CH2 焊接應(yīng)力和變形

1、1第一節(jié)應(yīng)力第一節(jié)應(yīng)力應(yīng)力的危害：熱應(yīng)力存在不僅會(huì)引起工件尺寸形狀的變化，還會(huì)降低構(gòu)件的承載能力，使工件產(chǎn)生裂紋。因此，必須盡量減小工件在加工過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力。應(yīng)力：在熱加工過(guò)程中，工件因經(jīng)歷了加熱和冷卻過(guò)程，其尺寸和形狀將發(fā)生變化。如果這種變化受到了阻礙，就會(huì)在工件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力；伴隨加熱和冷卻過(guò)程而變化的應(yīng)力稱為瞬時(shí)應(yīng)力；完全冷卻后殘存在工件中的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力。第二章焊接應(yīng)力和變形第二章焊接應(yīng)力和變形2按其形成原因可分為：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力。1熱應(yīng)力 工件在加熱和冷卻過(guò)程中，由于各部分的溫度不同造成工件上同一時(shí)刻各部分的收縮或膨脹量不同，從而導(dǎo)致內(nèi)部彼此相互制約而產(chǎn)生應(yīng)力。該應(yīng)力

2、是由不均勻溫度場(chǎng)引起的，故稱為熱應(yīng)力。（一）應(yīng)力的形成3一般來(lái)說(shuō)，凡是在冷卻過(guò)程中產(chǎn)生相變的合金，若新舊兩相的比容相差很大，同時(shí)產(chǎn)生相變的溫度低于塑性向彈性轉(zhuǎn)變的臨界溫度，都會(huì)在工件中產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力，甚至引起開(kāi)裂。但焊接高強(qiáng)度合金鋼時(shí)，奧氏體分解所引起的體積膨脹，可減輕焊后收縮時(shí)產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，反而會(huì)降低冷裂傾向。2相變應(yīng)力具有固態(tài)相變的合金，若各部分發(fā)生相變的時(shí)刻及相變程度不同，其內(nèi)部就可能產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。鋼在加熱和冷卻過(guò)程中，由于相變產(chǎn)物的比容不同，發(fā)生相變時(shí)其體積要變化。如：鐵素體或珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)，因奧氏體的比容較小，鋼材的體積要縮??；而奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體、珠光

3、體或馬氏體時(shí)，體積要膨脹。低碳鋼的相變溫度較高（600以上），發(fā)生相變時(shí)鋼材仍處于塑性狀態(tài)，故不會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力。而合金鋼只有冷卻到200350時(shí)才發(fā)生奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，并且馬氏體的比容較大，因此馬氏體形成后，將造成較大的應(yīng)力。4在冷卻過(guò)程中的某一瞬間，當(dāng)局部應(yīng)力的總和大于金屬在該溫度下的強(qiáng)度極限時(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生裂紋。金屬在冷卻過(guò)程中因收縮受到外界阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為機(jī)械阻礙應(yīng)力。機(jī)械阻礙的來(lái)源：強(qiáng)度較高、退讓性較低的鑄型和型芯，砂箱內(nèi)的箱檔和型芯內(nèi)的芯骨，設(shè)置在鑄件上的拉桿、防裂肋、分型面上的鑄件飛邊，澆冒口系統(tǒng)和鑄件上的某些突出部分，焊接時(shí)采用的剛性固定裝置.綜上所述，鑄件或焊件內(nèi)的應(yīng)

4、力=熱應(yīng)力+相變應(yīng)力+機(jī)械阻礙應(yīng)力。3機(jī)械阻礙應(yīng)力567示例：桿件均勻加熱示例：桿件均勻加熱8示例：鋼板不均勻加熱示例：鋼板不均勻加熱理論收縮線9示例：平板焊接應(yīng)力示例：平板焊接應(yīng)力10示例：鑄件冷卻應(yīng)力的形成示例：鑄件冷卻應(yīng)力的形成11第一階段（0-1）：在高于彈塑性轉(zhuǎn)變溫度的階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，兩桿冷卻速度雖然不同，收縮也不一致，但該瞬時(shí)的應(yīng)力均可通過(guò)塑性變形釋放。第二階段（1-2）：繼續(xù)冷卻，冷卻較快的桿已進(jìn)入彈性狀態(tài)，而粗桿仍處于塑性狀態(tài)，由于細(xì)桿冷卻快，收縮大于粗桿，所以細(xì)桿受拉伸，粗桿受壓縮，形成臨時(shí)內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)力隨之會(huì)由于粗桿的微量塑性變形（壓短）而消失。第三階段（2-3）

