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1、*第2章 焊接应力与变形 2.1 焊接应力与变形内力-物体受到外力作用时和加热引起 物体内部之间相互作用的力，称内力。单位截面积上的内力称为内应力。内应力-在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。按产生原因分类有：热应力、相变应力、塑变应力。 *热应力-是指在加热过程中，焊件内部温度有差异所引起的应力，故又 称温差应力。相变应力-是指在加热过程中，局部金属发生相变，使比容增大或减小 而引起的应力。塑变应力-是指金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。*1.温度应力由于不均匀受热*2.变形弹性变形塑性变形自由变形非自由变形（包括外观变形和内部变形）。弹性变形、自由变形-应力为0，变形为0；
2、塑性变形-理想状态应力为0，变形为0；否则 不为0。*自由变形： LT = 0 L0 (T 1 - T 0 ) LT自由变形量；L0原长； 0金属材料的线胀系数；T 1加热的温度；T 0原始温度。 T = = (T 1 - T 0 )*非自由变形L=(LT - Le)L 内部变形 未表现出的那部分变形 Le外观变形 表现出的那部分变形（满足自由变形规律）*3.研究焊接应力与变形基本假定(1) 平截面假定：构件变形时整个横截面是平行 移动或转动； (2) 金属性能不变的假定：物理性能不随温度的 变化而变化。 (2) 金属屈服点的假定： 可见低碳钢温度大于600 内应力为零.*2.2 焊接应力与变
3、形产生的原因1.不受约束的自由杆件均匀加热和冷却时应力变形结论:没有残余应力和残余变形. 应用：焊接生产采用整体预热和后热,可以减少残余应 力.*2.受拘束件在热循环中的应力与变形 （1）若s （弹性变形） 加热时： T应力 s ; 冷却时： T应力 s .*（2）若s ,TMax500 加热时 ： T应力 s ，p压缩塑性变形;冷却时 ：T应力 s =0，p 拉伸塑性变形*（3）若s温度大于600 若金属板条是互不相连的小窄条， 则变形为图2-2a所示。但金属因整体 变形保持一致，故实际变形为图2-2b。 加热时，出现中心受压应力，两侧受 拉应力。冷却后，若加热应力 S，则无内应力；若加热应
4、力 则中心受压，两侧受拉。高温区应力为0变形不为0*3 长板条不均匀受热时的应力和变形 （1）三个板条加热、冷却自由变形 当三个板条均处于自由状态，对B板条进行加 热时，B独立伸长，板条A、C未受热，所以长度无 变化。*（2）三个板条加热、冷却非自由变形*（3）中心加热实验的应力与变形*中心加热实验的应力与变形*结论 1、板条中心对称加热时，板条中产生温度 应力，中心受压两边受拉。 2、若不产生压缩塑性变形， s则冷却 后内应力消失，平板复原，没有残余变 形。 3、若s，当温度恢复到原始状态时，有 残余应力，中心受拉两侧受压。且有残 余变形。其方向与加热时相反。*（4）非对称加热应力与变形*焊
5、后产生应力与变形*4 焊接引起的内应力及变形（1） 焊接应力与变形的特殊性 *（2）焊接应力变形的演变过程*焊接应力变形的演变过程*（3）焊接热应变循环组织应力*（4）焊接瞬态应力变形*计算机模拟焊接应力*小结在平板条中心堆焊，由于板条在焊 接过程中是一个不均匀受热的整体，焊 接时沿焊缝长度产生伸长变形，焊缝及 其附近产生压应力；远离焊缝区的两侧 产生拉应力。焊接结束后，板条产生缩短的残余 变形，同时在焊缝及其附近产生残余拉 应力；远离焊缝区两侧产生残余压应力 。（1）根据应力与焊 缝的相对位置（2）根据应力形成原因 2.3 焊接残余应力及分布*焊接残余应力平行焊缝轴线方向的应力称纵向残余应力
6、，垂直焊缝轴线的应力为横向残余应力，厚度方向 的残余应力。在厚度小于20mm的对接接头结构中，厚度方向应力较小。*（横截面） 1.纵向残余应力*（1 ）焊缝长度对纵向应力（纵截面）的影响*（2） T形接头的纵向应力分布 *（3） 对接圆筒环焊缝的纵向残余应力（切向应力） 如直径为1200mm，壁厚为6mm的低碳钢圆筒， 环缝中的为210N/mm2，而直径为384mm，壁厚 也为6mm的圆筒环焊缝中的为115N/mm2。 *2.横向应力横向残余应力有两部分组成：一部分是由焊缝及其附近塑性区的纵向收缩引起的横向应力y；*(1) 纵向收缩引起的焊缝横向应力随焊缝长 度变化：*（2）焊缝横向收缩引起的
