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1、第1章 焊接结构中的应力与变形,1.1 焊接应力与变形概述 1.2 焊接残余应力 1.3 焊接残余变形,1.1 内应力的产生,一、内应力及其产生原因,按分布范围不同分类： 第一类内应力：也称宏观内应力，其平衡范围很大；焊接中涉及的是此类。 第二类内应力：也称微观内应力，其平衡范围比前者小得多，相当于晶粒尺寸； 第三类内应力：也称超微观内应力，其平衡范围更小，相当于晶格尺寸。,二 焊接应力与变形的形成过程 变形：物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。 分类 ：1）根据外力或其它因素去除后，是否会恢复原状分为弹性变形和塑性变形 2）按拘束条件分类：自由变形和
2、非自由变形,一)简单杆件的应力与变形 自由变形,外观变形,二) 杆件在加热、冷却过程中的应力、应变演变假设,金属性质不变的假定：假定在焊接过程中，材料的某些热物理性质不随温度而变化，如线膨胀系数（）、热容（C）、热导率（）等,3）平截面假定：假定构件在焊前所截取的截面焊接后仍不变，即构件只发生伸长、缩短、弯曲，其横截面只发生平移或偏转，截面本身并不变形。 4）焊接温度场假定,三) 长板条不均匀温度场作用下的应力与变形,图1-3 钢板条中心加热和冷却时的应力与变形 a)原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却过程,图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形 a)原始状态 b)假设各板条的
3、伸长 c)加热后的变形 d)假设各板条的收缩 e)冷却后的变形,四)焊接引起的应力和变形,产生的原因 最主要原因：焊件受热不均匀 1)焊件的不均匀受热 (1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力和变形：变形属于自由变形，杆件加热过程中不会产生内应力，冷却后无残余应力和残余变形 。即 (2）受约束后杆件在均匀加热时的应力和变形 ：属于非自由变形，即存在外观变形，也存在内部变形 。 a、温度较低，即T Ts（屈服点温度）时，无残余应力和残余变形,b、加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T Ts），内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成，甚至全部由塑性变形组成（T600），冷却后存在三种情况：如果
4、杆件能自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而且是无残余应力；如果杆件受绝对约束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；如果杆件收缩不充分，那么杆件中即有残余变形又有残余应力。实际生产中的焊件与第三种情况类同。,由上述讨论可知： 对构件进行不均匀加热，在加热的过程中，只要温度高于材料屈服点温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后勤工作构件必然有残余应力和残余变形。 通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。 加热时，焊缝及附近区域产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。如是这种收缩能充分进行，则焊接残余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，则焊接残余变形小而焊接残
5、余应力大。 焊接过程和焊接结束后,焊件中的应力分布都是不均匀的.,焊接结束后,焊缝及其附近区域的残余应力都通常是拉应力.,2）焊缝金属的收缩 3）金属组织的变化 4）焊件的刚性和拘束 刚性是指焊件抵抗变形的能力。是焊件本身的性能，与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关。 拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。是一种外部条件。 刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大，反之相反。,2、低碳钢焊接温度场,3、焊接应力与变形的演变过程,1.2 焊接残余应力,一、焊接应力的分类 1、按应力在焊件内的空间位置分 ：一维、二维、三维空间应力 2、按应力产生的原因分类：热应力、相变应力、塑变应力
6、3、按应力存在的时间分：焊接瞬时应力、焊接残余应力,二、焊接残余应力的分布,图1-5 对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况,图1-6 板边堆焊时的纵向残余应力与变形,图1-7 不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力 的分布 a)短焊缝 b) 长焊缝,6、相变应力,产生的原因：不同的组织肯有不同的密度和不同的晶格类型，从而具有不同的比体积。 如果相变的温度高于金属的塑性温度TP（材料屈服强度为零时的温度），则由于体积处于完全塑性状态，比体积的变化完全转化为材料的塑性状态，故不会影响焊后的残余应力分布。,图3-34钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线a)相变温度高于塑性温度 b)相变温度低于塑性温度
7、,图3-34a，正反向相变温度均高于600，故其相变对低碳钢的焊接残余应力没有影响。 对于碳含量或合金元素含量较高的高强钢，加热时，其相变温度高于TP，冷却时A转变温度降低，并可能转变为M，其转变温度低于TP（图3-34b）。这种情况下，由于A M时，其比体积增大，不但可抵消部分焊接时的压缩塑性变形，减小残余拉应力，而且可能出现较大的焊接残余压应力。,三、残余应力的影响,3 对受压杆件稳定性的影响 当外载,5内应力对应力腐蚀开裂的影响 一些焊接构件,四、焊接过程中调节内应力的措施,一),二),三)焊接过程中调节内应力的措施,五、焊后消除残余应力的方法,1、整体高温回火 重要构件多采用整体加热的高温回火的方式来消除残余应力。热处理的参数的选择因材料而异。如表4-3。,2、局部高温回火,3、温差拉伸法 也称低温消除应力法,4、机械拉伸法,5、振动法,6、其它方法,六、焊接残余应力的测定,1机械方法 也称为应力释放法，它是利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放出来的弹性应变来推算构件中原有的残余的应力。,2物理方法,
