焊接应力与变形.ppt

陈信,焊接应力与变形,本节主要内容 一、应力和变形的基础知识； 二、焊接应力与变形的几个假定； 三、焊接应力与变形产生的原因；,陈信,焊接应力与变形的产生,一、应力与变形的基本知识,1.应力物体单位截面上表现的内力。 分类,内力：在外力作用下，材料发生变形的同时，材料内部还会产生阻止变形的抗力 。,陈信,2.变形物体在外力的作用下，其内部原子的相对位置发生变化，其宏观表现为形状和尺寸的变化。 分类 按物体变形的性质分为： 按变形的拘束条件分为：,焊接应力与变形的产生,陈信,由焊接热过程引起的应力和变形就是焊接应力和焊接变形。 焊后，当焊件温度降至常温时，残存于焊件中的应力称为焊接残余应力，焊件上不能恢复的变形称为焊接残余变形。,焊接应力与变形的产生,陈信,为了便于讨论，对于低碳钢材料作如下假设：在0500时，屈服点不变，而在500600时，按直线规律减小到零。600以上时，就变为塑性材料,钢受热时力学性能的变化,陈信,图所示为金属杆件进行均匀加热后的变形过程。当温度由T0升至T1时，金属杆件便出现了热膨胀，如果在伸长过程中不受阻碍，杆长将增加LT，这段长度的改变称为自由变形，如图83a所示。同样，冷却时又能自由收缩，金属杆件始终处在自由无约束的状态下，不会出现应力和变形。,焊接应力与变形的产生,陈信,假如金属杆件在伸长过程中受到阻碍，不能自由地变形，这时的长度变化 量称为外观变形L，见图b。杆件内部因受压而产生的变形，称为内 部变形L，内部变形在数值上等于自由变形和外观变形之差，即L二LT Le，此时在金属杆件内将产生压应力。,焊接应力与变形的产生,陈信,焊接应力与变形的产生,如果压应力小于金属材料的屈服点，则当杆件温度从T1恢复到T0时，若允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来长度L0，杆件中不存在应力。 如果杆件温度很高，产生的压应力大于材料的屈服点，则杆件产生塑性变形”，在杆件温度恢复到了。的自由收缩结束后，将比原来缩短，产生了压缩塑性变形。,陈信,假设焊件是由许多金属小板条组成，它们互相结合，互相制约。当焊接时，焊件受到局部不均匀的加热和冷却，焊接接头各区域会出现不同程度的热胀和冷缩。温度高、伸长大的板条要受到相邻的温度低、伸长小的板条的压缩；相反，温度低、伸长小的板条要受到温度高、伸长大的板条的拉抻。,焊接应力与变形的产生,陈信,在钢板的两侧产生拉应力，中间产生压应力。当压应力超过材料的屈服点时，就产生压缩塑性变形，即图a中虚线所围绕的空白部分。由于钢板是一个整体，中间部分的收缩要受到两边的牵制，所以实际收缩变形如图中实线所示，即钢板总长缩短了L。在钢板的两侧产生压应力，而钢板中间，因没有完全收缩，则产生了拉应力。,焊接应力与变形的产生,陈信,三、焊接应力与变形产生的原因 根本原因焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘束，不能自由膨胀和收缩。,1.杆件的不均匀受热.,焊接应力与变形的产生,（1）长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形。,钢板条中心加热和冷却时的应力与变形,陈信,（2）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形。,焊接应力与变形的产生,钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,陈信,(3)杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力。,焊接应力与变形的产生,陈信,(4)长板条非对称加热引起的变形和应力,焊接应力与变形的产生,陈信,本节主要内容： 一、焊接变形的种类 二、控制焊接变形的措施 三、矫正焊接变形的措施,焊接残余变形,陈信,一、焊接变形的种类 焊接变形分为5种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。,焊接残余变形,陈信,1收缩变形焊件尺寸比焊前缩短的现象称为收 缩变形。分为纵向缩短和横向缩短。,焊件在焊后沿焊缝长度方间的收缩称为纵向缩短。 焊件在焊后垂直于焊缝方向的收缩叫横向缩短。,焊接残余变形,陈信,2角变形,角变形产生的根本原因：由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。角变形的大小以变形角进行度量。,焊接残余变形,几种接头的角变形,T形接头的角变形,陈信,3. 弯曲变形,弯曲变形主要是结构上的焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称，焊缝收缩引起的变形。 弯曲变形的大小用挠度进行度量挠度是指焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离。,焊接残余变形,陈信,（1）纵向收缩引起的弯曲变形,焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形,（2）横向收缩引起的变曲变形,焊缝的横向收缩引起的弯曲变形,陈信,4.波浪变形,波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过程中，又称之为失稳变形。