焊接應力與變形

第十三章

焊接應力與變形

§13.1焊接應力和變形的形成過程§13.2焊接剩余應力§13.3焊接剩余變形§13.1焊接應力與變形

內(nèi)應力的特點一、內(nèi)應力的特點所謂內(nèi)應力是指在沒有任何外力作用下，平衡于彈性體內(nèi)的應力。其主要特點是內(nèi)應力在彈性體內(nèi)構成一個平衡力系，即內(nèi)力和內(nèi)力矩的總合都為零。

§13.1內(nèi)應力及變形根本概念

應力分類1．按內(nèi)應力涉及范圍分(1)

第一類內(nèi)應力。(2)

第二類內(nèi)應力。(3)

第三類內(nèi)應力。2.按內(nèi)應力產(chǎn)生原因分溫度應力:由于構件受熱不均勻或雖加熱均勻，但組成結構材料物理性能不同而造成的應力。(2)剩余應力:由于不均勻的非彈性體應變引起的內(nèi)應力?！?3.1內(nèi)應力及變形根本概念

應力產(chǎn)生機理分析圖§13.2均勻受熱桿件應力變形

根本概念1．自由變形率2.外觀變形率

3.內(nèi)部變形率§13.2均勻受熱桿件應力變形

應力與變形的演變過程

§13.2均勻受熱桿件應力變形

應力與變形的演變過程

§13.2均勻受熱桿件應力變形

應力與變形的演變過程

§13.3板條不均加熱應力變形

板條中心加熱

§13.3板條不均加熱應力變形

板條中心加熱

§13.3板條不均加熱應力變形

長板條非對稱加熱

§13.3板條不均加熱應力變形

長板條非對稱加熱

§13.4焊接剩余變形

剩余變形的類型1.縱向收縮變形；

2.橫向收縮變形；3.彎曲變形；

4.角變形；5.波浪變形；

6.錯邊變形；

7.螺旋形變形?！?3.4焊接剩余變形

縱向收縮變形FP—塑性變形區(qū)面積；

F—構件截面積；E—彈性模量；L－焊縫長度；P―塑性應變；

§13.4焊接剩余變形

影響縱向收縮變形因素大小取決于焊縫長度、構件截面積及壓縮塑性變形區(qū)體積。當構件材料和尺寸一定時，僅與焊接方法，焊接線能量和焊接工藝等因素有關，其中與焊接線能量關系最大。多層焊比單層焊線能量??；預熱相當于增大線能量；間斷焊縱向變形比連續(xù)焊小。

§13.4焊接剩余變形

橫向收縮變形

橫向收縮變形指垂直于焊縫方向變形。其影響因素有：

(1)板厚：板厚增加，橫向收縮變形減小。

(2)材質：材料導熱率和熱膨脹系數(shù)越大，橫向收縮變形越小。(3)拘束：拘束度增加，橫向收縮變形減小?！?3.4焊接剩余變形

橫向收縮變形〔4〕焊接工藝①焊根間隙：焊根間隙增大，橫向收縮變形明顯增大；②坡口形狀：單面V形坡口的對接接頭比雙面V形坡口的橫向變形大。因為焊縫截面積增大；③焊接線能量：線能量增加，橫向變形增大；④焊接層數(shù)：焊接層數(shù)增加，總的橫向變形減小§13.4焊接剩余變形

彎曲變形(縱向收縮引起)1.縱向收縮引起的彎曲變形當縱向焊縫位置偏離構件截面的中心軸時，不僅產(chǎn)生縱向收縮，而且由于等效收縮力Pf而產(chǎn)生彎曲變形。根據(jù)材料力學，其產(chǎn)生的最大撓度為：

e―偏心矩；L―焊縫長度；

I―截面慣性矩。

§13.4焊接剩余變形

彎曲變形計算圖§13.4焊接剩余變形

彎曲變形(橫向收縮引起)§13.4焊接剩余變形

角變形堆焊時產(chǎn)生的角變形

2.對接接頭的角變形

3.角焊縫的角變形

§13.4焊接剩余變形

波浪變形薄板構件受壓的失穩(wěn)變形。使構件失穩(wěn)的最小平均應力稱為構件失穩(wěn)臨界應力為

式中K―與支承情況有關的系數(shù)；δ―板厚；B―板寬板越薄，板寬越大，那么失穩(wěn)應力就越小，構件就易失穩(wěn)變形?！?3.4焊接剩余變形

螺旋形變形產(chǎn)生原因是焊縫角變形沿長度上的分布不均勻和工件的縱向錯邊造成的。在工字梁焊接中，由于角變形沿焊縫長度方向逐漸增大，導致產(chǎn)生螺旋形變形。該變形很難矯正，通過改變焊接次序和方向可以防止?！?3.4焊接剩余變形

控制剩余變形措施(設計)合理安排焊縫位置。使焊縫盡可能對稱于構件截面的中性軸，盡量使焊縫產(chǎn)生的彎曲變形抵消；或者使焊縫盡量靠近中性軸。(2)合理選擇焊縫尺寸和坡口形式。在保證結構承載的條件下，應采用較小的焊縫尺寸。間斷焊變形小于連續(xù)焊；X形坡口變形小于V形坡口；〔3〕盡量減小不必要的焊縫。盡量采用型鋼和沖壓件組成焊接結構?！?3.4焊接剩余變形

控制剩余變形措施(圖形)§13.4焊接剩余變形

控制剩余變形措施(工藝)(1)

