焊接應(yīng)力課件講解

模塊三焊接應(yīng)力一、焊接應(yīng)力的分類及分布焊接應(yīng)力分類如圖2-44所示。焊接殘余應(yīng)力的分布主要取決于構(gòu)件的形狀、接頭形式和尺寸。典型的焊件形狀和接頭形式如圖2-45所示。對于大多數(shù)中、薄厚度的焊接構(gòu)件來說，焊接接頭的殘余應(yīng)力基本上是雙向應(yīng)力，即為平面應(yīng)力狀態(tài)，接頭厚度方向的殘余應(yīng)力很小，可以忽略。只有在高拘束度的厚壁接頭中，厚度方向的殘余應(yīng)力才達到較高數(shù)值。1．縱向殘余應(yīng)力的分布作用方向平行于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力，用表示。在焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫及其附近區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，一般可達到材料的屈服強度。離開焊縫區(qū)，拉應(yīng)力急劇下降并轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。寬度相等的兩板對接時，其縱向殘余應(yīng)力在焊件橫截面上的分布情況如圖2-46所示。板邊堆焊時，其縱向殘余應(yīng)力在焊縫橫截面上的分布如圖2-47所示。兩塊不等寬度的板對接時，應(yīng)力分布情況：若寬度相差越大，寬板中的應(yīng)力分布越接近于板邊堆焊時的情況。若兩板寬度相差較小時，其應(yīng)力分布近似于等寬板對接時的情況?？v向應(yīng)力在焊件縱截面上的分布規(guī)律如圖2-48所示。在焊件縱截面端頭由于拘束很小，縱向應(yīng)力為零，焊縫端部存在一個殘余應(yīng)力過渡區(qū)，焊縫中段是殘余應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)焊縫較短時，不存在穩(wěn)定區(qū)，焊縫越短，?x越小。2．橫向殘余應(yīng)力的分布垂直焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力，用?y表示。橫向殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，一般認(rèn)為它是由以下兩部分合成得來的：第一部分：焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力?y’。第二部分：由焊縫及其塑性變形區(qū)的橫向收縮的不均勻和不同時性所引起的橫向應(yīng)力?y’’。在焊接結(jié)構(gòu)中，?y’和?y’’是同時存在的，且橫向殘余應(yīng)力?y的大小受到屈服強度?s限制。即：?y=?y’+?y’’，且不超過?s。（1）縱向收縮引起的橫向應(yīng)力?y’

如圖2-49a所示，的平板對接焊，假想沿焊縫中心將構(gòu)件切開，兩塊板條都相當(dāng)于板邊堆焊，將出現(xiàn)如圖2-49b所示的彎曲變形。要使兩板條恢復(fù)到原來位置，必須在焊縫中部加上橫向拉應(yīng)力，在焊縫兩端加上橫向壓應(yīng)力。由此推斷，焊縫的縱向收縮引起的橫向應(yīng)力?y’，必然為兩端為壓應(yīng)力，中間為拉應(yīng)力，如圖2-49c所示。焊縫長度對?y’的影響：各種長度的平板條對接焊，其的分布規(guī)律基本相同，但焊縫越長，中間部分的拉應(yīng)力將有所降低，如圖2-50所示。a）短焊縫b）中長焊縫c）長焊縫（2）橫向收縮所引起的橫向應(yīng)力?y’’在焊接結(jié)構(gòu)上，一條焊縫不可能同時完成，先焊的部分先冷卻，后焊的部分后冷卻。先冷卻的部分會限制后冷卻部分的橫向收縮，這就引起了?y’’。?y’’的分布與焊接方向、分段方法及焊接順序等因素有關(guān)。。圖2-51為不同焊接方向時?y’’的分布如圖2-51a中，中間部分比兩端先焊先收縮，則兩端部分的橫向收縮受到中間部分的限制，因此中間部分為壓應(yīng)力，兩端部分為拉應(yīng)力；在圖2-51b中，情況相反，中間部分為拉應(yīng)力，兩端部分為壓應(yīng)力。