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1、,第二单元 焊接应力与变形学习目标：了解有关应力与变形的相关知识;掌握焊接应力与变形产生的原因;熟悉焊接应力与变形的危害;掌握预防及控制焊接应力与变形的措施。,综合知识模块一,焊接应力与变形的产生, 焊接时一般采用集中热源在局部加热，, 因此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。, 焊接应力是形成各种焊接裂纹的重要因素， 焊接残余应力和变形在一定条件下还会严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等。,能力知识点1 应力和变形基础知识, 1应力, 物体在受外力作用后，以及在物理、化学或,物理化学变化过程中，如温度、金相组织或 化学成分等变化时，
2、其内部会产生内力。, 作用在物体单位截面上的内力叫做应力。, 根据引起内力的原因不同，应力分为工作应,力和内应力。, 物体由于外力的作用在其单位截面上出现,的内力称为工作应力。, 物体在无外力作用的情况下而存在于内部,的应力称为内应力。, 内应力的分类：, 根据内应力产生的原因不同，可分为热应力、装配应力、相变应力、焊接应力等。 还可以根据内应力所涉及的范围，将其分为宏观内应力、微观内应力和超微观内应力。,2变形, 定义：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：, 按照物体变形的性质不同，变形可以分为,弹性变形和塑性变形。, 按拘束条件不同，物体
3、的变形还可分为自,由变形和非自由变形。,弹性变形和塑性变形, 当使物体产生变形的外力或其它因素去除后，变形也随之消失，即物体恢复原状，这样的变形称为弹性变形。, 当外力或其它因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。,自由变形和非自由变形, 以图2-1中的一根金属杆为例，, 当温度为T0时长度为L0，均匀加热，, 温度上升至T时，若金属杆不受阻，杆的长,度会增加至L，, 其长度的改变LTLL0，, LT就是自由变形，如图2-l a所示。,图2-1 金属杆件的变形, a)自由变形, b)非自由变形, 单位长度的变形量称为变形率， 自由变形率用T表示，其数学表达式为：,TL
4、T/L0(TT0), 式中 -金属的线膨胀系数，它的数值随材料及温度而变化。 非自由变形：如果金属杆在温度变化过程中的伸长受到阻碍，则变形量不能完全表现出来，就是非自由变形，见图2-lb。, 外观变形：能够表现出来的这部分变形，用,Le表示，, 外观变形率e可用下式表示：,e=Le/ L0, 内部变形：未表现出的变形，用L表示。,L=LT-Le, 同样，内部变形率用下式表示：,=L/L0,3焊接应力与焊接变形, 焊接残余应力和变形直接影响结构的制造质量和使用性能，严重时会导致构件的失效甚至报废。 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。, 由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为
5、焊接变形。 焊接加热及冷却过程中产生的应力与变形，称为,焊接瞬时应力和焊接瞬时变形；, 焊接过程结束后，残留在焊接结构中的应力与变,形，称为焊接残余应力和焊接残余变形。,能力知识点2,研究焊接应力与变形的几个假定,（1）平截面假定, 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持,平面。, 即构件只发生伸长、缩短、弯曲，, 构件变形时其横截面只发生平移或偏转，永,远保持平面。,（2）金属性能不变的假定, 假定在焊接过程中材料的某些热物理性,质，如：, 线膨胀系数()、热容(c)、热导率()等 均不随温度的变化而变化。,（3）金属屈服点假定, 低碳钢屈服点与,温度的关系，如 图2-2中实线所 示，, 为了
6、讨论问题的,方便，, 可以将它简化为图2-2中虚线所示。,低碳钢的屈服强度 与温度关系的假定, 即在500以下，屈服点与常温相同，不随,温度的变化而变化；, 在500600之间，屈服点呈线性下降； 600以上时屈服点为零，呈全塑性状态。 我们把材料屈服点为零时的温度称为塑性,温度。, 通常将焊接过程中的某一瞬间，焊接接头,中各点的温度分布称为温度场。, 在焊接热源作用下构件上各点的温度在不,断地变化，, 可以认为达到某一极限热状态时，, 温度场不再改变，这时的温度场称为极限,温度场。,（4）焊接温度场假定,能力知识点3 焊接应力,与变形产生的原因, 焊接应力和变形是由多种因素交互作用而,导致的
7、结果。, 主要因素包括焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其中最根本的原因是焊件受热不均匀。, 此外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响。,1焊件的不均匀受热, 为了便于了解焊件在不均匀受热时如何产,生应力与变形，, 首先对均匀加热时产生应力与变形的情况,进行讨论。,（1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形根据前面对变形知识的讨论，不受约束的杆件在均匀加热与冷却时，其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形，如图2-3 a所示。,图2-3
8、 杆件均,匀加热时的应,力与变形,a）自由状态,b）自由延伸-,限制收缩状态,c）限制延伸-,自由收缩状态,d）限制延伸-,限制收缩状态,（2）受约束的杆件在均匀加热时的,应力与变形, 根据前面对非自由变形情况的讨论， 受约束杆件的变形属于非自由变形， 既存在外观变形，也存在内部变形。,当加热温度较低时, 加热时：当加热没有达到材料屈服点温度时（TTs），则杆件中产生压缩塑性变形，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：当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：, 1）如果杆件加热时自由延伸，冷却时限制收缩，那
