（中職）焊接結構與制造第2章教學課件

1、YCF正版可修改PPT（中職）焊接結構與制造第2章教學課件第2章 焊接應力與變形及其控制2.1 焊接應力與變形的產(chǎn)生2.2 焊接殘余應力及其控制2.3 焊接殘余變形及其控制2.4 焊接結構強度的基本知識復習思考題下一頁返回第2章 焊接應力與變形及其控制 焊接結構生產(chǎn)中，由于受到局部高溫加熱而造成焊件上不同區(qū)域溫度分布不平衡，從而使其產(chǎn)生不均勻受熱膨脹，高溫區(qū)的膨脹會受到低溫區(qū)的束縛和制約而產(chǎn)生一定的塑性變形，并最終導致焊件在焊后產(chǎn)生殘余應力和殘余變形。這種在焊接結構生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的焊接變形和應力不僅影響到焊接結構的加工精度，而且還會影響到焊接結構的使用性能。本章重點介紹焊接應力與變形產(chǎn)生的主要

2、原因;焊接應力分布的一般規(guī)律;焊接過程中如何消除和降低焊接應力;預防焊接變形的方法和焊后矯正焊接殘余變形的措施。上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生2.1.1 內(nèi)應力及產(chǎn)生原因 物體所受的力分為外力和內(nèi)力，內(nèi)力是平衡于物體內(nèi)部的作用力。而物體單位截面上所受的內(nèi)力稱為應力。根據(jù)引起內(nèi)力的原因不同，應力分為工作應力和內(nèi)應力。 (1)工作應力。物體由于受到外力的作用而在其內(nèi)部單位截面上出現(xiàn)的內(nèi)力稱為工作應力。工作應力的特點是因物體受到外力的作用而存在。所以，沒有外力就不會有工作應力。 (2)內(nèi)應力。物體在沒有受到外力作用的情況下而平衡于內(nèi)部的應力稱為內(nèi)應力。內(nèi)應力的產(chǎn)生原因很多。如物體內(nèi)部

3、成分不均勻、金相組織及溫度的變化不均勻等。內(nèi)應力存在于許多工程結構中，如焊接結構、鑄造結構、鉚接結構等。 內(nèi)應力按其分布范圍可分為宏觀內(nèi)應力和微觀內(nèi)應力。宏觀內(nèi)應力的分布范圍較大，內(nèi)應力在這一較大范圍內(nèi)平衡，該范圍一般與結構尺寸相當。微觀內(nèi)應力存在和平衡于相當于原子大小的范圍內(nèi)。 上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 內(nèi)應力按其產(chǎn)生的原因不同又可分為熱應力、相變應力和殘余應力等幾種。熱應力又稱為溫度應力，它是在物體受到不均勻加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的，其大小與加熱溫度的高低、溫度分布的不均勻程度、材料的熱物理性能及工件本身的剛度等有關。熱應力比較廣泛地出現(xiàn)在各種溫度不均勻的工程結構中，如

4、化工反應容器、熱交換器、飛行器等;相變應力是金屬相變時，由于不同組織的比容不同而引起的，如奧氏體分解為珠光體或奧氏體轉變?yōu)轳R氏體時都會引起體積膨脹，而體積膨脹受到周圍材料的拘束作用，結果就會產(chǎn)生應力;殘余應力是由于物體受熱不均勻引起的應力達到材料的屈服點，材料即發(fā)生局部塑性變形，當溫度均勻化后，物體中仍然會殘余一部分應力，這種應力是溫度均勻后殘存在物體中的，所以稱為殘余應力。 焊接應力屬于內(nèi)應力。它是由于焊接的不均勻加熱和冷卻而引起并存在于焊件中。焊接應力按其作用時間不同口1一分為焊接瞬時應力和焊接殘余應力。焊接過程中某一瞬時存在于焊件中的內(nèi)應力稱為焊接瞬時應力，它是隨時間而變化的;待焊件冷卻

5、后，殘留于焊件中的內(nèi)應力稱為焊接殘余應力。上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生2.1.2 變形 物體在某些外界條件(外力或溫度等因索)的作用下，其內(nèi)部原子的相對位置發(fā)生改變，宏觀表現(xiàn)為形狀和尺寸的變化，這種變化稱為物體的變形。 按物體變形的性質可分為彈性變形和塑性變形;按變形的拘束條件分為自由變形和非自由變形。 1.彈性變形與塑性變形 物體在外力或其他因索作用下發(fā)生變形，當外力或其他因索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形。當外力或其他因索去除后變形仍然存在，物體不能恢復原狀的這種變形稱為塑性變形。 2.自由變形與非自由變形 物體的變形不受外界任何阻礙自由地進

6、行，這種變形稱為自由變形。自由變形只與材料性質及溫差有關，而與物體原長無關。如果上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 金屬桿件在均勻加熱時變形局部受阻，則變形量不能完全表現(xiàn)出來，就是非自由變形。其中，把能表現(xiàn)出來的這部分變形稱為外觀變形(或可見變形)，把末表現(xiàn)出來的那部分變形稱為內(nèi)部變形。 焊接變形是由焊接而引起焊件的尺寸改變。其中焊接過程中的變形稱為焊接瞬時變形;焊后殘存于焊件中的變形稱為焊接殘余變形。2.1.3焊接應力與變形的產(chǎn)生原因 由于焊接一般為局部加熱，同時熱源又移動，因此距熱源不同點處的溫度不同。在整個加熱和冷卻過程中構件上各處的溫度是變化的，這種溫度變化的過程又叫焊接熱

7、過程。由于焊接熱過程相當復雜，致使影響焊接應力與變形的因索很多，如焊件受熱不均勻、焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件剛性的影響等，其中最根本的原因是焊件受熱不均勻。上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 為了便于了解焊接應力與變形產(chǎn)生的根本原因，首先對均勻加熱時產(chǎn)生的應力與變形進行討論。 1.均勻加熱時引起應力與變形的原因 (1)不受約束桿件在均勻加熱時的應力與變形。根據(jù)前面對變形知識的討論，不受約束的桿件在均勻加熱時其變形屬于自由變形。在均勻加熱與冷卻時在桿件中不會產(chǎn)生任何內(nèi)應力，也不會有任何殘余應力和殘余變形。 (2)受約束桿件在均勻加熱時的應力與變形。根據(jù)前面對變形知識的討論，

