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1、第十五章 焊接应力与变形焊接应力与变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺性的重要因素。它会导致在焊接接头中产生冷、热裂纹等缺陷，在一定的条件下还会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度有不利的影响。在构件制造过程中，焊接变形往往引起正常工艺流程中断。因此掌握焊接应力与变形的规律，了解其作用与影响，采取措施控制或消除，对于焊接结构的完整性设计和制造工艺方法的选择以及运行中的安全评定都有重要意义。15.1产生机理、影响因素及其内在联系图给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的
2、内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和变形。材料因素主要包括有材料特性、热物理常数及力学性能（热膨胀系数f（T），弹性模量Ef（T），屈服强度sf（T），s（T）0时的温度TK或称“力学熔化温度”以及相变等）；在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性）则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下。焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化；而与熔池比邻的高温区材料的热膨胀
3、则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料（如长焊缝的两侧）又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩时也产生相应的收缩拉应力与变形。这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变（即残余塑性应变，或称初始应变、固有应变）。与焊接接头区产生的缩短不协调应变相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接应力。焊接接头区金属在冷却到较低温度时，材料回复到弹性状态；此时，若有金相组织转变（如奥氏体转变为马氏体），则伴随体积变化，出现相变应力。随焊接过程而变化的内应力场和构件变形，称为焊接瞬态应力
4、与变形。而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形，称为焊接残余应力与焊接残余变形。焊接结构多用熔焊方法制造。而熔焊时的焊接应力与变形问题最为突出，电阻焊次之。钎焊的不均匀加热或不均匀冷却也会引起构件中的残余应力和变形。在钎焊和扩散焊接头中，由于采用不同材质的钎料和中间过渡层，热膨胀系数的差异也是导致残余应力场的一个重要因素。由于焊接应力与变形问题的复杂性，在工程实践中，往往采用实验测试与理论分析和数值计算相结合的方法，掌握其规律，以期能达到预测、控制和调整焊接应力与变形的目的。15.2材料物理特性和力学特性的影响焊接应力与变形的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力
5、应变动态过程。以熔焊方法为例，影响这一过程的主要因素有以下三方面。15.2.1材料物理特性随焊接温度的变化表1中列出了一些常用材料的热物理特性在给定的温度T区间的平均值。表中，热导率、热扩散率/c、比热容c、和密度以及热焓s是影响焊接温度场分布的主要热物理参数。线胀系数随温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。表1 常用材料的热物理性能系数材料/10-6l/0CT区间/0C/J/(cm.s.)c./J/ (cm.s.)/c/ (cm2.s-1)低碳钢低合金钢奥氏体铬镍钢铝工业钛121616.517162023278.55006006003007000.380.420.250.332.
6、72.84.95.24.44.82.72.80.0750.090.0630.071.00.0615.2.2相变时的比容变化金属在加热及冷却时发生相变也会引起比容及性能的变化。不同组织由于晶格类型不一样，其比容也不一样，其数值如表2 。 钢材加热冷却时容积变化/V如下图，图中1为加热时的变化，2为冷却时的变化；一般情况下，由于奥氏体变为铁素体和珠光体的转变在7000C以上发生，因此不影响焊接变形与应力；当冷却速度很快或合金及碳元素增加时，奥氏体转变温度降低，并可能变成马氏体，如图中线3；在7000C以下的这种变化，对焊接变形和应力，将发生相当大的影响。表2 不同组织的物理性能特性组织类型奥氏体铁
7、素体珠光体渗碳体马氏体密度/g.cm-3比容l/(cm3/g)线膨胀系数a (10-6l/0C)体膨胀系数 (10-6l/0C)晶格类型7.8430.1230.12523.070.0面心立方体7.8460.12714.543.5体心立方体7.7780.1286体心立方体7.670.13012.537.5斜方体7.6330.1270.13111.535.0正方体15.2.3材料力学特性变化的影响在焊接热过程中，金属材料的力学特性随温度的升高或降低而发生变化。高温力学性能的变化规律，直接影响焊接热弹塑性应力应变的全过程和残余应力的大小；由于各类材料的屈服强度、弹性模量和线胀系数随温度变化的规律不同
