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1、2024/7/30 第第2 2章章 焊接应力与变形焊接应力与变形2.1 焊接应力与变形焊接应力与变形 内力内力-物体受到外力作用时和加热引起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。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单位截面积上的内力称为内应力内应力。 内应力内应力-在没有外力的条件下在没有外力的条件下平衡于物平衡于物体内部的应力。体内部的应力。 按产生原因分类有：按产生原因分类有： 热应力、相变应力、塑变应力。热应力、相变应力、塑变应力。 2024/7/30 热热应应力力-是是指指在在加加热热过过程程中中，焊焊件件内内部部温温度度有有差异所引起的应
2、力，故又称温差应力。差异所引起的应力，故又称温差应力。相相变变应应力力-是是指指在在加加热热过过程程中中，局局部部金金属属发发生生相变相变，使比容增大或减小而引起的应力。，使比容增大或减小而引起的应力。塑塑变变应应力力-是是指指金金属属局局部部发发生生拉拉伸伸或或压压缩缩塑塑性性变形变形后引起的内应力。后引起的内应力。2024/7/301.温度应力温度应力由于不均匀受热由于不均匀受热2024/7/30 2.变形变形 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 自由变形自由变形 非自由变形（包括外观变形和内部变形）。非自由变形（包括外观变形和内部变形）。弹性变形、自由变形弹性变形、自由变形-应力为应力为
3、0 0，变形为，变形为0 0；塑性变形塑性变形-理想状态应力为理想状态应力为0 0，变形为，变形为0 0；否则；否则 不为不为0 0。2024/7/30 自由变形：自由变形： LT = 0 L0 (T 1 - T 0 ) LT自由变形量；自由变形量； L0原长；原长； 0金属材料的线胀系数；金属材料的线胀系数； T 1加热的温度；加热的温度； T 0原始温度。原始温度。 T = = (T 1 - T 0 ) 2024/7/30 非自由变形非自由变形 L=( LT - Le) L 内部变形内部变形 未表现出的那部分变形未表现出的那部分变形 Le外观变形外观变形 表现出的那部分变形表现出的那部分变
4、形（满足自由变形规律）（满足自由变形规律）2024/7/303.研究焊接应力与变形基本假定研究焊接应力与变形基本假定(1) 平截面假定平截面假定：构件变形时整个横截面是平行：构件变形时整个横截面是平行移动或转动；移动或转动；(2) 金属性能不变的假定金属性能不变的假定：物理性能不随温度的：物理性能不随温度的变化而变化。变化而变化。(2) 金属屈服点的假定金属屈服点的假定：可见低碳钢温度大于可见低碳钢温度大于600内应力为零内应力为零.2024/7/302.2 焊接应力与变形产生的原因焊接应力与变形产生的原因1.不受约束的自由杆件不受约束的自由杆件均匀加热和冷却时应力变形均匀加热和冷却时应力变形
5、结论结论:没有残余应力和残余变形没有残余应力和残余变形.应应用用：焊焊接接生生产产采采用用整整体体预预热热和和后后热热,可可以以减减少少残残余余应应 力力.2024/7/302.受拘束受拘束件在热循环中的应力与变形件在热循环中的应力与变形（1）若）若s （弹性变形弹性变形）加热时：加热时： T应力应力 s ; 冷却时：冷却时： T应力应力 s .2024/7/30（2）若若 s ,TMax500 加热时加热时 ： T应力应力 s ，p压缩塑性变形压缩塑性变形; 冷却时冷却时 ：T应力应力 s =0，p 拉伸塑性变形拉伸塑性变形2024/7/30（3）若若 s温度大于温度大于600 若金属板条是
6、互不相连的小窄条，若金属板条是互不相连的小窄条，则变形为图则变形为图2-2a所示。但金属因整体所示。但金属因整体变形保持一致，故实际变形为图变形保持一致，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，若加热应力拉应力。冷却后，若加热应力 S，则无内应力；若加热应力则无内应力；若加热应力 则中心受压，两侧受拉。则中心受压，两侧受拉。 高温区应力为高温区应力为0变形不为变形不为02024/7/303 长板条不均匀受热时的应力和变形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）三个板条加热、冷却自由变形 当当三三个个板板条条
7、均均处处于于自自由由状状态态，对对B板板条条进进行行加加热热时时，B独独立立伸伸长长，板板条条A、C未未受受热热，所所以以长长度度无无变化。变化。2024/7/30（2）三个板条加热、冷却非自由变形）三个板条加热、冷却非自由变形2024/7/30（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2024/7/30中心加热实验的应力与变形中心加热实验的应力与变形2024/7/30 结论结论1、板条中心对称加热时，板条中产生温度、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。应力，中心受压两边受拉。2、若不产生压缩塑性变形，、若不产生压缩塑性变形， s则冷却则冷却后内应力消失，平