9、么冷却后杆件内既有残余应力又有残余变形，如图2-3 b所示。, 2）如果杆件加热时不能自由延伸，可以自由收缩，那么杆件中没有残余应力只有残余变形，如图2-3 c所示。, 3）如果杆件受绝对拘束，那么杆件中存在残余应力而没有残余变形，如图2-3 d所示。, 实际生产中的焊件，与上述的第一种情况相似：, 焊后既有焊接应力存在，又有焊接变形产生。, 以上所述的是一般杆件在均匀加热时的应力与,变形。, 下面讨论材料不均匀加热时的应力与变形。,（3）长板条中心加热（类似于堆焊）,引起的应力与变形, 如图2-4 a所示的长度为L0，厚度为的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上进行加热。, 为简化讨论
10、，我们将板条上的温度区域分,为两种，中间为高温区，其温度均匀一 致；两边为低温区，其温度也均匀一致。,图2-4 长板条中心加热 和冷却时的应力与变形,a) 原始状态,b)、c)加热时,d)、e)冷却后, 加热时，如果板条的高温区与低温区是可,分离的，, 高温区将伸长，低温区长度不变，如图2-4,b所示，, 但实际上板条是一个整体， 所以板条将整体伸长，, 此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和,压缩弹性变形，如图2-4 c所示。, 冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复， 所以，如果高温区与低温区是可分离的， 高温区应缩短，低温区应恢复原长，如图2-,4 d所示。, 但实际上板条是一个整体，, 所以板
11、条将整体缩短，这就是板条的残余,变形，如图2-4 e所示。, 同时在板条内部也产生了残余应力，, 中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应,力。,（4）长板条一侧加热（相当于板边,堆焊）引起的应力与变形, 如图2-5 a所示的材质均匀的钢板，在其上,边缘快速加热。, 假设钢板由许多互不相连的窄条组成， 则各窄条在加热时将按温度高低而有不同,的伸长，如图2-5 b所示。,图2-5 钢板边缘一侧 加热和冷却时的应力与变形,b)假设各板条的伸长d)假设各板条的收缩, a)原始状态 c)加热后的变形 e)冷却以后的变形, 但实际上，板条是一整体，, 各板条之间是互相牵连、互相影响的，, 上一部分金属因受下
12、一部分金属的阻碍作用而,不能自由伸长，, 因此产生了压缩塑性变形。, 由于钢板上的温度分布是自上而下逐渐降低，, 因此，钢板产生了向下的弯曲变形，如图2-5,c所示。, 钢板冷却后，板条的收缩应如图2-5 d所示。, 但实际上钢板是一个整体，, 上一部分金属要受到下一部分的阻碍而不能自,由收缩，, 所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变,形，如图2-5 e所示；, 并在钢板内产生如图2-5 e所示的残余应力，, 即钢板中部为压应力，钢板两侧为拉应力。,由上述讨论可知：,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
13、余应力和残余变形。2）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。,3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。, 如果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,形小而焊接残余应力大。,4）焊接过程中及焊接结束后，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,力通常是拉应力。,2焊缝金属的收缩, 当焊缝金属冷却，由液态转为固态时，其,体积要收缩。, 由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因,此，焊缝金属并不能自由收缩。, 这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中,引起残余
14、应力。, 另外，一条焊缝是逐步形成的，, 焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的,收缩，由此也会产生焊接应力与变形,3金属组织的变化, 钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容各不相同，由此也会造成焊接应力与变形。, 定义：在焊接过程中，局部金属发生相变，其比容增大或减小而引起的应力称为相变应力。,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，它与焊件材质、焊件,截面形状和尺寸等有关；, 而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约,束，是一种外部条件。, 焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有,较大的影响。, 焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越,大，焊接变形
15、越小，焊接应力越大；, 反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。,4刚性和拘束对,焊接应力及变形的影响,综合知识模块二 焊接残余变形, 能力知识点1 焊接变形的分类及其影响因,素, 按焊接变形对整个焊接结构的影响程度，,可分为局部变形和整体变形；, 按焊接变形的特征，可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形，这五种基本变形形式如图2-6所示。,图2-6 焊接变,形的基本形式,a）收缩变形b）角变形c）弯曲变形d）波浪变形e）扭曲变形,1收缩变形, 焊件在焊后所,发生的尺寸缩 短现象，称为 收缩变形。它 分为纵向收缩 变形和横向收 缩变形。, 图2-7 纵向和横向收缩变形,（1）纵向收缩变形, 如图2-7所示，沿焊缝轴线方向尺寸的缩短,称为纵向收缩变形，用 x表示。, 产生原因：这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，焊件冷却后这个区域要收缩，于是引起纵向收缩变形。,焊件纵向收缩的影响因素, 纵向收缩变形量一般随长度的增加而增加； 焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越,