8、受約束的桿件均勻加熱時其變形屬于非自由變形，即存在外觀變形。如果加熱溫度較低，材料的變形在彈性范圍內(nèi)，則根據(jù)虎克定律，應力和應變的關系為:上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 當溫度恢復到原始溫度時，桿件自由收縮到原來的長度，這時壓縮應力將全部消失。 當加熱溫度比較高，達到或超過材料屈服點溫度時，則桿件的壓縮變形量增大，產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部變形率將超過材料屈服點時的內(nèi)部變形率。此時的內(nèi)部變形率由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當溫度恢復到初始溫度時，彈性變形部分恢復，塑性變形部分不能恢復。若桿件能自由收縮，則由于壓縮塑性變形的出現(xiàn)，桿件將比原來長度縮短，出現(xiàn)縮短的殘余變形，但無殘余應力

9、存在。如果桿件不能自由收縮，則不存在外觀的殘余變形，但桿件中會產(chǎn)生殘余拉應力。 從上述的討論中發(fā)現(xiàn)，均勻加熱與冷卻的桿件中是否產(chǎn)生殘余應力與殘余變形，取決于所加熱的最高溫度和桿件的外部約束條件。如低碳鋼材料的桿件，在絕對剛性(即不能自由伸縮)的條件下，當溫度升高至700時，桿件中的壓縮塑性變形在自由冷卻后就被保留下來，如果在冷卻時受到約束，則必然會產(chǎn)生拉應變和拉伸應力。上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 2.不均勻加熱時引起的應力與變形 (1)長板條中心加熱引起的應力與變形。如圖2-1所示的長為1，寬為13、厚為刀的長板條，材料為低碳鋼，在其中間沿長度方向上用電阻絲進行加熱，則在板

10、條寬度方向上出現(xiàn)中間高、兩側低的不均勻溫度場，而沿板條長度方向和厚度方向的溫度分布可視為均勻。 現(xiàn)從板條中切出一單位長度的小段來分析加熱與冷卻時的應力與變形情況。假設該板條為若干個互不相連的窄板條組成，則每個小板條都將按其自身被加熱的溫度自由變形，這樣，加熱時單位長度的板條端面出現(xiàn)如圖2-1 (a)所示的自由變形。實際上組成板條的若干小窄條是彼此相連的整體，端面必須保持為平面，因此板條受熱時其端面只能向外平移，出現(xiàn)外觀變形，如圖2-1 (b)所示。自由變形率曲線與上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 外觀變形率的差為內(nèi)部變形率。圖中平移線以上的內(nèi)部變形為負值，即產(chǎn)生壓縮變形，相應產(chǎn)生

11、壓應力;平移線以下的內(nèi)部變形為正值，即產(chǎn)生拉伸變形，相應產(chǎn)生拉應力。也就是說，在加熱時，板條中間的高溫區(qū)產(chǎn)生壓應力，而兩側的低溫區(qū)產(chǎn)生拉應力。由于這些應力都屬于內(nèi)應力，故3個區(qū)域的應力相互平衡。如果加熱溫度不高，變形在彈性范圍內(nèi)，則溫度恢復到原始溫度后，板條恢復原始尺寸，不存在殘余應力和殘余變形。 如果板條中間加熱溫度比較高，此時產(chǎn)生的內(nèi)應力超過材料的屈服點，則在中心區(qū)產(chǎn)生壓縮塑性變形，如圖2-1 (c)所示。當切斷電源，板條冷卻，由于加熱時產(chǎn)生了壓縮塑性變形，因此溫度恢復到原始溫度時，變形和應力不能完全消失。如果組成板條的小窄條互不相連，冷卻后板條中心區(qū)端面將出現(xiàn)凹陷。實際上，由于板條是一個

12、整體，中心區(qū)的收縮受兩側金屬的限制，端面將保持為平面整體縮短，因此產(chǎn)生了殘余變形，并且板條中心區(qū)出現(xiàn)殘余拉應力，兩側出現(xiàn)殘余壓應力。上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 (2)長板條一側加熱引起的應力與變形如圖2-2所示，板條一側用電阻鐘加熱則在長板條中產(chǎn)生相對于截面中心不對稱的溫度場。與分析中心加熱一樣，取出單位長度的一小段進行分析，假設板條由許多互不相連的窄條組成，則各窄條在加熱時將產(chǎn)生如圖2-2 (c)中曲線所不的自由伸長。實際上，板條是一整體，其端面有一個位移，那么就形成了如圖2-2 (b)所示的應力區(qū)。應力分布情況是高溫區(qū)及遠離高溫區(qū)為壓應力，中間部分為拉應力，最終會出現(xiàn)彎

13、曲變形，如圖2-2 (d)所示。 如果加熱溫度不高，如高溫區(qū)的內(nèi)部應變小于材料屈服時的應變，則冷卻后板條變形和應力都會消失，板條恢復原狀。但當加熱溫度比較高，如高溫區(qū)的內(nèi)部應變大于材料屈服點時的應變，如圖2-2(e)所示，則高溫區(qū)在加熱時產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后導致板條端面產(chǎn)生如圖2-2 (f)所示的殘余變形，整個板條最終產(chǎn)生與加熱時相反的殘余彎曲變形，如圖2-2 (g)所示。同時在高溫區(qū)和遠離高溫區(qū)產(chǎn)生殘余拉應力，中間部分出現(xiàn)殘余壓應力。上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 3.焊接應力與變形的產(chǎn)生 前面討論的是長板條中心加熱和一側加熱引起的應力與變形，兩種情況沿板條寬度方向溫度分

14、布不均勻，但沿板條長度方向和厚度方向溫度分布都視為均勻。然而，焊接過程的加熱是移動的熱源，不是沿板條長度方向同時加熱的，而且熱量在焊件內(nèi)的傳播速度低于焊接速度，因此，沿板條長度方向上各個截面的溫度都是不同的。另外，焊接過程的溫度變化范圍比較大，焊接處的最高溫度可達到材料的沸點，而離開焊接處的溫度又急劇下降直至室溫。由于金屬在高溫下的性能隨溫度而變化，如低碳鋼焊接區(qū)的溫度超過600 0C，此時材料喪失彈性，處于全塑性狀態(tài)，高溫區(qū)的金屬雖然受到約束，但基本上不會產(chǎn)生應力，這個區(qū)域的金屬可認為不參加內(nèi)應力的平衡。 設有一低碳鋼平板條，沿中心線堆焊一條焊縫，現(xiàn)分析其應力與變形。在焊接過程中板條上產(chǎn)生了

15、溫度場，取平板一側的熱板條冷卻后處于塑性狀態(tài)區(qū)域最寬的橫截面，對低碳鋼600等溫線最寬處的橫截面作為研究的起點，該截面上的溫度場分布如圖2-3 (a)所示。按上一頁下一頁返回2. 1 焊接應力與變形的產(chǎn)生 長板條中心加熱時變形和應力分析的基本方法，可以找出該截面附近板條的自由變形和外觀變形。根據(jù)假定自由變形曲線可用溫度曲線表不。若板條各縱向纖維間互不相連，則這些縱向纖維均將產(chǎn)生與自由變形曲線相似的變形，但由于各纖維之間的相互約束，板條端部仍保持平直，所以中部產(chǎn)生達到屈服點的拉應力和拉伸塑性變形，而靠近兩側產(chǎn)生壓縮應力，兩者相互平衡，如圖2-3所示。上一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 前面

