焊接應(yīng)力和變形概述

1/4焊接應(yīng)力和變形概述一、焊接應(yīng)力和變形的概念通常在物體受到外力作用時(shí)，在其內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力，而單位面積上所承受的內(nèi)力叫應(yīng)力。應(yīng)力一般分為拉應(yīng)力、壓應(yīng)力和切應(yīng)力三種。內(nèi)應(yīng)力是在沒有外力的條件下，平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。一個(gè)物體在外力或內(nèi)應(yīng)力作用下發(fā)生的形狀變化稱為變形。變形可分為彈性變形和塑性變形兩種。當(dāng)外力消除后，物體能夠恢復(fù)到原來的形狀時(shí)，這種變形稱為彈性變形;當(dāng)外力消除后，物體不能夠恢復(fù)到原來的形狀時(shí)，則這種變形稱為塑性變形。焊接變形是焊接過程中，工件產(chǎn)生了不同程度的變形，焊接過程結(jié)束后，工件冷卻后殘留在工件上的變形。焊后工件殘留的變形，也叫焊接殘余變形。焊接殘余變形通常是一種焊后不能恢復(fù)的塑性變形，只能殘留在工件上，它是由焊接內(nèi)應(yīng)力引起的。二、焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的原因焊接過程是金屬進(jìn)行局部加熱和冷卻的過程，即焊接熱循環(huán)過程。焊接熱循環(huán)指焊接過程中，在焊接熱源的作用下，工件上某點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的過程，其特征是加熱速度很快，在最高溫度下停留時(shí)間很短，隨后各點(diǎn)按照不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻，因此工件上溫度的分布具有不均勻性，如圖5-1所示。低碳鋼熔池的平均溫度達(dá)到1700℃以上，熔池周圍溫度迅速遞減。在此過程中造成金屬內(nèi)部不均勻的膨脹和收縮，結(jié)果產(chǎn)生了焊接應(yīng)力和焊接變形。對(duì)于普通金屬結(jié)構(gòu)而言，焊后產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的基本原因則是焊后焊縫區(qū)的金屬發(fā)生了縱向和橫向收縮。

假設(shè)在焊接過程中工件整體均勻受熱，則加熱膨脹和冷卻收縮將不受拘束而處于自由狀態(tài)。那么焊后工件不會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形，見表5-1。但實(shí)際上工件是局部不均勻地加熱和冷卻。用一根金屬棒進(jìn)行不均勻加熱和冷卻實(shí)驗(yàn)，可以模擬金屬材料的焊接過程，見表5-2、表5-3。

從表5-2可知，金屬棒加熱時(shí)，膨脹受到阻礙，產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在壓應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生一定熱壓縮塑性變形。冷卻時(shí)，金屬棒可以自由收縮，冷卻到室溫后金屬棒長度有所縮短，應(yīng)力消失。由表5-3可知，金屬棒在加熱和冷卻過程中都受到拘束，其長度幾乎不能伸長也不能縮短。加熱時(shí)，棒內(nèi)產(chǎn)生壓縮塑性變形;冷卻時(shí)的收縮使棒內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸變形。當(dāng)冷卻到室溫后，金屬棒長度幾乎不變，但金屬棒內(nèi)產(chǎn)生了較大的拉伸應(yīng)力。在焊接過程中，電弧熱源對(duì)工件進(jìn)行了局部加熱，整個(gè)工件溫度處于不均勻狀態(tài)，焊縫及其附近金屬加熱到高溫時(shí)，由于受到周圍溫度較低部分金屬的阻礙，不能自由膨脹而產(chǎn)生了壓應(yīng)力，如果壓應(yīng)力足夠大就會(huì)產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)焊縫及其附近金屬冷卻發(fā)生收縮時(shí)，同樣會(huì)由于周圍較低溫度的焊縫金屬的拘束，不能自由收縮，在產(chǎn)生一定的拉伸變形的同時(shí)，產(chǎn)生了焊接拉應(yīng)力。例如試板不受拘束，則高溫時(shí)能自由膨脹，冷卻后不受任何拘束自由收縮，由于熔敷金屬的填充量較多，因而自由收縮量較大，會(huì)產(chǎn)生角變形，但沒有焊接應(yīng)力。如果對(duì)V形坡口平板對(duì)焊進(jìn)行剛性固定，則加熱膨脹在試板內(nèi)會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力和壓縮變形，冷卻收縮在試板內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力和拉伸塑性變形。冷卻到室溫后，若解除拘束，則試板變形很小幾乎看不出來，但其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如圖5-2所示。由以上分析可知，焊接過程中，對(duì)工件進(jìn)行局部不均勻加熱是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形的主要原因。焊接接頭的收縮造成了焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。另外在焊接過程中，焊接接頭晶粒組織發(fā)生轉(zhuǎn)變引起體積的變化，也會(huì)在金屬內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力，同時(shí)也可能引起焊接變形。焊接殘余應(yīng)力和焊接