課件-焊接應力

1、HuaQiao University OF Technology 焊接基礎焊接基礎 機電及自動化學院 6 焊接應力與變形 HuaQiao University OF Technology 焊接基礎焊接基礎 機電及自動化學院 6 6 焊接應力與變形焊接應力與變形 一一. 焊接應力與變形的概念焊接應力與變形的概念 焊接構件由焊接而產生的內應力稱為焊接應力。焊接構件由焊接而產生的內應力稱為焊接應力。 按作用時間可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。按作用時間可分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。 物體在受到外力的作用時，會出現形狀、尺寸的變化，這就稱為物體物體在受到外力的作用時，會出現形狀、尺寸的變化，這就

2、稱為物體 的變形。的變形。 焊接變形是焊件由焊接而產生的變形（尺寸和形狀的改變）。焊接變形是焊件由焊接而產生的變形（尺寸和形狀的改變）。 焊后焊件殘留的變形稱為焊接殘余變形。焊后焊件殘留的變形稱為焊接殘余變形。 在物體受到外力作用發(fā)生變形的同時，在內部會出現一種抵抗變形的力，在物體受到外力作用發(fā)生變形的同時，在內部會出現一種抵抗變形的力， 這種力叫內力。這種力叫內力。 在單位截面積上的內力叫應力。在單位截面積上的內力叫應力。 內應力按產生原因分類： 溫度應力及殘余應力 溫度應力（熱應力） 產生條件：受熱不均勻 溫度均勻結果：應力殘留或消失 舉例 過程：加熱-承受壓應力-屈服（250）-應力降低

3、、 壓應變繼續(xù)增加；750 開始冷卻拉應力應變上升 -室溫-殘余應力和相變應力。 圖圖3-1 加熱和冷卻產生內應力的實驗及溫度曲線加熱和冷卻產生內應力的實驗及溫度曲線 （二）殘余應力 產生原因：不均勻加熱 產生條件：局部區(qū)域產生塑性變形或相變 加熱中心桿，溫度均勻加熱中心桿，溫度均勻 化后，熱應力消失?；?，熱應力消失。 6.2 焊接應力與變形的形成過程 自由變形、外觀變形和內部 變形 自由變形： LT=L0(T1-T0) T=LT /L0 = (T1-T0) 外觀變形： Le e =Le /L0 內部變形： L =(LT Le) =L /L0 內應力內應力 = E =E (e T) 3.2.

4、1簡單桿件的應力與變形 圖圖3-4 金屬桿件的受熱變形金屬桿件的受熱變形 a）自由變形量）自由變形量b）外觀變形量）外觀變形量 桿件的溫度、變形與內應力演變規(guī)律 T1溫度下1s，則只存在彈性變形； T2溫度下2s，則只存在塑性變形， p= e -T - s； 圖圖3-5 低碳鋼的應力低碳鋼的應力-應變曲線應變曲線 對于低碳鋼，假定桿件中的對于低碳鋼，假定桿件中的 應力應力達到達到s后就不再升高后就不再升高 即將低碳鋼視為理想彈塑性體即將低碳鋼視為理想彈塑性體 3.2.2不均勻溫度場作用下的應力與變形 研究的前提條件：平面假設原理 長板條中心加熱（對稱加熱） 圖圖3-6 長板條中心加熱示意圖長板

5、條中心加熱示意圖 截取板條的單位長度研究 dxY B B . 2/ 2/ dxE B B Te 2/ 2/ )( 0)( 2/ 2/ dxxfE B B e 溫度低，無塑性變形,應力平衡： 圖圖3-7 長板條中心長板條中心 加熱時的變形加熱時的變形 2 2 2 2 )(Y B B p e B B dxEdx 2 2 2 2 2 2 )( B C e C C p e C B edxEdxxfEdxE 溫度高，產生塑性變形，殘余應力： 0)()( 2 2 B B p eedxxfECBE 當加熱溫度高，板中心將發(fā)生塑性變形，如果已知塑性區(qū)壓縮變形的分布規(guī)律為當加熱溫度高，板中心將發(fā)生塑性變形，如果

