焊接应力与变形

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 焊接应力与变形,第一节 焊接应力与变形的产生,第二节 焊接残余应力,第三节 焊接变形,焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。,1,第一节 焊接应力与变形的产生,一、焊接应力与变形的基本知识,二、研究焊接应力与变形的基本假定,三、焊接应力与变形产生的原因,返回,2,焊接应力与变形的基本知识,1. 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。变形可分为弹性和塑性变形。,按拘束条件分为自由变形和非自由变形;而非自由变形中有外观变形和内部变形两种，,如图1-1,。,2.应力：,物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力。,按引起内力原因的不同，可分为工作应力和内应力。,内应力的显著特点：在物体内部，内应力是自成平衡的，形成一个平衡力系。,3.焊接应力与焊接变形：,焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。,焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。,返回,3,图1-1 金属杆件的变形,a),自由变形,b),非自由变形,返回,L,T,是自由变形：,L,T,=L-L,0,（,如图,a),Le,是外观变形，,L,是内部变形：,L=,L,T,-,Le,（,如图,b),T,是自由变形率：,T,=,L,T,/ L,0,=,(T-T,0,),外观变形率,e,=,Le,/ L,0,内部变形率,=,L,/ L,0,4,研究焊接应力与变形的基本假定,金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：,1.平截面假定：,假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。,2.金属性质不变的假定：,假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。,3.金属屈服点假定：,如图1-2,。,4.焊接温度场假定：,假定焊接温度场不随时间而改变。,返回,5,图1-2 低碳钢的屈服点与温度的关系,在500,以下，屈服点与常温相同，不随温度而变化；500,600,之间，屈服点迅速下降；600,以上时呈全塑性状态，即屈服点为零,返回,6,焊接应力与变形产生的原因,1.焊件的不均匀受热：,2.焊缝金属的收缩：,3.金属组织的变化：,钢在加热与冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织的比体积不一样，由此造成焊接应力与变形。,4.焊件的刚性和拘束：,焊件自身的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。,返回,7,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与变形：,冷却后不会有任何残余应力与变形。,（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：,1）当加热温度,TTs,时，可能出现以下三种情况：,a),如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形面无残余应力。,b),如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力。,c),如果杆件收缩 不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。,（3）长板条中心加热引起的应力与变形：,如图1-3,。,（4）长板条一侧加热引起的应力与变形：,如图1-4,。,下一页,8,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,返回,9,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,a),b),c),d),e),返回,10,由上述讨论可知：,1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形 。,2）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。,3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。,4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力,。,返回,11,第三节 焊接变形,一、焊接变形的种类及其影响因素,二、控制焊接变形的措施,三、矫正焊接变形的方法,返回,12,焊接变形的种类及其影响因素,按照变形的外观形态来分，可分为：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形，,如图1-29,1.,收缩变形,：焊件尺寸比焊前缩短的现象，,如图1-30,2.,角变形,：产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致，,如图1-34,3.,弯曲变形,：是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的,4.