焊接結(jié)構(gòu)講稿

1、第二章第二章 焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力與變形本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： 1.桿件的均勻加熱、冷卻過程的變形與應(yīng)力桿件的均勻加熱、冷卻過程的變形與應(yīng)力 2.長板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力長板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力 3.焊接殘余變形焊接殘余變形 4.預(yù)防和矯正殘余變形的方法預(yù)防和矯正殘余變形的方法 5.焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力 6.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施本章難點(diǎn)：本章難點(diǎn)： 1.桿件的均勻加熱、冷卻過程的變形與應(yīng)力桿件的均勻加熱、冷卻過程的變形與應(yīng)力 2.長板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力長板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力 3.焊接殘余變形焊接

2、殘余變形 4.焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力2.1 2.1 焊接應(yīng)力與變形的基本概念焊接應(yīng)力與變形的基本概念 1.按應(yīng)力的按應(yīng)力的 分布范圍分布范圍2.根據(jù)結(jié)構(gòu)中根據(jù)結(jié)構(gòu)中 的空間位置的空間位置圍平衡的應(yīng)力超微觀應(yīng)力：在晶格范內(nèi)相互平衡的應(yīng)力微觀應(yīng)力：在晶粒范圍范圍平衡的應(yīng)力宏觀應(yīng)力：在整個(gè)焊接. 3. 2. 1一一 焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類 的三個(gè)方向作用三向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的兩個(gè)方向作用雙向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件的一個(gè)方向作用單向應(yīng)力：應(yīng)力沿構(gòu)件. 3. 2. 13.根據(jù)應(yīng)力與焊 縫的相對(duì)位置4.根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生 、作用的時(shí)間5.根據(jù)應(yīng)力 形成原因 向與焊縫垂直橫向應(yīng)力：應(yīng)力作用方

3、向與焊縫平行縱向應(yīng)力：應(yīng)力作用方. 2. 1應(yīng)力殘余應(yīng)力：焊后留下的現(xiàn)的應(yīng)力瞬時(shí)應(yīng)力：焊接過程出. 2. 1受阻屬組織轉(zhuǎn)變時(shí)體積變化組織應(yīng)力：由于接頭金力變形受到拘束引起的應(yīng)拘束應(yīng)力：由于焊件熱均勻加熱引起的應(yīng)力溫度應(yīng)力：由于焊件不. 3. 2. 11.自由變形：當(dāng)金屬物體溫度發(fā)生變化，或發(fā)生了相變，其尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變化沒有受到外界的阻礙而自由的進(jìn)行。單位長度的自由變形量：010TTLLT0LLTT01TT 二二 焊接變形產(chǎn)生原因及分類焊接變形產(chǎn)生原因及分類 2.外觀變形：當(dāng)金屬物在溫度變化過程中受到阻礙，不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來的這部分變形，稱為外觀變形3.內(nèi)部變形

4、：把未表現(xiàn)出來的那部分變形，稱為內(nèi)部變形 ； 00LLeTLLL00LL4 分析焊接變形的幾個(gè)簡化假設(shè)分析焊接變形的幾個(gè)簡化假設(shè)1）平截面假設(shè)）平截面假設(shè)2）金屬物理性能假設(shè)）金屬物理性能假設(shè) 是與溫度無關(guān)的參量是與溫度無關(guān)的參量3）金屬屈服點(diǎn)的假設(shè)）金屬屈服點(diǎn)的假設(shè)4）材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡化）材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡化、bSEC 長板條加熱產(chǎn)生的變形與應(yīng)力長板條加熱產(chǎn)生的變形與應(yīng)力 假定：假定： 板條長寬比板條長寬比45 單向應(yīng)力單向應(yīng)力 線熱源，厚度方向上溫度是均勻的線熱源，厚度方向上溫度是均勻的 截面保持平面截面保持平面 對(duì)稱加熱模型對(duì)稱加熱模型2. 非對(duì)稱加熱模型非對(duì)稱加熱模型高溫和室溫時(shí)焊接

5、變形對(duì)高溫和室溫時(shí)焊接變形對(duì)比比v 結(jié)論結(jié)論1，外觀變形曲線和自由變形曲線之間的距離表征對(duì)應(yīng)金屬，外觀變形曲線和自由變形曲線之間的距離表征對(duì)應(yīng)金屬纖維的內(nèi)部變形大小，也表征內(nèi)應(yīng)力的大小。當(dāng)纖維的內(nèi)部變形大小，也表征內(nèi)應(yīng)力的大小。當(dāng) 內(nèi)應(yīng)力滿足胡克定律，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力滿足胡克定律，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過屈服極限，出現(xiàn)塑性變形內(nèi)應(yīng)力超過屈服極限，出現(xiàn)塑性變形2，外觀變形曲線在自由變形曲線之上，則對(duì)應(yīng)的金屬纖維，外觀變形曲線在自由變形曲線之上，則對(duì)應(yīng)的金屬纖維內(nèi)部變形（應(yīng)變）是拉伸變形（應(yīng)變），出現(xiàn)的應(yīng)力是拉內(nèi)部變形（應(yīng)變）是拉伸變形（應(yīng)變），出現(xiàn)的應(yīng)力是拉應(yīng)力；反之內(nèi)部變形（應(yīng)變）是壓縮變形（應(yīng)變）出現(xiàn)壓應(yīng)力；反

