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1、1. 杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2. 长板条中心堆焊时的变形与应力 3. 板边堆焊时焊接残余应力 4. 焊接残余应力 5. 焊接残余应力的调节及消除措施 6. 焊接残余变形 7. 预防和消除残余变形的措施,本章重点（难点）：,（1）内应力按分布范围 （2）按作用 时间,应力的分类,（3）根据应力 形成原因,温度应力是由于构件受热不匀引起的。如果只让框架的中心杆件受热，而两侧杆件的温度保持不变，则框架为不均匀加热系统。此时，中心杆件由于温度上升而伸长，但是这种伸长的趋势受到两侧杆件的阻碍，不能自由进行。因此中心杆件就受到压缩，产生压应力。 两侧杆件在阻碍中心杆件膨胀伸长的同时受到中心
2、杆件的反作用而产生拉应力。这种应力由于不均匀温度造成的，所以称为温度应力或热应力，用T表示。 如果温度应力不高(Ts)，框架里不产生塑性变形，当框架的温度均匀化以后,热应力随之消失。,（1）温度应力（热应力）-补充,金 属 框 架,简 化 结 构,加 热 时,假设：当中心杆件温度恢复到原始温度时,若任其自由收缩，它的长度必然要比原来的短。这个差值就是中心杆件的压缩塑性变形量。 实际：框架两侧杆件阻碍着中心杆件自由收缩，使它受到拉应力。而两侧杆件，则由于中心杆件的反作用而产生压应力。这样，就在框架中形成了一个新的内应力体系，即残余应力。,(2) 残余应力-冷却后,如果中心杆件加热产生的压应力达到
3、材料的屈服限（Ts），杆件中将出现压缩塑性变形。,冷却时,加热时,2焊接结构产生应力和变形的原因,（1）焊接结构温度不均匀的影响 焊缝及其附近区域金属被加热至熔化，然后逐渐冷却凝固，降到常温。近缝区的金属也要经历从常温到高温，再由高温降至常温。 结构各处的温度极不均匀，膨胀和收缩变形也差别较大，这种变形不一致导致各处材料相互约束，即产生焊接应力和变形。 （2）接头形式的影响 接头形式不同，熔池内熔化金属的散热条件有差别。这种熔化金属凝固、冷却快慢不一致引起收缩变形的差别，导致焊接应力和变形的产生。 （3）相变的影响 焊接过程中，一部分金属发生相变，组织转变引起体积变化。例如：碳钢，当奥氏体转变
4、为铁素体或马氏体时，其体积将增大，产生应力和变形。焊接合金钢更明显。 （4）焊前加工工艺的影响 施焊前构件若经历冷冲压等工艺而具有较高的内应力，在焊接时应力重新分布，形成新的应力和变形。,3. 焊接应力与变形的若干假设,焊接一般为局部加热，热源又同时移动，因此距热源不同点处的温度是不同的。温度不均匀造成变形的不均匀。 局部塑性变形是产生焊接残余应力和变形的主要原因。研究焊接应力与变形产生（演变过程），必须要探讨构件上各点的温度分布情况。 由于焊接过程的复杂性，对焊接应力和变形的研究较为困难，为了使问题简化，通常作以下假定：,3. 焊接应力与变形的若干假设,极限温度场：在焊接热源作用下，构件上各
5、点的温度在不断变化，这是一个复杂的热循环过程。但可以认为达到某一极限热状态时，温度场不再改变。 准稳定场： 同一瞬时不同截面同一截面不同瞬时。,图l-1 半无限大体温度场,温度场立体图,（1）焊接温度场 定义：焊接过程中某一瞬间焊接接头中各点的温度分布状态。,3) 金属屈服点假定 低碳钢屈服点随温度变化如图中实线2；简化假定为图中虚线所示的关系。 即在500以下时为一条水平线，同常温屈服点，而600以上呈完全塑性状态，即屈服点为零。 4) 应力应变关系的假设 材料呈理想弹-塑性状态，即材料屈服后不发生强化。,（2）有关力学和物理性能的假定,1) 平截面假定 假定杆件在焊前所取的横截面焊后仍保持