6、已知塑性區(qū)壓縮變形的分布規(guī)律為: )(xf pp 則殘余應力為：則殘余應力為： )( xfE pe 殘余應力和變形的平衡條件可表達為：殘余應力和變形的平衡條件可表達為： 長板條單側加熱（非對稱加熱） b)和c)兩種情況為不平衡力矩，不能發(fā)生 圖圖3-8 板條一側不對稱受熱時的應力和變形板條一側不對稱受熱時的應力和變形 板條截面上應力及力矩平衡方程 內應力內應力 = E =E (e T) 圖圖3-9板條單邊加熱到不同溫度時的應力與變形板條單邊加熱到不同溫度時的應力與變形 B B dxxM dxY 0 0 0 0 力矩平衡： 內應力平衡： 6.2.3焊接引起的應力與變形 焊接時發(fā)生焊接應力和變形的

7、原因是焊件受 到不均勻加熱，同時因加熱引起的熱變形和 組織變形（相變）受到焊件本身剛度的約束。 焊接過程中焊接過程中所發(fā)生的應力和變形被稱為暫態(tài) 或瞬態(tài)的應力變形，而在焊接完畢和試件完 全冷卻后殘留的應力和變形，稱之為殘余或 剩余的應力變形。 焊接殘余應力和殘余變形會在某種程度上影 響焊接結構的承載能力和服役壽命。 1.引起焊接應力與變形的機理及影響因素 圖圖3-10 引起焊接應力與變形的主要因素及其內在聯(lián)系引起焊接應力與變形的主要因素及其內在聯(lián)系 6.3焊接殘余應力焊接殘余應力 這一節(jié)討論焊接殘余應力的分布、影響。這一節(jié)討論焊接殘余應力的分布、影響。 6.3.1 6.3.1 焊接殘余應力的分

8、布焊接殘余應力的分布 一般焊接結構制造所用材料的厚度相對于長和寬都很小，一般焊接結構制造所用材料的厚度相對于長和寬都很小， 在板厚小于在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接結構中，的薄板和中厚板制造的焊接結構中， 厚度方向上的焊接應力很小，殘余應力基本上是雙軸的，厚度方向上的焊接應力很小，殘余應力基本上是雙軸的， 即為平面應力狀態(tài)。只有在大型結構厚截面焊縫中，在即為平面應力狀態(tài)。只有在大型結構厚截面焊縫中，在 厚度方向上才有較大的殘余應力。厚度方向上才有較大的殘余應力。 應力通常表示方法： 將沿焊縫方向上的殘余應力稱為縱向應力，以x表示； 將垂直于焊縫方向上的殘余應力稱為橫向應力，以y 表

9、示； 對厚度方向上的殘余應力以z表示。 1、縱向殘余應力的分布x 圖圖3-17 平板對接時焊縫上縱向應力沿焊縫長度方向上的分布平板對接時焊縫上縱向應力沿焊縫長度方向上的分布 （*此圖對于低碳鋼適用，焊縫足夠長）此圖對于低碳鋼適用，焊縫足夠長） *焊縫長度較短時，焊縫長度較短時， xs焊縫越短縱向應力焊縫越短縱向應力 x的數值就越小。（對于低碳鋼適用）的數值就越小。（對于低碳鋼適用） 圖圖3-18不同焊縫長度不同焊縫長度x值的變化值的變化 不同尺寸、不同截面上縱向殘余應力 x x的分布（對于低碳鋼適用）（對于低碳鋼適用） 不同材料上縱向殘余應力在橫截面上的分布 圖圖3-19 焊縫縱向應力沿板材橫

10、向上的分布焊縫縱向應力沿板材橫向上的分布 a)低碳鋼低碳鋼 b)鋁合金鋁合金 2 2橫向殘余應力的分布橫向殘余應力的分布 圖圖3-22 由縱向收縮所引起的橫向應力的分布由縱向收縮所引起的橫向應力的分布 （1）縱向收縮的影響）縱向收縮的影響-y 焊縫較長時，中心部分拉應力焊縫較長時，中心部分拉應力y有所下降有所下降 圖圖3-23 不同長度焊縫上的橫向應力的比較不同長度焊縫上的橫向應力的比較 （2）橫向收縮的影響-y 圖圖3-24 不同焊接方向對橫向應力分布的影響不同焊接方向對橫向應力分布的影響 圖圖3-25 橫向應力沿板寬方向的分布橫向應力沿板寬方向的分布 3.4 焊接殘余變形 3.4.1 焊接