5、：冷卻到更低溫度，已被壓短的粗桿也處于彈性狀態(tài)，此時(shí)，盡管兩桿長(zhǎng)度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度較高，還會(huì)進(jìn)行較大的收縮；細(xì)桿的溫度較低，收縮已較小了。因此，粗桿的收縮必然受到細(xì)桿的強(qiáng)烈阻礙，于是，桿受壓縮，桿受拉伸，直至室溫，形成了殘余應(yīng)力。由此可見(jiàn)，熱應(yīng)力使鑄件厚壁和心部受拉伸、薄壁或表層受壓縮。 12合理設(shè)置澆冒口，盡量使鑄件各部分溫度均勻。（二）控制應(yīng)力的措施1 合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免焊縫交叉和密集，盡量采用對(duì)接而避免搭接；在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量減少不必要的焊縫；采用剛度小的結(jié)構(gòu)代替剛度大的結(jié)構(gòu)等；在鑄造結(jié)構(gòu)中，鑄件的壁厚差要盡量??；厚薄壁連接處要圓滑過(guò)渡；鑄件厚壁部

6、分的砂層要減薄，或放置冷鐵；13 在焊接中，應(yīng)根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的具體情況，盡量采用較小的線能量（如采用小直徑焊條和較低的焊接電流），以減小焊件的受熱范圍。采用合理的裝焊順序，盡可能使焊縫能自由收縮，收縮量大的焊縫應(yīng)先焊。此外，采取預(yù)熱措施可降低工件中的溫度梯度，從而減小焊接應(yīng)力。2 合理選擇工藝14（2）加載法對(duì)于某些壓力容器、橋梁、船體結(jié)構(gòu)，可以采取加載的辦法來(lái)消除焊接應(yīng)力。其原理是利用加載所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力與焊接應(yīng)力疊加，使拉應(yīng)力區(qū)（焊縫及近縫區(qū)）的應(yīng)力值達(dá)到屈服強(qiáng)度，迫使材料發(fā)生塑性變形。卸載后構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力得以完全或部分消除。（4）錘擊法焊后采用手錘或風(fēng)槍等錘擊焊縫及近縫區(qū)，使之得到延展，以補(bǔ)

7、償或抵消焊接時(shí)所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余應(yīng)力。3消除殘余應(yīng)力（1）熱處理法熱處理法是消除殘余應(yīng)力最常用的方法。一般是將工件加熱到塑性狀態(tài)的溫度，并在此溫度下保溫一段時(shí)間，利用蠕變產(chǎn)生新的塑性變形，使應(yīng)力消除。再緩慢冷卻，使工件各部分的溫度均勻一致，避免出現(xiàn)新的應(yīng)力。（3）振動(dòng)法將鑄件或焊件在共振條件下振動(dòng)一定時(shí)間，以達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。該法所用設(shè)備簡(jiǎn)單，處理成本低，花費(fèi)時(shí)間短，沒(méi)有熱處理給金屬表面造成的氧化問(wèn)題，不受工件尺寸限制，也不會(huì)因處理規(guī)范不當(dāng)而產(chǎn)生新的應(yīng)力。15第二節(jié)焊接殘余變形第二節(jié)焊接殘余變形（一）變形的種類1整體變形 整體變形是指整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸發(fā)生的變化，包括收

8、縮變形、彎曲變形和扭曲變形等16對(duì)于厚薄均勻的平板鑄件（圖b），由于中心部分比四周冷卻慢，以致中心部分產(chǎn)生拉應(yīng)力，而四周產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)平板上下兩面存在溫差時(shí)，就可能產(chǎn)生彎曲變形。鑄件產(chǎn)生的彎曲變形如圖所示。對(duì)于厚薄不均的T型梁（圖a），因薄壁部分冷卻較快，厚壁部分冷卻較慢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，導(dǎo)致變形方向?yàn)楹竦牟糠窒騼?nèi)凹，薄的部分向外凸。鑄件彎曲變形a) T 型鑄鋼件b)平板型鑄件17擴(kuò)口變形：半圓形齒輪鑄鋼件在鑄態(tài)時(shí)其尺寸D1 超過(guò)了圖紙要求的尺寸D0，并且半圓邊端翹起。其形成原因是開(kāi)口處的砂芯或砂型阻礙了鑄件的收縮，使鑄件開(kāi)口自由結(jié)構(gòu)部分發(fā)生塑性變形所致。2局部變形角變形主要是由

