焊接應(yīng)力實(shí)用教案

1、內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分類內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分類(fn li)：溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）產(chǎn)生條件：受熱不均勻溫度均勻結(jié)果：應(yīng)力殘留(cnli)或消失第1頁/共74頁第一頁，共75頁。舉例舉例過程過程(guchng)：加熱：加熱-承受壓應(yīng)力承受壓應(yīng)力-屈服（屈服（250）-應(yīng)力降低、壓應(yīng)變繼續(xù)應(yīng)力降低、壓應(yīng)變繼續(xù)增加；增加；750 開始冷卻拉應(yīng)力應(yīng)變上升開始冷卻拉應(yīng)力應(yīng)變上升-室溫室溫-殘余應(yīng)力和相變應(yīng)力。殘余應(yīng)力和相變應(yīng)力。圖3-1 加熱和冷卻產(chǎn)生(chnshng)內(nèi)應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)及溫度曲線第2頁/共74頁第二頁，共75頁。（二）殘余（二）殘余(cny)應(yīng)力應(yīng)力 產(chǎn)生(chn

2、shng)原因：不均勻加熱 產(chǎn)生(chnshng)條件：局部區(qū)域產(chǎn)生(chnshng)塑性變形或相變加熱中心桿，溫度均勻(jnyn)化后，熱應(yīng)力消失。第3頁/共74頁第三頁，共75頁。6.2 6.2 焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力與變形(bin xng)(bin xng)的形成過程的形成過程 自由變形、外觀(wigun)變形和內(nèi)部變形 自由變形： LT=L0(T1-T0) T=LT /L0 = (T1-T0) 外觀(wigun)變形： Le e =Le /L0 內(nèi)部變形： L =(LT Le) =L /L0 內(nèi)應(yīng)力 = E =E (e T)3.2.1簡單桿件的應(yīng)力(yngl)與變形 圖3-4 金屬桿件

3、的受熱變形a）自由變形量b）外觀變形量第4頁/共74頁第四頁，共75頁。桿件的溫度、變形桿件的溫度、變形(bin xng)與內(nèi)應(yīng)與內(nèi)應(yīng)力演變規(guī)律力演變規(guī)律 T1溫度下1s，則只存在(cnzi)彈性變形； T2溫度下2s，則只存在(cnzi)塑性變形， p= e -T - s；圖3-5 低碳鋼的應(yīng)力(yngl)-應(yīng)變曲線對于低碳鋼，假定桿件中的應(yīng)力達(dá)到s后就不再升高即將低碳鋼視為理想彈塑性體第5頁/共74頁第五頁，共75頁。3.2.23.2.2不均勻溫度場作用不均勻溫度場作用(zuyng)(zuyng)下的下的應(yīng)力與變形應(yīng)力與變形 研究的前提條件：平面假設(shè)原理 長板條中心(zhngxn)加熱（對

4、稱加熱）圖3-6 長板條中心(zhngxn)加熱示意圖第6頁/共74頁第六頁，共75頁。截取截取(jiq)板條的單位長度研究板條的單位長度研究溫度低，無塑性變形,應(yīng)力(yngl)平衡：圖3-7 長板條中心加熱(ji r)時(shí)的變形第7頁/共74頁第七頁，共75頁。溫度高，產(chǎn)生塑性變形，殘余(cny)應(yīng)力：當(dāng)加熱溫度高，板中心將發(fā)生塑性變形(bin xng)，如果已知塑性區(qū)壓縮變形(bin xng)的分布規(guī)律為:則殘余(cny)應(yīng)力為： 殘余應(yīng)力和變形的平衡條件可表達(dá)為： 第8頁/共74頁第八頁，共75頁。長板條單側(cè)加熱長板條單側(cè)加熱(ji r)（非對稱（非對稱加熱加熱(ji r)）b)和c)兩種