3．特殊情況下的殘余應(yīng)力分布（1）厚板中的焊接殘余應(yīng)力圖2-52為厚240mm的低碳鋼電渣焊焊縫中心線上的應(yīng)力分布。a）?z在厚度上的分布b）?x在厚度上的分布c）?y在厚度上的分布（2）在拘束狀態(tài)下焊接殘余應(yīng)力焊件受到橫向剛性拘束，如圖2-53a所示。焊后產(chǎn)生了橫向拘束應(yīng)力，其分布如圖2-53b所示。構(gòu)件無拘束時的橫向應(yīng)力，其分布如圖2-53c所示。二者相疊加，結(jié)果在焊件中產(chǎn)生了合成橫向應(yīng)力，如圖2-53d所示。（3）封閉焊縫中殘余應(yīng)力在板殼結(jié)構(gòu)中經(jīng)常遇到接管、鑲塊和人孔法蘭等封閉焊縫焊接，它們是在較大拘束下焊接的，內(nèi)應(yīng)力都較大。封閉焊縫殘余應(yīng)力的大小，與焊件和鑲?cè)塍w本身的剛度有關(guān)，剛度越大，內(nèi)應(yīng)力也越大。圖2-54所示為圓盤中焊入鑲塊后的殘余應(yīng)力，?θ為切向應(yīng)力，?r為徑向應(yīng)力。從圖2-54b圖中曲線可以看出，徑向應(yīng)力均為拉應(yīng)力，切向應(yīng)力在焊縫附近最大，為拉應(yīng)力，由焊縫向外側(cè)逐漸下降為壓應(yīng)力，由焊縫向中心達到一均勻值。在鑲塊中部有一個均勻的雙軸應(yīng)力場，鑲塊直徑越小，外板對它的約束越大，這個均勻雙軸應(yīng)力值就越高。（4）焊接梁柱中的殘余應(yīng)力圖2-55所示為T形梁、工字梁和箱形梁縱向殘余應(yīng)力的分布情況。對于此類結(jié)構(gòu)可以將其腹板和翼板分別看作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(yīng)力，而在腹板的中部則會產(chǎn)生縱向壓應(yīng)力。（5）環(huán)形焊縫中的殘余應(yīng)力管道對接時，環(huán)形焊縫中的焊接殘余應(yīng)力分布比較復(fù)雜，當(dāng)管徑和壁厚之比較大時，環(huán)形焊縫中的應(yīng)力分布與平板對接相類似，如圖2-56所示，但焊接殘余應(yīng)力的峰值比平板對接焊要小。二、焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響1．對構(gòu)件承載能力的影響2．對結(jié)構(gòu)脆性斷裂的影響3．對焊接接頭疲勞強度的影響4．對受壓桿件穩(wěn)定性的影響5．對焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響6．對焊接接頭應(yīng)力腐蝕傾向的影響因此，為了保證焊接結(jié)構(gòu)具有良好的使用性能，必須設(shè)法在焊接過程中減小焊接殘余應(yīng)力，有些重要結(jié)構(gòu)，焊后還必須采取措施消除焊接殘余應(yīng)力。三、減小焊接殘余應(yīng)力的措施減小焊接殘余應(yīng)力，一般來說，可以從設(shè)計和工藝兩方面著手。設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，在不影響結(jié)構(gòu)使用性能的前提下，應(yīng)盡量考慮采用能減小和改善焊接應(yīng)力的設(shè)計方案；另外，在制造過程中還要采取一些必要的工藝措施，以使焊接應(yīng)力減小到最低程度。1．設(shè)計措施1）在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。2）避免焊縫過于集中，焊縫間應(yīng)保持足夠的距離。焊縫過分集中不僅使應(yīng)力分布更不均勻，而且可能出現(xiàn)雙向或三向復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。此外，焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)及結(jié)構(gòu)截面突變的地方，防止殘余應(yīng)力與外力疊加，影響結(jié)構(gòu)的承載能力。3）采用剛性較小的接頭形式。如圖2-57所示容器與接管之間連接接頭的兩種形式，插入式連接的拘束度比翻邊式的大。