焊接應力與焊接變形講稿

1、,焊接應力與焊接變形（2006年4月蘇州）南京市特種設備監(jiān)督檢驗所呂嘉賓lvjb@njzj.gov.cn025-84697976,焊接應力與變形,第一節(jié) 焊接應力與變形的產(chǎn)生一、焊接應力與變形的基本知識1、彈性變形和塑性變形變形: 物體在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱為物體的變形。彈性變形: 當使物體產(chǎn)生變形的外力或其他因素去除后變形也隨之消失，物體可恢復原狀，這樣的變形稱為彈性變

2、形。塑性變形: 當外力或其他因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復原狀，這樣的變形稱為塑性變形。,2、應力物體受外力作用后所導致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力。另外，在物理、化學或物理化學變化過程中，如溫度、金相組織或化學成分等變化時，在物體內(nèi)部也會產(chǎn)生內(nèi)力。作用在物體單位面積上的內(nèi)力叫做應力。根據(jù)引起內(nèi)力原因的不同，可將應力分為工作應力和內(nèi)應力。工作應力是由外力作用于物體而引起的應力；內(nèi)應力是由物體的化學成分、金相組織及

3、溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部的不均勻性變形而引起的應力。,3、焊接應力與焊接變形焊接應力是焊接過程中及焊接過程結束后，存在于焊件中的內(nèi)應力。焊接變形是由焊接而引起的焊件尺寸的改變。,三、焊接應力與變形產(chǎn)生的原因1、焊件的不均勻受熱（1）不受約束的桿件在均勻加熱時的應力與變形 其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過程中不會產(chǎn)生任何內(nèi)應力，冷卻后也不會有任何殘余應力和殘余變形。（2）受約束的桿件在均勻加熱時的應力與變形如果加熱溫

4、度較高，達到或超過材料屈服點溫度時（T﹥TS=600），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當溫度恢復到原始溫度時，彈性變形恢復，塑性變形不可恢復，可能出現(xiàn)以下三種情況：,①如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形而無殘余應力；②如果桿件受絕對拘束，那么桿件中沒有殘余變形而存在較大的殘余應力；③如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應力又有殘余變形。,（3）長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應力

5、與變形,（4）長板條一側(cè)加熱（相當于板邊堆焊）引起的應力與變形,2、焊縫金屬的收縮當焊縫金屬冷卻、由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個焊件的變形，同時在焊縫中引起殘余應力。3、金屬組織的變化鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生金相組織的變化，這些組織的比體積不一樣，也會造成焊接應力與變形。,4.焊件的剛性和拘束焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應力越

6、大；反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大，而焊接應力越小。剛性——是指焊件抵抗變形的能力。拘束——是指焊件周圍物體對焊接變形的約束。,第二節(jié) 焊接殘余應力及分布,一、焊接殘余應力 是焊件焊完冷卻后殘留在焊件內(nèi)的焊接應力，焊接殘余應力對焊接結構的強度、耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。二、焊接殘余應力的分布1、縱向殘余應力σx的分布作用方向平行于焊縫軸線的殘余應力稱為縱向殘余應力。,2、橫向殘余應力σ

7、y的分布垂直于焊縫軸線的殘余應力稱為橫向殘余應力。（1）焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應力σ?y 圖1-8a（2）橫向收縮所引起的橫向殘余應力σ??y總之，橫向殘余應力的兩個組成部σ?y、σ??y同時存在，焊件中的橫向殘余應力σy是由σ?y、σ??y合成的，但它的大小要受σs的限制。,三、焊接殘余應力對焊接結構的影響1、對焊接結構強度的影響焊接殘余應力的存在將明顯降低脆性材料結構的靜載強度。2、對構件加工

8、尺寸精度的影響,3、對受壓桿件穩(wěn)定性的影響4、對疲勞強度的影響,四、減小焊接殘余應力的措施1、設計措施1）盡量減少結構上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸2）避免焊縫過分集中3）采用剛度較小的接頭形式,2、工藝措施（1）采用合理的裝配焊接順序和方向 在一個平面上的焊縫，焊接時應保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由，如圖1-20所示的拼板焊接，合理的焊接順序應是圖1-20中的1~10，即先焊相互錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫。,收縮量最大

9、的焊縫應先焊。因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，因而殘余應力就比較小。如圖1-21所示的帶蓋板的雙工字梁結構，應先焊蓋板上的對接焊縫1，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫2，原因是對接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。,工作時受力最大的焊縫應先焊。如圖1-22所示的大型工字梁，應先焊受力最大的翼板對接焊縫1，再焊腹板對接焊縫2，最后焊預先留出來的一段角焊縫3。,焊接平面交叉焊縫時，在焊縫的交叉點易產(chǎn)生較大的焊接殘余應力。,對接焊縫與角焊縫交叉的結

10、構。,（2）預熱法（3）冷焊法 冷焊法是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結構上其他部位間的溫度差。（4）降低焊縫的拘束度（5）加熱“減應區(qū)”法 焊接時加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接殘余應力的作用。,五、消除焊接殘余應力的方法1、熱處理法 包括整體高溫回火和局部回火（1）整體熱處理 是將整個構件緩慢加熱到一定的溫度（低碳鋼為650℃），并在該溫度下保溫一定的時間（一般按每毫

11、米板厚保溫2~4min，但總時間不少于30min），然后空冷或隨爐冷卻。（2）局部熱處理,2、機械拉伸法在壓力容器制造的最后階段，通常要進行水壓試驗，和起重機的靜載試驗，其目的之一也是利用加載來消除部分殘余應力。4、錘擊焊縫錘擊焊縫，可使焊縫金屬產(chǎn)生延伸變形，能抵消一部分壓縮塑性變形，起到減小焊接殘余應力的作用。5、振動法,第三節(jié) 焊接變形一、焊接變形的基本形式焊接變形在焊接結構中的分布是很復雜的。按變形對整個焊接結構的