1、,陳信,陳信,焊接應力與變形,本節(jié)主要內容 一、應力和變形的基礎知識； 二、焊接應力與變形的幾個假定； 三、焊接應力與變形產(chǎn)生的原因；,焊接應力與變形的產(chǎn)生,一、應力與變形的基本知識,1.應力物體單位截面上表現(xiàn)的內力。 分類,內力：在外力作用下，材料發(fā)生變形的同時，材料內部還會產(chǎn)生阻止變形的抗力 。,陳信,2.變形物體在外力的作用下，其內部原子的相對位置發(fā)生變化，其宏觀表現(xiàn)為形狀和尺寸的變化。 分類 按物體變形的性質分為： 按變形的拘束條件分為：,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,由焊接熱過程引起的應力和變形就是焊接應力和焊接變形。 焊后，當焊件溫度降至常溫時，殘存于焊件中的應力稱為焊接殘余應力，焊

2、件上不能恢復的變形稱為焊接殘余變形。,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,為了便于討論，對于低碳鋼材料作如下假設：在0500時，屈服點不變，而在500600時，按直線規(guī)律減小到零。600以上時，就變?yōu)樗苄圆牧?鋼受熱時力學性能的變化,陳信,圖所示為金屬桿件進行均勻加熱后的變形過程。當溫度由T0升至T1時，金屬桿件便出現(xiàn)了熱膨脹，如果在伸長過程中不受阻礙，桿長將增加LT，這段長度的改變稱為自由變形，如圖83a所示。同樣，冷卻時又能自由收縮，金屬桿件始終處在自由無約束的狀態(tài)下，不會出現(xiàn)應力和變形。,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,假如金屬桿件在伸長過程中受到阻礙，不能自由地變形，這時的長度變化 量稱為外觀變形

3、L，見圖b。桿件內部因受壓而產(chǎn)生的變形，稱為內 部變形L，內部變形在數(shù)值上等于自由變形和外觀變形之差，即L二LT Le，此時在金屬桿件內將產(chǎn)生壓應力。,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,焊接應力與變形的產(chǎn)生,如果壓應力小于金屬材料的屈服點，則當桿件溫度從T1恢復到T0時，若允許桿件自由收縮，則桿件將恢復到原來長度L0，桿件中不存在應力。 如果桿件溫度很高，產(chǎn)生的壓應力大于材料的屈服點，則桿件產(chǎn)生塑性變形”，在桿件溫度恢復到了。的自由收縮結束后，將比原來縮短，產(chǎn)生了壓縮塑性變形。,陳信,假設焊件是由許多金屬小板條組成，它們互相結合，互相制約。當焊接時，焊件受到局部不均勻的加熱和冷卻，焊接接頭各區(qū)域會出

4、現(xiàn)不同程度的熱脹和冷縮。溫度高、伸長大的板條要受到相鄰的溫度低、伸長小的板條的壓縮；相反，溫度低、伸長小的板條要受到溫度高、伸長大的板條的拉抻。,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,在鋼板的兩側產(chǎn)生拉應力，中間產(chǎn)生壓應力。當壓應力超過材料的屈服點時，就產(chǎn)生壓縮塑性變形，即圖a中虛線所圍繞的空白部分。 由于鋼板是一個整體，中間部分的收縮要受到兩邊的牽制，所以實際收縮變形如圖中實線所示，即鋼板總長縮短了L。在鋼板的兩側產(chǎn)生壓應力，而鋼板中間，因沒有完全收縮，則產(chǎn)生了拉應力。,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,三、焊接應力與變形產(chǎn)生的原因 根本原因焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮。,1

5、.桿件的不均勻受熱.,焊接應力與變形的產(chǎn)生,（1）長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應力與變形。,鋼板條中心加熱和冷卻時的應力與變形,陳信,（2）長板條一側加熱（相當于板邊堆焊）引起的應力與變形。,焊接應力與變形的產(chǎn)生,鋼板邊緣一側加熱和冷卻時的應力與變形,陳信,(3)桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時皆不能自由變形的變形和應力。,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,(4)長板條非對稱加熱引起的變形和應力,焊接應力與變形的產(chǎn)生,陳信,本節(jié)主要內容： 一、焊接變形的種類 二、控制焊接變形的措施 三、矯正焊接變形的措施,焊接殘余變形,陳信,一、焊接變形的種類 焊接變形分為5種基本變形形式：收縮變形、角變形、

