焊接应力与变形课件

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,*,*,钢材,-,船体,骨材，加筋板架，舱段，分段合拢,焊接变形与残余应力,焊接,第,8,讲 焊接应力与变形,钢材-船体焊接第8讲 焊接应力与变形,第,8,讲 焊接应力与变形,授课内容,：,几个基本概念,焊接应力与变形,典型焊接变形,第8讲 焊接应力与变形授课内容：,基本概念,一、内应力及产生原因,当物体受到不均匀作用,(,如,局部加热或加压,),就会产生应力，如果作用取消后物体内部还有应力的话，把这种没有外力作用平衡于物体内部的应力，称作内应力。,这种应力存在许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。,基本概念 一、内应力及产生原因,内应力按分布范围分为：,第一类内应力,（宏观，工程中主要研究对象）,第二类内应力（晶粒尺寸）,第三类内应力（晶格尺寸）,基本概念,内应力按分布范围分为：基本概念,内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力,温度应力（热应力）,产生条件：,受热不均匀,温度均匀结果：应力残留或消失,基本概念,内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力温度应力（热应力,举例,举例,残余应力,产生原因：不均匀加热,产生条件：,局部区域产生塑性变形或相变,残余应力产生原因：不均匀加热,基本概念,自由变形,：变形没受到外界阻碍而自由进行,L,T,=,L,0,(T,1,-T,0,),T,=,L,T,/L,0,=,(T,1,-T,0,),外观变形,：能够表现出来变形,L,e,e,=,L,e,/L,0,内部变形,：未表现出来变形,L=,(,L,T,L,e,),=,L/L,0,基本概念自由变形：变形没受到外界阻碍而自由进行,低碳钢应力应变关系,=E,=,E,(,e,T,),焊接变形,1),伸长受阻但可自由收缩,2),伸长受阻自由收缩,-,变形率，,e,-,外观变形率,，,T,-,自由变形率,结论：,1),当,s,时，,杆件可以恢复到原来的长度，则杆件中不存在应力；,2),当,s,时产生残余变形,低碳钢应力应变关系=E=E(e T)焊,研究的前提条件：,平面假设原理,假设一个长度比宽度大得多的板条，当构件受纵向应力或弯矩作用而变形时，在构件中的平截面始终保持是平面。,不均匀温度场作用下的变形和应力,研究的前提条件：平面假设原理不均匀温度场作用下的变形和应力,长板条中心加热,不均匀温度场作用下的变形和应力,假设这个金属板条是由若干互不相连的,小窄条,组成，则每根小窄条都可以按着自己被加热到的温度自由变形。,实际上，组成板条的小窄条之间是互相牵连和约束的整体，截面必须保持平面。由于温度场在板条上的分布是对称的，故端面只作平移。,长板条中心加热不均匀温度场作用下的变形和应力假设这个金属板,截取板条的单位长度研究,温度低，无塑性变形，应力平衡：,温度高，产生塑性变形，残余应力：,截取板条的单位长度研究温度低，无塑性变形，应力平衡：温度高，,不均匀温度场作用下的变形和应力,在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心受压，两边受拉。,温度恢复到原始状态时,当,s,时,，产生,残余应力和塑性变形,，,中心受拉，两边受压,。,不均匀温度场作用下的变形和应力在板条中心对称加热时，板条中产,非对称加热（一侧加热）,板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。,(,二,),长板条一侧加热,非对称加热（一侧加热）板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位,结论：,当,s,时产生,残余应力和残余变形,（如图,2,7,）；,当,s,时不产生残余应力和残余变形；,非对称加热（一侧加热）,结论：非对称加热（一侧加热）,金属高温性能随温度变化,对于低碳钢：,焊接应力与变形,金属高温性能随温度变化焊接应力与变形,受拘束体在热循环中应力与变形,弹性状态，,无残余应力,受拘束体在热循环中应力与变形弹性状态，,-,线膨胀系数,有塑性变形及残余应力,受拘束体在热循环中应力与变形,-线膨胀系数受拘束体在热循环中应力与变形,残余应力等于材料屈服极限,船用低碳钢的延伸率,20%,故不可能产生断裂。