波浪变形：常发生于板厚小于6,mm,的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形。,通过降低焊接残余应力和提高焊件失稳临界应力来防止波浪变形。此外，角变形也可能产生类似的波浪变形，,如图1-39,5.扭曲变形：主要是因为焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀所引起的。,如图1-40,返回,13,收 缩 变 形,（1）,纵向收缩变形,：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短,（2）,横向收缩变形,：指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。,返回,14,纵向收缩变形的影响因素,1）焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小,2）,焊缝的长度越长，焊件的纵向收缩量越大,3）多层焊时每层焊缝所产生的压缩塑性变形比单层焊时小，,如图1-31,4）焊件的原始温度提高，焊后纵向收缩量增大,5）线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大,返回,15,图1-29,a),b),c),d),e),图1-29 焊接变形的基本变形形式,a),收缩变形,b),角变形,c),弯曲变形,d),波浪变形,e),扭曲变形,返回,16,图1-30,图1-30 纵向和横向收缩变形,返回,17,图1-31,图1-31 单层焊和双层焊的塑性变形区对比,a),单层焊,b),双层焊,为第一层焊缝产生的塑性变形区,为第二层焊缝产生的塑性变形区,返回,18,横向收缩变形的影响因素,1）横向收缩变形总是随焊接热输入增大而增加。,2）装配间隙增加，横向收缩也增加，,如图1-32,3）横向收缩量沿焊缝长度方向分布不均匀，一般焊缝的横向收缩沿焊接方向是由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。,4）定位焊缝越长，装夹的拘束程度越大，横向收缩变形量就越小,5）对接接头的横向收缩量是随焊缝金属量的增加而增加大的,6）焊接方法对横向收缩量也有影响。,7）角焊缝的横向收缩要比对接焊缝的横向收缩小得多。,返回,19,图1-32,图1-32 带间隙平板对接焊的横向收缩变形过程,返回,20,角变形的影响因素,1）当热输入一定时，板厚越大，角变形越大，但当板厚大到一定程度时，角变形反而减小。,2）板厚一定，热输入增大，角变形也增加，但热输入增大到一定程度时，角变形反而减小,3）对接接头坡口截面不对称的焊缝，其角变形大；坡口角度越大，角变形越大,4）多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大。,5）多层多道焊比多层焊角变形大。,6）焊接顺序也会影响角变形的大小，,如图1-35,7）对于,T,形接头，可通过开坡口和减小焊脚尺寸来减小角变形。,返回,21,图1-34,a),b),c),图1-34 几种接头的角变形,a),堆焊,b),对接接头,c)T,形接头,返回,22,图1-35,a),b),c),d),图1-35 角变形与焊接顺序的关系,a),对称坡口非对称焊,b),对称坡口对称交替焊,c),对称坡口非对称焊,d),非对称坡口非对称焊,返回,23,弯曲变形的影响因素,（1）纵向收缩引起的弯曲变形：,如图1-37,所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。,当焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。,（2）横向收缩引起的弯曲变形：焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时引起的，,如图1-38,返回,24,图1-37,图1-37 焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形,返回,25,图1-38,图1-38 焊缝横向收缩引起的弯曲变形,返回,26,图1-39,图1-39 焊接角变形引起的波浪变形,返回,27,图1-40,返回,28,控制焊接变形的措施,1.设计措施,（1）选择合理的焊缝形状和尺寸：,（2）,减少焊缝的数量,：,（3）合理安排焊缝位置：,如图1-43,、,图1-44,2.工艺措施,（1）留余量法：,（2）,反变形法,：主要用于控制角变形和弯曲变形,（3）,刚性固定法,：,（4）,选择合理的装配焊接顺序,：,（,5）合理地选择焊接方法和焊接参数：,如图1-56,（6）热平衡法：,如图1-57,（7）散热法：,如图1-58,返回,29,图1-41、42,返回,b),a),图1-42,T,形接头的坡口,a),角变形大,b),角变形小,图1-41 相同承载能力的十字接头,1）选择最小的焊缝尺寸,2）选择合理的坡口形式,30,图1-43,返回,31,图1-44,a),b),图1-44 合理安排焊缝位置防止焊接变形,a),不合理,b),合理,返回,32,图1-45,a),b),c),图1-45 无外力作用下的反变形法,a),平板对接焊,b),电渣对接立焊,c),工字梁翼板反变形,下一页,33,图1-47,图1-47 弹性支撑法,a)、b)、c),具有单面纵向焊缝的空心梁,d),具有单面横向焊缝的空心梁,e),在焊接转胎上焊接,有外力作用下的反变形,返回,a),b),c),d),34,刚性固定法,1）将焊件固定在刚性平台上，,如图1-48,2）将焊件组合成刚度更大或对称的结构，,如图1-49,3）利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束，,如图1-50,4）利用临时支撑增加结构的拘束，如图1-51,返回,35,图1-48,图1-48 薄板拼接时的刚性固定,返回,36,图1-49,图1-49,T,形梁的刚性固定与反变形,返回,37,图1-50,图1-50 对接拼板时的刚性固定,返回,38,选择合理的装配焊接顺序,1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体。