焊接应力与变形

(1) 2021-4-251 76532 8 9 4 第 1章 焊 接 结 构 中 的 应 力 与 变 形1.1 焊接应力与变形概述1.2 焊接残余应力1.3 焊接残余变形 (2) 2021-4-251 76532 8 9 4 1.1 内应力的产生一 、 内 应 力 及 其 产 生 原 因 (3) 2021-4-251 76532 8 9 4 按分布范围不同分类： 第 一 类 内 应 力 ： 也 称 宏 观 内 应 力 ， 其 平 衡范 围 很 大 ； 焊 接 中 涉 及 的 是 此 类 。 第 二 类 内 应 力 ： 也 称 微 观 内 应 力 ， 其 平 衡范 围 比 前 者 小 得 多 ， 相 当 于 晶 粒 尺 寸 ； 第 三 类 内 应 力 ： 也 称 超 微 观 内 应 力 ， 其 平衡 范 围 更 小 ， 相 当 于 晶 格 尺 寸 。 (4) 2021-4-251 76532 8 9 4 (5) 2021-4-251 76532 8 9 4 (6) 2021-4-251 76532 8 9 4 (7) 2021-4-251 76532 8 9 4 二 焊 接 应 力 与 变 形 的 形 成 过 程 变 形 ： 物 体 在 外 力 或 温 度 等 因 素 的 作 用 下 ， 其形 状 和 尺 寸 发 生 变 化 ， 这 种 变 化 称 为 物 体 的 变 形 。 分 类 ： 1） 根 据 外 力 或 其 它 因 素 去 除 后 ， 是 否 会恢 复 原 状 分 为 弹 性 变 形 和 塑 性 变 形 2） 按 拘 束 条 件 分 类 ： 自 由 变 形 和 非 自 由 变 形 (8) 2021-4-251 76532 8 9 4一)简单杆件的应力与变形自由变形外观变形 (9) 2021-4-251 76532 8 9 4 (10) 2021-4-251 76532 8 9 4 (11) 2021-4-251 76532 8 9 4 (12) 2021-4-251 76532 8 9 4 二 ) 杆 件 在 加 热 、 冷 却 过 程 中 的 应 力 、 应 变 演 变假 设 (13) 2021-4-251 76532 8 9 4 3）4） 焊 接 温 度 场 假 定 (14) 2021-4-251 76532 8 9 4三) 长板条不均匀温度场作用下的应力与变形 (15) 2021-4-251 76532 8 9 4 (16) 2021-4-251 76532 8 9 4 (17) 2021-4-251 76532 8 9 4 (18) 2021-4-251 76532 8 9 4 (19) 2021-4-251 76532 8 9 4 图1-3 钢板条中心加热和冷却时的应力与变形a)原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却过程 (20) 2021-4-251 76532 8 9 4 (21) 2021-4-251 76532 8 9 4 (22) 2021-4-251 76532 8 9 4 (23) 2021-4-251 76532 8 9 4 (24) 2021-4-251 76532 8 9 4 图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形d)假设各板条的收缩 e)冷却后的变形 (25) 2021-4-251 76532 8 9 4四)焊接引起的应力和变形1产生的原因 最主要原因：焊件受热不均匀1)焊件的不均匀受热(1） 不 受 约 束 的 杆 件 在 均 匀 加 热 时 的 应 力 和 变 形 ： 变形 属 于 自 由 变 形 ， 杆 件 加 热 过 程 中 不 会 产 生 内 应 力 ，冷 却 后 无 残 余 应 力 和 残 余 变 形 。 即(2） 受 约 束 后 杆 件 在 均 匀 加 热 时 的 应 力 和 变 形 ： 属 于非 自 由 变 形 ， 即 存 在 外 观 变 形 ， 也 存 在 内 部 变 形 。a、 温 度 较 低 ， 即 T Ts（ 屈 服 点 温 度 ） 时 ， 无 残 余 应力 和 残 余 变 形 (26) 2021-4-251 76532 8 9 4 b、 加 热 温 度 较 高 ， 达 到 或 超 过 材 料 屈 服 点 温 度 时（ T Ts） ， 内 部 变 形 由 弹 性 变 形 和 塑 性 变 形 两部 分 组 成 ， 甚 至 全 部 由 塑 性 变 形 组 成 （ T600 ） ， 冷 却 后 存 在 三 种 情 况 ： 如 果 杆 件 能 自由 收 缩 ， 那 么 杆 件 中 只 出 现 残 余 变 形 而 且 是 无 残余 应 力 ； 如 果 杆 件 受 绝 对 约 束 ， 那 么 杆 件 中 没有 残 余 变 形 而 存 在 较 大 的 残 余 应 力 ； 如 果 杆 件收 缩 不 充 分 ， 那 么 杆 件 中 即 有 残 余 变 形 又 有 残 余应 力 。 