,焊接残余变形,焊缝角变形引起的波浪变形,陈信,5.扭曲变形,产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。 一般发生在有数条平行的长焊缝的焊件上，如焊接工形梁。扭曲变形的产生往往与焊接方向或顺序不当有关。,焊接残余变形,工字梁的扭曲变形,陈信,焊接残余变形,陈信,二、控制焊接变形的措施,1. 设计措施 （1）合理地选择焊缝的尺寸和形状（如图） 在保证结构承载力的情况下,尽可能采用较小的焊缝尺寸, 减少热输入对材料性能的影响, 并降低成本。,相同承载力的十字接头,箱形梁的不同接头形式,焊接残余变形,陈信,（2）合理选择焊缝长度和数量 只要允许，多采用型材、冲压件；焊缝多且密集处，可以采用铸焊联合结构，就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度，以减少肋板数量，或者采用压型结构代替肋板结构，都对防止薄板结构的变形有利。,某人行天桥加强筋状况,焊接残余变形,陈信,（3）合理地安排焊缝的位置 安排焊缝尽可能对称与截面中性轴,或使焊缝接近中性轴, 这对减少梁柱的挠曲变形有良好的效果。,箱形和工字梁的焊缝布置（后者较好）,焊接残余变形,陈信,2.工艺措施 （1）反变形法 ( 如图),几种反变形措施,焊接残余变形,陈信,（2）留余量法 在下料时，将零件的实际长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。 留余量法主要用于防止焊件的收缩变形。,焊接残余变形,陈信,（3）刚性固定法 1） 将焊件固定在刚性平台上。,焊接残余变形,薄板拼接时的刚性固定,陈信,2）将焊件组合成刚性更大或对称的结构。,焊接残余变形,T形梁的刚性固定和反变形,陈信,3）利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。,焊接残余变形,对接拼板时的刚性固定,陈信,4）利用临时支撑增加结构的拘束。,焊接残余变形,防护罩焊接时的临时支撑,陈信,（4） 选择合理的装配焊接顺序。装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。 1）大型而复杂的焊接结构，只要条件允许，把它分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后再总装成整体。 2）正在施焊的焊缝应昼靠近结构截面的中性轴。,焊接残余变形,主梁装配焊接,陈信,3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。,压力机压型上模的焊接顺序,焊接残余变形,陈信,4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。,焊接残余变形,圆筒体对接焊缝焊接顺序,陈信,5）长焊缝（1m以上）焊接时，可采用下图所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形。,焊接残余变形,陈信,（5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数,焊接残余变形,非对称截面结构的焊接,陈信,（6）热平衡法 采用热平衡法防止焊接变形,焊接残余变形,陈信,（7）散热法 散热法示意图,焊接残余变形,陈信,三、矫正焊接变形的措施,1. 手工矫正法 2. 机械矫正法 用机械方法矫正变形的原理就是将缩短的尺寸拉长，使之与较长的部分相适应，从而恢复到原来的尺寸，或达到技术条件对几何尺寸的要求。 机械矫正法会使金属材料因冷作硬化而变脆，并产生附加应力，因此一般适用于变形不大的小型结构件。,焊接残余变形,机械矫正法矫正梁的弯曲变形,陈信,3.火焰加热矫正法 火焰矫正的原理与机械矫正相反，它是通过局部加热并随之快冷，使焊件伸长的部位缩短，达到矫正变形的目的。 火焰加热的方式有点状加热、线状加热和三角形加热。 此法一般使用的是气焊炬，不需专门设备。操作简单方便，机动灵活，可以在大型复杂结构上进行矫正。,焊接残余变形,陈信,（2）线状加热,（1）点状加热,焊接残余变形,陈信,（3）三角形加热 工字梁弯曲变形的火焰矫正 火焰加热矫正焊接变形的取决于下列三个因素： （1）加热方式 （2）加热位置 （3）加热温度和加热区的面积,焊接残余变形,陈信,焊接残余应力,本节主要内容： 一、焊接残余应力的分类； 二、焊接残余应力的分布； 三、焊接残余应力对焊接接头的影响； 四、减小焊接残余应力的措施； 五、消除残余应力的措施； 六、焊接残余应力的测定方法。,陈信,概念如果不均匀的温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使构件局部发生塑性变形（加热杆件中将出现压缩塑性变形），当温度恢复均匀后，产生的内应力会残留在物体里。故称之为残余应力。,焊接残余应力,陈信,一、焊接残余应力的分类：,按应力的分布范围 根据结构中的空间位置,焊接残余应力,陈信,根据应力与焊 缝的相对位置 根据应力产生 作用的时间 根据应力 形成原因,焊接残余应力,陈信,二、焊接残余应力的分布,1. 纵向残余应力 的分布,焊接残余应力,对接接头 在焊缝横截面上的分布,陈信,2. 