《教材n8-焊接应力与变形讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《教材n8-焊接应力与变形讲义（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第八章 焊接应力与变形第一节 焊接应力与变形的产生及危害一、焊接应力及变形的一些基本概念为了更好地把握焊接应力和焊接变形，首先让我们先来了解应力和变形的一些基本概念。1应力和内应力当物体受到外力作用下，物体内部就同时产生一种与外力平衡的抗力，单位面积上的抗力就称为应力。应力根据其作用的方向分为压应力和拉应力，这种应力往往随外力去除而消失。内应力是在没有外力作用下平衡于物体内部的应力。这种应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。同时在焊件加工过程中也会产生内应力，如机械加工、金属切割和焊接等。2焊接应力和焊接残余内应力顾名思义，焊接应力就是因焊接而产生的存在焊件内的内应力。焊
2、接应力根据其产生的主要原因分为：温度应力（又称为热应力）和组织应力（又称为相变应力）。热应力是由于构件受热不均匀而存在着温度差异，各处膨胀变形或收缩变形不一致互相约束而产生的内应力。在焊接过程中，由于不均匀的局部加热和冷却会形成较大的热应力。组织应力是由于固态相变引起体积变化并受到约束而产生的内应力。在焊接过程中，热应力和组织应力是一种瞬态应力，随焊接过程而变化。如果应力低于金属材料的屈服点，变形均在弹性范围内，焊件冷却到室温后，应力将随之消失；反之，如果焊接达到金属材料的屈服点，材料将发生局部塑性变形，那么当焊件冷却到室温后，焊件中就存在残存的应力，这种应力称为焊接残余内应力。我们通常所说的
3、焊接应力一般指焊接残余内应力。3变形及焊接变形任何物体在外力或热作用下都会产生形状和尺寸变化，这种现象称为变形。当变形在外力去除后能恢复到原来形状和尺寸的变形称为弹性变形；当外力去除后变形仍然存在，这种永久性的变形称为塑性变形。焊接变形是由于焊接热或机械作用而引起的变形。焊接过程中，焊件在热源作用下温度受热膨胀，热源移开后焊件冷却收缩，这种膨胀和收缩是焊接过程中的瞬态变形。当这种膨胀和收缩在不均匀加热、约束等多种因素相互作用下，会导致焊件焊接后的尺寸收缩、弯曲和翘曲变形，这些变形都是焊接残余变形。我们一般讲的焊接变形是指焊接残余变形。二、焊接应力及变形产生的基本原理下面我们举例来阐述焊接应力和
4、变形产生的基本原理。表8-1以长杆加热和冷却过程为例，说明加热和冷却受约束条件下的残余应力和残余变形产生的简单原理。表8-1 长杆在加热冷却过程中产生的应力和变形原理过程条件杆件变形和受力示意图变形过程说明应力变化过程说明在一端自由状态下将杆加热到温度T，再冷却到原始温度杆件加热时自由升长，升长量L，冷却时自由缩短，缩短量L，最终杆件无变形无应力在一端自由状态下将杆加热到温度T，然后另一端固定再冷却到原始温度杆件加热时自由伸长，伸长量L，冷却时不能自由缩短，最终杆件保持原有变形L=Ls+le, Ls为弹性变形, le为塑性变形，加热时无应力，冷却后产生拉应力一端刚性固定，一端膨胀受阻将杆加热到
5、温度T，再冷却到原始温度1、杆件加热时应升长L，但由于约束实际升长量为零，杆被压缩产生了弹性变形Ls和塑性变形le；L=Ls+le2、杆件冷却时，杆件自由缩短，缩短量应为L，同时加热时的弹性压缩变形恢复，最终杆件收缩le，加热时产生压应力，冷却后无应力两端刚性固定，将杆加热到温度T，再冷却到原始温度1、杆件加热时应升长L，但由于约束实际升长量为零，杆被压缩产生了弹性变形Ls和塑性变形le；L=Ls+le2、杆件冷却时，温度收缩量应为L，由于杆件不能自由缩短，最终杆件无变形，但内部产生拉伸弹性变形和塑性变形。加热时产生压应力，冷却后存在拉应力金属杆件实例分析了构件均匀加热不同约束条件下的变形和应