9、于溫度在板厚方向分布不均勻，或金屬沿厚度方向的收縮不一致引起的，故多發(fā)生在中、厚板的對(duì)接和角接接頭中。波浪變形產(chǎn)生于薄板結(jié)構(gòu)，它是由于縱向和橫向的壓應(yīng)力使薄板局部失穩(wěn)造成的。18（二）控制變形的措施（二）控制變形的措施在焊接結(jié)構(gòu)中，要合理地選擇焊縫的尺寸和形式，盡量減少不必要的焊縫，盡可能使焊縫對(duì)稱或接近于截面的中性軸。在保證結(jié)構(gòu)承載能力的條件下，盡量采用較小的焊縫尺寸。對(duì)于受力較大的T形或十字形接頭，在保證相同強(qiáng)度條件下，采用開(kāi)坡口焊縫比一般角焊縫對(duì)減小變形有利。1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面在鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以采用局部加厚、設(shè)置拉肋等方法來(lái)減小鑄件變形。如帶輪的輪緣厚度比輪轂薄，冷卻后容易向內(nèi)凹，導(dǎo)致

10、加工余量不足。為此，可在輪緣與輪轂連接處的外圓進(jìn)行局部加厚。192工藝方面工藝方面（1）反變形法根據(jù)構(gòu)件的變形情況， 預(yù)先給出一個(gè)方向相反、大小相等的變形，用來(lái)抵消構(gòu)件在加工過(guò)程中產(chǎn)生的變形，使加工后的構(gòu)件符合設(shè)計(jì)要求。采用反變形法減小焊接變形采用反變形法減小床身類鑄件的變形20（2）剛性固定法該法是將焊件固定在夾具中進(jìn)行焊接，以限制其變形。例如，焊接法蘭盤(pán)時(shí)，將法蘭盤(pán)背對(duì)背固定在一起，可有效地減小角變形，使法蘭面保持平直；焊接薄板時(shí)， 在焊縫兩側(cè)放置壓鐵，可減小焊接后的波浪變形。此外，鋼板拼接時(shí)，在焊縫上加“馬板” 也可減小焊接變形。21在裝焊較大構(gòu)件時(shí)，對(duì)稱的焊縫同時(shí)進(jìn)行焊接，遠(yuǎn)離中性軸的

11、焊縫先焊，靠近中性軸的焊縫后焊，可減小焊接變形。（3）采用合理的工藝在鑄造工藝中，為了防止鑄件的彎曲變形，可在合箱以后澆注之前，將壓鐵放在砂箱上。采用線能量較小的焊接方法，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，也能有效防止或減小焊接變形。例如，采用CO2氣體保護(hù)焊代替手工電弧焊，可以減小薄板變形；采用多層焊代替單道焊，或采用小線能量焊接，均有利于減小焊接變形。對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件如油罐、船體、車輛底架等，可將結(jié)構(gòu)件適當(dāng)分成幾個(gè)部件，分別加以裝焊，然后再將焊好的部件拼焊成整體。這樣可使其中不對(duì)稱或收縮較大的焊縫能自由收縮，而不影響整體結(jié)構(gòu)，從而有效地控制焊接變形。222）火焰矯正 采用火焰局部加熱使金屬產(chǎn)

12、生壓縮塑性變形，利用冷卻后產(chǎn)生的收縮變形來(lái)矯正原有的變形。（4）焊接變形的矯正1）機(jī)械矯正 利用機(jī)械力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形相反的塑性變形，以消除原有的焊接變形。薄板結(jié)構(gòu)點(diǎn)狀火焰矯正三角形加熱矯正直線加熱矯正23焊焊接接變變形與形與應(yīng)應(yīng)力的危害力的危害 工件焊接后產(chǎn)生變形和應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的制造和使用會(huì)產(chǎn)工件焊接后產(chǎn)生變形和應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的制造和使用會(huì)產(chǎn)生不利影響。生不利影響。 產(chǎn)生焊接變形，可能使焊接結(jié)構(gòu)尺寸不合要求，組裝困產(chǎn)生焊接變形，可能使焊接結(jié)構(gòu)尺寸不合要求，組裝困難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質(zhì)量。難，間隙大小不一致等，從而影響焊件質(zhì)量。 焊接殘余應(yīng)力會(huì)增加工件工作時(shí)的內(nèi)應(yīng)力，降低承載能焊接殘余應(yīng)力會(huì)增加工件工作時(shí)的內(nèi)應(yīng)力，