16、已經(jīng)討論過內(nèi)應力的一般概念，以及焊接應力的產(chǎn)生過程。本節(jié)將討論焊接后殘存在結構中的應力(即焊接殘余應力)的分布情況、它的影響以及消除和降低焊接殘余應力的措施。討論時將以低碳鋼和低合金鋼等材料制成的結構中的焊接殘余應力為典型。2. 2. 1焊接殘余應力的分布 在厚度不大 的常規(guī)焊接結構中度方向上的應力很小。只有在大厚度的焊接結構中，殘余應力基本上是雙軸的，厚厚度方向的應力才比較大。為了便于分析，把焊縫方向的應力稱為縱向應力用 表示。垂直于焊縫方向的應力稱為橫向應力，用 來表示。厚度方向的應力，用 來表示。下面分別加以討論。下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 1.縱向應力 在低碳鋼結構中，焊

17、縫及其附近區(qū)域中的縱向應力是拉應力，數(shù)值一般達到材料的屈服極限。這點在前面已經(jīng)分析過，分析的對象是長板條和細長構件?，F(xiàn)在進一步研究 沿整條焊縫上的分布。圖2-4所示為中心有一條焊縫的長板條，在板條中段 的分布情況是和前面的分析一致，但在長板條的四端，情況就不相同。因為端面O- O是自由邊界，在它的表面沒有應力， 。緊靠端面再取幾個截面，其內(nèi)應力的分布也不同于中段，焊縫上的 小于 。隨著截面離開端面的距離的增加， 逐漸趨近于 值。圖中用垂直于板條平面的距離來表不焊縫上 的大小。在板條的端部存在一個內(nèi)應力的過渡區(qū)，在這個過渡區(qū)域里， 比較低，越接近端面， 越低。到端處， 。在板條的中段有一個內(nèi)應力

18、的穩(wěn)定區(qū)。但當板條比較短時，就不存在穩(wěn)定區(qū)，焊縫上的縱向應力小于 ，板條越短， 就越低。圖2-5所示是不同焊縫長度(板條長度)時，焊縫上 的分布情況。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 隨著鋁和欽的廣泛應用，對這些金屬焊接接頭中民的分布情況，近來開始有了一些試驗研究。試驗結果表明，雖然應力分布總的規(guī)律和低碳鋼相似，但欽材焊縫中的縱向應力較低。一般僅為0. 5 0. 8。鋁材焊縫中的也較低，僅為0. 6 0. 8。造成這種情況的原因，對欽來說是因為它的膨脹系數(shù)和彈性模數(shù)較低。對鋁來說，可能是由于它的熱導率較高，使熱場的等溫線接近于正圓形，與沿焊縫同時加熱的模型相差懸殊，因而平截面變形

19、假設與實際出人較大。在焊接過程中材料受熱膨脹，實際上受到的限制比平截面假設時要小，因此壓縮塑性變形降低，從而殘余應力降低。 圓筒環(huán)縫所引起的縱向應力的分布與平板不同，圓筒環(huán)縫的縱向應力分布如圖2-6所示。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 實驗證明，當圓筒直徑與厚度之比較大時，ax的分布和平板上的情況相似。對低碳鋼來說ax達到as，但當直徑比較小時，民就有所降低。 理論分析結果表明，由于圓筒環(huán)縫的半徑在焊后縮小，焊縫在長度上的收縮比平板上的焊縫具有更大的自由度，因此縱向應力比平板小。應力的大小，取決于圓筒的半徑、壁厚以及塑性變形區(qū)的寬度。后者與焊接線能量和材質有關。當壁厚不變時，a

20、x隨著半徑的減小而降低，隨著寬度的減小而增加。 2.橫向應力ay 垂直于焊縫的橫向應力ay的分布情況比較復雜。它可分為兩個組成部分，其中一個是由于焊縫及其附近的塑性變形區(qū)的縱向收縮所引起的，用。來表示ay另一個是由于焊縫及其附近塑性變形區(qū)的橫向收縮的時間差異所引起的，用ay來表示。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 (1)焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應力 。圖2一7(a)所示是由兩塊平板條對接而成的構件，如果假想沿焊縫中心將構件一分為二，即兩塊板條都相當于板邊堆焊，它們將分別向外側彎曲，如圖2-7 (b)所示，焊縫上必然存在著兩端部分為壓應力，中心部分為拉應力的橫向內(nèi)

21、應力。，如圖2-7 (c)所示。壓應力的最大值比拉應力大得多，如圖2-8所示，從圖中可以得出對長焊縫來說中心部分的拉應力將有所降低，逐漸趨近于零。 (2)橫向收縮所引起的橫向應力 焊接結構上一條焊縫不可能同時完成，總有先焊和后焊之分，先焊的部分先冷卻，后焊的部分后冷卻。先冷卻的部分又限制后冷卻部分的橫向收縮，這種限制與反限制構成了橫向 ?？梢?分布與焊接方向、分段方法及焊接順序等有關。如果將一條焊縫分兩段焊接，當從中間向兩端焊時，中間部分先焊先收縮，兩端部分后焊后收縮，則兩端部分的橫向收縮受到中間部分的限制，因此焊縫應力的分布是中間部分為壓應力，兩端部分為拉應力，如圖2-9（a）所示;相反，如

22、果從兩端開始向中間焊，焊接結構往往是在受拘束的情況下進行焊接的。如兩塊板對接焊，邊緣焊前在其橫向加以剛性約束，見圖2一9(b)。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 在煉油化工設備中，經(jīng)常會遇到接管、入孔法鑄、鑲塊等封閉焊縫的焊接，這些焊縫是在較大的拘束情況下焊接的，因此其焊接殘余應力與自由狀態(tài)下焊接相比有較大的差別。圖2-10所示為一直徑為1 m、厚度為12 mm的圓形鑲塊封閉焊縫的殘余應力分布。ax為切向應力，ay為徑向應力。從圖中曲線可以看出，徑向應力均為拉應力，切向應力在焊縫附近最大，為拉應力，由焊縫向外側逐漸下降為壓應力。由焊縫向中心達到一均勻值。在鑲塊中部有一個均勻雙軸應