6、力情况。实际上，焊接的加热冷却和约束情况更为复杂，表现在焊接温度场是极不均匀的，焊缝周围金属对焊缝金属的约束随着焊接过程而不断变化，同时材料的性能随温度变化而变化，构件的形状和尺寸表现出多种多样，焊缝分布的位置也千差万别等等，因此其应力和变形十分复杂。三、焊接应力和变形产生的原因焊接应力和变形产生的根本原因是焊接的不均匀加热和材料的组织相变。关于焊接不均匀加热，前面已做分析，下面重点分析组织相变。我们知道，不同组织的体积不一样，当金属加热和冷却时如发生相变会产生体积变化，奥氏体转变为铁素体或马氏体，其体积将增大，反之体积将缩小。在焊接过程中，一部分金属在焊接热循环作用下发生相变，组织的转变引起
7、体积变化，这样也会产生应力和变形。这种现象在焊接合金钢时尤为明显。低碳钢的相变点AC1温度较高（约723），材料在此温度呈完全塑性状态，此时奥氏体转变时发生的体积变化不受任何阻力，所以对以后的应力和变形不产生影响。有淬火倾向的合金钢则不同，这些钢焊后在较低温度（一般为200350）下发生马氏体转变，这时材料已完全恢复弹性，马氏体转变时体积膨胀受到周围金属的约束而产生压缩变形和压应力，这样就产生了所谓的相变应力。在焊接的过程中，由于接头形式的不同，焊接熔池内熔化金属的散热条件有所差别，使得熔化金属凝固时产生的收缩量亦不相同。这种熔化金属凝固、冷却快慢不一引起收缩变形的差别也会导致焊接应力和变形的
8、产生。四、焊接应力及变形的危害1焊接应力的危害焊接应力直接影响焊接结构的性能、安全可靠性。首先，焊接应力影响构件的尺寸稳定性和机械加工精度。焊接应力是平衡于焊件内的内应力，会随着时间和温度而发生失效，拉、压应力峰值会逐渐减小，应力重新分配而导致焊件变形。另一方面当对焊接构件进行机械加工时，机械切削将一部分金属加工掉，那其应力也就得到释放，焊件内应力将重新平衡而变形，在焊件从夹具上松开后表现出来。其次，焊接应力影响结构的承载能力。当部件承受载荷时，焊接应力与工作应力叠加，使总的应力水平提高。如果材料有足够的塑性，局部应力水平达到材料的屈服强度，会产生塑性变形，此时应力不断增加，塑性变形不断增大，
9、不断消耗材料的塑性，材料的塑性耗尽就发生破坏。如果材料没有足够的塑性，不能产生一定的塑性变形，结构不能进行应力均匀化，应力峰值会随工作应力不断增加，应力峰值超过材料的抗拉强度时，构件就会发生局部破坏。再者，焊接应力会产生应力腐蚀裂纹，当裂纹扩展到某一临界值，焊件就会产生低应力脆性断裂。焊接应力还会影响结构的疲劳强度。因此，核电承压和承力等重要构件焊后都应根据法规要求采取有效措施进行消应力处理。2焊接变形的危害焊接变形引起焊件的形状尺寸超差，增加加工和矫正的工作量。造成人力和物力的浪费，严重的焊接变形还会造成焊件报废。因此，焊接过程中，应采取有效手段和措施来控制焊接应力和焊接变形。掌握控制和减少
10、焊接应力和焊接变形的方法或手段，是焊工和焊接操作工必要的职业技能之一。第二节 焊接变形的种类和焊接应力的典型分布一焊接变形的种类焊接变形大致可分以下七类：1纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩，见图8-1。焊接构件的纵向收缩变形往往通过预放收缩余量来控制。2横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩，见图8-1。焊接构件的横向收缩变形往往也通过预放收缩余量来控制。图8-1 纵向和横向变形3弯曲变形：构件焊后发生弯曲，如图8-2 所示。弯曲可由焊缝的纵向收缩见图8-2(a)和横向收缩见图8-2(b)引起。这些都是由于焊缝分布不对称导致构件弯曲变形。另外，即使焊缝对称分布，也会因焊接顺序原因