,残余应力等于材料屈服极限船用低碳钢的延伸率20%,故不可能,典型焊接温度场,平面假设的适用条件：,焊接速度快,材料导热慢,(,钢,),典型焊接温度场,焊接温度场,在,AB,和,AB,区域中金属完全处于弹性状态，,内应力正比于内部应变值,。在,DD,区域内，金属的温度超过,600,，,s,可视为零,，不产生应力。在,DC,和,DC,区域，温度从,600,降至,500,，屈服极限迅速从零上升到室温时的数值。因此在这两个区域里,内应力的大小是随,s,的增加而增加的,。,焊接温度场在AB和AB区域中金属完全处于弹性状态，内应力,焊接应力应变的演变过程,截面,I,塑性温度最宽处,截面,II,最高温度为,600,截面,III,离热源稍远处,截面,IV,温度恢复到常温,焊接应力应变的演变过程截面I塑性温度最宽处截面III离热源稍,在,截面,I,处，横向温度高于,600,范围内自由变形全部为塑性变形，,应力为零,，横向温度在,600,至,100,范围内，出现,压缩弹性变形和部分塑性变形,，较远处出现拉应力。,在截面,II,处，焊缝中心温度高达,600,，故该处拉应力为零，两侧随温度的降低,拉应力逐渐增大,，在远处出现压应力，压应力达到屈服极限后，产生,压缩塑性变形,。,在截面,III,处，温度进一步下降，材料进一步受到拉伸，拉应力达到,s,。在压应力区，又有一部分材料屈服，压缩塑性变形区稍扩大。,在截面,IV,处，温度恢复至常温，,焊缝中心形成拉伸变形，两侧产生压缩塑性变形,。,焊接应力应变的演变过程,在截面I处，横向温度高于600范围内自由变形,焊接热应变循环,近缝区的两种情况：,a),无相变；,b),有相变,焊接热应变循环近缝区的两种情况：a)无相变；b)有相变,金属在高温时的延性和断裂,产生裂纹三个因素,大小,脆性温度区,T,B,金属塑性,min,1,-,临界条件,2-,不产生裂纹,3-,产生裂纹,金属在高温时的延性和断裂产生裂纹三个因素,焊接瞬态应力变形研究的新发展,有限元法和计算机技术的应用取代简单计算,焊接瞬态应力变形研究的新发展,焊接应力的分类和形成原因,焊接残余应力,-,由于焊接时产生不均匀温度场，导致焊件不,均匀胀缩，冷却后引起的内部残存应力。,焊接残余变形,-,焊接冷却后引起的产生的变形。,具备条件：,2,、变形受到约束,3,、塑性变形,1,、不均匀温度场,焊接应力的分类：纵向、横向和厚度方向,焊接应力的分类和形成原因 焊接残余应力-由于焊接时产,1.,纵向焊接应力,-,自由伸长量,-,共同伸长量,压,拉,加热中间板块,中间板块伸长。由于变形协调，中间变形受到约束共同伸长，中间受压，两端受拉。,冷却：中间回缩，中间受拉，两端受压。,拉压平衡，残留在构件中。,纵向,-,施焊方向,1.纵向焊接应力-自由伸长量-共同伸长量压拉加,冷却收缩时：焊缝附近产生拉应力,焊缝远处产生压应力,1.,纵向焊接应力,冷却收缩时：焊缝附近产生拉应力 1.纵向焊接应力,纵向应力产生的原理,纵向应力产生的原理,自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成。在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样就不会出现内应力。,如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应力，低温部分产生拉应力。,当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸，产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。,纵向应力产生的原因,自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，假设被焊钢板是由,1),焊缝纵向收缩时,钢板有相对弯曲的趋向,中部,拉应力,;,两端,压应力,2.,横向焊接应力,2,）后焊焊缝收缩受限,横向拉应力,;,先焊焊缝,-,压应力,远端,-,拉应力,1)焊缝纵向收缩时,钢板有相对弯曲的趋向,中部拉应力;两端,1),由纵向收缩变形引起的横向应力,两块板对接焊时，相当于两块板进行对称的单边堆焊，其挠曲变形方向相反，由于相互制约，将在,焊缝中部产生横向拉应力,，在,焊缝两端出现横向压应力,。