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1、焊接应力与变形,焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。 焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。,a)自由变形 b)非自由变形,返回,LT 是自由变形：LT =L-L0 （如图a),Le 是外观变形，L是内部变形： L= LT -Le （如图b),T是自由变形率： T= LT / L0=(T-T0) 外观变形率e= Le / L0 内部变形率 = L / L0,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,钢板边缘一侧加热和冷却时的应力
2、与变形 a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形 d)假设各板条的收缩 e)冷却后的变形,a),b),c),d),e),对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况,板边堆焊时的纵向残余应力与变形,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,图1-14,焊接梁柱的纵向残余应力分布 a)焊接T形梁的残余应力 b)焊接工字梁的残余应力 c)焊接箱形梁的残余应力,a),b),c),图1-15 圆筒环缝纵向残余应力分布,圆筒环缝纵向残余应力分布,结论 1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残
3、余应力和残余变形 。 2）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形 3）焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。 。 4）焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。,焊接残余应力对焊接结构的影响,1.对焊接结构强度的影响： 2.对构件加工尺寸精度的影响：为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。 3.对受压杆件稳定性的影响：,减小焊接残余应力的措施,设计措施 （1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸 （2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离 （3）采用刚度较小的接头形式,三条角焊缝在空间相交，在交点处会产生三轴应力，塑性降低，可焊到性差，严重
4、的应力集中。,图1-17,返回,容器接管焊缝,图1-18,b),a),b),焊接管的连接 a)插入式 b)翻边式,工艺措施 （1）采用合理的装配焊接顺序和方向 （2）预热法 （3）冷焊法：尽量采用小的焊接热输入，选用小直径焊条、小电流、快速焊及多层多道焊。 （4）降低焊缝的拘束度 （5）加热“减应区”法：此法在铸铁补焊中应用最多,应保证焊缝纵向和横向收缩均能比较自由，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝,1,2,3,4,5,6,7,8,9,图1-21,带盖板的双工字梁结构焊接顺序,图1-23,平面交叉焊缝的焊接顺序,a),b),c),d),图1-22,对接工字梁的焊接顺序,图1-24,对接焊
5、缝与角焊缝交叉,图1-25,a),b),降低局部刚度减少内应力 a)平板少量翻边 b)镶板压凹,图1-26,受热后冷却收缩区,热膨胀或冷却收缩方向,加热“减应区”法示意图 a)加热过程 b)冷却过程,被加热的减应区,消除焊接残余应力的方法,1.热处理法 （1）整体热处理 （2）局部热处理 2.机械拉伸法：在构件上施加一定的拉应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相抵消一部分，达到松弛焊接残余应力的目的。 3.温差拉伸法：采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。 4.锤击焊缝 5.振动法,返回,焊接变形的种类及其影响因素,按照变形的外观形态来分，可分
6、为：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。 1.收缩变形：焊件尺寸比焊前缩短的现象 2.角变形：产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致 3.弯曲变形：由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称 4.波浪变形：常发生于板厚小于6mm的薄板焊接结构中，又称之为失稳变形。 通过降低焊接残余应力和提高焊件失稳临界应力来防止波浪变形。此外，角变形也可能产生类似的波浪变形， 5.扭曲变形：主要是因为焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀所引起的。,图1-29,a),b),c),d),e),图1-29 焊接变形的基本变形形式 a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形
7、 e)扭曲变形,图1-34,a),b),c),几种接头的角变形 a)堆焊 b)对接接头 c)T形接头,图1-37,焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形,图1-38,焊缝横向收缩引起的弯曲变形,图1-39,焊接角变形引起的波浪变形,控制焊接变形的措施,选择填充量小的焊缝尺寸及坡口形式 减少焊缝的数量，对于次要焊缝，可将连续焊改为断续焊。 合理安排焊缝位置。使其接近结构中性轴或对称分布，不要过密集,b),a),a)角变形大 b)角变形小,相同承载能力的十字接头,1）选择小的焊缝尺寸,2）选择合理的坡口形式,焊缝在xx轴一侧，焊后最容易产生弯曲变形,焊缝的位置应尽可能对称布置 如图a、b所示的焊件，焊缝位置
8、偏离截面中心，并在同一侧。由于焊缝的收缩，会造成较大的弯曲变形。图中 c、d、e所示的焊缝位置对称，焊后不会发生明显的变形。,焊缝位置对称于xx轴和yy轴，焊后变形较小，容易防止。,图1-44,a),b),合理安排焊缝位置防止焊接变形 a)不合理 b)合理,对接接头,角接接头及 T字形接头,搭接接头,焊接接头形式,焊接接头形式,焊接接头形式,对接接头应力分布均匀、接头质量容易保证、节省材料，是使用最多的接头形式，重要的受力焊缝应尽量选用。但焊前准备和装配要求较高。 搭接接头、角接接头和T形接头。结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。搭接接头受力时产