6、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。,焊接殘余變形,陳信,1收縮變形焊件尺寸比焊前縮短的現(xiàn)象稱為收 縮變形。分為縱向縮短和橫向縮短。,焊件在焊后沿焊縫長度方間的收縮稱為縱向縮短。 焊件在焊后垂直于焊縫方向的收縮叫橫向縮短。,焊接殘余變形,陳信,2角變形,角變形產(chǎn)生的根本原因：由于焊縫的橫向收縮沿板厚分布不均勻所致。角變形的大小以變形角進行度量。,焊接殘余變形,幾種接頭的角變形,T形接頭的角變形,陳信,3. 彎曲變形,彎曲變形主要是結構上的焊縫布置不對稱或焊件斷面形狀不對稱，焊縫收縮引起的變形。 彎曲變形的大小用撓度進行度量撓度是指焊后焊件的中心軸偏離焊件原中心軸的最大距離。,焊接殘余變形,陳信,（1

7、）縱向收縮引起的彎曲變形,焊縫的縱向收縮引起的彎曲變形,（2）橫向收縮引起的變曲變形,焊縫的橫向收縮引起的彎曲變形,陳信,4.波浪變形,波浪變形常發(fā)生于板厚小于6mm的薄板焊接過程中，又稱之為失穩(wěn)變形。,焊接殘余變形,焊縫角變形引起的波浪變形,陳信,5.扭曲變形,產(chǎn)生扭曲變形的原因主要是焊縫角變形沿焊縫長度方向分布不均勻。 一般發(fā)生在有數(shù)條平行的長焊縫的焊件上，如焊接工形梁。扭曲變形的產(chǎn)生往往與焊接方向或順序不當有關。,焊接殘余變形,工字梁的扭曲變形,陳信,焊接殘余變形,陳信,二、控制焊接變形的措施,1. 設計措施 （1）合理地選擇焊縫的尺寸和形狀（如圖） 在保證結構承載力的情況下,盡可能采用

8、較小的焊縫尺寸, 減少熱輸入對材料性能的影響, 并降低成本。,相同承載力的十字接頭,箱形梁的不同接頭形式,焊接殘余變形,陳信,（2）合理選擇焊縫長度和數(shù)量 只要允許，多采用型材、沖壓件；焊縫多且密集處，可以采用鑄焊聯(lián)合結構，就可以減少焊縫數(shù)量。此外，適當增加壁板厚度，以減少肋板數(shù)量，或者采用壓型結構代替肋板結構，都對防止薄板結構的變形有利。,某人行天橋加強筋狀況,焊接殘余變形,陳信,（3）合理地安排焊縫的位置 安排焊縫盡可能對稱與截面中性軸,或使焊縫接近中性軸, 這對減少梁柱的撓曲變形有良好的效果。,箱形和工字梁的焊縫布置（后者較好）,焊接殘余變形,陳信,2.工藝措施 （1）反變形法 ( 如圖

9、),幾種反變形措施,焊接殘余變形,陳信,（2）留余量法 在下料時，將零件的實際長度或寬度尺寸比設計尺寸適當加大，以補償焊件的收縮。 留余量法主要用于防止焊件的收縮變形。,焊接殘余變形,陳信,（3）剛性固定法 1） 將焊件固定在剛性平臺上。,焊接殘余變形,薄板拼接時的剛性固定,陳信,2）將焊件組合成剛性更大或對稱的結構。,焊接殘余變形,T形梁的剛性固定和反變形,陳信,3）利用焊接夾具增加結構的剛性和拘束。,焊接殘余變形,對接拼板時的剛性固定,陳信,4）利用臨時支撐增加結構的拘束。,焊接殘余變形,防護罩焊接時的臨時支撐,陳信,（4） 選擇合理的裝配焊接順序。裝配焊接順序對焊接結構變形的影響很大。