插入式的焊縫上可能產(chǎn)生雙向拉應(yīng)力，且達到較高數(shù)值；而翻邊式的焊縫上主要是縱向殘余應(yīng)力。2．工藝措施（1）采用合理的裝配焊接順序和方向（2）縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差（3）降低焊縫的拘束度（4）加熱“減應(yīng)區(qū)”法（1）采用合理的裝配焊接順序和方向1）在一個平面上的焊縫，焊接時應(yīng)保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由。如圖2-58的拼板焊接，合理的焊接順序應(yīng)是按圖中l(wèi)～10施焊，即先焊相互錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫。2）收縮量最大的焊縫先焊。因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，因而殘余應(yīng)力就比較小。如圖2-59所示的帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)先焊蓋板上的對接焊縫l，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫2，原因是對接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。3）工作時受力最大的焊縫先焊。如圖2-60所示的大型工字梁，應(yīng)先焊受力最大的翼板對接焊縫l，再焊腹板對接焊縫2，最后焊預(yù)先留出來的一段角焊縫3。4）注意平面交叉焊縫的焊接順序如圖2-61為幾種T形接頭焊縫和十字接頭焊縫，應(yīng)采用圖2-61中a、b、c的焊接順序，才能避免在焊縫的相交點產(chǎn)生裂紋及夾渣等缺陷。圖2-61d為不合理的焊接順序。圖2-62為對接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。對接焊縫1的橫向收縮量大，必須先焊對接焊縫1，后焊角焊縫2。反之，如果先焊角焊縫2，則焊接對接焊縫1時，其橫向收縮不自由，極易產(chǎn)生裂紋。（2）縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差引起焊接應(yīng)力與變形的根本原因是焊件受熱不均勻。焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差越大，則引起的焊接應(yīng)力與變形越大。工程中常用“預(yù)熱法”和“冷焊法”減小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差。預(yù)熱法：是在施焊前，預(yù)先將焊件局部或整體加熱到150～650℃。對于焊接或焊補那些淬硬傾向較大的材料的焊件，以及剛性較大或脆性材料焊件時，常常采用預(yù)熱法。冷焊法：是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結(jié)構(gòu)上其他部位間的溫度差。具體做法有：盡量采用小的熱輸入施焊，選用小直徑焊條，小電流、快速焊及多層多道焊。另外，應(yīng)用冷焊法時，環(huán)境溫度應(yīng)盡可能高。（3）降低焊縫的拘束度圖2-63所示是焊前對鑲板的邊緣適當(dāng)翻邊，作出角反變形，焊接時翻邊處拘束度減小。若鑲板收縮余量預(yù)留得合適，焊后殘余應(yīng)力可減小且鑲板與平板平齊。（4）加熱“減應(yīng)區(qū)”法焊接時加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位（稱“減應(yīng)區(qū)”），使之與焊接區(qū)同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接應(yīng)力的作用，此法稱為加熱“減應(yīng)區(qū)”法。此法在鑄鐵補焊中應(yīng)用最多，也最有效。加熱“減應(yīng)區(qū)”法成敗的關(guān)鍵在于正確選擇加熱部位，選擇的原則是：只加熱阻礙焊接區(qū)膨脹或收縮的部位。