8、板复原，没有残余变后内应力消失，平板复原，没有残余变形。形。3、若、若 s，当温度恢复到原始状态时，有当温度恢复到原始状态时，有残余应力，残余应力，中心受拉两侧受压。且有残中心受拉两侧受压。且有残余变形。余变形。其方向与加热时相反。其方向与加热时相反。2024/7/30（4）非对称加热应力与变形）非对称加热应力与变形2024/7/30焊后产生应力与变形焊后产生应力与变形2024/7/304 焊接引起的内应力及变形焊接引起的内应力及变形（1） 焊接应力与变形的特殊性焊接应力与变形的特殊性 2024/7/30（2）焊接应力变形的演变过程）焊接应力变形的演变过程2024/7/30 焊接应力变形的演变
9、过程焊接应力变形的演变过程2024/7/30（3）焊接热应变循环组织应力）焊接热应变循环组织应力2024/7/30（4）焊接瞬态应力变形）焊接瞬态应力变形2024/7/30计算机模拟焊接应力计算机模拟焊接应力2024/7/302024/7/30小结 在平板条中心堆焊，由于板条在焊在平板条中心堆焊，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，焊缝及接时沿焊缝长度产生伸长变形，焊缝及其附近产生压应力；其附近产生压应力；远离焊缝区的两侧远离焊缝区的两侧产生拉应力。产生拉应力。 焊接结束后，板条产生缩短的残余焊接结束后，板条产生缩短的残余
10、变形，同时在焊缝及其附近产生残余拉变形，同时在焊缝及其附近产生残余拉应力；应力；远离焊缝区两侧产生残余压应力远离焊缝区两侧产生残余压应力。（1）根据应力与焊）根据应力与焊 缝的相对位置缝的相对位置（2）根据应力形成原因）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及分布2024/7/30焊接残余应力焊接残余应力 平行焊缝轴线方向的应力称纵向残余应力，平行焊缝轴线方向的应力称纵向残余应力，垂直焊缝轴线的应力为垂直焊缝轴线的应力为横向残余应力横向残余应力，厚度方向，厚度方向的残余应力。的残余应力。 在厚度小于在厚度小于20mm的对接接头结构中，厚度方的对接接头结构中，厚度方向应力较小。
11、向应力较小。2024/7/30（横截面）（横截面） 1.纵向残余应力纵向残余应力2024/7/30 （1 ）焊缝长度对纵向应力（）焊缝长度对纵向应力（纵截面纵截面）的影响）的影响2024/7/30（2） T形接头的纵向应力分布 2024/7/30（3） 对接圆筒环焊缝的纵向残余应力对接圆筒环焊缝的纵向残余应力 （切向应力）（切向应力）如直径为如直径为1200mm，壁厚为，壁厚为6mm的低碳钢圆筒，的低碳钢圆筒，环缝中的为环缝中的为210N/mm2，而直径为，而直径为384mm，壁厚，壁厚也为也为6mm的圆筒环焊缝中的为的圆筒环焊缝中的为115N/mm2。 2024/7/302.横向应力横向应力
12、 横向残余应力有两部分组成：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引起的横向应力y；2024/7/30(1) 纵向收缩引起的焊缝横向应力纵向收缩引起的焊缝横向应力随焊缝长随焊缝长度变化：度变化：2024/7/30（2）焊缝横向收缩引起的横向应力）焊缝横向收缩引起的横向应力y 先焊部分先冷却，后焊部分后冷却。先冷却先焊部分先冷却，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收缩的焊缝受拉应力。拉应力。2024/7/303.厚度方向的残余应力厚度方向
13、的残余应力 随着填充材料厚度的增加，横向收缩应随着填充材料厚度的增加，横向收缩应力也沿力也沿z轴向上移动，并在已填充的坡口的轴向上移动，并在已填充的坡口的纵截面上引起应力。纵截面上引起应力。 2024/7/30 厚度方向应力为压应力厚度方向应力为压应力2024/7/30 4.管板焊接的残余应力分布管板焊接的残余应力分布 2024/7/305. 工字梁中的残余应力工字梁中的残余应力2024/7/306. 拘束状态下焊缝的残余应力分布拘束状态下焊缝的残余应力分布 2024/7/302.4 残余应力对结构的影响残余应力对结构的影响 对静载强度的影响对静载强度的影响 对构件加工尺寸精度的影响对构件加工
14、尺寸精度的影响 对受压杆件稳定性的影响对受压杆件稳定性的影响 对应力腐蚀裂纹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焊接变形及其对钢结构的影响 2024/7/302024/7/301.对静载强度的影响对静载强度的影响 2024/7/302.对构件加工尺寸精度的影响对构件加工尺寸精度的影响 球形焊接件变形球形焊接件变形2024/7/302024/7/304.对应力腐蚀裂纹的影响对应力腐蚀裂纹的影响 金属材料在某些金属材料在某些特定介质特定介质和和拉应力拉应力的共同的共同作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂纹。纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、
