chǎn)生往往與焊接方向或順序不當(dāng)有關(guān)。焊接殘余變形工字梁的扭曲變形第19頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接殘余變形第20頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、控制焊接變形的措施1.設(shè)計(jì)措施（1）合理地選擇焊縫的尺寸和形狀（如圖）

在保證結(jié)構(gòu)承載力的情況下,盡可能采用較小的焊縫尺寸,減少熱輸入對(duì)材料性能的影響,并降低成本。相同承載力的十字接頭箱形梁的不同接頭形式焊接殘余變形第21頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）合理選擇焊縫長(zhǎng)度和數(shù)量

只要允許，多采用型材、沖壓件；焊縫多且密集處，可以采用鑄—焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)，就可以減少焊縫數(shù)量。此外，適當(dāng)增加壁板厚度，以減少肋板數(shù)量，或者采用壓型結(jié)構(gòu)代替肋板結(jié)構(gòu)，都對(duì)防止薄板結(jié)構(gòu)的變形有利。某人行天橋加強(qiáng)筋狀況焊接殘余變形第22頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）合理地安排焊縫的位置

安排焊縫盡可能對(duì)稱與截面中性軸,或使焊縫接近中性軸,這對(duì)減少梁柱的撓曲變形有良好的效果。箱形和工字梁的焊縫布置（后者較好）焊接殘余變形第23頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.工藝措施

（1）反變形法(如圖)

幾種反變形措施焊接殘余變形第24頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）留余量法在下料時(shí)，將零件的實(shí)際長(zhǎng)度或?qū)挾瘸叽绫仍O(shè)計(jì)尺寸適當(dāng)加大，以補(bǔ)償焊件的收縮。

留余量法主要用于防止焊件的收縮變形。焊接殘余變形第25頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）剛性固定法1）將焊件固定在剛性平臺(tái)上。焊接殘余變形薄板拼接時(shí)的剛性固定第26頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）將焊件組合成剛性更大或?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)。焊接殘余變形T形梁的剛性固定和反變形第27頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）利用焊接夾具增加結(jié)構(gòu)的剛性和拘束。焊接殘余變形對(duì)接拼板時(shí)的剛性固定第28頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）利用臨時(shí)支撐增加結(jié)構(gòu)的拘束。焊接殘余變形防護(hù)罩焊接時(shí)的臨時(shí)支撐第29頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（4）選擇合理的裝配焊接順序。裝配焊接順序?qū)附咏Y(jié)構(gòu)變形的影響很大。

1）大型而復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，只要條件允許，把它分成若干個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部件，單獨(dú)進(jìn)行焊接，然后再總裝成整體。2）正在施焊的焊縫應(yīng)晝靠近結(jié)構(gòu)截面的中性軸。焊接殘余變形主梁裝配焊接第30頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）對(duì)于焊縫非對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，裝配焊接時(shí)應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。壓力機(jī)壓型上模的焊接順序焊接殘余變形第31頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）焊縫對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)，應(yīng)由偶數(shù)焊工對(duì)稱地施焊。焊接殘余變形圓筒體對(duì)接焊縫焊接順序第32頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5）長(zhǎng)焊縫（1m以上）焊接時(shí)，可采用下圖所示的方向和順序進(jìn)行焊接，以減小其焊后的收縮變形。焊接殘余變形第33頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（5）合理地選擇焊接方法和焊接工藝參數(shù)焊接殘余變形非對(duì)稱截面結(jié)構(gòu)的焊接第34頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（6）熱平衡法

采用熱平衡法防止焊接變形

焊接殘余變形第35頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（7）散熱法

散熱法示意圖焊接殘余變形第36頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、矯正焊接變形的措施

1.手工矯正法2.機(jī)械矯正法用機(jī)械方法矯正變形的原理就是將縮短的尺寸拉長(zhǎng)，使之與較長(zhǎng)的部分相適應(yīng)，從而恢復(fù)到原來的尺寸，或達(dá)到技術(shù)條件對(duì)幾何尺寸的要求。機(jī)械矯正法會(huì)使金屬材料因冷作硬化而變脆，并產(chǎn)生附加應(yīng)力，因此一般適用于變形不大的小型結(jié)構(gòu)件。焊接殘余變形機(jī)械矯正法矯正梁的彎曲變形第37頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.火焰加熱矯正法

火焰矯正的原理與機(jī)械矯正相反，它是通過局部加熱并隨之快冷，使焊件伸長(zhǎng)的部位縮短，達(dá)到矯正變形的目的。火焰加熱的方式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱。此法一般使用的是氣焊炬，不需專門設(shè)備。操作簡(jiǎn)單方便，機(jī)動(dòng)靈活，可以在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)上進(jìn)行矯正。焊接殘余變形第38頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）線狀加熱（1）點(diǎn)狀加熱

焊接殘余變形第39頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（3）三角形加熱工字梁彎曲變形的火焰矯正火焰加熱矯正焊接變形的取決于下列三個(gè)因素：（1）加熱方式（2）加熱位置（3）加熱溫度和加熱區(qū)的面積焊接殘余變形第40頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接殘余應(yīng)力本節(jié)主要內(nèi)容：一、焊接殘余應(yīng)力的分類；二、焊接殘余應(yīng)力的分布；三、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的影響；四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施；五、消除殘余應(yīng)力的措施；六、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定方法。第41頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月概念——如果不均勻的溫度場(chǎng)所造成的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，使構(gòu)件局部發(fā)生塑性變形（加熱桿件中將出現(xiàn)壓縮塑性變形），當(dāng)溫度恢復(fù)均勻后，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)殘留在物體里。故稱之為殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力第42頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、焊接殘余應(yīng)力的分類：按應(yīng)力的分布范圍根據(jù)結(jié)構(gòu)中的空間位置焊接殘余應(yīng)力第43頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)應(yīng)力與焊縫的相對(duì)位置根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生作用的時(shí)間根據(jù)應(yīng)力形成原因