23、力場，切向應力和徑向應力相等，其數(shù)值與鑲塊直徑d和圓盤外徑D之比值有關。d/D越小，拘束度越大，鑲塊中的內(nèi)應力也越大。由此可見，結構的剛度越大，拘束度越大，內(nèi)應力也越大。2 .2.2焊接殘余應力對焊接結構的影響 1.對結構強度的影響 用塑性好的材料制造焊接結構，其內(nèi)應力分布如圖2-11所示。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 在外載荷F的作用下，構件橫截面上產(chǎn)生工作應力，隨著外力的增加，壓應力逐漸減小而轉變成拉應力，拉應力相互疊加則繼續(xù)增大，當達到屈服點后不再增大，并產(chǎn)生塑性變形，直到整個截面應力均勻，這時外力的大小可用圖中所示的ABCD所包圍的面積來表不。如果構件無殘余應力，要使

24、整個截面都達到as，所需的外力P=asXF，由于內(nèi)應力平衡，面積efg等于面積Aae和面積gbB之和，則面積ABCD和面積aADCBbgfea相等，即總承載能力不變。可見，只要材料有足夠的延性，能進行塑性變形，內(nèi)應力的存在并不影響構件的承載能力，也就是焊接殘余應力的存在并不影響結構的靜載強度。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 由于材料不能進行塑性變形，即材料處于脆性狀態(tài)，隨著外力的增加，在構件上不可能產(chǎn)生均勻的應力，應力峰值不斷增加，一直到達材料的強度極限ab，發(fā)生局部破壞最后導致整個構件斷裂?？梢姾附託堄鄳Υ嘈圆牧系撵o載強度有較大的影響。 2.對構件加工尺寸精度的影響 有些

25、焊接結構焊后需要進行機械加工，機械加工總要將部分材料從工件上切除掉，如果該工件在切削加工前存在殘余應力，則切削加工使工件中內(nèi)應力的平衡被破壞，引起內(nèi)應力的重新分布使工件變形。當切削加工結束后松開加壓板，工件會產(chǎn)生上撓變形，所以應對焊件先進行消除應力處理，再進行機械加工。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 3.對梁柱結構穩(wěn)定性的影響 圖2-12所示是T形梁、工字梁和箱形梁縱向殘余應力的分布情況。對于此類結構可以將其腹板和翼板分別看做是板邊堆焊或板中心堆焊加以分析，一般情況下焊縫及其附近區(qū)域中總是存在有較高的縱向拉應力，而在腹板的中部則會產(chǎn)生縱向壓應力。這種壓應力的存在，往往會導致梁結

26、構的局部或整體的失穩(wěn)，對于穩(wěn)定性的要求是十分不利的。 焊接殘余應力除了對上述的結構強度、加工尺寸精度以及對結構穩(wěn)定性的影響外，還對結構的剛度、疲勞強度及應力腐蝕開裂有不同程度的影響。因此，為了保證焊接結構具有良好的使用性能，必須設法在焊接過程中減小焊接殘余應力，有些重要的結構，焊后還必須采取措施消除焊接殘余應力。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制2. 2. 3減小焊接殘余應力的措施 減小焊接殘余應力，即在焊接結構制造過程中采取一些適當?shù)拇胧┮詼p小焊接殘余應力。合理制定減小和改善焊接應力的設計方案，制造過程中再采取一些必要的工藝措施，以使焊接應力降低到最低程度。 1.設計措施 設計上

27、減小焊接應力的核心是正確、合理地布置焊縫，可從以下幾個方面考慮。 (1)在保證結構強度的前提下盡量減小焊縫數(shù)量與截面尺寸。 (2)將焊縫盡量布置在最大工作應力區(qū)外，防止殘余應力與外加載荷產(chǎn)生的應力相疊加，影響結構的承載能力。 (3)盡量防止焊縫密集、交叉。如圖2-13所示的框架，為了防止腹板失穩(wěn)布置了很多肋板，如果按圖2-13 (a)所示來布置，由于焊縫密集，不僅施工不便，而且殘余應力的分布范圍很大。如果按圖2-13(b)所示來布置，殘余應力的分布將明顯改善。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 (4)采用局部降低剛度的方法，使焊縫能比較自由的收縮。圖2-14所示為幾種局部降低剛度減

28、小殘余應力的實例，在焊接鑲塊時用機加工法開槽可減小剛度，焊接環(huán)形封閉焊縫時使內(nèi)板預制變形，這樣焊縫收縮時有較大的自由度，從而減小了焊接殘余應力。 (5)采用合理的接頭形式，盡量避免采用應力集中較嚴重的接頭，如搭接接頭。 2.工藝措施 (1)合理地選擇裝配順序。結構的裝配順序對殘余應力的影響較大。結構在裝配中剛度應逐漸增加，并且盡量使焊縫能在剛度較小的情況下焊接，使其有較大的收縮余地。 在安裝焊接順序時，盡量先焊收縮量大的焊縫，后焊收縮量小的焊縫。圖2一15所示帶蓋板的雙工字鋼結構件，應先焊蓋板的對接焊縫1，后焊蓋板和工字鋼之間的角焊縫2，使對接焊縫1能自由收縮，從而減小內(nèi)應力。上一頁下一頁返回

29、2 .2 焊接殘余應力及其控制 根據(jù)構件的受力情況，先焊工作時受力大的焊縫，如在工地焊接梁的接頭時，應預先留出一段翼角焊縫最后焊接，先焊受力最大的翼緣對接焊縫1，然后焊接腹板對接焊縫2，最后再焊接翼緣角焊縫3，如圖2-16所示。這樣可以使受力較大的翼緣焊縫預先承受壓應力，而腹板則為拉應力。翼緣角焊縫最后焊接則可使腹板有一定的收縮余地，同時也可以在焊接翼板對接焊縫時采取反變形措施，防止發(fā)生角變形。 (2)縮小焊接區(qū)與結構整體之間的溫差。前面講過，引起焊接應力與變形的根本原因是焊件受熱不均勻，焊件沿各個方向溫度梯度越大，引起的焊接應力與變形越大，可以通過預熱法和冷焊法來減小焊接區(qū)與焊件整體的溫差。

30、預熱法與冷焊法的實質相同，但預熱法是預先將焊件的局部或整體加熱到一定溫度的方法，而冷焊法則是通過采用小焊接線能量等方法以減小焊接區(qū)的溫度差。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 在焊接某些構件時，采用局部加熱的方法使焊接處在焊前產(chǎn)生一個與焊后收縮方向相反的變形。這樣在焊縫區(qū)冷卻收縮時，加熱區(qū)也同時冷卻收縮，使焊縫的收縮方向與其一致，這樣焊縫收縮阻力變小，從而獲得降低焊接殘余應力的效果。在補焊一些機床床身或箱體的鑄造缺陷時，經(jīng)常采用加熱減小應力法。采用這種方法一般焊前局部加熱溫度較高，通常為600 800，并且加熱范圍較大。圖2-17所示為焊補輪輻時采用加熱減小應力法加熱區(qū)的位置，焊前