10、1）大型而復雜的焊接結構，只要條件允許，把它分成若干個結構簡單的部件，單獨進行焊接，然后再總裝成整體。 2）正在施焊的焊縫應晝靠近結構截面的中性軸。,焊接殘余變形,主梁裝配焊接,陳信,3）對于焊縫非對稱布置的結構，裝配焊接時應先焊焊縫少的一側。,壓力機壓型上模的焊接順序,焊接殘余變形,陳信,4）焊縫對稱布置的結構，應由偶數(shù)焊工對稱地施焊。,焊接殘余變形,圓筒體對接焊縫焊接順序,陳信,5）長焊縫（1m以上）焊接時，可采用下圖所示的方向和順序進行焊接，以減小其焊后的收縮變形。,焊接殘余變形,陳信,（5）合理地選擇焊接方法和焊接工藝參數(shù),焊接殘余變形,非對稱截面結構的焊接,陳信,（6）熱平衡法 采用

11、熱平衡法防止焊接變形,焊接殘余變形,陳信,（7）散熱法 散熱法示意圖,焊接殘余變形,陳信,三、矯正焊接變形的措施,1. 手工矯正法 2. 機械矯正法 用機械方法矯正變形的原理就是將縮短的尺寸拉長，使之與較長的部分相適應，從而恢復到原來的尺寸，或達到技術條件對幾何尺寸的要求。 機械矯正法會使金屬材料因冷作硬化而變脆，并產(chǎn)生附加應力，因此一般適用于變形不大的小型結構件。,焊接殘余變形,機械矯正法矯正梁的彎曲變形,陳信,3.火焰加熱矯正法 火焰矯正的原理與機械矯正相反，它是通過局部加熱并隨之快冷，使焊件伸長的部位縮短，達到矯正變形的目的。 火焰加熱的方式有點狀加熱、線狀加熱和三角形加熱。 此法一般使

12、用的是氣焊炬，不需專門設備。操作簡單方便，機動靈活，可以在大型復雜結構上進行矯正。,焊接殘余變形,陳信,（2）線狀加熱,（1）點狀加熱,焊接殘余變形,陳信,（3）三角形加熱 工字梁彎曲變形的火焰矯正 火焰加熱矯正焊接變形的取決于下列三個因素： （1）加熱方式 （2）加熱位置 （3）加熱溫度和加熱區(qū)的面積,焊接殘余變形,陳信,焊接殘余應力,本節(jié)主要內容： 一、焊接殘余應力的分類； 二、焊接殘余應力的分布； 三、焊接殘余應力對焊接接頭的影響； 四、減小焊接殘余應力的措施； 五、消除殘余應力的措施； 六、焊接殘余應力的測定方法。,陳信,概念如果不均勻的溫度場所造成的內應力達到材料的屈服極限，使構件局

13、部發(fā)生塑性變形（加熱桿件中將出現(xiàn)壓縮塑性變形），當溫度恢復均勻后，產(chǎn)生的內應力會殘留在物體里。故稱之為殘余應力。,焊接殘余應力,陳信,一、焊接殘余應力的分類：,按應力的分布范圍 根據(jù)結構中的空間位置,焊接殘余應力,陳信,根據(jù)應力與焊 縫的相對位置 根據(jù)應力產(chǎn)生 作用的時間 根據(jù)應力 形成原因,焊接殘余應力,陳信,二、焊接殘余應力的分布,1. 縱向殘余應力 的分布,焊接殘余應力,對接接頭 在焊縫橫截面上的分布,陳信,2. 橫向殘余應力 分布,由縱向焊接應力引起的 橫向應力分布,不同焊接方向時 橫向應力分布,焊接殘余應力,（1）焊接及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應力,（2） 橫向收縮年引起

14、的機工向應力,陳信,3. 厚板焊接接頭中的殘余應力分布 厚板（大于20mm）焊接接頭中存在三維的殘余應力。,厚板焊接接頭中的殘余應力分布,焊接殘余應力,陳信,4.在拘束狀態(tài)下焊接的殘余應力 由于焊接時的焊縫收縮會受到拘束力的制約，產(chǎn)生相應的內應力，將和自由狀態(tài)下焊接相似的橫向（縱向）應力疊加。,在拘束狀態(tài)下焊接的殘余應力,焊接殘余應力,陳信,5.在封閉焊縫中殘余應力的分布：,焊接殘余應力,陳信,1.對靜載強度的影響 只要材料有足夠的延性，能夠進行塑性變形，內應力的存在不影響構件的承載能力，對強度無影響。 如果材料處于脆性狀態(tài)時，應力達到強度極限時，構件將發(fā)生局部破壞，最后導致構件斷裂。,三、焊