实 际 生 产 中 的 焊 件 与 第 三 种 情 况 类 同 。 (27) 2021-4-251 76532 8 9 4 (28) 2021-4-251 76532 8 9 4 由 上 述 讨 论 可 知 ： 对 构 件 进 行 不 均 匀 加 热 ， 在 加 热 的 过 程 中 ， 只 要 温 度 高 于材 料 屈 服 点 温 度 ， 构 件 就 会 产 生 压 缩 塑 性 变 形 ， 冷 却 后 勤工 作 构 件 必 然 有 残 余 应 力 和 残 余 变 形 。 通 常 ， 焊 接 过 程 中 焊 件 的 变 形 方 向 与 焊 后 焊 件 的 变 形 方 向相 反 。 加 热 时 ， 焊 缝 及 附 近 区 域 产 生 压 缩 塑 性 变 形 ， 冷 却 时 压 缩塑 性 变 形 区 要 收 缩 。 如 是 这 种 收 缩 能 充 分 进 行 ， 则 焊 接 残余 变 形 大 ， 焊 接 残 余 应 力 小 ； 若 这 种 收 缩 不 能 充 分 进 行 ，则 焊 接 残 余 变 形 小 而 焊 接 残 余 应 力 大 。 焊 接 过 程 和 焊 接 结 束 后 ,焊 件 中 的 应 力 分 布 都 是 不 均 匀 的 .,焊 接 结 束 后 ,焊 缝 及 其 附 近 区 域 的 残 余 应 力 都 通 常 是 拉 应力 . (29) 2021-4-251 76532 8 9 4 2）焊缝金属的收缩3）金属组织的变化4）焊件的刚性和拘束 刚性是指焊件抵抗变形的能力。是焊件本身的性能，与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关。 拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。是一种外部条件。 刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大，反之相反。 (30) 2021-4-251 76532 8 9 4 2、低碳钢焊接温度场 (31) 2021-4-251 76532 8 9 4 3、焊接应力与变形的演变过程 (32) 2021-4-251 76532 8 9 4 1.2 焊接残余应力 (33) 2021-4-251 76532 8 9 4二、焊接残余应力的分布 (34) 2021-4-251 76532 8 9 4 图1-5 对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况图1-6 板边堆焊时的纵向残余应力与变形图1-7 不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力 的分布a)短焊缝 b) 长焊缝 (35) 2021-4-251 76532 8 9 4 (36) 2021-4-251 76532 8 9 4 (37) 2021-4-251 76532 8 9 4 (38) 2021-4-251 76532 8 9 4 (39) 2021-4-251 76532 8 9 4 (40) 2021-4-251 76532 8 9 4 (41) 2021-4-251 76532 8 9 4 (42) 2021-4-251 76532 8 9 4 (43) 2021-4-251 76532 8 9 4 (44) 2021-4-251 76532 8 9 4 (45) 2021-4-251 76532 8 9 4 (46) 2021-4-251 76532 8 9 4 (47) 2021-4-251 76532 8 9 4 (48) 2021-4-251 76532 8 9 4 6、相变应力产 生 的 原 因 ： 不 同 的 组 织 肯 有 不 同 的 密 度 和 不 同的 晶 格 类 型 ， 从 而 具 有 不 同 的 比 体 积 。 如 果 相 变 的 温 度 高 于 金 属 的 塑 性 温 度 TP（ 材 料 屈 服 强 度 为 零 时 的 温 度 ） ， 则 由 于 体 积 处于 完 全 塑 性 状 态 ， 比 体 积 的 变 化 完 全 转 化 为 材 料的 塑 性 状 态 ， 故 不 会 影 响 焊 后 的 残 余 应 力 分 布 。 (49) 2021-4-251 76532 8 9 4 图 3-34钢 材 加 热 和 冷 却 时 的 膨 胀 和 收 缩 曲 线a)相 变 温 度 高 于 塑 性 温 度 b)相 变 温 度 低 于 塑 性 温 度 图 3-34a， 正 反 向 相 变 温 度 均 高 于 600 ， 故 其 相 变 对 低 碳钢 的 焊 接 残 余 应 力 没 有 影 响 。 