11、殘余變形的分類 （1）縱向收縮變形）縱向收縮變形 （2）橫向收縮變形）橫向收縮變形 圖圖3-48 縱向和橫向收縮變形縱向和橫向收縮變形 （3）撓曲變形）撓曲變形 : 撓曲可以由縱向收縮、橫向收縮、角變形引起撓曲可以由縱向收縮、橫向收縮、角變形引起 圖圖3-49 撓曲變形撓曲變形 a）由縱向收縮引起的撓曲變形）由縱向收縮引起的撓曲變形 b）由橫向收縮引起的撓曲變形）由橫向收縮引起的撓曲變形 （4）角變形）角變形 表現為焊后構件的平面圍繞焊縫產生角位移表現為焊后構件的平面圍繞焊縫產生角位移 圖圖3-50 角變形角變形 （5）波浪變形）波浪變形 （6）錯邊變形）錯邊變形 圖圖3-51 波浪變形波浪變

12、形 圖圖3-52 錯邊變形錯邊變形 a）長度方向的錯邊）長度方向的錯邊 b）厚度方向的錯邊）厚度方向的錯邊 （7）螺旋形變形 圖圖3-53 螺旋形變形螺旋形變形 焊接變形帶來的影響：影響外形和承載能力 圖圖3-54 角變形引起的不圓度角變形引起的不圓度 圖圖3-55 不等厚板搭接接頭的角變形不等厚板搭接接頭的角變形 3. 縱向收縮引起的撓曲變形縱向收縮引起的撓曲變形 eFM f 彎矩為： 圖圖3-60焊縫在結構中的位置不對稱所引起的焊接變形焊縫在結構中的位置不對稱所引起的焊接變形 彎矩彎矩M的作用使構件終端的橫截的作用使構件終端的橫截 面發(fā)生轉角面發(fā)生轉角和撓度和撓度f。轉角。轉角可如可如 下

13、計算：下計算： IE LePf 構件的撓度構件的撓度f可由下式獲得：可由下式獲得： IE LeP f f 8 2 平面上的封閉環(huán)焊縫導致失穩(wěn)變形平面上的封閉環(huán)焊縫導致失穩(wěn)變形 圖圖3-86 平面封閉環(huán)焊縫引起的馬鞍形變形（計算結果）平面封閉環(huán)焊縫引起的馬鞍形變形（計算結果） 角變形產生的波浪變形角變形產生的波浪變形 圖圖3-87 角變形引起的波浪變形角變形引起的波浪變形 扭曲變形扭曲變形(螺旋形變形螺旋形變形)舉例舉例 圖圖3-91 工字形梁的扭曲變形工字形梁的扭曲變形 a）焊前）焊前 b）焊后）焊后 圖圖3-92 由縱向焊接錯邊引起的由縱向焊接錯邊引起的 箱形構件的扭曲變形箱形構件的扭曲變形

14、 6.4.2 影響焊接殘余變形的因素影響焊接殘余變形的因素 1. 焊縫在結構中的位置焊縫在結構中的位置 a.產生縱向縮短和橫向縮短 b.產生彎曲變形 2. 焊接結構的剛性焊接結構的剛性 拘束度大，剛性大，越不容易變形 3. 焊縫的長度和坡口形式焊縫的長度和坡口形式 4. 焊接結構的裝配及焊接順序焊接結構的裝配及焊接順序 5. 焊接線能量焊接線能量 3.5.3 焊接殘余應力與變形的調整與控制 1. 調控焊接應力與變形的焊前措施調控焊接應力與變形的焊前措施 （1）合理地選擇焊縫的形狀和尺寸）合理地選擇焊縫的形狀和尺寸 圖圖3-106 焊接箱形梁的不同形式焊接箱形梁的不同形式 應遵循的原則是：應遵循

15、的原則是： 盡可能使焊縫長度盡可能使焊縫長度 最短；盡可能使板最短；盡可能使板 厚??；盡可能使焊厚??；盡可能使焊 腳尺寸?。粩嗬m(xù)焊腳尺寸?。粩嗬m(xù)焊 縫和連續(xù)焊縫相比，縫和連續(xù)焊縫相比， 優(yōu)先采用斷續(xù)焊縫；優(yōu)先采用斷續(xù)焊縫； 角焊縫與對接焊縫角焊縫與對接焊縫 相比，優(yōu)先采用角相比，優(yōu)先采用角 焊縫以及復雜結構焊縫以及復雜結構 最好采用分部組合最好采用分部組合 焊接。焊接。 (2)盡量避免焊縫的密集與交叉非常重要盡量避免焊縫的密集與交叉非常重要 圖圖3-107 避免焊縫交避免焊縫交 叉的措施與最優(yōu)焊叉的措施與最優(yōu)焊 接順序接順序 圖圖3-108 軸承的加固形式軸承的加固形式 (3)采用壓形板來提高