,单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起,挠曲变形,。,横向应力产生的原因,1)由纵向收缩变形引起的横向应力两块板对接焊时，相当于两块,2),由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力,焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对,后冷却部位的横向收缩变形产生制约,，并由此使,后冷却部位产生拉应力,，而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用，因此使,先冷却部位产生压应力,。此外，由于应力平衡的结果，在焊缝的最末段也将产生压应力。,上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。,横向应力产生的原因,2)由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力横向应力产生的原,应力分布状态,应力分布状态,3.,厚度方向焊接应力,焊厚钢板,冷却时,外围先冷固,内层收缩受限,焊缝中部受拉,四周受压,.,3.厚度方向焊接应力 焊厚钢板,冷却时,外围先冷固,当板材较厚，不能按照平面应力假设考虑时，厚度方向的内应力也起作用，这就产生了三轴应力状态，如图,16,。,多轴应力状态下，材料的屈服极限不再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得的结果，甚至可能发生不出现明显屈服就断裂的情况。其断裂强度至少要超过标准屈服极限的二倍。,焊接结构中经常会出现多轴应力状态,应力分布状态,当板材较厚，不能按照平面应力假设考虑时，厚度方向的内应力也起,1.,降低承载能力,2.,引起焊接裂纹，甚至脆断,3.,在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹,4.,引起变形,焊接应力的不利影响,1.降低承载能力焊接应力的不利影响,焊接变形,焊接变形的分类：分七类,纵向收缩变形 横向收缩变形,焊接变形纵向收缩变形 横向收缩变形,(,三,),角变形,产生原因：横向收缩变形，沿厚度方向分布不均匀。,(三)角变形产生原因：横向收缩变形，沿厚度方向分布不均匀。,不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：,M=P,Z,构件的挠度可由下式求得：,式中：,P,-,不对称纵向焊缝形成的偏心力,Z,-,塑性区中心到截面中性轴距离,L,-,构件长度；,I,-,构件截面惯性矩,(,四,),纵向收缩引起的挠曲变形,不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：M=PZ构件的挠度可由下式求,横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。,(,四,),横向收缩引起的挠曲变形,横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横向收缩都将使结构弯曲一个,(,五,),错边变形,纵向热源加热沿横向或厚度方向不对称，导致,长度方向错边,和,厚度方向错边,。,(五)错边变形纵向热源加热沿横向或厚度方向不对称，导致长度方,(,六,),螺旋变形,焊接纵向焊缝时，沿纵向产生不同的角变形，可能导致螺旋变形。,(六)螺旋变形焊接纵向焊缝时，沿纵向产生不同的角变形，可能导,焊接薄板时，在纵向和横向焊缝作用下，薄板内部将产生压应力，当薄板某处的压应力与薄板的刚度,(EI),之间关系超过临界值时，薄板将失稳，形成波浪变形。,(,七,),波浪变形,焊接薄板时，在纵向和横向焊缝作用下，薄板内部将产生压应力，当,产生原因：受压部位失稳,(,七,),波浪变形,产生原因：受压部位失稳(七)波浪变形,焊接变形影响结构尺寸的准确、美观,可能降低结构承载能力（附加弯曲应力）,焊接变形的影响,焊接变形影响结构尺寸的准确、美观焊接变形的影响,焊接变形可能降低结构承载能力举例二,焊接变形的影响,焊接变形可能降低结构承载能力举例二焊接变形的影响,什么是内应力？什么是温度应力？什么是残余应力？,焊接应力的分类和形成原因？,问题,什么是内应力？什么是温度应力？什么是残余应力？问题,