对 于 碳 含 量 或 合 金 元 素 含 量 较 高 的 高 强 钢 ， 加 热 时 ， 其 相变 温 度 高 于 TP， 冷 却 时 A转 变 温 度 降 低 ， 并 可 能 转 变 为 M， 其转 变 温 度 低 于 TP（ 图 3-34b） 。 这 种 情 况 下 ， 由 于 A M时 ， 其 比 体 积 增 大 ， 不 但 可 抵 消 部 分 焊 接 时 的 压 缩 塑 性 变 形 ， 减小 残 余 拉 应 力 ， 而 且 可 能 出 现 较 大 的 焊 接 残 余 压 应 力 。 (50) 2021-4-251 76532 8 9 4 (51) 2021-4-251 76532 8 9 4 (52) 2021-4-251 76532 8 9 4 三 、 残 余 应 力 的 影 响 (53) 2021-4-251 76532 8 9 4 (54) 2021-4-251 76532 8 9 4 (55) 2021-4-251 76532 8 9 4 (56) 2021-4-251 76532 8 9 4 3 对 受 压 杆 件 稳 定 性 的 影 响 当 外 载 (57) 2021-4-251 76532 8 9 4 (58) 2021-4-251 76532 8 9 4 (59) 2021-4-251 76532 8 9 4 (60) 2021-4-251 76532 8 9 4 (61) 2021-4-251 76532 8 9 4 (62) 2021-4-251 76532 8 9 4 (63) 2021-4-251 76532 8 9 4 5 内 应 力 对 应 力 腐 蚀 开 裂 的 影 响 一 些 焊 接 构 件 (64) 2021-4-251 76532 8 9 4 四 、 焊 接 过 程 中 调 节 内 应 力 的 措 施一 ) (65) 2021-4-251 76532 8 9 4 (66) 2021-4-251 76532 8 9 4 二 ) (67) 2021-4-251 76532 8 9 4 (68) 2021-4-251 76532 8 9 4 (69) 2021-4-251 76532 8 9 4 三 )焊 接 过 程 中 调 节 内 应 力 的 措 施 (70) 2021-4-251 76532 8 9 4 (71) 2021-4-251 76532 8 9 4 (72) 2021-4-251 76532 8 9 4 五 、 焊 后 消 除 残 余 应 力 的 方 法1、 整 体 高 温 回 火 重 要 构 件 多 采 用 整 体 加 热 的 高 温 回 火 的 方 式 来 消 除 残余 应 力 。 热 处 理 的 参 数 的 选 择 因 材 料 而 异 。 如 表 4-3。 (73) 2021-4-251 76532 8 9 4 (74) 2021-4-251 76532 8 9 4 (75) 2021-4-251 76532 8 9 4 (76) 2021-4-251 76532 8 9 4 (77) 2021-4-251 76532 8 9 4 2、 局 部 高 温 回 火 (78) 2021-4-251 76532 8 9 4 (79) 2021-4-251 76532 8 9 4 3、 温 差 拉 伸 法 也 称 低 温 消 除 应 力 法 (80) 2021-4-251 76532 8 9 4 (81) 2021-4-251 76532 8 9 4 (82) 2021-4-251 76532 8 9 4 4、 机 械 拉 伸 法 (83) 2021-4-251 76532 8 9 4 (84) 2021-4-251 76532 8 9 4 5、 振 动 法 (85) 2021-4-251 76532 8 9 4 6、 其 它 方 法 (86) 2021-4-251 76532 8 9 4 六 、 (87) 2021-4-251 76532 8 9 4 (88) 2021-4-251 76532 8 9 4 (89) 2021-4-251 76532 8 9 4 (90) 2021-4-251 76532 8 9 4 (91) 2021-4-251 76532 8 9 4 (92) 2021-4-251 76532 8 9 4 (93) 2021-4-251 76532 8 9 4 (94) 2021-4-251 76532 8 9 4 (95) 2021-4-251 76532 8 9 4 (96) 2021-4-251 76532 8 9 4 (97) 2021-4-251 76532 8 9 4 (98) 2021-4-251 76532 8 9 4 (99) 2021-4-251 76532 8 9 4