,2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，,如图1-52,3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，,如图1-53,4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，,如图1-54,5）长焊缝焊接时，可采用,图1-55,所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形,返回,39,图1-52,a),b),图1-52 主梁装配焊接,a),形梁结构示意图,b),形梁的装配焊接方案,返回,a),b),40,图1-53,a),b),c),d),图1-53 压力机压型上模的焊接顺序,a),压型上模结构图,b)、c)、d),焊接顺序,返回,41,图1-54,图1-54 圆筒体对接焊缝的焊接顺序,返回,42,图1-55,a),b),c),d),图1-55 长焊缝的几种焊接顺序,返回,43,图1-56,图1-56 非对称截面结构的焊接,返回,44,图1-57,图1-57 采用热平衡法防止焊接变形,返回,45,图1-58,a),b),c),图1-58 散热法示意图,a),水浸法散热,b),喷水法散热,c),散热垫法散热,返回,46,矫正焊接变形的方法,1.手工矫正法:,主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形,2.机械矫正法：,适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件，,如图1-59,3.火焰加热矫正法：,利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形,（1）点状加热，,如图1-60,（2）线状加热，,如图1-61,（3）三角形加加热，,如图1-62,火焰矫正变形的效果取决于三个因素：,（1）加热方式,（2）加热位置,（3）加热温度和加热面积,返回,47,图1-59,图1-59 机械矫正法,返回,48,图1-60,图1-60 点状加热,返回,49,图1-61,a),b),c),图1-61 线状加热,a),直通加热,b),链状加热,c),带状加热,返回,50,图1-62,图1-62 工字梁弯曲变形的火焰矫正,返回,51,第二节 焊接残余应力,一、焊接残余应力的分类,二、焊接残余应力的分布,三、焊接残余应力对焊接结构的影响,四、减小焊接残余应力的措施,五、消除焊接残余应力的方法,六、焊接残余应力的测定,返回,52,焊接残余应力的分类,1.按应力在焊件内的空间位置分：,（1）一维空间应力：即单向（或单轴）应力,（2）二维空间应力：即双向（或双轴）应力,（3）三维空间应力：即三向（或三轴）应力,2.按产生应力的原因分：,（1）热应力：又叫温差应力。它是在焊接过程中，焊件内部温度有差异引起的应力。,（2）相变应力：焊接过程中，局部金属发生相变，其体积增大或减小而引起的应力,（3）塑变应力：金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。,3.按应力存在的时间分：,（1）焊接瞬时应力：焊接过程中，某一瞬时的焊接应力。,（2）焊接残余应力：焊件焊完冷却后残留在焊件内的应力。,返回,53,焊接残余应力的分布,1.纵向残余应力,x,的分布:,2.横向残余应力,y,的分布,3.特殊情况下的残余应力分布,返回,54,纵向残余应力,x,的分布,作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。,在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力，一般可达到材料的屈服点，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。,如图1-5、图1-6、图1-7,返回,55,横向残余应力,y,的分布,垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，我们将其分为两部分讨论：,（1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力,y,如图1-8、图1-9,（2）,横向收缩所引起的横向残余应力,y,：一条焊缝先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分又限制后冷却部分的横向收缩，这就引起了,y,，,如图1-10,总之，横向残余应力的两个组成部分同时存在，焊件中的横向残余应力,y,是由,y,和,y,合成的。