横向残余应力 分布,由纵向焊接应力引起的 横向应力分布,不同焊接方向时 横向应力分布,焊接残余应力,（1）焊接及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力,（2） 横向收缩年引起的机工向应力,陈信,3. 厚板焊接接头中的残余应力分布 厚板（大于20mm）焊接接头中存在三维的残余应力。,厚板焊接接头中的残余应力分布,焊接残余应力,陈信,4.在拘束状态下焊接的残余应力 由于焊接时的焊缝收缩会受到拘束力的制约，产生相应的内应力，将和自由状态下焊接相似的横向（纵向）应力叠加。,在拘束状态下焊接的残余应力,焊接残余应力,陈信,5.在封闭焊缝中残余应力的分布：,焊接残余应力,陈信,1.对静载强度的影响 只要材料有足够的延性，能够进行塑性变形，内应力的存在不影响构件的承载能力，对强度无影响。 如果材料处于脆性状态时，应力达到强度极限时，构件将发生局部破坏，最后导致构件断裂。,三、焊接残余应力对焊接接头的影响,焊接残余应力,陈信,2.残余应力对疲劳强度的影响 在疲劳节段专门进行讲解。 3.残余应力对机械加工精度的影响 机械加工后，原内应力的平衡打破，工件将产生变形。,焊接残余应力,机械加工引起内应力释放和变形,陈信,4.残余应力对受压杆件的影响 波浪变形是构件由于内应力产生构件局部失稳造成。 当杆件的长细比（大于150),失稳临界应力本来就低,或内应力较低时,外载应力与残余应力之和在失稳之前未达到屈服极限,残余应力对稳定性不会产生影响。,焊接残余应力,陈信,当杆件的较小(小于30),相对偏心又不大（小于0.1），其失稳临界应力主要取决于杆件的全面屈服，内应力也不致产生影响。 对翼缘宽厚比较大的H型截面，压缩残余应力将降低翼缘的局部稳定性。 局部失稳可能造成杆件整体失稳。,焊接残余应力,陈信,5.残余应力1对刚度的影响 构件中存在与外力方向一致的残余应力1 ，而1数值又达到屈服极限，则在外力作用下，刚度将降低，而且卸载后构件的原尺寸也不能复员。 6.残余应力对应力腐蚀（开裂）的影响 焊接接头区域往往比其他部位的腐蚀速度快，就是因为该区域存在着较大的焊接残余应力。 在拉应力和腐蚀介质共同的作用下引起材料产生腐蚀的现象称为应力腐蚀。,焊接残余应力,陈信,四、减小焊接残余应力的措施 1.设计措施:设计上减小焊接应力的核心：正确布置焊缝，以避免应力叠加。 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。,焊接残余应力,3）采用刚性较小的接头形式。,容器接管焊接,减小接头的刚性措施,陈信,带盖板的双工字梁结构焊接顺序,2. 工艺措施,1） 采用合理的装配焊接顺序和方向。, 在一个平面上的焊缝，焊接时，应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由。,拼接焊缝合理的装配焊接顺序, 收缩量最大的焊缝应先焊。,焊接残余应力,陈信, 工作时受力最大的焊缝应先焊。,焊接残余应力,对接工字梁的焊接顺序, 平面交叉焊缝焊接时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接应力。,平面交叉焊缝的焊接顺序,陈信,焊接残余应力, 对接焊缝与角焊缝交叉的结构。,2）预热法。 3）冷焊法。 4）降低焊缝的拘束度。,降低局部刚度减少内应力,陈信,焊接残余应力,5）加热“减应区”法。,加热“减应区”法示意图,陈信,五、消除残余应力的措施,注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。,焊接残余应力,陈信,六、焊接残余应力的测定,1.应力测定方法的分类 按其对结构的是否破坏来分 按测试原理分,焊接残余应力,陈信,应力释放法,原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。,焊接残余应力,陈信,1.切条法：将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变片或加工机械引申计的标距孔然后测原始读数，然后切断，然后在读数根据 可以算出应力。,焊接残余应力,2.车削法： 此法多用于测圆柱零件堆焊后的残余应力分布。,切条法测残余应力,车削法测残余应力,陈信,3.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。,焊接残余应力,小孔法测内应力,4.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0.6-0.8D，破坏性不大。,套孔法测内应力,陈信,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，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：,焊接残余应力,陈信,磁性法： 利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力。 超声波法： 根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力。,焊接残余应力,陈信,复习思考题,1.焊接变形与应力形成的原因是什么? 2.焊接应力和变形有什么危害? 3.焊接角变形、弯曲变形产生的原因是什么? 4.减少和消除焊接应力与变形的措施有哪些？ 5.如何矫正焊接变形？,