15、接殘余應力對焊接接頭的影響,焊接殘余應力,陳信,2.殘余應力對疲勞強度的影響 在疲勞節(jié)段專門進行講解。 3.殘余應力對機械加工精度的影響 機械加工后，原內應力的平衡打破，工件將產(chǎn)生變形。,焊接殘余應力,機械加工引起內應力釋放和變形,陳信,4.殘余應力對受壓桿件的影響 波浪變形是構件由于內應力產(chǎn)生構件局部失穩(wěn)造成。 當桿件的長細比（大于150),失穩(wěn)臨界應力本來就低,或內應力較低時,外載應力與殘余應力之和在失穩(wěn)之前未達到屈服極限,殘余應力對穩(wěn)定性不會產(chǎn)生影響。,焊接殘余應力,陳信,當桿件的較小(小于30),相對偏心又不大（小于0.1），其失穩(wěn)臨界應力主要取決于桿件的全面屈服，內應力也不致產(chǎn)生影響

16、。 對翼緣寬厚比較大的H型截面，壓縮殘余應力將降低翼緣的局部穩(wěn)定性。 局部失穩(wěn)可能造成桿件整體失穩(wěn)。,焊接殘余應力,陳信,5.殘余應力1對剛度的影響 構件中存在與外力方向一致的殘余應力1 ，而1數(shù)值又達到屈服極限，則在外力作用下，剛度將降低，而且卸載后構件的原尺寸也不能復員。 6.殘余應力對應力腐蝕（開裂）的影響 焊接接頭區(qū)域往往比其他部位的腐蝕速度快，就是因為該區(qū)域存在著較大的焊接殘余應力。 在拉應力和腐蝕介質共同的作用下引起材料產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象稱為應力腐蝕。,焊接殘余應力,陳信,四、減小焊接殘余應力的措施 1.設計措施:設計上減小焊接應力的核心：正確布置焊縫，以避免應力疊加。 1）盡量減少結

17、構上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。 2）避免焊縫過分集中，焊縫間應保持足夠的距離。,焊接殘余應力,3）采用剛性較小的接頭形式。,容器接管焊接,減小接頭的剛性措施,陳信,帶蓋板的雙工字梁結構焊接順序,2. 工藝措施,1） 采用合理的裝配焊接順序和方向。, 在一個平面上的焊縫，焊接時，應保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由。,拼接焊縫合理的裝配焊接順序, 收縮量最大的焊縫應先焊。,焊接殘余應力,陳信, 工作時受力最大的焊縫應先焊。,焊接殘余應力,對接工字梁的焊接順序, 平面交叉焊縫焊接時，在焊縫的交叉點易產(chǎn)生較大的焊接應力。,平面交叉焊縫的焊接順序,陳信,焊接殘余應力, 對接焊縫與角焊縫交叉的結構。,2）

18、預熱法。 3）冷焊法。 4）降低焊縫的拘束度。,降低局部剛度減少內應力,陳信,焊接殘余應力,5）加熱“減應區(qū)”法。,加熱“減應區(qū)”法示意圖,陳信,五、消除殘余應力的措施,注：振動法的優(yōu)點，從應力消除效果看，振動法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設備簡單，價廉，處理成本低，時間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優(yōu)點。,焊接殘余應力,陳信,六、焊接殘余應力的測定,1.應力測定方法的分類 按其對結構的是否破壞來分 按測試原理分,焊接殘余應力,陳信,應力釋放法,原理：利用構件在機加工后應力部分釋放，回產(chǎn)生變形來重新分布應力來達到平衡，利用應力應變關系來求出應力。屬于此法的有切條法，車削法，刨削法，套孔法，小孔法。,焊接殘余應力,陳