31、在輪輻兩側的輪緣上同時加熱，使焊縫處在焊接時可以較自由地膨脹，壓縮塑性變形量減小。焊后冷卻過程中，焊縫區(qū)金屬與加熱區(qū)的收縮方向相同，可以取得減小焊接殘余應力的效果。 (3)降低接頭局部的拘束度。焊接封閉焊縫時，由于周圍板的拘束度較大，拘束應力與殘余應力疊加而使局部區(qū)域形成高應力區(qū)，因而易產(chǎn)生裂紋。如圖2-18所示的封閉焊縫，焊接前采用反變形的措施減小接頭局部區(qū)域的拘束度，可使焊縫冷卻時較自由地收縮，達到減小殘余應力的目的。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 (4)錘擊焊縫。錘擊焊縫可以使焊縫得到延展，從而降低峰值拉應力。錘擊可以在500以上的熱態(tài)下進行，也可以在300以下的冷態(tài)下進

32、行，應保持均勻、適度，避免錘擊過度而產(chǎn)生裂紋。 一般來說，可以從設計和工藝兩方面著手，設計時考慮周到，往往比單從工藝上解決問題方便得多。因此設計焊接結構時，在不影響結構使用性能的前提下，應盡量考慮采用合理的焊接接頭。2. 2. 4消除焊接殘余應力的方法 雖然在結構設計時考慮了殘余應力的問題，在工藝上也采取了一定的措施來防止或減小焊接殘余應力，但由于焊接應力的復雜性，結構焊接完以后仍然可能存在較大的殘余應力。另外，有些結構在裝配過程中還可能產(chǎn)生新的殘余內(nèi)應力，這些焊接殘余應力及裝配應力都會影響結構的使用性能，特!l是對重要的焊接結構，應設法焊后采取措施消除殘余應力，以保證結構使用的安全性。消除殘

33、余應力的方法有熱處理法、機械拉伸法、溫差拉伸法、振動法等。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 1.熱處理法減小溫度差 熱處理法是利用材料在高溫下屈服點下降和蠕變現(xiàn)象來達到松弛焊接殘余應力的目的，同時熱處理還可改善焊接接頭的性能。生產(chǎn)中常用的熱處理法有整體高溫回火和局部高溫回火兩種。 (1 )整體高溫luI火。整體高溫luI火是將構件加熱到一定的溫度，并在該溫度下保持一定的時間，然后空冷或隨爐冷卻。 整體高溫回火的方法分為整體爐內(nèi)熱處理與整體腔內(nèi)熱處理。整體爐內(nèi)熱處理是將構件整體放人爐內(nèi)熱處理，并注意構件支撐牢固，防止構件與火焰直接接觸，以免過分氧化。構件人爐后應緩慢升高溫度，防止產(chǎn)

34、生過大的熱應力。對于容器類的焊接結構，可采用整體腔內(nèi)熱處理，就是將容器外部用絕緣材料保溫，內(nèi)部引人熱源加熱的一種熱處理方法。對尺寸較大的容器可采用高速噴嘴噴出燃氣在容器內(nèi)加熱。對尺寸較小的容器，可用內(nèi)置電熱兀件(如電阻加熱器)進行加熱。 上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 整體高溫回火消除殘余應力的效果取決于溫度、保溫時間、加熱和冷卻速度、加熱方法和加熱范圍等。一般對碳鋼及中、低合金鋼，加熱溫度為580 680 ;鑄鐵為600 650。保溫時間根據(jù)板厚確定，一般按每毫米板厚1 2 min計算，但最短不小于30 min，最長不超過3 h。 應該指出，對于不同膨脹系數(shù)的金屬組成的焊接結

35、構，例如，奧氏體鋼和馬氏體鋼、奧氏體鋼和珠光體鋼，雖然回火處理后可以消除焊接應力，但又將產(chǎn)生由于不同膨脹系數(shù)而引起的新的內(nèi)應力。 (2)局部高溫回火。局部高溫回火就是對構件焊縫周圍的局部區(qū)域進行加熱，其消除應力的效果不如整體高溫回火，只能降低殘余應力峰值，不能完全消除殘余應力。對于一些大型筒形容器的組合環(huán)縫和一些重要管道等，常采用局部高溫回火來降低結構的殘余應力。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 局部熱處理的加熱方法有電阻爐加熱、火焰加熱、感應加熱和遠紅外加熱等。消除殘余應力的效果與加熱區(qū)的范圍、溫度分布有關。為了取得較好地降低殘余應力效果，應該保證有足夠的加熱寬度。 2.機械拉

36、伸法 機械拉伸法又叫過載法。前面已經(jīng)討論過，通過對構件進行加載拉伸，拉應力區(qū)(在焊縫及其附近的縱向應力一般為as)在外加載荷的作用下產(chǎn)生拉伸塑性變形。它的方向與焊接時產(chǎn)生的壓縮塑性變形相反。因為焊接殘余內(nèi)應力正是由于局部壓縮塑性變形引起的，外加載荷應力越高，壓縮塑性變形就抵消得越多，內(nèi)應力就消除得越徹底。當拉伸應力為as時，經(jīng)過加載卸載，消除的內(nèi)應力相當于外加載荷產(chǎn)生的內(nèi)應力，當外加載荷使截面全部屈服時，則內(nèi)應力可以全部消除。 圖2-19(a)所示顯不焊后殘余應力的分布情況。加載后，構件中的應力在2-19(a)所示曲線上疊加，原來已達到屈服點的峰值應力不再增加，如圖2-19 (b)所示材料發(fā)生

37、拉伸塑性變形，卸載后應力峰值大為降低，如圖2-19 (c)所示上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 機械拉伸消除內(nèi)應力對一些焊接容器特別f有意義。它可以通過液壓試驗來解決。液壓試驗根據(jù)不同的具體結構，采用一定的過載系數(shù)。液壓試驗的介質一般為水，也可以是其他介質。介質的溫度最好能高于容器材料的脆性斷裂臨界溫度，以免在加載時發(fā)生脆斷。對應力腐蝕的材料，要慎重選擇試驗介質。試驗時要采用聲發(fā)射監(jiān)測防止試驗中的脆斷。 3.溫差拉伸法 溫差拉伸法又叫低溫消除應力法?；驹砼c機械拉伸法相同，都是利用拉伸來抵消焊接時產(chǎn)生的壓縮塑性變形。不同的是機械拉伸法利用外力來進行拉伸，而溫差拉伸法是利用局部加