5、情況為不平衡力矩(l j)，不能發(fā)生圖3-8 板條一側(cè)不對稱(duchn)受熱時(shí)的應(yīng)力和變形第9頁/共74頁第九頁，共75頁。板條截面上應(yīng)力及力矩平衡板條截面上應(yīng)力及力矩平衡(pnghng)方程方程內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 = E =E (e T)圖3-9板條單邊加熱到不同溫度時(shí)的應(yīng)力(yngl)與變形第10頁/共74頁第十頁，共75頁。6.2.3焊接焊接(hnji)引起的應(yīng)力與變引起的應(yīng)力與變形形 焊接時(shí)發(fā)生焊接應(yīng)力和變形的原因是焊件受到不均勻加熱，同時(shí)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。 焊接過程中所發(fā)生的應(yīng)力和變形被稱為暫態(tài)或瞬態(tài)的應(yīng)力變形，而在焊接完畢(wnb)和試件完全冷

6、卻后殘留的應(yīng)力和變形，稱之為殘余或剩余的應(yīng)力變形。 焊接殘余應(yīng)力和殘余變形會在某種程度上影響焊接結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命。第11頁/共74頁第十一頁，共75頁。1.1.引起焊接應(yīng)力引起焊接應(yīng)力(yngl)(yngl)與變形的機(jī)理與變形的機(jī)理及影響因素及影響因素圖3-10 引起(ynq)焊接應(yīng)力與變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系第12頁/共74頁第十二頁，共75頁。6.36.3焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力(yngl)(yngl)這一節(jié)討論焊接殘余應(yīng)力這一節(jié)討論焊接殘余應(yīng)力(yngl)(yngl)的分的分布、影響。布、影響。 6.3.1 6.3.1 焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力(yngl)(yngl)的分布的分

7、布 一般焊接結(jié)構(gòu)制造所用材料的厚度相對于長和寬都很小，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接結(jié)構(gòu)中，厚度方向上的焊接應(yīng)力很小，殘余應(yīng)力基本上是雙軸的，即為平面應(yīng)力狀態(tài)。只有(zhyu)在大型結(jié)構(gòu)厚截面焊縫中，在厚度方向上才有較大的殘余應(yīng)力。 應(yīng)力通常表示方法： 將沿焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力，以x表示； 將垂直于焊縫方向上的殘余應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力，以y表示； 對厚度方向上的殘余應(yīng)力以z表示。第13頁/共74頁第十三頁，共75頁。1 1、縱向殘余應(yīng)力、縱向殘余應(yīng)力(yngl)(yngl)的分布的分布xx圖3-17 平板對接時(shí)焊縫上縱向應(yīng)力沿焊縫長度(chngd)方向上的分布（*此圖對于低

8、碳鋼適用，焊縫足夠長）第14頁/共74頁第十四頁，共75頁。*焊縫(hn fn)長度較短時(shí)， xs焊縫(hn fn)越短縱向應(yīng)力x的數(shù)值就越小。（對于低碳鋼適用）圖3-18不同焊縫(hn fn)長度x值的變化第15頁/共74頁第十五頁，共75頁。不同尺寸、不同截面上縱向殘余不同尺寸、不同截面上縱向殘余(cny)(cny)應(yīng)力應(yīng)力xx的分布（對于低碳的分布（對于低碳鋼適用）鋼適用）第16頁/共74頁第十六頁，共75頁。不同材料上縱向不同材料上縱向(zn xin)殘余應(yīng)力在橫殘余應(yīng)力在橫截面上的分布截面上的分布圖3-19 焊縫縱向(zn xin)應(yīng)力沿板材橫向上的分布a)低碳鋼 b)鋁合金第17頁

9、/共74頁第十七頁，共75頁。2 2橫向橫向(hn xin)(hn xin)殘余應(yīng)力的分殘余應(yīng)力的分布布 圖3-22 由縱向收縮所引起的橫向(hn xin)應(yīng)力的分布（1）縱向收縮(shu su)的影響-y第18頁/共74頁第十八頁，共75頁。焊縫(hn fn)較長時(shí)，中心部分拉應(yīng)力y有所下降圖3-23 不同長度焊縫上的橫向應(yīng)力(yngl)的比較第19頁/共74頁第十九頁，共75頁。（2 2）橫向收縮）橫向收縮(shu su)(shu su)的影響的影響-y-y圖3-24 不同焊接方向?qū)M向應(yīng)力(yngl)分布的影響 第20頁/共74頁第二十頁，共75頁。圖3-25 橫向應(yīng)力沿板寬方向(fng