焊接殘余應(yīng)力第44頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、焊接殘余應(yīng)力的分布1.縱向殘余應(yīng)力的分布焊接殘余應(yīng)力對(duì)接接頭在焊縫橫截面上的分布第45頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.橫向殘余應(yīng)力分布由縱向焊接應(yīng)力引起的橫向應(yīng)力分布不同焊接方向時(shí)橫向應(yīng)力分布焊接殘余應(yīng)力（1）焊接及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力（2）橫向收縮年引起的機(jī)工向應(yīng)力

第46頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.厚板焊接接頭中的殘余應(yīng)力分布厚板（大于20mm）焊接接頭中存在三微的殘余應(yīng)力。厚板焊接接頭中的殘余應(yīng)力分布焊接殘余應(yīng)力第47頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.在拘束狀態(tài)下焊接的殘余應(yīng)力

由于焊接時(shí)的焊縫收縮會(huì)受到拘束力的制約，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，將和自由狀態(tài)下焊接相似的橫向（縱向）應(yīng)力疊加。在拘束狀態(tài)下焊接的殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力第48頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.在封閉焊縫中殘余應(yīng)力的分布：焊接殘余應(yīng)力第49頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.對(duì)靜載強(qiáng)度的影響只要材料有足夠的延性，能夠進(jìn)行塑性變形，內(nèi)應(yīng)力的存在不影響構(gòu)件的承載能力，對(duì)強(qiáng)度無影響。如果材料處于脆性狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，構(gòu)件將發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。

三、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的影響焊接殘余應(yīng)力第50頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響在疲勞節(jié)段專門進(jìn)行講解。3.殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工精度的影響機(jī)械加工后，原內(nèi)應(yīng)力的平衡打破，工件將產(chǎn)生變形。焊接殘余應(yīng)力機(jī)械加工引起內(nèi)應(yīng)力釋放和變形第51頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.殘余應(yīng)力對(duì)受壓桿件的影響

波浪變形是構(gòu)件由于內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生構(gòu)件局部失穩(wěn)造成。當(dāng)桿件的長(zhǎng)細(xì)比λ（大于150),失穩(wěn)臨界應(yīng)力本來就低,或內(nèi)應(yīng)力較低時(shí),外載應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和在失穩(wěn)之前未達(dá)到屈服極限,殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。焊接殘余應(yīng)力第52頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)桿件的λ較小(小于30),相對(duì)偏心又不大（小于0.1），其失穩(wěn)臨界應(yīng)力主要取決于桿件的全面屈服，內(nèi)應(yīng)力也不致產(chǎn)生影響。對(duì)翼緣寬厚比較大的H型截面，壓縮殘余應(yīng)力將降低翼緣的局部穩(wěn)定性。局部失穩(wěn)可能造成桿件整體失穩(wěn)。焊接殘余應(yīng)力第53頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.殘余應(yīng)力σ1對(duì)剛度的影響構(gòu)件中存在與外力方向一致的殘余應(yīng)力σ1，而σ1數(shù)值又達(dá)到屈服極限，則在外力作用下，剛度將降低，而且卸載后構(gòu)件的原尺寸也不能復(fù)員。

6.殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕（開裂）的影響焊接接頭區(qū)域往往比其他部位的腐蝕速度快，就是因?yàn)樵搮^(qū)域存在著較大的焊接殘余應(yīng)力。在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同的作用下引起材料產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕。焊接殘余應(yīng)力第54頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施

1.設(shè)計(jì)措施:設(shè)計(jì)上減小焊接應(yīng)力的核心：正確布置焊縫，以避免應(yīng)力疊加。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，焊縫間應(yīng)保持足夠的距離。焊接殘余應(yīng)力3）采用剛性較小的接頭形式。容器接管焊接減小接頭的剛性措施第55頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)焊接順序2.工藝措施1）采用合理的裝配焊接順序和方向。①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。拼接焊縫合理的裝配焊接順序②收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊。焊接殘余應(yīng)力第56頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月③工作時(shí)受力最大的焊縫應(yīng)先焊。焊接殘余應(yīng)力對(duì)接工字梁的焊接順序④平面交叉焊縫焊接時(shí)，在焊縫的交叉點(diǎn)易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。平面交叉焊縫的焊接順序第57頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接殘余應(yīng)力⑤對(duì)接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。2）預(yù)熱法。3）冷焊法。4）降低焊縫的拘束度。降低局部剛度減少內(nèi)應(yīng)力第58頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月焊接殘余應(yīng)力

5）加熱“減應(yīng)區(qū)”法。加熱“減應(yīng)區(qū)”法示意圖第59頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月五、消除殘余應(yīng)力的措施

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，處理成本低，時(shí)間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優(yōu)點(diǎn)。焊接殘余應(yīng)力第60頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定

1.應(yīng)力測(cè)定方法的分類按其對(duì)結(jié)構(gòu)的是否破壞來分

按測(cè)試原理分焊接殘余應(yīng)力第61頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(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。焊接殘余應(yīng)力第62頁(yè)，課件共67頁(yè)，創(chuàng)作于2023年