6、为平面。 2) 金属性能假定 材料的某些物理性能不随温度的变化而变化，如线胀系数 ()、比热容(c)、热导率()等。,1.2 焊接应力与变形的产生,自由变形：杆件不受任何约束，自由产生出来的变形。,1. 均匀加热时应力与变形的产生 （1）不受约束杆件均匀加热时的应力与变形,金属的线胀系数(1) 自由变形率：单位长度的自由变形量。,实际变形（外观变形）：由于杆件在膨胀时受到阻碍，不能完全自由变形；表现出来的变形量正好就是间隙量b， 称b为实际变形。,（2）受部分约束杆件的应力与变形,内部变形 ：未表现出来的那部分变形L 。 产生应力,注：式中负号表示受压缩。,低碳钢Tmax500 时，杆件与两刚
7、性壁之间留有间隙b，当温度逐渐升高时，杆件将自由伸长变形，当自由变形量达到间隙量b时，自由变形受阻碍。若继续升温，杆件将受到压缩，压缩变形量为：,图1-3a 杆件受约束加热时的变形,1）,图1-3 均匀加热杆件在热循环下的应力与变形,加热温度较低，低碳钢杆件发生弹性变形，当杆件降温到初始温度T0，自由收缩到原来的长度，压应力全部消失。,材料力学中：外观变形与应力相联系： 讨论内应力时：根据胡克定律，内部变形与应力： 注意：材料的变形在弹性范围内！,2）,加热温度较高，杆件将发生压缩塑性变形，其变形率总将由弹性变形率e和塑性变形率p两部分组成（图1-3b）。 即：,图1-3续 均匀加热的杆件的应
8、力和变形,升温阶段：t1：压缩弹性变形，出现压应力；t2：压缩塑性变形；t3：塑性变形达到最大值。 降温阶段：由于产生压缩塑性变形，冷却开始时它的端面不再以2点为起点，而从2点开始收缩。 t4：高于初始温度，但由于压缩塑性变形一直被保存下来，杆件却已经恢复到了初始长度。 t5初始温度：杆件比初始长度缩短，缩短量正好等于受热膨胀时所产生的压缩塑性变形量。,t5,3）杆件受完全约束时应力和变形（ ）,图1-3续 均匀加热的杆件的应力和变形,升温阶段：杆件一开始加热就立即产生压缩弹性变形。t1：达到s，开始出现压缩塑性变形。t2：500继续升温，弹性变形减少而塑性变形增大，s降低，压应力降低。t3：
9、600时s降到零，处于全塑性状态，压应力消失。,降温阶段：t4：600性能开始恢复，屈服点逐渐升高。此时杆端将不以4为起点而以4为起点收缩。由于收缩时又受到约束，杆内产生拉伸变形和拉应力。 t5：下降至500，材料完全恢复弹性；随温度降低，拉伸塑性变形不断增加，而拉应力达到屈服点，则不再增加。,低碳钢杆件的应力与变形的总结：,构件均匀加热时，如在升温过程中产生塑性变形，那么在自由冷却时，此变形将保留下来，形成残余变形。 完全约束的杆件，在不高的温度(低碳钢加热到约100)时即产生压缩塑性变形，该变形在自由冷却后将被保留下来。如果在冷却时受约束，则必然会产生拉应变和拉应力。 完全约束的杆件，即使
10、加热温度不高（低碳钢加热温度超过200），产生的压缩塑性变形也足以使它在冷却时产生的拉应力达到材料的拉伸屈服点。,长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力,假设：T0=0，T=T T：T=T=T=f (x) sh ：a. 由平截面假设，变形时截面保持平面； b. 温度场对称，端面只作平移，sh为常数。 ： 可见：板条中心0，受压； 两侧0，受拉。,（1）中心加热 温度场：对端面中心对称的不均匀温度场，T = f(x) 。 变形分析：取单位长度(L0=1)来分析其变形与应力。,补充部分,这三个区域的应力平衡，即平行线以上的面积和平行线以下面积相等,见图b。,a. s（加热温度较低）,板条发生弹性变
11、形。当加热电源断开，板条逐渐冷却，恢复到原来的温度，此时板条亦将恢复到原来长度，应力和变形均将消失。,b. s（加热温度较高）,板条“c”区中将产生压缩塑性变形。在冷却到原始温度后，应力和变形就不能消失。如果允许其自由收缩，板条“c”区的长度将比原来短，其缩短量等于加热时所产生的压缩塑性变形量。此时板条端面就成了一个中心凹的曲面。 实际上板条是一个整体，“c”区的收缩受到两侧金属的限制，截面保持为平面，因此出现新的变形和应力。 即：板条中心受拉,两侧受压，这个新的平衡应力系统就是残余应力。而板条端面的位移就是残余变形。,根据上述两种情况分析归纳如下：,在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，