38、熱的溫差來拉伸焊縫區(qū)。具體方法為:在焊縫兩側各用一個適當寬度的氧一乙炔炬加熱，在焰炬后面一定距離用一個帶有排孔的水管噴頭冷卻。焰炬和噴水管以相同速度向前移動，如圖2-20所示。這樣就造成了一個兩側溫度高，焊縫區(qū)溫度低的溫度場。兩側金屬受熱膨脹對溫度較低的區(qū)域進行拉伸，引起了相當于千斤頂?shù)淖饔?。利用溫度差拉伸法如果?guī)范選擇恰當，可以取得較好的消除應力效果。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 4.振動法 試驗證明，當變載荷達到一定數(shù)值，經(jīng)過多次循環(huán)加載后，結構中的內(nèi)應力逐漸降低。由試驗結果可以看出，從內(nèi)應力的消除效果看，振動法比用同樣大小的靜載荷拉伸好。內(nèi)應力在變載荷下降低的原理有兩種

39、不同的意見，一種為在變載荷下材料的as有所降低，因此內(nèi)應力在變載荷下比較容易消除。另一種為變載荷增加了金屬中原子的振動能量，其效果與回火加熱相同，使原子較易克服障礙，產(chǎn)生應力松弛。但第二種看法缺乏充分的理論依據(jù)，因為原子振動的頻率比外加的機械振動頻率大幾個數(shù)量級。用振動法來消除碳鋼、不銹鋼以及某些高合金結構鋼的內(nèi)應力可取得較好的效果。 這種方法優(yōu)點是設備簡單廉價，處理成本低，時間比較短，不存在高溫回火時金屬氧化問題。但振動法也存在一些缺點有待改善。例如，如何在比較復雜的結構中根據(jù)需要使內(nèi)應力均勻地降低;如何控制振動使它既能消除內(nèi)應力，又不降低結構的疲勞強度等。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余

40、應力及其控制2. 2.5焊接殘余應力的測定 對于焊接殘余應力值，尤其是對一些復雜部位的殘余應力值，很難用理論分析計算的方法確定，而用實際測量的方法是弄清殘余應力分布的一種重要手段。目前，測定焊接殘余應力的方法主要可歸結為兩類，即機械方法和物理方法。也可以分為破壞性方法(如裁條法、鉆孔法等)和非破壞性測試法(如X光衍射法、超聲波法等)。 1.機械方法 機械方法是利用機械加工把試件切開或切去一部分，測定由此釋放的彈性應變來推算構件中原有的殘余應力，所以又稱為應力釋放法。 (1)裁條法。裁條法是利用銑削或刨銷把工件裁成1518 mm的板條，裁條前在板上貼上應變片或者鉆出測量長度的標距孔，并記錄原始讀

41、數(shù)。然后將板條切開，待應力釋放后再測出應變值或標距孔的距離，根據(jù)公式:上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 計算出殘余應力。當板條縮短時，即 ，表不此處的殘余應力為拉應力。反之，為壓應力。 此種方法和與之效果相同的局部裁條法(可減少加工量)都可以獲得較準確的結果，但試件將全部破壞，而且加工量較大。 (2)套孔法。套孔法是用套料鉆加工環(huán)形孔使殘余應力得到釋放的方法。鉆孔前在孔心處粘貼應變片或打出標距孔，如圖2-21所示，鉆孔后重新測量。已知主應力方向時，可按應力方向相互垂直粘貼應變片，測出其應變，再代人公式算出主應力:上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 如果不知主應力的方向

42、，可按圖粘貼三片應變片，按下式算出主應力和主方向:上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 (3)小孔法。在殘余應力場中鉆孔，部分應力則被釋放，孔周圍的應力將重新分布，達到平衡狀態(tài)，如果測出孔周圍區(qū)域鉆孔前后應變的變化，根據(jù)彈性力學公式，則可以算出該處原來的應力分布。 圖2-22所示為應變片的布置情況，三個應變片互成450，并與孔中心等距離。鉆孔后測出每一應變片的應變值，用下列公式可算出主應力和主方向:上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 式中的K1和K2是與應變片尺寸，應變片距孔中心的距離、孔的直徑、被測材料的物理性能有關的系數(shù)，可由下式計算: (2)盲孔法。盲孔法與小孔法測

43、殘余應力的原理相同，但這種方法對結構只有很輕微的破壞，對于一般構件，盲孔不需修補，對結構的使用性能幾乎沒有影響。對于重要結構(如壓力容器等)可在應變測量后用電動手砂輪將其磨平。由于盲孔法對構件的破壞性比較小，所以小孔法在生產(chǎn)實踐中已被盲孔法所取代。 盲孔法的測試過程與小孔法相同，鉆孔直徑較小，一般為23 mm，孔深與直徑相同時應變片的應變值即趨于穩(wěn)定。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 殘余應力的計算公式與小孔法相同，式中K1和K2兩個系數(shù)可由試驗法標定得出。 一般情況下，殘余應力的方向是可以預先估計出來的，最大主應力的方向應與焊縫方向一致，即縱向殘余應力就是最大主應力，a1與x軸

44、重合， ，這樣最大主應力的計算公式則簡化為: 在簡單拉伸條件下，橫向應力 ，這樣由上式可以得出:上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 用標定法確定系數(shù)K,和K:時，標定試件與應變片的粘貼部位如圖2-23所示。圖2-23 (a)所示為標定試件孔徑，應與實測盲孔的孔徑相同，s為應變片中心與圓孔中心的距離，應等于圖2-22所示中的(r1十r2)/2。 試件在萬能材料試驗機上加載，當孔深固定時，改變載荷數(shù)量，記錄應變值的變化，根據(jù)上式，可以算出K1和K2值。試驗應該按此程序進行:在加載過程中，不斷變化孔深，記錄應變值的變化情況，分別計算出K1和K2值，直到K1和K2值趨于穩(wěn)定。 影響盲孔法測

45、量精度的主要因索是鉆孔位置的偏斜和鉆削時引起的附加變形等?？讖皆叫∫笙鄬ξ恢玫木葢礁摺，F(xiàn)在一般采用專門生產(chǎn)的應變儀，三個電阻應變片的位置由應變儀本身來保證。鉆孔時可采用專門制造的磁力測鉆臺，用測鉆臺上的目鏡對準應變儀的中心，則可以保證鉆孔位置的準確性。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 盲孔法所需儀器設備較簡單，除鉆孔設備外只需配備應變儀即可進行現(xiàn)場測量。 (5)逐層銑削法。逐層銑削法是一種完全破壞的方法。當具有殘余應力的工件被銑去一層時，部分應力釋放后殘余應力重新分布，試件要發(fā)生變形，如果在非銑削面粘貼應變片，則可以測出每銑削一層厚對面的應變值，根據(jù)這些數(shù)值則可以推算出在不