10、xing)的分布 第21頁/共74頁第二十一頁，共75頁。3.4 3.4 焊接殘余焊接殘余(cny)(cny)變形變形3.4.1 3.4.1 焊接殘余焊接殘余(cny)(cny)變形的變形的分類分類 （1）縱向(zn xin)收縮變形 （2）橫向收縮變形 圖3-48 縱向和橫向(hn xin)收縮變形第22頁/共74頁第二十二頁，共75頁。（3）撓曲變形(bin xng) :撓曲可以由縱向收縮、橫向收縮、角變形(bin xng)引起 圖3-49 撓曲(no q)變形a）由縱向收縮引起的撓曲(no q)變形 b）由橫向收縮引起的撓曲(no q)變形第23頁/共74頁第二十三頁，共75頁。（4）角

11、變形 表現(xiàn)(bioxin)為焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生角位移 圖3-50 角變形(bin xng) 第24頁/共74頁第二十四頁，共75頁。（5）波浪(blng)變形 （6）錯(cuò)邊變形 圖3-51 波浪(blng)變形圖3-52 錯(cuò)邊變形a）長度(chngd)方向的錯(cuò)邊 b）厚度方向的錯(cuò)邊第25頁/共74頁第二十五頁，共75頁。（7）螺旋形變形(bin xng) 圖3-53 螺旋形變形(bin xng)第26頁/共74頁第二十六頁，共75頁。焊接焊接(hnji)變形帶來的影響：影響外形和變形帶來的影響：影響外形和承載能力承載能力圖3-54 角變形(bin xng)引起的不圓度圖3-55 不等厚板

12、搭接接頭(ji tu)的角變形第27頁/共74頁第二十七頁，共75頁。3. 縱向收縮(shu su)引起的撓曲變形 圖3-60焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置(wi zhi)不對稱所引起的焊接變形彎矩M的作用(zuyng)使構(gòu)件終端的橫截面發(fā)生轉(zhuǎn)角和撓度f。轉(zhuǎn)角可如下計(jì)算：構(gòu)件的撓度f可由下式獲得：第28頁/共74頁第二十八頁，共75頁。平面上的封閉環(huán)焊縫導(dǎo)致(dozh)失穩(wěn)變形 圖3-86 平面封閉(fngb)環(huán)焊縫引起的馬鞍形變形（計(jì)算結(jié)果）第29頁/共74頁第二十九頁，共75頁。角變形(bin xng)產(chǎn)生的波浪變形(bin xng) 圖3-87 角變形引起(ynq)的波浪變形第30頁/共74頁第三十

13、頁，共75頁。扭曲(ni q)變形(螺旋形變形)舉例圖3-91 工字形梁的扭曲(ni q)變形a）焊前 b）焊后 圖3-92 由縱向焊接錯(cuò)邊引起(ynq)的箱形構(gòu)件的扭曲變形 第31頁/共74頁第三十一頁，共75頁。6.4.2 影響焊接(hnji)殘余變形的因素1. 焊縫在結(jié)構(gòu)(jigu)中的位置a.產(chǎn)生縱向(zn xin)縮短和橫向縮短b.產(chǎn)生彎曲變形2. 焊接結(jié)構(gòu)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4. 焊接結(jié)構(gòu)的裝配及焊接順序5. 焊接線能量第32頁/共74頁第三十二頁，共75頁。3.5.3 3.5.3 焊接殘余應(yīng)力與變形焊接殘余應(yīng)力與變形(bin xng)(

14、bin xng)的調(diào)的調(diào)整與控制整與控制 1. 調(diào)控焊接應(yīng)力與變形(bin xng)的焊前措施（1）合理地選擇焊縫的形狀(xngzhun)和尺寸 圖3-106 焊接箱形梁的不同形式 應(yīng)遵循的原則是：盡可能使焊縫長度最短；盡可能使板厚??；盡可能使焊腳尺寸??；斷續(xù)焊縫和連續(xù)焊縫相比，優(yōu)先采用斷續(xù)焊縫；角焊縫與對接焊縫相比，優(yōu)先采用角焊縫以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)最好采用分部組合焊接。 第33頁/共74頁第三十三頁，共75頁。(2)盡量避免焊縫的密集與交叉非常(fichng)重要 圖3-107 避免焊縫交叉的措施與最優(yōu)焊接(hnji)順序 圖3-108 軸承(zhuchng)的加固形式 第34頁/共74頁第三十四