16、平板的剛性和穩(wěn)采用壓形板來提高平板的剛性和穩(wěn) 定性，也可以減小焊接量和減小變形定性，也可以減小焊接量和減小變形 圖圖3-109 兩種隔艙板的形式兩種隔艙板的形式 a）壓形板）壓形板 b）拼焊板）拼焊板 (4)改變接頭設計改變接頭設計 圖圖3-110 減小聯(lián)系焊縫的變形減小聯(lián)系焊縫的變形 a）用斷續(xù)角焊縫焊接面板與槽鋼頂面時變形相對嚴重）用斷續(xù)角焊縫焊接面板與槽鋼頂面時變形相對嚴重 b）用塞焊連接則變形較?。┯萌高B接則變形較小 （5）預變形法（反變形法）預變形法（反變形法） 圖圖3-111 幾種反變形的措施幾種反變形的措施 預變形法舉例二預變形法舉例二 圖圖3-112 薄殼結構支座焊接的反變形

17、薄殼結構支座焊接的反變形 圖圖3-113 減小減小T型接頭的角變形型接頭的角變形 2. 焊后調控焊接殘余應力與變形的措施 （1）機械方法）機械方法 圖圖3-114 用壓力機校正工字梁的撓曲變形用壓力機校正工字梁的撓曲變形 圖圖3-115 錘擊法調節(jié)中厚板多層焊時的殘余應力在厚度（錘擊法調節(jié)中厚板多層焊時的殘余應力在厚度（z向）上的分布向）上的分布 錘擊法的優(yōu)點是節(jié)省能源、降低成本、提高效率，錘擊法的優(yōu)點是節(jié)省能源、降低成本、提高效率， 缺點是勞動強度大，并且工件表面質量差。缺點是勞動強度大，并且工件表面質量差。 a)焊后狀態(tài)焊后狀態(tài) b）只錘擊最后一道焊縫）只錘擊最后一道焊縫 c）逐層錘擊）逐

18、層錘擊 3-116 碾壓矯形碾壓矯形 對于薄板并具有規(guī)則的焊縫時，可采用碾壓的方法對于薄板并具有規(guī)則的焊縫時，可采用碾壓的方法 過載拉伸法過載拉伸法 圖圖3-119 機械加載降低內應力機械加載降低內應力 機械振動法機械振動法 圖圖3-120 振動循環(huán)次數與消除應力的效果振動循環(huán)次數與消除應力的效果 初始應力分布初始應力分布b)試件截面試件截面 c)經過經過6.2106次循環(huán)后的內應力分布次循環(huán)后的內應力分布 d)經不同循環(huán)次數作用后內應力峰值的變化經不同循環(huán)次數作用后內應力峰值的變化 （2）加熱方法）加熱方法 一方面材料的屈服極限會因溫度的升高而降低一方面材料的屈服極限會因溫度的升高而降低 另

19、一方面，高溫時材料的蠕變速度加快，蠕變引起應力松弛。另一方面，高溫時材料的蠕變速度加快，蠕變引起應力松弛。 圖圖3-121 鋼的彈性模量和屈服極限與溫度的關系鋼的彈性模量和屈服極限與溫度的關系 表表3-2 不同材料消除焊接殘余應力的回火溫度不同材料消除焊接殘余應力的回火溫度 材料種類材料種類 碳鋼及低合金鋼碳鋼及低合金鋼奧氏體鋼奧氏體鋼鋁合金鋁合金鎂合金鎂合金鈦合金鈦合金鈮合金鈮合金鑄鐵鑄鐵 回火溫度回火溫度 / 580680850105025030025030055060011001200600650 局部加熱消除應力局部加熱消除應力 圖圖3-123 局部熱處理的加熱區(qū)寬度局部熱處理的加熱區(qū)