,返回,56,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,返回,57,图1-8 纵向收缩引起的横向残余应力,y,的分布,图1-8 纵向收缩引起的横向残余应力,y,的分布,a),b),c),a),b),c),图1-9 不同长度平板对接焊时,y,的分布,a),短焊缝,b),中长焊缝,c),长焊缝,返回,58,图1-10 不同方向焊接时,y”,的分布,图1-10 不同方向焊接时,y,的分布,a),b),返回,59,特殊情况下的残余应力分布,（1）厚板中的焊接残余应力：,除有纵向和横向残余应力外，在厚度方向还有较大的残余应力,z,如图1-11,（2）在拘束状态下的焊接残余应力：,如图1-12,（3）封闭焊缝中的残余应力：,如图1-13,（4）焊接梁柱中的残余应力：,如图1-14,（5）环形焊缝中的残余力：,如图1-15,返回,60,图1-11,图1-11 厚板电渣焊中沿厚度方向的残余应力分布,a),z,在厚度上的分布,b),x,在厚度上的分布,c),y,在厚度上的分布,b),c),a),返回,61,图1-12,图1-12 拘束状态下对接接头的横向残余应力分布,a),拘束状态下的焊接,b),拘束横向残余应力,c),焊接横向残余应力,d),合成横残余应力,a),b),c),d),返回,62,图1-13,图1-13 圆形镶块闭焊缝的残余应力,a),封闭焊缝,b),和,r,的分布,a),b),返回,63,图1-14,图1-14 焊接梁柱的纵向残余应力分布,a),焊接,T,形梁的残余应力,b),焊接工字梁的残余应力,c),焊接箱形梁的残余应力,a),b),c),返回,64,图1-15 圆筒环缝纵向残余应力分布,图1-15 圆筒环缝纵向残余应力分布,返回,65,焊接残余应力对焊接结构的影响,1.对焊接结构强度的影响：,焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。,2.对构件加工尺寸精度的影响：,为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。,3.对受压杆件稳定性的影响：,若能使有效截面远离压杆中性轴，可以改善其稳定。,为了保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力，有些重要结构，焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。,返回,66,减小焊接残余应力的措施,1.设计措施,（1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸：,（2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离：,如图1-17,（3）采用刚度较小的接头形式：,如图1-18,2.工艺措施,（1）,采用合理的装配焊接顺序和方向：,（2）预热法：,（3）冷焊法：尽量采用小的焊接热输入，选用小直径焊条、小电流、快速焊及多层多道焊。,（4）降低焊缝的拘束度：,如图1-25,（5）加热“减应区”法：此法在铸铁补焊中应用最多，,如图1-26,返回,67,图1-17,返回,图1-17 容器接管焊缝,68,图1-18,b),返回,a),b),图1-18 焊接管的连接,a),插入式,b),翻边式,69,采用合理的装配焊接顺序和方向,a),应保证焊缝纵向和横向收缩均能比较自由，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝，,如图1-20,b),收缩量最大的焊缝应先焊：,如图1-21,c),工作时受力最大的焊缝应先焊：,如图1-22,d),平面交叉焊缝的焊接顺序：,如图1-23,e),对接焊缝与角接焊缝交叉的结构：,如图1-24,返回,70,图1-20,拼接焊缝合理的装配焊接顺序,返回,1,2,3,4,5,6,7,8,9,71,图1-21,图1-21 带盖板的双工字梁结构焊接顺序,返回,72,图1-22,图1-22 对接工字梁的焊接顺序,返回,73,图1-23,图1-23 平面交叉焊缝的焊接顺序,a),b),c),d),返回,74,图1-24,图1-24 对接焊缝与角焊缝交叉,返回,75,图1-25,a),b),图1-25 降低局部刚度减少内应力,a),平板少量翻边,b),镶板压凹,返回,76,图1-26,受热后冷却收缩区,热膨胀或冷却收缩方向,图1-26 加热“减应区”法示意图,a),加热过程,b),冷却过程,返回,被加热的减应区,77,在下列情况中一般应考虑消除内应力,1）在运输、安装、起动和运行中可能遇到低温，有发生脆性断裂危险的厚截面焊接结构。,2）厚度超过一定限度的焊接压力容器。,3)焊后机械加工量较大，不消除残余应力难以保证加工精度的结构。,4）,对尺寸稳定性要求较高的结构。,5）有应力腐蚀危险的结构。,下一页,78,消除焊接残余应力的方法,1.热处理法,（1）整体热处理,（2）局部热处理,2.机械拉伸法：在构件上施加一定的拉应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相抵消一部分，达到松弛焊接残余应力的目的。,3.温差拉伸法：采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。,4.锤击焊缝：,5.振动法：,返回,79,焊接残余应力的测定,1.机械方法：也称应力释放法，它是利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。,（1）切条法：只适用于实验室中进行研究工作。,（2）钻孔法：它适用于焊缝及其附近小范围内残余应力的测定。,2.物理方法 ：是一种非破坏性测定残余应力的方法。,（1）磁性法：是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。,（2）X射线衍射法：是根据测定金属晶体的晶格常数在应力作用下发生的变化来测定残余应力，它是一种无损测量法。,（3）超声波法：它是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的。,返回,80,