15、頁，共75頁。(3)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(hnji)量和減小變形 圖3-109 兩種隔艙板的形式(xngsh)a）壓形板 b）拼焊板第35頁/共74頁第三十五頁，共75頁。(4)改變(gibin)接頭設(shè)計(jì)圖3-110 減小聯(lián)系焊縫(hn fn)的變形 a）用斷續(xù)角焊縫焊接面板與槽鋼(co n)頂面時(shí)變形相對嚴(yán)重 b）用塞焊連接則變形較小第36頁/共74頁第三十六頁，共75頁。（5）預(yù)變形(bin xng)法（反變形(bin xng)法）圖3-111 幾種反變形(bin xng)的措施第37頁/共74頁第三十七頁，共75頁。預(yù)變形(bin xng)法舉例二圖3-11

16、2 薄殼結(jié)構(gòu)(jigu)支座焊接的反變形第38頁/共74頁第三十八頁，共75頁。圖3-113 減小T型接頭(ji tu)的角變形 第39頁/共74頁第三十九頁，共75頁。2. 2. 焊后調(diào)控焊接焊后調(diào)控焊接(hnji)(hnji)殘余應(yīng)力與變殘余應(yīng)力與變形的措施形的措施 （1）機(jī)械(jxi)方法圖3-114 用壓力機(jī)校正(jiozhng)工字梁的撓曲變形 第40頁/共74頁第四十頁，共75頁。圖3-115 錘擊法調(diào)節(jié)中厚板多層焊時(shí)的殘余(cny)應(yīng)力在厚度（z向）上的分布錘擊法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省能源、降低成本、提高效率，缺點(diǎn)是勞動強(qiáng)度(lodng qind)大，并且工件表面質(zhì)量差。 a)焊后狀態(tài) b

17、）只錘擊最后(zuhu)一道焊縫 c）逐層錘擊第41頁/共74頁第四十一頁，共75頁。3-116 碾壓(nin y)矯形對于薄板并具有規(guī)則的焊縫時(shí)，可采用(ciyng)碾壓的方法 第42頁/共74頁第四十二頁，共75頁。過載(guzi)拉伸法圖3-119 機(jī)械(jxi)加載降低內(nèi)應(yīng)力第43頁/共74頁第四十三頁，共75頁。機(jī)械振動法圖3-120 振動循環(huán)次數(shù)與消除應(yīng)力的效果初始應(yīng)力分布b)試件截面 c)經(jīng)過6.2106次循環(huán)后的內(nèi)應(yīng)力分布 d)經(jīng)不同(b tn)循環(huán)次數(shù)作用后內(nèi)應(yīng)力峰值的變化 第44頁/共74頁第四十四頁，共75頁。（2）加熱(ji r)方法一方面材料的屈服極限(jxin)會因

18、溫度的升高而降低 另一方面，高溫時(shí)材料的蠕變速度加快(ji kui)，蠕變引起應(yīng)力松弛。 圖3-121 鋼的彈性模量和屈服極限與溫度的關(guān)系 第45頁/共74頁第四十五頁，共75頁。表3-2 不同材料消除焊接殘余應(yīng)力(yngl)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第46頁/共74頁第四十六頁，共75頁。局部加熱(ji r)消除應(yīng)力 圖3-123 局部熱處理的加熱區(qū)寬度(kund)a)環(huán)焊縫 b)長構(gòu)件

19、對接焊縫第47頁/共74頁第四十七頁，共75頁。翹曲變形的矯正方法(fngf)舉例圖3-125 薄板(bo bn)結(jié)構(gòu)點(diǎn)狀加熱矯形 第48頁/共74頁第四十八頁，共75頁。溫差溫差(wnch)拉伸法拉伸法 圖3-128 溫差(wnch)拉伸法 第49頁/共74頁第四十九頁，共75頁。角變形規(guī)律的工程(gngchng)應(yīng)用-火焰成形圖3-124 氣體火焰局部(jb)加熱矯形第50頁/共74頁第五十頁，共75頁。圖3-126 火焰(huyn)成形的三種方法第51頁/共74頁第五十一頁，共75頁。圖3-127 火焰成形的典型(dinxng)實(shí)例第52頁/共74頁第五十二頁，共75頁。3 .3 .隨焊