6、之內(nèi)部變形（應(yīng)變）是壓縮變形（應(yīng)變）出現(xiàn)壓應(yīng)力應(yīng)力ss3，外觀變形的大小和方向由內(nèi)應(yīng)力平衡的規(guī)律來決定，并，外觀變形的大小和方向由內(nèi)應(yīng)力平衡的規(guī)律來決定，并受其支配受其支配4，材料在均勻溫度場(chǎng)的作用下加熱溫度當(dāng)小于塑性溫度時(shí)，材料在均勻溫度場(chǎng)的作用下加熱溫度當(dāng)小于塑性溫度時(shí)，則材料根據(jù)約束情況和溫度的高低出現(xiàn)彈性變形和熱應(yīng)力則材料根據(jù)約束情況和溫度的高低出現(xiàn)彈性變形和熱應(yīng)力或者還出現(xiàn)塑性變形。若出現(xiàn)塑性變形，則不可恢復(fù)，導(dǎo)或者還出現(xiàn)塑性變形。若出現(xiàn)塑性變形，則不可恢復(fù)，導(dǎo)致室溫條件下出現(xiàn)殘余變形或應(yīng)力。致室溫條件下出現(xiàn)殘余變形或應(yīng)力。5，材料在不均勻溫度場(chǎng)作用下，只要加熱時(shí)出現(xiàn)塑性變形，材料在

7、不均勻溫度場(chǎng)作用下，只要加熱時(shí)出現(xiàn)塑性變形，冷卻后就會(huì)出現(xiàn)殘余變形和殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的分布情冷卻后就會(huì)出現(xiàn)殘余變形和殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的分布情況是：原來高溫區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，與高溫區(qū)相接的低溫區(qū)出況是：原來高溫區(qū)出現(xiàn)拉應(yīng)力，與高溫區(qū)相接的低溫區(qū)出現(xiàn)壓應(yīng)力，這和加熱時(shí)的應(yīng)力分布情況相反。而且壓應(yīng)力現(xiàn)壓應(yīng)力，這和加熱時(shí)的應(yīng)力分布情況相反。而且壓應(yīng)力區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)總是相接分布以形成自平衡體系。區(qū)和拉應(yīng)力區(qū)總是相接分布以形成自平衡體系。四 焊接引起的內(nèi)應(yīng)力和變形 1 焊接應(yīng)力與變形的特殊性 焊接溫度場(chǎng)變化比較復(fù)雜 焊接溫度變化范圍大 焊接過程中可發(fā)生金屬的相變2 不同拘束條件下桿件均勻加熱、冷卻時(shí)的變形和

8、應(yīng)力 1)桿件在無拘束條件下桿件均勻加熱、冷卻時(shí)的變形和應(yīng)力 桿件一端固定的自由熱變形2) 2) 桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由變形的變形和應(yīng)力變形的變形和應(yīng)力 受拘束桿件均勻加熱、冷卻過程中的變形和應(yīng)力s |1.2ttTT01t2t 2.)2.)桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由變形的變形和應(yīng)力變形的變形和應(yīng)力受拘束桿件均勻加熱、冷卻過程中的變形和應(yīng)力CTos500;|2 . 2max0Tt1t2t 3t4ts2pesT2.)2.)桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由桿件在拘束條件為

9、均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由變形的變形和應(yīng)力變形的變形和應(yīng)力受拘束桿件均勻加熱、冷卻過程中的變形和應(yīng)力s01t2t3t4tts 5t6t7t4psTs500600Co500Co600CTos600;|3 . 2maxT3. 3.）桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由）桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力收縮是的變形和應(yīng)力 s |1 . 3T0t1t3. 3.）桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由）桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力收縮是的變形和應(yīng)力TT1t2t3t4t2pt500Co500ss2pCTos500

10、;|2 . 3max03. 3.）桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由）桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力收縮是的變形和應(yīng)力500600Co500Co6004p4p1t2t3t4t5tT0TtsCTos600;|3 . 3max3 3 焊接應(yīng)力變形的演變過程焊接應(yīng)力變形的演變過程焊接殘余變形的基本類型焊接殘余變形的基本類型 線方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)的變形螺旋變形：焊件沿著軸厚度方向上的錯(cuò)邊度或脹不一致，所引起的長錯(cuò)邊變形：兩焊件熱膨現(xiàn)波浪形，在焊薄板中出波浪變形：焊后構(gòu)件程移面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位角變形：焊后構(gòu)件的平布置偏離焊件的形心軸彎曲變形：由于焊縫的尺寸縮

