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1、,Company Logo,第二章 焊接应力与变形,本章重点： 1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形 4.预防和矫正残余变形的方法 5.焊接残余应力 6.焊接残余应力的调节及消除措施 本章难点： 1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形 4.焊接残余应力,Company Logo,2.1 焊接应力与变形的基本概念,1.按应力的 分布范围 2.根据结构中 的空间位置,一 焊接应力产生的原因及分类,Company Logo,3.根据应力与焊 缝的相对位置 4.根据应力产生
2、 、作用的时间 5.根据应力 形成原因,Company Logo,1.自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。 单位长度的自由变形量：,二 焊接变形产生原因及分类,Company Logo,2.外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形 3.内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形 ；,Company Logo,4 分析焊接变形的几个简化假设 1）平截面假设 2）金属物理性能假设 是与温度无关的参量 3）金属屈服点的假设 4）材料应力应变关系简化,C
3、ompany Logo,Company Logo,长板条加热产生的变形与应力,假定： 板条长宽比45 单向应力 线热源，厚度方向上温度是均匀的 截面保持平面,Company Logo,对称加热模型,Company Logo,2. 非对称加热模型,Company Logo,高温和室温时焊接变形对比,Company Logo,结论 1，外观变形曲线和自由变形曲线之间的距离表征对应金属纤维的内部变形大小，也表征内应力的大小。当 内应力满足胡克定律，当 内应力超过屈服极限，出现塑性变形 2，外观变形曲线在自由变形曲线之上，则对应的金属纤维内部变形（应变）是拉伸变形（应变），出现的应力是拉应力；反之内部
4、变形（应变）是压缩变形（应变）出现压应力,Company Logo,3，外观变形的大小和方向由内应力平衡的规律来决定，并受其支配 4，材料在均匀温度场的作用下加热温度当小于塑性温度时，则材料根据约束情况和温度的高低出现弹性变形和热应力或者还出现塑性变形。若出现塑性变形，则不可恢复，导致室温条件下出现残余变形或应力。 5，材料在不均匀温度场作用下，只要加热时出现塑性变形，冷却后就会出现残余变形和残余应力。残余应力的分布情况是：原来高温区出现拉应力，与高温区相接的低温区出现压应力，这和加热时的应力分布情况相反。而且压应力区和拉应力区总是相接分布以形成自平衡体系。,Company Logo,四 焊接
5、引起的内应力和变形,1 焊接应力与变形的特殊性 焊接温度场变化比较复杂 焊接温度变化范围大 焊接过程中可发生金属的相变,Company Logo,2 不同拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力,1)杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力,Company Logo,2) 杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力,Company Logo,2.)杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力,Company Logo,2.)杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力,Company Logo,3.）杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷
6、却时能自由收缩是的变形和应力,Company Logo,3.）杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力,Company Logo,3.）杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力,Company Logo,3 焊接应力变形的演变过程,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,焊接残余变形的基本类型,Company Logo,Company Logo,Company Logo,纵向收缩量的计算,1.单层焊的纵向收缩量： F构件截面积
7、L构件长度 -焊缝截面积 2.多层焊的收缩量：,Company Logo,纵向引起弯曲变形结论,Company Logo,Company Logo,横向收缩变形及其产生的挠曲变形,Company Logo,对接接头横向变形的实验数据,Company Logo,丁字接头及搭接接头横向收缩,Company Logo,横向收缩变形结论,Company Logo,横向收缩引起的挠曲变形,Company Logo,角变形,1.焊缝横向收缩引起的弯曲角变形 2.焊缝金属收缩引起的倾斜角变形,Company Logo,Company Logo,Company Logo,Company Logo,对接接头角变
8、形,Company Logo,丁字接头和搭接接头的角变形,Company Logo,波浪变形,原因：薄板在承受压应力，当其中的压应力达到-临界应力，薄板将出现波浪变形失去承载能力，称之为失稳。,Company Logo,错边变形,原因：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善会造成错边,Company Logo,5.预防和矫正焊接残余变形的方法,1.合理设计：1.选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴,Company Logo,1.合理设计,2.合理的选择焊缝的尺寸和形式：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸 3.尽可能减少焊缝的
9、数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊,Company Logo,2.工艺措施,1. 正确的确定装配、焊接顺序 不正确的装配次序：工字构件，先丁字，然后在装另一块盖板，焊后仍有较大的挠度 丁字 工字 正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序,Company Logo,2.工艺措施,2.选择适当的施焊次序和方向 原则：,Company Logo,反变形法,定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。,Company Logo,刚性固定法,在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好,Company Logo
10、,合理的选择焊接的方法和焊接规范,选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊代替单层焊,Company Logo,矫正残余变形的方法,1.机械矫正法：将变形的构件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而恢复和达到形状的要求，可以利用螺旋、气动、液压的器具来加外力,Company Logo,矫正残余变形的方法,2.火焰矫正法：利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材）,Company Logo,6.焊接残余应力,焊接残余应力分布,Company Logo,1.纵向应力 的分布,Company Logo,1.
11、纵向应力 的分布,Company Logo,横向应力的分布,Company Logo,横向应力的分布,Company Logo,横向应力的分布,Company Logo,厚板中的残余应力分布,Company Logo,封闭焊缝中的残余应力分布,Company Logo,组织应力相变应力,Company Logo,焊接残余应力的影响,1. 对静载强度的影响 2. 对机械加工精度的影响 原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精
12、度难以保证,Company Logo,焊接残余应力的影响,3 对疲劳强度的影响（研究不够充分） 4 对应力腐蚀的影响 原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。 5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次加载，卸载后，以后再次加载，只要其大小不超过前一次，残余应力不再起作用，外载也不影响焊件内部残余应力的分布,Company Logo,7.焊接残余应力的调节及消除措施,1.调节残余应力的措施 1.1设计措施: 设计上减小焊接应力的核心是正确布置焊缝，以避免应力叠加,Company Logo,设计原则,Company Logo,工艺措施
13、,Company Logo,工艺原则,Company Logo,消除残余应力的措施,注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。,Company Logo,8.焊接残余应力的测定,1.应力测定方法的分类 按其对结构是否破坏来分 按测试原理分,Company Logo,应力释放法,原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。,Company Logo,应力释放法,1.切条法：将待测焊件划
14、分几个区域，在各区待测点上贴应变片或加工机械引申计的标距孔然后测原始读数，然后切断，然后读数根据 可以算出应力。,Company Logo,应力释放法,2.车削法：此法多用于测圆柱零件堆焊后的残余应力分布,Company Logo,应力释放法,3.小孔法：是应力破坏性最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推算小孔处的应力。,Company Logo,应力释放法,4.套孔法：采用套料钻或管形电火花加工环形孔来释放应力，在孔内预先贴上应变片，可以算出表面残余应力，切削深度为0.60.8D，破坏性不大。,Company Logo,X射线衍射法,原理：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用X射线，以掠角 入射到晶体表面时，如果 能满足2dSin=n ，则X射线在反射方向因干涉而加强 缺点：,Company Logo,