9、生附加弯矩，且金属消耗量较大，一般应避免采用。,焊接坡口 为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。 不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。,二、坡口形式,图14-4 压力容器焊接接头分类,必须掌握,易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。,四、压力容器焊接结构设计的基本原则,1尽量采用对接接头,角焊缝，改用对接焊缝图5（a）改为（b）和（c）。 减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头 的内部质量。,举例：,图14-5 容器接管的角接和对接,（a）
10、,（b）,（c）,2尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷,选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。,指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下 空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点， 在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。,未熔透,改进,图14-6 板厚不等时的对接接头,图14-7 不带补强圈的插入式接管焊接结构,(a),(b),(c),（a）图：单面焊接结构，适用于内径小于600mm、盛装无 腐蚀性介质的接管与壳体之间的焊接，接管厚度应小 于6mm； （b）图：最常用的插入式接管焊接结
11、构之一，为全熔透结 构。适用于具备从内部清根及施焊条件、壳体厚度在 425mm、接管厚度大于等于0.5倍壳体厚度的情况； （c）图：在（b）的基础上，将接管内径边角处倒圆，可用 于疲劳、低温及有较大温度梯度的操作工况。,（1）不带补强圈的插入式接管焊接结构,中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接 结构，接管与壳体间隙应小于3mm，否则易产生裂纹或 其它焊接缺陷。,图（b）：承受低温、疲劳及温度梯度较大工况的容器， 保证接管根部及补强圈内侧焊缝熔透。,（2）带补强圈的接管焊接结构,要求：,尽量与补强处的壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。 但只能采用塔接和角接，难于保证全熔透，也无法进
12、行无损检测，因而焊接质量不易保证。,坡口：,大间隙小角度，利于焊条伸入到底，减少焊接工作量,图（a）：一般要求的容器，即非低温、无交变载荷的容器,图14-8 带补强圈的插入式接管焊接结构,（a）,（b）,图14-9 安放式接管与壳体的焊接结构,（a）,（b）,（c）,（a）,（b）,属于整体补强结构中的一种，适用于承受交变载荷、低温和大温度梯度等较苛刻的工况。 （a）图：适用于球形封头或椭圆形封头中心部位的接管与 封头的连接，且封头厚度n 50mm。,（4）嵌入式接管的焊接结构,图14-10 嵌入式接管与封头的焊接结构,图14-11 凸缘与壳体的角接焊接结构,（b）,（a）,（c）,环与壳体应
13、紧贴,内径侧应允许进行内部填角焊,（5）凸缘与壳体的焊接结构,1）角焊连接：连接不承受脉动载荷的容器凸缘与壳体，如 图14-11 所示。 2）对接连接：连接压力较高或要求全熔透的容器凸缘与壳 体，如图14-12。,图14-12 凸缘与壳体的对接焊接结构,K6mm (a),K6mm (b),(c),(d),焊接材料,一、手工电弧焊用焊接材料 电焊条：内部钢芯和外侧药皮 1、钢芯 主要作用导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。 要求焊芯尽量减少有害元素的含量，限制S、P，有些焊条要求焊芯控制As 、Sb、Sn等元素。,2、药皮,又称为涂料，保证熔敷金属具有一定的成分和性能。 采用氧化物、碳
14、酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及化工产品等上百种原料粉末，按照一定的配方比例混合而成。,药皮中各种组分作用：,1）稳弧剂：凡易电离的物质均能稳弧。用碱金属及碱土金属化合物，碳酸钾、碳酸钠、大理石等。 2）造渣剂：形成溶渣，覆盖熔化金属表面，保护熔池及改善焊缝成形 3）脱氧剂：降低含氧量，提高机械性能。主要脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁。 4）造气剂：高温下分解出气体，保护电弧及熔池，防止空气中氧和氮侵入,药皮中各种组分作用：,5）合金剂：补偿合金元素的烧损及向焊缝过渡合金元素，以保证焊缝的化学成分及性能等。 6）增塑润滑剂：增加药皮粉料在焊条压涂过程的塑性、滑性及流动性，以提高焊条的压涂质量，
15、减小偏心度。 7）粘接剂：使药皮粉料在压涂过程中有一定粘性，与焊芯牢固粘接，并使之在烘干后具有一定的强度。,3、电焊条的分类,（1）按用途分,（2）按熔渣的碱度分类,酸性焊条和碱性焊条。 酸性焊条焊接工艺性好，成形整洁,去渣容易，不易产生气孔和夹渣。 但药皮氧化性强使合金元素烧损大,机械性能（冲击韧性）比较低。 酸性焊条一般均可用交直流电源。 典型的酸性焊条是J422。,碱性焊条焊接的焊缝机械性能良好，特别是冲击韧性比较高，主要用于重要结构的焊接。 氟化物粉尘有害，应加强现场的通风排气，以改善劳动条件。 典型的碱性焊条有J507。,（3）按焊条药皮主要成分分类,当药皮中含有30以上的二氧化钛及
16、20以下的钙、镁的碳酸盐时，就称为钛钙型。,4、电焊条牌号与型号,(1)焊条牌号 是焊条产品的具体命名。 根据主要用途及性能特点命名。 每种产品只有一个牌号，但多种牌号可同时对应于一种型号。 焊条牌号通常以一个汉语拼音字母（或汉字）与三位数字表示。,结构钢焊条牌号,J422，中“J”表示结构钢焊条,按用途分 第一、二位数字“42”表示焊缝金属的抗拉强度等级（用MPa值的1/10表示）， 末位数字“2”表示药皮类型及焊接电源的种类,奥氏体铬镍不锈钢焊条牌号,A132中“A”表示奥氏体不锈钢焊条； 第一、第二位数字表示焊缝金属主要化学成分组成 末位数字表示药皮类型和焊接电源种类,（2）焊条型号,是以焊条国家标准为依据、反映焊条主要特性的一种表示方法。 焊条型号根据焊缝金属的力学性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类划分。,碳钢焊条型号,E4315中“E”表示焊条； 前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为MPa值的1/10； 第三位数字表示焊