46、同銑削層上的殘余應力。 2.物理方法 (1) X光衍射法。X光衍射法的基本原理是當內(nèi)應力存在時，晶體的晶格就會變形，在X射線的照射下，表面有規(guī)律排列的晶面反射X射線。如果滿足以下條件:上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 式中d晶面間的距離; r X射線的波長。 則X射線在反射角方向上因干涉而加強，用X射線衍射儀的接收日沿分布環(huán)移動記錄反射束的強度，則可求出衍射角0，從而算出晶面之間的距離d。不同的d值將代表不同的內(nèi)應力水平，X光衍射法原理如圖2-24所示。 X光衍射法是一種非破壞性測試方法，它對被測表面的要求較高，為了防止機械加工引起的局部塑性變形的影響，表面應進行電解拋光處理，處

47、理時常用飽和食鹽水溶液作為電解液。 X光衍射法已在實際生產(chǎn)中獲得應用，目前我國已生產(chǎn)出可用于現(xiàn)場的輕便型X射線殘余應力測試儀。此種方法的缺點是只能測量表層的殘余應力，而且設備較為昂貴。上一頁下一頁返回2 .2 焊接殘余應力及其控制 (2)超聲波法。超聲波法是根據(jù)金屬的密度在應力作用下發(fā)生微小變化，而使得超聲波在穿越時其速度或衰減程度發(fā)生變化的原理來測量殘余應力的。它采用試驗標定的方法，確定某種材料應力對超聲波衰減程度的影響，作出應力與衰減程度的相關曲線，再和構件中推算出的殘余應力水平進行比較。此種方法目前在國外已有商品設備出售，國內(nèi)在生產(chǎn)中尚末實際采用。 (3)磁性法。磁性法是一種非破壞性測試

48、方法。當鐵磁材料中存在彈性變形時，它的磁導率將發(fā)生變化，如果能測出某一小范圍內(nèi)材料在不同方向上磁導率的變化，就可以估計出該處殘余應力的數(shù)值和分布情況。 磁性法測殘余應力已在實際生產(chǎn)中獲得應用，目前已有儀器出售。但由于該方法測量精度不高，標定試驗機稀少和標定困難，測量時由于探頭與被測體的禍合情況變化較大，使得測量誤差較大。上一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 焊接結束后殘存于焊接結構中的變形與殘余應力同時存在，焊接殘余變形對焊接結構的質量及其使用性能均有較大的影響。2. 3. 1焊接殘余變形的分類及其影響 1.焊接殘余變形的分類 (1)總體變形?？傮w變形是指整個結構形狀發(fā)生的變化，通常包括以下

49、幾種情況。 縱向收縮變形。構件沿焊縫方向上發(fā)生的變形，如圖2-25 (a)所示. 橫向收縮變形。構件沿焊縫垂直方向上發(fā)生的變形，如圖2-25 (b)所示。 彎曲變形。構件焊后整體發(fā)生的彎曲變形，如圖2-25 (c)所示。 扭曲變形。構件焊后發(fā)生的螺旋形變形，如圖2-25 (d)所示。下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 (2)局部變形。 角變形。溫度沿板厚方向分布不均或熔化金屬沿板厚方向收縮不同，以及兩者同時存在，使板件以焊縫為軸心轉動而發(fā)生的變形，如圖2-26 (a), (b)所示。 波浪變形。在薄板結構中壓應力使其失穩(wěn)而引起的變形，如圖2-26（c)所示。 2. 焊接殘余變形對焊接結構的

50、影響 焊接殘余變形會造成構件形狀和尺寸的變化，如縱向、橫向收縮使構件尺寸變短， 若超出尺寸公差允許的范圍，會使構件報廢。薄板結構的波浪變形會嚴重影響產(chǎn)品的外觀，焊接殘余變形會影響后續(xù)機械加工，為了保證焊后機械加工所需的尺寸，往往要預留相當大的加工余量，這就增加了材料消耗和加工費用。當某些構件發(fā)生焊接上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 變形時，有可能嚴重影響其承載能力，如壓力容器筒體或球體的角變形會引起較大的附加彎矩，使局部應力增大而導致裂紋的產(chǎn)生或失穩(wěn)擴展而造成結構的破壞。某些承壓的柱體由于發(fā)生扭曲變形而使得承壓能力大大降低，以至于在相當?shù)偷膽λ较掳l(fā)生失穩(wěn)。 在發(fā)生焊接殘余變形后

51、，如果進行矯正則相當困難，有時甚至是不可能的。由以上分析，對于低碳鋼和低合金鋼焊成的構件，焊接變形比殘余應力對結構性能的影響更為顯著。2. 3. 2各種焊接殘余變形的產(chǎn)生及變形值的估算 1.收縮變形 焊件焊后其尺寸的縮短稱為收縮變形。它分為縱向收縮變形和橫向收縮變形。 (1)縱向收縮變形?？v向收縮變形即沿焊縫軸線方向尺寸的縮短，如圖2-27所示。這是由于焊縫及其附近區(qū)域在焊接高溫的作用下產(chǎn)生上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 縱向的壓縮塑性變形，待焊件冷卻后，這些縱向的壓縮塑性變形導致焊件沿焊縫長度方向尺寸縮短，即產(chǎn)生了縱向收縮變形。壓縮塑性變形區(qū)的面積用Fp表不，如圖2-28所示，

52、假想力Pf的數(shù)值由下式表示: 焊件在假想外加壓力P的作用下產(chǎn)生縱向收縮量L可用下式表不:上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 由以上可以看出，縱向收縮變形量I取決于焊縫的長度L、焊件的截面積F以及壓縮塑性應變。l等，其中對于給定尺寸的構件來說，Ei的分布變化較小，因此壓縮變形可近似的用壓縮塑性變形區(qū)的截面積Fp來衡量。 焊件的截面積越大，焊件的縱向收縮量越小。焊縫的長度越長，縱向收縮量越大。從這個角度考慮，在結構無密封性要求或結構強度滿足要求的情況下，可將連續(xù)焊縫改為間斷焊縫，對減小焊件的縱向收縮能起到一定的作用。 壓縮塑性應變。l的大小與焊接方向、焊接線能量及焊接工藝等因索有關，其中

53、主要與焊接線能量有關。對于同樣截面的焊縫可以一次焊成，也可以分幾層焊成，但多層焊的每層所采用的線能量比單層焊時小得多，因此多層焊時每層所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)的截面積F,比單層焊時小。然而，多層焊產(chǎn)生的總縱向收縮變形并不是簡單的各層引起縱向收縮變形量的總和，因為各層所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)的面積是上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 相互重疊的。如圖2-29所示為單層焊和雙層焊道對接接頭塑性變形區(qū)不意圖，單層焊的塑性變形區(qū)面積為ABCD;雙層焊第一層焊所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)為A1B1C1D1,，第二層所產(chǎn)生的為A2B2C2D2，由于雙層焊時每層的焊接線能量都明顯的小于單層焊的線能量，因此雙層焊每層的塑