20、寬度 a)環(huán)焊縫環(huán)焊縫 b)長構件對接焊縫長構件對接焊縫 RB5:經驗公式 翹曲變形的矯正方法舉例翹曲變形的矯正方法舉例 圖圖3-125 薄板結構點狀加熱矯形薄板結構點狀加熱矯形 溫差拉伸法 圖圖3-128 溫差拉伸法溫差拉伸法 角變形規(guī)律的工程應用角變形規(guī)律的工程應用-火焰成形火焰成形 圖圖3-124 氣體火焰局部加熱矯形氣體火焰局部加熱矯形 圖圖3-126 火焰成形的三種方法火焰成形的三種方法 圖圖3-127 火焰成形的典型實例火焰成形的典型實例 3 .3 .隨焊調控焊接應力與變形的措施隨焊調控焊接應力與變形的措施 （1）剛性固定法）剛性固定法 圖圖3-129 剛性固定法焊接法蘭盤剛性固定

21、法焊接法蘭盤 圖圖3-130 采用焊接夾具防止波浪變形采用焊接夾具防止波浪變形 圖圖3-131 防止薄板波浪變形的輔助措施防止薄板波浪變形的輔助措施 a）采用壓鐵）采用壓鐵b）用角鋼臨時增加近縫區(qū)剛性）用角鋼臨時增加近縫區(qū)剛性 （2）減小焊縫的熱輸入）減小焊縫的熱輸入 圖圖3-132 防止非對稱截面撓曲變形的焊接防止非對稱截面撓曲變形的焊接 直接水冷（圖直接水冷（圖3-133a） 采用銅冷卻塊（圖采用銅冷卻塊（圖3-133b）來限制焊接熱場）來限制焊接熱場 圖圖3-133 通過加強冷卻來減小焊接變形的方法通過加強冷卻來減小焊接變形的方法 a）直接水冷）直接水冷 b）采用銅冷卻塊）采用銅冷卻塊

22、限制和縮小 焊接熱場來 減小焊接變 形 （3）合理安排裝配焊接的順序）合理安排裝配焊接的順序 321 321 fff 撓度 焊接次序 21 3 321 fff 撓度 焊接次序 31 321 312 ff fff 撓度 焊接次序 圖圖3-134 帶蓋板的雙槽鋼焊接梁的焊接順序帶蓋板的雙槽鋼焊接梁的焊接順序 方案一 方案二 方案三 321 213 fff 撓度 焊接次序 （4）預拉伸法）預拉伸法 (預置應力法預置應力法) 圖圖3-135 施加預拉伸載荷的幾種方案施加預拉伸載荷的幾種方案 圖圖3-136 常溫下預拉伸的縱向應力場常溫下預拉伸的縱向應力場 a）平板）平板 b）筒體）筒體 （5）焊時溫差

23、拉伸法）焊時溫差拉伸法 圖圖3-137溫差拉伸專用夾具溫差拉伸專用夾具 隨焊溫差拉伸的效果隨焊溫差拉伸的效果 圖圖3-138 Tp為為150時的焊接溫度場時的焊接溫度場 圖圖3-139 溫差拉伸作用下的焊縫縱向殘余應力溫差拉伸作用下的焊縫縱向殘余應力 （6）隨焊激冷）隨焊激冷 （又稱為逆焊接加熱處理（又稱為逆焊接加熱處理 ） 圖圖3-140 隨焊激冷法的原理隨焊激冷法的原理 圖圖3-141幾種隨焊激冷方案幾種隨焊激冷方案 圖圖3-142 柔性隨焊激冷器柔性隨焊激冷器 圖圖3-143 常規(guī)焊與隨焊激冷焊接的溫度場常規(guī)焊與隨焊激冷焊接的溫度場 （7）隨焊碾壓）隨焊碾壓 圖圖3-144 隨焊碾壓防止熱裂的原理隨焊碾壓防止熱裂的原理 （8）隨焊錘擊）隨焊錘擊 圖圖3-145隨焊錘擊實施方案隨焊錘擊實施方案 1-焊槍焊槍 2-汽錘汽錘 3-固定平臺固定平臺 4-錘頭錘頭 5-工件工件 圖圖3-146 兩種隨焊錘擊方式兩種隨焊錘擊方式 a) 強化焊趾強化焊趾 b)強化焊縫強化焊縫 隨焊錘擊方法的主要缺點隨焊錘擊方法的主要缺點 是焊縫的表面質量不佳，是焊縫的表