11、，存在的先后焊接而产生弯曲变形，如图8-2（c）所示。此类变形往往通过刚性固定、反变形等方法来控制。图8-2 弯曲变形（a）由纵向收缩引起的翘曲；（b）由横向纵向收缩引起的翘曲4角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移，常见的角变形如图8-3 所示。角变形是由于焊缝横向收缩引起。角变形往往通过反变形法、刚性固定法来加以控制。图8-3 角变形5波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图8-4 所示。这种变形由加热时膨胀受阻或焊缝横向和纵向收缩变形引起，往往是在薄板焊接时最容易发生。这种变形很难通过热矫正的方法来消除，应通过选用合理的焊接方法，控制热输入量，或采用刚性固定等方法加以控制。图8-4 波浪变形
12、6错边变形：在焊接过程中，两焊件的热膨胀不一致，可能引起长度方向上的错边见图8-5(a)和厚度方向上的错边见图8-5(b)。导热系数或热膨胀系数不一致的异种钢或异种金属焊接时容易导致这种变形；同时，即使同种钢焊接因两焊件厚度不一样也会导致此类变形。图8-5 错边变形（a）长度方向的错边；（b）厚度方向的错边7扭曲变形：焊后在构件上出现的扭曲，如图8-6 所示。扭曲变形往往是由于焊接方向不一致引起。扭曲变形很难矫正，应尽量通过正确的焊接顺序来避免此变形。图8-6 扭曲变形二、焊接应力的典型分布前面我们分析了焊接应力产生的原理和过程，其基本原因就是焊接热源的不均匀加热。焊接工艺和焊接结构的不同，焊
13、接应力和应力分布也就各不相同。焊接应力有单向应力、双向应力和三向应力三种情况。为了便于分析，我们把焊接方向上的应力称为纵向应力，用x 表示。焊缝宽度方向上的应力称为横向应力，用y 来表示。厚度方向的应力，用z 来表示。一般细小杆件或窄板条对接焊缝往往只有单向应力，宽板材对接焊缝存在双向应力，在厚板结构中往往存在三个方向的残余应力。下面仅就中厚板对接焊缝结构中的双向应力的分布作简单介绍。1纵向应力x在低碳钢、普通低合金钢和奥氏体钢焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向应力是拉应力，其数值一般达到材料的屈服极限(焊件尺寸过小时除外)。图8-7 长板对接焊后横截面上x的分布，图8-8 为不同长度焊缝沿焊
14、缝长度方向x 的分布。从图上可见，在焊缝和邻近焊缝的母材中，纵向应力为拉应力，在远离焊缝的母材中，纵向应力为压应力。图8-7 长板对接接头焊后横截面上x 的分布图8-8 不同长度焊缝沿焊缝长度方向x 的分布2横向应力y垂直于焊缝的横向应力y 的分布情况比较复杂。它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的，用y1 表示。另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同所引起的，用y2来表示。平板对接时，焊缝中心截面上的y1在两端为压应力，中间为拉应力。y 的数值与板的尺寸有关，见图8-9。y2的分布与焊接方向和顺序有关，见图8-10，图中箭头为焊接方向。图8-9
15、 不同长度对接时y1 的分布图8-10 不同焊接方向时y2的分布y为y1 与y2 两者的综合。图8-11 为平板对接接头焊接后y 的分布。图8-11 平板对接的横向应力横向应力在与焊缝平行的各截面上的分布大致与焊缝纵向截面上的相似，但是离开焊缝的距离越大，应力值就越低，到边缘上y=0。从图8-12 中可以看出，离开焊缝后y 就迅速衰减。图8-12 横向应力在沿板宽度上的分布第三节 焊接应力的降低和消除一、降低焊接应力的方法通常可以通过采取一些简单的设计或工艺措施来调节焊接结构的内应力，降低焊接残余应力的峰值，避免在大面积内产生较大的拉应力，并使内应力分布更为合理。这些措施不但可以降低焊接残余应力，而且也可以降低焊接过程中的内应力，因此有利于防止焊接裂纹。现在把这些措施分述如下。1.设计措施为了减少焊接应力，在构件的设计中设计人员应从以下方面考虑：(1)尽量减少焊缝的尺寸和数量。(2)避免焊缝过分集中和交叉(见图8-13 和图8-14)，焊缝间应保持足够的距离。(3)采用刚性较小的接头形式。如用翻边连接代替插入式连接(见图8-15)可降低焊缝的拘束度。(4)在残余应力为拉应力的区域内，应该避免几