15、腐蚀介质和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。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，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。高，发生应力腐蚀开裂的时间就越短。2024/7/305.焊接变形及其对钢结构的影响焊接变形及其对钢结构的影响 （1 1）钢结构整体如果产生扭曲变形，就会）钢结构整体如果产生扭曲变形，就会降低承载能力、降低使用寿命降低承载能力、降低使用寿命
16、，甚至不能，甚至不能使用。使用。（2）变形会）变形会浪费工时、增加生产周期浪费工时、增加生产周期，或，或矫正变形过程中使构件产生加工硬化。矫正变形过程中使构件产生加工硬化。 2024/7/302.5 消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的方法有：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。热处理、锤击、振动法和加载法等。1. 热处理热处理 对碳钢及中、低合金钢，加热温度为对碳钢及中、低合金钢，加热温度为580680；铸铁为；铸铁为600650，保温时，保温时间一般根据每毫米板厚保温间一般根据每毫米板厚保温12min计算，计算，但总时间不但总时间不少于少于
17、30min，最长不超过，最长不超过3h。 2024/7/30 2.锤击法锤击法 锤击时要掌握好打击力量，保持均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，工硬化或将焊缝锤裂。另外，焊后要及焊后要及时锤击，除打底层不宜锤击外，时锤击，除打底层不宜锤击外，其余焊其余焊完每一层或每一道都要进行锤击。锤击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。铸铁时要避开石墨膨胀温度。 避免在蓝脆区敲击避免在蓝脆区敲击200-300。2024/7/303.振动消除法振动消除法 截面为截面为30mm50mm一侧堆焊的试件
18、，经过一侧堆焊的试件，经过=128N/mm2和和=5.6N/mm2多次应力循环后，残余多次应力循环后，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，焊件中的残余应力数值，经过多次循环加载后，焊件中的残余应力逐渐降低。逐渐降低。2024/7/302.6 焊接残余应力测定方法焊接残余应力测定方法应力释放法应力释放法1、切条法、切条法2、套孔法、套孔法3、小孔法、小孔法4、逐层铣削法、逐层铣削法5、物理法、物理法（1）X射线衍射法射线衍射法（2）磁应力测试法）磁应力测试法 焊接残余应力测定方法焊接残余应力测定方法1.小孔法：小孔法：
19、是应力破坏是应力破坏性最小的一种，原理性最小的一种，原理是：在应力场中钻一是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得应力重新调整，测得孔附近的应变片的变孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推化，可用弹性力学推算小孔处的应力。算小孔处的应力。 2.套孔法：套孔法：采用套料采用套料钻或管形电火花加钻或管形电火花加工环形孔来释放应工环形孔来释放应力，在孔内预先贴力，在孔内预先贴上应变片，可以算上应变片，可以算出表面残余应力，出表面残余应力，切削深度为切削深度为0.60.8D，破坏性，破坏性不大。不大。2024/7/303.切条法切条法4
20、 4、X X射线衍射法射线衍射法 原理：原理：晶体在应力的作用下，原子间晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用比，当用X射线，以掠角射线，以掠角 入射到晶体入射到晶体表面时，如果表面时，如果 能满足能满足2dSin =n ，则则X射线在反射方向因干涉而加强。射线在反射方向因干涉而加强。缺点：缺点：2024/7/30小小 结结 焊接应力通常指焊接残余应力：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。分为纵向、横向、厚度方向残余应力。 残余应力危害：残余应力危害： 降低承载能力、降低疲劳强度、尺寸精度、降低承载能力、降
21、低疲劳强度、尺寸精度、耐腐蚀性。耐腐蚀性。测定残余应力方法：测定残余应力方法：钻孔法、钻孔法、X射线法，但不射线法，但不准确。准确。2024/7/30作业思考题作业思考题21.焊接应力分类？分析焊接纵向残余应力焊接应力分类？分析焊接纵向残余应力是如何形成的？是如何形成的？2. 焊接残余横向应力如何形成？如何防止焊接残余横向应力如何形成？如何防止焊接应力？焊接应力？3. 焊接应力对焊接结构的影响？分析焊接应力对焊接结构的影响？分析T型结型结构、构、H型结构应力变化与焊件尺寸的影响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？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。坏事故图片或案例。