12、中心受压，两边受拉。同时平板端面向外平移(伸长)。 如果加热不产生塑性变形即 ，当温度恢复到原始状态后，内应力消失，平板端面亦恢复到原来的位置。 如果加热产生塑性变形，即 ，当温度恢复到原始状态时，还会出现由于不均匀塑性变形引起的残余应力，其符号与温度应力大致相反（中间受拉，两侧受压）；同时板条端面向内平移（缩短），即为残余变形。,（2） 非对称加热（一侧加热）,1）温度场：非对称温度场 2）变形分析： （1） 平面假设； （2） 内应力平衡条件: Y=0 ；M=0 。,3）应力状态： 高温侧：=shT0，受压； 中 间： =shT0，受拉； 低温侧：=shT0，受压。 4）变形：端面平移，角
13、位移；板条弯曲变形。,a. s（加热温度较低） 当温度恢复到原始温度时，板条中不存在残余应力，不出现残余变形。 b. s（加热温度较高） 板条中将出现压缩塑性变形。冷却时，板条恢复到原始温度，其中将出现残余应力。板条也产生残余弯曲变形和收缩变形，但方向与加热时相反(图2-7)。,2长板条中心堆焊时的应力和变形（对称加热）,图a加热时，中心部和边部加热温度不同，其伸长变形不同，但又互相制约。自由变形曲线T上： ac段弹性变形区；cd段应力达到屈服点，同时存在着压缩塑性变形； d点已达到500，材料屈服点开始下降，de段应力逐渐由s下降为零；在e点压缩塑性变形达到最大值。 图b冷却时，由于在加热过
14、程中产生的压缩塑性变形将被部分保留下来，所以在堆焊区纤维变短，由于各纤维之间的相互约束，板条端部仍保持平直(nn)。中部产生达到屈服点的拉应力和拉伸塑性变形。而靠近两侧产生压应力，二者相互平衡。,图1-4 低碳钢长板条中心堆焊时的应力变形情况,3板边堆焊时焊接应力和变形的产生（非对称加热）,每一纤维的内部变形（率）：,图1-5 板边堆焊的应力与变形,) 完全弹性变形区。此区域变形率小于s，冷却后没有残留的塑性变形。 ) T500区域是弹性区和部分塑性变形区。冷却后塑性变形部分，abc区域将保留下来。 ) 500T600的区域是完全塑性区。600以上纤维在伸长和缩短时都没有任何阻力，冷却时其塑性
15、变形将不会被保留下来，而600时所具有的塑性变形将一直保留下来，即demg区。,实际变形sh 线的位置（加热或冷却）根据内应力平衡得到的，应力在y轴的投影为y，应力对任意点力矩为M，则有：,二式结果：图中sh线上下有阴影线的面积(弹性变形)相互抵消，面积与形心距离的乘积(矩)相互抵消。考虑到平截面假设，I-I截面由mm 位置变到位到nn 位置。,冷却时堆焊区为拉应力,其值可达到屈服点，同时会产生拉伸塑性变形。靠近堆焊区为压应力区，远离堆焊区的另一侧又出现拉应力区。即：拉-压-拉。 板条堆焊区缩短，全板条出现弯曲变形。,图1-5 板边堆焊的应力与变形,板条堆焊结论：,板条堆焊后其残余应力的分布和
16、变形的大小完全取决于加热过程中所产生的压缩塑性变形区的大小和分布。 凡是影响压缩塑性变形区大小和分布的因素(如温度场、材料的热物理性能、板件的几何尺寸等)都会对板条中的残余应力和变形产生影响。,4相变对应力和变形的影响,低碳钢在相变点727时呈完全塑性状态，此时奥氏体转变时的体积变化不受任何阻力，所以对应力和变形不产生影响。 （铁素体为体心立方bcc，体积小；奥氏体为面心立方fcc，体积大。） 有淬火倾向的合金钢则不同，在焊后出现低温马氏体转变，马氏体转变温度为200300。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阻碍，产生相变应力。 如果焊缝金属和母材也发生低温马氏体转变，这样马氏体膨胀而产生压应力,这样使得该区内由于焊接而产生的残余拉应力减小，甚至出现压应力