54、性變形區(qū)的面積都小于單層焊每層的塑性變形區(qū)的面積，并且兩個面積的大部分互相重疊，使雙層焊最終的塑性變形區(qū)的面積小于單層焊的塑性變形區(qū)的面積。由此可以得出結論，對截面相同的焊縫，采用多層焊引起的縱向收縮量比單層焊小，分的層數(shù)越多，每層的線能量越小，縱向收編量就越小。 焊件的原始溫度對焊件的縱向收縮也有影響。一般來說，焊件的原始溫度越高，相當于線能量增大，焊接塑性變形區(qū)擴大，焊后縱向收縮量增大。但是，當原始溫度太高，可能出現(xiàn)相反的結果。因為隨著原始溫度的增加，塑性變形區(qū)雖然擴大，但與此同時，由于較高的原始溫度使得溫度趨于均勻化，塑形區(qū)內(nèi)的壓縮應變量。l反而下降。上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形

55、及其控制 當然，構件的線膨脹系數(shù)對縱向收縮量也有一定的影響，線膨脹系數(shù)大的材料，焊后縱向收縮量大，如不銹鋼和鋁比碳鋼焊件的收縮量大。 由于焊接過程的復雜性，具體縱向收縮量的大小不可能用數(shù)學公式進行精確計算，但有些焊接結構生產(chǎn)廠根據(jù)長期的生產(chǎn)經(jīng)驗對各種焊件總結出了一些數(shù)據(jù)，或者總結出了一些經(jīng)驗公式，可對縱向收縮量進行大概的估算。 對于梁、柱一類的細長桿件的縱向收縮變形量L，可用下式估算。單層焊的縱向收縮量:上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 L焊縫的長度(mm ) ; k1系數(shù)，與焊接方法和材料有關，可從表中查出。 多層焊的縱向收縮量，將上式中FH改為一層焊縫金屬的截面積，并將計算所得

56、的縱向收縮量再乘以系數(shù)k2即可，其中:上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 對于兩面有角焊縫的T形接頭構件，縱向收縮量按上述公式計算，然后乘以系數(shù)1. 151. 40即為該構件的縱向收縮量。但應該注意，式中的FH為一條角焊縫的截面積。 例 有一低碳鋼工字形構件，如圖2-30所示，長5m，腹板高250 mm，腹板厚10 mm ,翼板寬250 mm，厚12 mm，由四條角焊縫焊成，每條角焊縫均采用埋弧自動焊一次焊成，焊腳K為8 mm，試估算該工字形構件的縱向收縮量。 解每條角焊縫的截面積:上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 工字形構件截面積:F= (2X250X12)十(250X

57、10) =8 500 (mm2) 對四條角焊縫構成的工字形焊件的縱向收縮量，可以認為相當于一對雙面角焊縫的T形構件的縱向收縮量，而雙面角焊縫I形構件的縱向收縮量又是單面角焊縫的1. 151. 40倍(因為雙面角焊縫所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)基本上是重疊的故取1. 15) 。所以工字形構件的縱向收縮量即為: 當焊縫在構件中的位置不對稱時，焊縫所引起的假想力P是一個偏心力，它不但會使構件縮短，同時還使構件彎曲，其彎曲力矩為 ，如圖2-31所示。上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 式中 L構件長度: I構件截面慣性矩: e塑性區(qū)中心到斷面中心軸距離(偏心距)。 (2)橫向收縮變形。橫向收縮變形是指

58、沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短。構件焊接時，不僅產(chǎn)生縱向收縮變形，同時也產(chǎn)生橫向收縮變形。橫向收縮變形的過程比較復雜，影響因索很多，現(xiàn)分述如下。 堆焊焊縫及角焊縫的橫向收縮。平板上堆焊一條焊縫，當平板很窄，焊縫很短時可以把焊縫當做沿全長同時加熱，采用分析縱向收縮的方法來處理。但焊接過程中沿焊縫長度方向不可能同時加熱。也就是說，沿焊縫長度方向各點的溫度不一致，焊接熱源附近的金屬，其熱膨脹變形不但受板厚方向較低溫度金屬的限制，而且受平板寬度方向以及板長方向較低溫度金屬的限制，使其承受壓力，因而沿平板寬度方向上產(chǎn)生壓縮塑性變形，使之在厚度方向上增厚，則產(chǎn)生橫向收縮變形。上一頁下一頁返回2.3 焊接殘

59、余變形及其控制 橫向收縮變形量主要與焊接線能量和板厚有關。一般來說，焊接線能量越大，橫向收縮量越大;板厚增加，橫向收縮量減小。另外，橫向收縮量沿焊縫長度方向分布不均勻，原因是一條焊縫是逐步焊成的，先焊的焊縫冷卻收縮對后焊的焊縫有一定擠壓作用，使后焊的焊縫橫向收縮量更大，因而沿焊接方向上橫向收縮量是逐漸增大的，但到一定長度后逐漸趨于穩(wěn)定，不再增大。 T形接頭及搭接接頭角焊縫的橫向收縮與堆焊焊縫的橫向收縮相似，其橫向收縮量與板厚及焊腳高度有關，但對T形接頭來說，立板的厚度對橫向收縮也有一定的影響，因為立板越厚，其構件的剛度增大，橫向收縮量減小。上一頁下一頁返回2.3 焊接殘余變形及其控制 2.角變

60、形 中厚板對接焊、堆焊、搭接焊及I形接頭焊接，往往會產(chǎn)生角變形，如圖2-31所示。這種變形主要是由于在厚度方向上溫度分布不均勻，導致壓縮塑性變形量在厚度方向上不一致，或者是由于熔化金屬在厚度上收縮量不一致而引起的。 (1)平板堆焊的角變形。平板堆焊時，焊縫及其附近的高溫區(qū)金屬的熱膨脹由于受低溫區(qū)金屬的阻礙不能充分進行，因而使高溫區(qū)產(chǎn)生了壓縮塑性變形。因堆焊面的溫度高于背面，則堆焊面產(chǎn)生的橫向壓縮塑性變形量比背面大，故冷卻后平板產(chǎn)生如圖2-31所示的角變形。 角變形的大小與焊接線能量、板厚等因索有關。當線能量一定，板厚越大，厚度方向上的溫差越大，角變形增加。但當板厚增大到一定程度，此時構件的剛性