7、横向应力y先焊部分先冷却，后焊部分后冷却。先冷却的焊缝限制后冷却焊缝的横向收缩，导致最后 收缩的焊缝受拉应力。*3.厚度方向的残余应力 随着填充材料厚度的增加，横向收缩应 力也沿z轴向上移动，并在已填充的坡口的纵截面上引起应力。 *厚度方向应力为压应力*4.管板焊接的残余应力分布 *5. 工字梁中的残余应力*6. 拘束状态下焊缝的残余应力分布 *2.4 残余应力对结构的影响 对静载强度的影响 对构件加工尺寸精度的影响 对受压杆件稳定性的影响 对应力腐蚀裂纹的影响 焊接变形及其对钢结构的影响 *1.对静载强度的影响 *2.对构件加工尺寸精度的影响 球形焊接件变形*4.对应力腐蚀裂纹的影响 金属材
8、料在某些特定介质和拉应力的共同 作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂 纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和 拉应力共同作用的结果。残余拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响 ，当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加 后的拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向 就高，发生应力腐蚀开裂的时间就越短。*5.焊接变形及其对钢结构的影响 （1）钢结构整体如果产生扭曲变形，就会 降低承载能力、降低使用寿命，甚至不能 使用。 （2）变形会浪费工时、增加生产周期，或 矫正变形过程中使构件产生加工硬化。 *2.5 消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的方法有：热处理、锤击、振动法和加载法等。 1. 热处理对碳
9、钢及中、低合金钢，加热温度为 580680；铸铁为600650，保温时 间一般根据每毫米板厚保温12min计算， 但总时间不少于30min，最长不超过3h。 *2.锤击法锤击时要掌握好打击力量，保持均 匀、适度，避免因打击力量过大造成加 工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及 时锤击，除打底层不宜锤击外，其余焊 完每一层或每一道都要进行锤击。锤击 铸铁时要避开石墨膨胀温度。避免在蓝脆区敲击200-300。*3.振动消除法 截面为30mm50mm一侧堆焊的试件，经过 =128N/mm2和=5.6N/mm2多次应力循环后，残余 应力的变化情况。由图中看出，当载荷达到一定 数值，经过多次循环加载后，焊件
10、中的残余应力 逐渐降低。*2.6 焊接残余应力测定方法应力释放法 1、切条法 2、套孔法 3、小孔法 4、逐层铣削法 5、物理法 （1）X射线衍射法 （2）磁应力测试法焊接残余应力测定方法1.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。 2.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。*3.切条法4、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，
11、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：*小 结焊接应力通常指焊接残余应力：分为纵向、横向、厚度方向残余应力。残余应力危害：降低承载能力、降低疲劳强度、尺寸精度、 耐腐蚀性。 测定残余应力方法：钻孔法、X射线法，但不 准确。*作业思考题2 1.焊接应力分类？分析焊接纵向残余应力 是如何形成的？ 2. 焊接残余横向应力如何形成？如何防止 焊接应力？ 3. 焊接应力对焊接结构的影响？分析T型结 构、H型结构应力变化与焊件尺寸的影响 ？ 4. 测定焊接应力的方法有哪些？ 5.网上查关于焊接应力引起焊接结构件破 坏事故图片或案例。