11、短后在垂直焊縫的方向上橫向收縮變形：構(gòu)件焊尺寸縮短后在平行焊縫的方向上縱向收縮變形：構(gòu)件焊. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1縱向收縮量的計(jì)算縱向收縮量的計(jì)算1.單層焊的縱向收縮量： F構(gòu)件截面積 L構(gòu)件長度 -焊縫截面積2.多層焊的收縮量：FLFKLH1HF焊接方法焊接方法CO2焊焊埋弧焊埋弧焊手工焊手工焊材料材料低碳鋼低碳鋼低碳鋼低碳鋼奧氏體鋼奧氏體鋼K10.0430.0710.0760.0480.0570.076nKFLFKKLsH851212層數(shù)nEss縱向引起彎曲變形結(jié)論縱向引起彎曲變形結(jié)論 反比與構(gòu)件的截面慣性矩成的距離成正比與焊縫偏離板條形心軸積成正比與焊接線能量或堆焊面.

12、 3. 2. 1橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形 固定的剛性系數(shù)鋼板厚度焊接線能量大小為橫向收縮變形得到通過熱變形計(jì)算和實(shí)驗(yàn)LLqqBB對(duì)接接頭橫向變形的實(shí)對(duì)接接頭橫向變形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)數(shù)據(jù)丁字接頭及搭接接頭橫丁字接頭及搭接接頭橫向收縮向收縮橫向收縮變形結(jié)論橫向收縮變形結(jié)論 變形小橫板上的熱能量越小，丁字接頭：立板越厚，越大，橫向收縮小角焊縫：板越厚，剛度坡口角度的增大而增大隨焊絲金屬量，板厚和自動(dòng)焊手工焊變形量：氣焊. 4. 3. 2. 1橫向收縮引起的撓曲變形橫向收縮引起的撓曲變形角變形角變形 1.焊縫橫向收縮引起的彎曲角變形 2.焊縫金屬收縮引起的傾斜角變形 對(duì)

13、接接頭角變形對(duì)接接頭角變形丁字接頭和搭接接頭的角丁字接頭和搭接接頭的角變形變形波浪變形波浪變形 v 原因：薄板在承受壓應(yīng)力，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達(dá)到-臨界應(yīng)力，薄板將出現(xiàn)波浪變形失去承載能力，稱之為失穩(wěn)。22221 12BABEkcr錯(cuò)邊變形錯(cuò)邊變形 原因：主要是焊接過程中對(duì)接邊的熱量不平衡，裝配不善會(huì)造成錯(cuò)邊5. 5.預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法 1.合理設(shè)計(jì)：1.選用對(duì)稱截面的結(jié)構(gòu)，焊縫布置對(duì)稱，在設(shè)計(jì)時(shí)，安排焊縫盡可能使焊縫對(duì)稱于截面的中性軸1. 1.合理設(shè)計(jì)合理設(shè)計(jì)2.合理的選擇焊縫的尺寸和形式：在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，盡量采用較小的焊縫尺寸3.盡可能減少焊

14、縫的數(shù)量：用型鋼代替鋼板，用斷續(xù)焊代替連續(xù)焊2. 2.工藝措施工藝措施1. 正確的確定裝配、焊接順序v 不正確的裝配次序：工字構(gòu)件，先丁字，然后在裝另一塊蓋板，焊后仍有較大的撓度v 丁字 v 工字 v 正確應(yīng)該是，先點(diǎn)固成工字，然后焊接，注意次序 LLEJLePf822 , 1IIEJLePf824 , 32. 2.工藝措施工藝措施2.選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?原則： 翻轉(zhuǎn)輔助時(shí)間的交替焊，盡可能增加截面對(duì)稱的構(gòu)件應(yīng)對(duì)稱最后焊，對(duì)構(gòu)件變形影響大的先焊離構(gòu)件形心軸近的縫時(shí)，先焊少的一側(cè)當(dāng)結(jié)構(gòu)形心軸兩側(cè)有焊. 3. 2. 1反變形法反變形法v 定義：構(gòu)件在焊前預(yù)制成與變形方向相反的變形，這種方法可