檢驗加熱部位是否確的方法是：用氣焊矩在所選處試加熱一下，若待焊處的縫隙是張開的，則表示選擇正確，否則不正確。圖2-64為加熱“減應(yīng)區(qū)”法的減應(yīng)原理：若直接焊接框架斷口處，在焊縫中產(chǎn)生較大的橫向應(yīng)力。若焊前在兩側(cè)構(gòu)件的“減應(yīng)區(qū)”處同時加熱，兩側(cè)受熱膨脹，使中心構(gòu)件斷口間隙增大。此時對斷口處進行焊接，焊后停止加熱。于是焊縫和兩側(cè)加熱區(qū)同時冷卻收縮，互不阻礙，結(jié)果減小了焊接應(yīng)力。四、消除焊接殘余應(yīng)力的措施雖然在結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮了殘余應(yīng)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(yīng)力，但由于焊接應(yīng)力的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)焊接完以后仍然可能存在較大的殘余應(yīng)力。另外，有些結(jié)構(gòu)在裝配過程中還可能產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力，這些焊接殘余應(yīng)力及裝配應(yīng)力都會影響結(jié)構(gòu)的使用性能。特別是重要的焊接結(jié)構(gòu)，焊后應(yīng)設(shè)法采取措施消除殘余應(yīng)力。常用的消除殘余應(yīng)力的方法如下：1．熱處理法（1）整體熱處理法將工件整體置于加熱爐內(nèi)，以一定的速度中熱到規(guī)定的退火溫度，保溫一段時間后，以緩慢的速度冷卻的工藝過程。整體熱處理典型的加熱、保溫、冷卻曲線如圖2-65所示。去應(yīng)力退火由加熱、均溫、保溫和冷卻四個階段組成。其主要工藝參數(shù)包括加熱溫度、加熱速度、均溫時間、保溫時間和冷卻速度。消除應(yīng)力的效果取決于焊件的復(fù)雜程度，通?？上己附託堄鄳?yīng)力的80%以上，可以滿足絕大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)對消除殘余應(yīng)力的技術(shù)要求。（2）局部熱處理法對于某些不允許或不可能進行整體熱處理的焊接結(jié)構(gòu)，可采用局部熱處理，局部熱處理就是對構(gòu)件焊縫周圍的局部應(yīng)力很大的區(qū)域及其周圍，緩慢加熱到一定溫度后保溫，然后緩慢冷卻。其消除應(yīng)力的效果不如整體熱處理，它只能降低殘余應(yīng)力峰值60%左右，不能完全消除殘余應(yīng)力。大多用于形狀比較簡單、拘束度較小的焊接接頭，如圓柱形容器殼體、管道對接縫和平板對接縫等。為保證消除應(yīng)力的效果，加熱區(qū)的范圍應(yīng)有足夠的寬度。局部退火處理的熱源可以采用火焰炬、紅外線加熱器、工頻感應(yīng)加熱卷和電阻加熱器等。2．機械拉伸法通過不同方式在構(gòu)件上施加一定的拉伸應(yīng)力，使焊縫及其附近產(chǎn)生拉伸塑性變形，與焊接時在焊縫及其附近所產(chǎn)生的壓縮塑性變形相互抵消一部分，達到松弛殘余應(yīng)力的目的。實踐證明，拉伸載荷加得越高，壓縮塑性變形量就抵消得越多，殘余應(yīng)力消除得越徹底。在壓力容器制造的最后階段，通常要進行水壓試驗，其目的之一也是利用加載來消除部分殘余應(yīng)力。3．溫差拉伸法溫差拉伸法的基本原理與機械拉伸法相同，其不同點是機械拉伸法采用外力進行拉伸，而溫差拉伸法是采用局部加熱形成的溫差來拉伸壓縮塑性變形區(qū)。如果加熱溫度和加熱范圍選擇適當(dāng)，消除應(yīng)力的效果可達50%～70%。溫差拉伸法如圖2-66所示。在焊縫兩側(cè)各用一適當(dāng)寬度(一般為100～150mm)的氧—乙炔焰嘴加熱焊件，使焊件表面加熱到200℃左右，在焰嘴后面一定距離用水管噴頭冷卻。造成兩側(cè)溫度高，焊縫區(qū)溫度低的溫度場，兩側(cè)金屬的熱膨脹對中間溫度較低的焊縫區(qū)進行拉伸，產(chǎn)生拉伸塑性變形抵消焊接時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，從而達到消除殘余應(yīng)力的目的。4．錘擊焊縫在