20、調(diào)控焊接隨焊調(diào)控焊接(hnji)(hnji)應(yīng)力與變形的措應(yīng)力與變形的措施施 （1）剛性(n xn)固定法 圖3-129 剛性固定(gdng)法焊接法蘭盤第53頁/共74頁第五十三頁，共75頁。圖3-130 采用焊接夾具(jij)防止波浪變形第54頁/共74頁第五十四頁，共75頁。圖3-131 防止薄板波浪變形的輔助措施(cush)a）采用壓鐵b）用角鋼臨時(shí)增加近縫區(qū)剛性 第55頁/共74頁第五十五頁，共75頁。（2）減小焊縫(hn fn)的熱輸入 圖3-132 防止非對稱截面(jimin)撓曲變形的焊接第56頁/共74頁第五十六頁，共75頁。直接水冷（圖3-133a）采用(ciyng)銅冷卻

21、塊（圖3-133b）來限制焊接熱場 圖3-133 通過加強(qiáng)(jiqing)冷卻來減小焊接變形的方法a）直接水冷 b）采用銅冷卻塊 限制和縮小(suxio)焊接熱場來減小焊接變形第57頁/共74頁第五十七頁，共75頁。（3）合理安排裝配焊接(hnji)的順序 圖3-134 帶蓋板(i bn)的雙槽鋼焊接梁的焊接順序 方案(fng n)一方案二方案三第58頁/共74頁第五十八頁，共75頁。（4）預(yù)拉伸法 (預(yù)置(y zh)應(yīng)力法)圖3-135 施加(shji)預(yù)拉伸載荷的幾種方案 圖3-136 常溫下預(yù)拉伸(l shn)的縱向應(yīng)力場a）平板 b）筒體第59頁/共74頁第五十九頁，共75頁。（5）焊

22、時(shí)溫差(wnch)拉伸法 圖3-137溫差(wnch)拉伸專用夾具第60頁/共74頁第六十頁，共75頁。隨焊溫差拉伸(l shn)的效果圖3-138 Tp為150時(shí)的焊接(hnji)溫度場 圖3-139 溫差(wnch)拉伸作用下的焊縫縱向殘余應(yīng)力第61頁/共74頁第六十一頁，共75頁。（6）隨焊激冷 （又稱為(chn wi)逆焊接加熱處理 ）圖3-140 隨焊激冷法的原理(yunl)第62頁/共74頁第六十二頁，共75頁。圖3-141幾種(j zhn)隨焊激冷方案第63頁/共74頁第六十三頁，共75頁。圖3-142 柔性(ru xn)隨焊激冷器圖3-143 常規(guī)(chnggu)焊與隨焊激冷焊

23、接的溫度場第64頁/共74頁第六十四頁，共75頁。（7）隨焊碾壓(nin y) 圖3-144 隨焊碾壓防止(fngzh)熱裂的原理第65頁/共74頁第六十五頁，共75頁。（8）隨焊錘擊(chu j) 圖3-145隨焊錘擊實(shí)施方案1-焊槍 2-汽錘 3-固定(gdng)平臺 4-錘頭 5-工件第66頁/共74頁第六十六頁，共75頁。圖3-146 兩種隨焊錘擊方式a) 強(qiáng)化(qinghu)焊趾 b)強(qiáng)化(qinghu)焊縫 第67頁/共74頁第六十七頁，共75頁。隨焊錘擊方法(fngf)的主要缺點(diǎn)是焊縫的表面質(zhì)量不佳，存在明顯的錘痕。 隨焊錘擊技術(shù)不僅(bjn)可以減小變形，降低殘余應(yīng)力，防止焊接熱裂紋，而且可以使焊縫的力學(xué)性能得到改善。 隨焊錘擊 法的作用(zuyng)效果圖3-147 常規(guī)焊與隨焊錘擊處理后