焊接應(yīng)力與變形

第十三章

焊接應(yīng)力與變形

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

內(nèi)應(yīng)力的特點(diǎn)一、內(nèi)應(yīng)力的特點(diǎn)所謂內(nèi)應(yīng)力是指在沒有任何外力作用下，平衡于彈性體內(nèi)的應(yīng)力。其主要特點(diǎn)是內(nèi)應(yīng)力在彈性體內(nèi)構(gòu)成一個(gè)平衡力系，即內(nèi)力和內(nèi)力矩的總合都為零。

§13.1內(nèi)應(yīng)力及變形根本概念

應(yīng)力分類1．按內(nèi)應(yīng)力涉及范圍分(1)

第一類內(nèi)應(yīng)力。(2)

第二類內(nèi)應(yīng)力。(3)

第三類內(nèi)應(yīng)力。2.按內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因分溫度應(yīng)力:由于構(gòu)件受熱不均勻或雖加熱均勻，但組成結(jié)構(gòu)材料物理性能不同而造成的應(yīng)力。(2)剩余應(yīng)力:由于不均勻的非彈性體應(yīng)變引起的內(nèi)應(yīng)力。§13.1內(nèi)應(yīng)力及變形根本概念

應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理分析圖§13.2均勻受熱桿件應(yīng)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(yīng)力變形

應(yīng)力與變形的演變過程

§13.2均勻受熱桿件應(yīng)力變形

應(yīng)力與變形的演變過程

§13.2均勻受熱桿件應(yīng)力變形

應(yīng)力與變形的演變過程

§13.3板條不均加熱應(yīng)力變形

板條中心加熱

§13.3板條不均加熱應(yīng)力變形

板條中心加熱

§13.3板條不均加熱應(yīng)力變形

長板條非對(duì)稱加熱

§13.3板條不均加熱應(yīng)力變形

長板條非對(duì)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(cuò)邊變形；

7.螺旋形變形。§13.4焊接剩余變形

縱向收縮變形FP—塑性變形區(qū)面積；

F—構(gòu)件截面積；E—彈性模量；L－焊縫長度；P―塑性應(yīng)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(gòu)件截面積及壓縮塑性變形區(qū)體積。當(dāng)構(gòu)件材料和尺寸一定時(shí)，僅與焊接方法，焊接線能量和焊接工藝等因素有關(guān)，其中與焊接線能量關(guān)系最大。多層焊比單層焊線能量??；預(yù)熱相當(dāng)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(zhì)：材料導(dǎo)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(duì)接接頭比雙面V形坡口的橫向變形大。因?yàn)楹缚p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(dāng)縱向焊縫位置偏離構(gòu)件截面的中心軸時(shí)，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(xué)，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(jì)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(shí)產(chǎn)生的角變形

2.對(duì)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(gòu)件受壓的失穩(wěn)變形。使構(gòu)件失穩(wěn)的最小平均應(yīng)力稱為構(gòu)件失穩(wěn)臨界應(yīng)力為

式中K―與支承情況有關(guān)的系數(shù)；δ―板厚；B―板寬板越薄，板寬越大，那么失穩(wěn)應(yīng)力就越小，構(gòu)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(cuò)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(dǎo)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(shè)計(jì))合理安排焊縫位置。使焊縫盡可能對(duì)稱于構(gòu)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(jié)構(gòu)承載的條件下，應(yīng)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(jié)構(gòu)?！?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(yù)留收縮變形余量(3)剛性固定法(4)合理選擇焊接方法和標(biāo)準(zhǔn)(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。§13.4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?！?3.5焊接剩余應(yīng)力

焊接縱向剩余應(yīng)力§13.5焊接剩余應(yīng)力

焊接縱向剩余應(yīng)力〔1〕焊縫長度的影響短焊縫中的縱向剩余應(yīng)力比長焊縫中的要小。因此，將長焊縫分段進(jìn)行焊接，可以減小焊件中的縱向剩余應(yīng)力峰值?！?〕材質(zhì)的影響材料膨脹系數(shù)和彈性模數(shù)的降低，縱向應(yīng)力的最大值也會(huì)隨之降低。§13.5焊接剩余應(yīng)力

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

焊接橫向剩余應(yīng)力橫向剩余應(yīng)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(yīng)力；二是焊縫及附近橫向收縮引起的橫向應(yīng)力?！?3.5焊接剩余應(yīng)力

橫向剩余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理§13.5焊接剩余應(yīng)力

橫向剩余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理

橫向應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理將焊接過程分為三個(gè)區(qū)段，設(shè)區(qū)段I恢復(fù)彈性，區(qū)段II處于全塑性，區(qū)段III處于溶化狀態(tài)，此時(shí)區(qū)段I金屬橫向收縮不會(huì)受到區(qū)段II和區(qū)段III的拘束，此時(shí)區(qū)段I橫向收縮不會(huì)產(chǎn)生橫向應(yīng)力。當(dāng)區(qū)段II恢復(fù)彈性并橫向收縮時(shí)，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(yīng)力，在兩者交界處產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。當(dāng)區(qū)段III恢復(fù)到彈性狀態(tài)時(shí)，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(yīng)力

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

封閉焊縫剩余應(yīng)力§13.5焊接剩余應(yīng)力

封閉焊縫剩余應(yīng)力§13.5焊接剩余應(yīng)力

對(duì)性能的影響(靜載強(qiáng)度)§13.5焊接剩余應(yīng)力

對(duì)性能的影響(靜載強(qiáng)度)外力增加，整個(gè)截面應(yīng)力均勻化，這時(shí)外力的大小用面積abcdefghi表示。沒有剩余應(yīng)力,外力使整個(gè)截面應(yīng)力到達(dá)的值可以用面積abhi表示。因內(nèi)應(yīng)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(shí)，內(nèi)應(yīng)力不影響承載能力。當(dāng)材料處于脆性狀態(tài)時(shí)，因構(gòu)件應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生均勻化，應(yīng)力峰值不斷增加，直到到達(dá)強(qiáng)度極限，發(fā)生斷裂。因此，內(nèi)應(yīng)力使脆性材料的承載能力下降?！?3.5焊接剩余應(yīng)力

對(duì)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(yīng)力為E―彈性模量；

I―構(gòu)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(yīng)力

對(duì)性能的影響(受壓桿件穩(wěn)定性影響)§13.5焊接剩余應(yīng)力

對(duì)性能的影響(對(duì)剛度的影響)對(duì)于無剩余應(yīng)力試板拉伸時(shí)，在彈性范圍內(nèi)，絕對(duì)伸長量與外力有如下關(guān)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(yīng)力

對(duì)性能的影響(對(duì)剛度的影響)§13.5焊接剩余應(yīng)力

對(duì)性能的影響(對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂影響)應(yīng)力越大，發(fā)生斷裂的時(shí)間越短。這里的應(yīng)力不分工作應(yīng)力和剩余應(yīng)力，而是兩者之和。防止方法：合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，防止應(yīng)力集中；合理施工，降低剩余應(yīng)力；進(jìn)行外表處理。如：噴丸，涂保護(hù)層等?！?3.5焊接剩余應(yīng)力

減小剩余應(yīng)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(yīng)先焊收縮量大的焊縫。如以下圖應(yīng)先焊受力最大的翼板對(duì)接焊縫1，隨后焊腹板對(duì)接焊縫2，最后再焊角焊縫3?！?3.5焊接剩余應(yīng)力

減小剩余應(yīng)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。