反變形法：塑性反變形法和彈性反變形法(2)預留收縮變形余量(3)剛性固定法(4)合理選擇焊接方法和標準(5)選擇合理的裝焊順序和焊接方向§13.4焊接剩余變形

控制剩余變形措施(圖形)§13.4焊接剩余變形

控制剩余變形措施(圖形)§13.4焊接剩余變形

控制剩余變形措施(焊接順序)方案I：先焊3，由于焊縫3大都分在槽鋼中性軸以下，焊縫橫向收縮產(chǎn)生上撓度f3.再裝焊蓋板焊接1，由于焊縫1位于截面中性軸以下，產(chǎn)生上撓度f1。最后焊2，同樣產(chǎn)生上撓度f2?？倱隙葹閒=f1+f2+f3?！?3.4焊接剩余變形

控制剩余變形措施(焊接順序)方案II：先裝槽鋼與蓋板并焊1，產(chǎn)生上撓度f1。再裝隔板焊2，產(chǎn)生上撓度f2，最后焊3，于槽鋼與蓋板已形成整體，中性軸從槽鋼中心下降，使焊縫3大局部處于中性軸以上，產(chǎn)生下?lián)隙萬3，總撓度f=f1+f2–f3。方案III：先裝隔板與蓋板，焊2，蓋板處于自由狀態(tài)，只產(chǎn)生橫向收縮和角變形。即f2為零。裝槽鋼焊1，產(chǎn)生上撓度f1，再裝隔板焊3，產(chǎn)生下?lián)隙萬3，總撓度為f=f1–f3。§13.5焊接剩余應力

焊接縱向剩余應力§13.5焊接剩余應力

焊接縱向剩余應力〔1〕焊縫長度的影響短焊縫中的縱向剩余應力比長焊縫中的要小。因此，將長焊縫分段進行焊接，可以減小焊件中的縱向剩余應力峰值?！?〕材質的影響材料膨脹系數(shù)和彈性模數(shù)的降低，縱向應力的最大值也會隨之降低?！?3.5焊接剩余應力

焊接縱向剩余應力〔3〕鋼的相變對縱向剩余應力的影響當金屬發(fā)生相變時，其比容將發(fā)生改變。低碳鋼從奧氏體轉變?yōu)殍F素體或馬氏體時，比容將增大。向相反方向轉變，比容減小?！?3.5焊接剩余應力

焊接橫向剩余應力橫向剩余應力由兩局部組成：一是焊縫及其附近縱向收縮引起的橫向剩余應力；二是焊縫及附近橫向收縮引起的橫向應力?！?3.5焊接剩余應力

橫向剩余應力產(chǎn)生機理§13.5焊接剩余應力

橫向剩余應力產(chǎn)生機理

橫向應力產(chǎn)生機理將焊接過程分為三個區(qū)段，設區(qū)段I恢復彈性，區(qū)段II處于全塑性，區(qū)段III處于溶化狀態(tài)，此時區(qū)段I金屬橫向收縮不會受到區(qū)段II和區(qū)段III的拘束，此時區(qū)段I橫向收縮不會產(chǎn)生橫向應力。當區(qū)段II恢復彈性并橫向收縮時，將受到區(qū)段I的拘束，在區(qū)段II的上端和區(qū)段I的下端產(chǎn)生橫向拉應力，在兩者交界處產(chǎn)生橫向壓應力。當區(qū)段III恢復到彈性狀態(tài)時，其橫向收縮必然受到區(qū)段I和區(qū)段II的拘束。

§13.5焊接剩余應力

橫向剩余應力影響因素焊縫長度對橫向剩余應力的影響焊接方向和順序的影響厚板中的剩余應力§13.5焊接剩余應力

封閉焊縫剩余應力§13.5焊接剩余應力

封閉焊縫剩余應力§13.5焊接剩余應力

對性能的影響(靜載強度)§13.5焊接剩余應力

對性能的影響(靜載強度)外力增加，整個截面應力均勻化，這時外力的大小用面積abcdefghi表示。沒有剩余應力,外力使整個截面應力到達的值可以用面積abhi表示。因內(nèi)應力平衡，面積def=面積bcd+面積fgh，所以面積abcdefhi=面積abhi。材料有足夠塑性時，內(nèi)應力不影響承載能力。當材料處于脆性狀態(tài)時，因構件應力不會產(chǎn)生均勻化，應力峰值不斷增加，直到到達強度極限，發(fā)生斷裂。因此，內(nèi)應力使脆性材料的承載能力下降?！?3.5焊接剩余應力

對性能的影響(受壓桿件穩(wěn)定性影響)兩端鉸支受壓桿件在彈性范圍內(nèi)，其失穩(wěn)臨界應力為E―彈性模量；

I―構件截面慣性矩；

l―受壓桿件自由長度；F―截面積；上式還可以表示為：

§13.5焊接剩余應力

對性能的影響(受壓桿件穩(wěn)定性影響)§13.5焊接剩余應力

對性能的影響(對剛度的影響)對于無剩余應力試板拉伸時，在彈性范圍內(nèi)，絕對伸長量與外力有如下關系式：

P―外力；

L―試板長度；

F―試板橫截面積；

E―彈性模量

§13.5焊接剩余應力

對性能的影響(對剛度的影響)§13.5焊接剩余應力

對性能的影響(對應力腐蝕開裂影響)應力越大，發(fā)生斷裂的時間越短。這里的應力不分工作應力和剩余應力，而是兩者之和。防止方法：合理設計結構，防止應力集中；合理施工，降低剩余應力；進行外表處理。如：噴丸，涂保護層等。§13.5焊接剩余應力

減小剩余應力措施(采用合理焊接順序)盡量使焊縫在焊接過程中能得到自由收縮，并應先焊收縮量大的焊縫。如以下圖應先焊受力最大的翼板對接焊縫1，隨后焊腹板對接焊縫2，最后再焊角焊縫3?！?3.5焊接剩余應力

減小剩余應力措施(減小接頭剛度)采用分段退焊，重疊退焊，分段分層焊，階梯形焊。