15、以防止彎曲變形，和角變形。剛性固定法剛性固定法v 在無反變形的情況下，將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形，（在焊法蘭盤上），防止角變形和波浪變形較好合理的選擇焊接的方法和焊接規(guī)范合理的選擇焊接的方法和焊接規(guī)范v選擇線能量較低的焊接方法，采用多層焊代替單層焊 矯正殘余變形的方法矯正殘余變形的方法 1.機(jī)械矯正法：將變形的構(gòu)件中的尺寸較短的部分通過機(jī)械力作用，使之產(chǎn)生塑性延展變形，而恢復(fù)和達(dá)到形狀的要求，可以利用螺旋、氣動(dòng)、液壓的器具來加外力矯正殘余變形的方法矯正殘余變形的方法 2.火焰矯正法：利用火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的局部壓縮變形使較長部分在冷卻后縮短來消除變形（不適用于具有晶間腐蝕傾向的不銹鋼和淬硬傾向較

16、大的鋼材） 6. 6.焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力 焊接殘余應(yīng)力分布焊接殘余應(yīng)力分布 ：厚度方向上的應(yīng)力力：垂直焊縫方向上的應(yīng)：焊縫方向上的應(yīng)力ZYX. 3. 2. 11. 1.縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力 的分布的分布 X1. 1.縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力 的分布的分布X 橫向應(yīng)力的分布橫向應(yīng)力的分布 分段倒退焊端向中間焊從中間向兩端焊或從兩的直通焊從焊縫的一端到另一端焊接順序引起的力縱向收縮引起的橫向應(yīng). 3. 2. 1. 2. 1Y 橫向應(yīng)力的分布橫向應(yīng)力的分布 另一端的直通焊從焊縫的一端到從兩端向中間焊從中間向兩端焊或 橫向應(yīng)力的分布橫向應(yīng)力的分布 倒退焊分段厚板中的殘余應(yīng)力分布厚板中的殘余應(yīng)力分布封閉焊縫中

17、的殘余應(yīng)力分布封閉焊縫中的殘余應(yīng)力分布組織應(yīng)力組織應(yīng)力 相變應(yīng)力相變應(yīng)力 焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力的影響 1. 對(duì)靜載強(qiáng)度的影響 2. 對(duì)機(jī)械加工精度的影響原因：焊件在不經(jīng)過焊后消應(yīng)力處理，內(nèi)部存在著相互平衡的應(yīng)力，當(dāng)進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，如切削掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會(huì)重新變形（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布來保持平衡，焊件不斷的切削，就會(huì)不斷的變形，加工精度難以保證，材料發(fā)生局部破壞至應(yīng)力峰值不斷增加，直產(chǎn)生應(yīng)力的均勻化過程脆性材料，構(gòu)件不可能性變形能力，無影響塑性材料，有足夠的塑b. 2. 1焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力的影響3 對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響（研究不夠充分）4 對(duì)應(yīng)力

18、腐蝕的影響原因：拉應(yīng)力和介質(zhì)、腐蝕共同作用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象，拉應(yīng)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的時(shí)間越早。5 對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響 結(jié)論：在靜載下，焊件經(jīng)過一次加載，卸載后，以后再次加載，只要其大小不超過前一次，殘余應(yīng)力不再起作用，外載也不影響焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布7. 7.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施 1.調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力的措施 1.1設(shè)計(jì)措施:設(shè)計(jì)上減小焊接應(yīng)力的核心是正確布置焊縫，以避免應(yīng)力疊加 設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則減小應(yīng)力集中面突變處，應(yīng)力最嚴(yán)重的區(qū)域和斷焊縫盡量不布置在工作式采用剛性較小的接頭形盡量避免三軸交叉焊縫離為容器上相鄰焊縫最小距合相關(guān)要求相鄰焊縫最小距離要符焊

19、縫不止應(yīng)避免集中，尺寸和長度下，盡量減少焊縫截面在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提. 5. 4. 31003. 2. 1mmt工藝措施工藝措施 工藝原則工藝原則焊接時(shí)預(yù)熱和跟蹤加熱錘擊或碾壓焊縫的自由度反變形法來增加焊縫處的焊縫時(shí)，可采用剛性較大、自由度較小在焊接封閉焊縫后其他然后在焊直通的長焊縫開的短焊縫在拼板時(shí)，應(yīng)先拼焊錯(cuò)焊縫先焊工作時(shí)受力較大的先焊收縮量較大的焊縫方向采用合理的焊接順序和. 4. 3. 2. 3. 2. 1. 1消除殘余應(yīng)力的措施消除殘余應(yīng)力的措施 扭曲共振法彎曲共振法殘余應(yīng)力的交變應(yīng)力來消除部分振動(dòng)法：利用振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械拉伸法熱）兩側(cè)壓應(yīng)力區(qū)域局部加熱塑性法（在焊接接頭織與性能）高溫回火（改變金相組. 2. 1. 4. 3. 2. 1注：振動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)，從應(yīng)力消除效果看，振動(dòng)法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設(shè)備簡單，價(jià)廉，處理成本低，時(shí)間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優(yōu)點(diǎn)。8. 8.焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定 1.