8、，在低碳钢和不锈钢焊缝中的峰值拉应力一般接近材料的屈服强度；而在钛合金和铝合金焊缝中的峰值拉应力往往低于材料的屈服强度。15.3不同类型焊接热源的影响焊接时的热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。焊接热源的种类有别，热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊构件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布，因而也改变着焊接应力与变形的规律。15.3.1三类热源模型：1)点热源在半无限体表面上作用的点热源模型，是厚板表面点状加热（热源不移动）堆焊（热源移动）热传导过程的简化，属三维传热模型。与此对应，焊接热弹塑性应力应变过程也是三维状态。2)线热源在无限大板沿厚度方向均匀加热（热源不移动）和单道对
9、接焊（热源移动）的热传导过程的简化，一般为二维传热，沿板厚方向上的热源功率为常数。若热源不移动，在点状加热时，相应的二维焊接热弹塑性应力应变过程为轴对称（相对于Z轴）平面应力问题。若热源移动，相应于薄板单道对接焊过程（或大功率电子束、激光束一次穿透中厚板的焊接过程）；这时的焊接热弹塑性应力应变过程亦可简化为二维平面应力问题近似求解。3)面热源在无限长杆的轴向截面上均布作用的面热源模型的典型实例为棒材的闪光对接焊或摩擦焊，在杆截面上的热源功为常数，沿杆件的轴线方向为一维传热。与此相应的焊接热弹塑性应力应变过程可视为一维问题；但在实际工程问题中，由于在横截面的表面上并非绝热的边界条件，最终的残余应
10、力呈现复杂的分布状态。15.3.2热源的其它影响因素无论是采用函数解析求解，还是采用有限元数值计算，焊接热弹塑性应力应变过程总是由焊接温度场所决定的。因此，直接影响温度场计算准确性的因素，也必然会间接地耦合到焊接应力应变过程的计算中去，从而影响其结果的准确性。15.4焊接应力焊接应力与变形，成为孪生，互为因果。15.4.1焊接应力分类在没有外力作用下，构件中的焊接应力为自身相互平衡分布的内应力场。可安下图所示的各种不同方法进行分类。15.4.2焊接残余应力测量方法通常采用实验力学的方法，包括机械方法和物理方法，测定构件中的焊接残余应力。机械方法一般属破坏性测试，或称应力释放法；在释放应力的同时
11、，用电阻应变片、机械应变仪、栅线或光弹法、表面脆裂涂层测得其相应的弹性应变量。物理方法多属非破坏性测试，也可以是非接触式测试，如X射线法等。以下是几种常用的焊接残余应力测量方法。1）切条法将需要测定内应力的构件先划分成几个区域，在各区的待测点上贴应变片或者加工出机械应变仪所需的标距孔，然后测定它们的原始读数。当读取标距Lm的原始读数后，在靠近测点处将构件沿垂直于焊缝方向切断，然后在各测点间切出几个梳状切口，使内应力得以完全释放。再测出释放应力后各应变片或各对标距的读数，求出应变量x，按照公式：可算出焊接纵向应力。2）小孔法原理是在应力场中钻小孔，应力的平衡受到破坏，则小孔周围的应力将重新调整；
12、测得孔附近的弹性应变增量，就可以用弹性力学原理来推算出小孔处的残余应力。具体步骤如下：在离钻孔中心一定距离处粘贴几个应变片，应变片之间保持一定角度。然后钻孔，撤出各应变片的应变增量读数。3）套钻环形槽本法采用套料钻加工环形槽来释放应力。如果在环形槽内部预先在表面贴上应变片或加工标距孔，则可测出释放后的应变量，换算出内应力。无损测量法1）X射线法晶体在应力作用下原子间的距离发生变化，其变化与应力成正比。如果能直接测得晶格尺寸，则可部破坏物体而直接测出内应力的数值。本法的最大优点是它的非破坏性。但它的缺点是：只能测表面应力；对被测表面要求较高，为避免由局部塑性变形所引起的误差，需要用电解抛光去除表
13、层；测试所用设备比较昂贵。2）电磁测量法利用磁致伸缩效应测定应力；铁磁物质的特性是：当外加磁场强度发生变化时，铁磁物质将伸长或缩短。如用一传感器（有线圈励磁的探头）与铁磁材料物体接触，形成一闭合磁路；当应力变化时，由于铁磁材料物体的伸缩引起磁路中磁通的变化，并使传感器线圈的感应电流发生变化，由此可测出应力变化。测试时，先利用相同材料的无应力试样调零，实测出有残余应力构件的I或U的变化（即I、U值）。然后再根据用材料试验机以相同材料标定出的应力与电流或电压的关系曲线，按测得的I或U值求出应力3）超声波测定法声弹性研究表明，在没有应力作用时，超声波在各向同性的弹性体内的传播速度不同于有应力作用时的
14、传播速度，传播速度的差异与主应力的大小有关。因此，如果能分别测得无应力和有应力作用时弹性体横波和纵波传播速度的变化，就可以求得主应力。本法测定焊接残余应力，不但是无损的，而且有可能用来测定三维的空间残余应力。因此，尽管超声波法目前还处在实验室研究阶段，但受到关注和重视。15.5焊接残余应力的作用和影响焊接残余应力在构件中并非都是有害的。在分析其对结构失效或使用性能可能带来的影响时，应根据不同材料、不同结构设计、不同承载条件和不同运行环境进行具体分析。1）对构件承受静载能力的影响在一般焊接构件中，焊缝区的纵向拉伸残余应力的峰值较高，在某些材料上可接近材料的屈服强度s。当外载工作应力和它的方向一致
15、而相叠加，在这一区域会发生局部塑性变形，这部分材料丧失继续承受外载的能力，减小了构件的有效承载截面。2）对结构脆性断裂的影响在实际构件中，当高强度结构钢的韧性较低时，在焊接接头处的缺陷（裂纹、未焊透）会导致结构的低应力脆性断裂，在断裂评定中必须考虑拉伸残余应力与工件应力共同作用的影响，应引入应力强度修正系数。若裂纹尖端处于焊接残余应力范围内，则缺陷尖端的应力强度增大，裂纹趋向于扩展，直至裂纹尖端超出残余拉应力范围。随后，裂纹有可能停止扩展或继续扩展，这将取决于裂纹长度、应力强度和结构运行环境温度。焊接残余应力只分布于局部区域，对断裂的影响也局限于这一范围。对于由高强度结构钢或超高强度钢材制成的焊接结构，一般都进行焊后热处理。这种热处理除调质作用外，还可以把焊接接头中的峰值拉伸残余应力降低到0.30.5材料屈服强度的水平，但不能完全消除。通常，由相应的使用法规给出对热处理的技术要求。3）对疲劳强度的影响焊接拉伸残余应力阻碍裂纹闭合，它在疲劳载荷中提高了应力平均值和应力循环特性，从而加剧了应力循环损伤。当焊缝区
