模塊9 焊接變形及應(yīng)力《焊接科學(xué)與工程》教學(xué)課件

第X章XXXX模塊9

焊接變形及應(yīng)力第九章焊接變形及應(yīng)力9.1焊接變形及應(yīng)力的產(chǎn)生原理9.2縱向收縮變形及所引起的變形和應(yīng)力9.3構(gòu)件邊緣加熱時的收縮變形和彎曲變形9.4橫向收縮引起的變形9.5橫向收縮引起的角變形和彎曲角變形9.6影響焊接變形的因素及防止措施9.7焊接組織應(yīng)力9.8焊接殘余應(yīng)力9.9焊接殘余應(yīng)力的測定9.1焊接變形及應(yīng)力的產(chǎn)生原理焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力和變形的原因桿件的不均勻受熱.根本原因——焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮。焊縫金屬的收縮金屬組織的變化焊件的剛性和拘束剛性是指焊件抵抗變形的能力。是焊件本身的性能，與焊件材質(zhì)焊件截面形狀和尺寸等有關(guān)。拘束是焊件周圍物體對焊件變形的約束。是一種外部條件。剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大，反之相反。9.1.1焊接溫度場加熱溫度與變形和應(yīng)力溫度與熱變形不均勻加熱時的變形和應(yīng)力有限差分：離散化，離散點(diǎn)溫度值逼近連續(xù)的溫度分布差商代替微商，熱傳導(dǎo)微分方程轉(zhuǎn)換為以節(jié)點(diǎn)溫度為未知量的線性代數(shù)方程組有限元：變分原理，有限單元的離散化加溫時材料性能的變化物理性能變化：線膨脹系數(shù)α和比熱C增大，密度ρ和導(dǎo)熱系數(shù)λ減小機(jī)械性能變化：抗拉強(qiáng)度、屈服極限、彈性模量降低，延伸率增加一些工作假定——金屬加熱和冷卻過程金屬物理性質(zhì)不變假定：假定α、C、λ、E等參數(shù)與溫度無關(guān)假定金屬的相變溫度很高，可以不考慮組織應(yīng)力理想彈塑性體假定：屈服極限、塑性與溫度關(guān)系的假定9.1.1焊接溫度場加熱溫度與變形和應(yīng)力彈性材料：受力變形，（彈性范圍內(nèi)）外力消失后能完全恢復(fù)原來形狀的材料理想彈性材料：不管變形多大，外力消失后能完全恢復(fù)原來形狀塑性材料：受力能變形，外力消失后不再恢復(fù)原來形狀的材料理性塑性材料：受力很小就能變形，外力消失后能保持所變成的形狀，一點(diǎn)不回彈。理想彈塑性體：塑性變形時，考慮變形之前的彈性變形，而不考慮硬化的材料，也就是進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力不需要增加就可以產(chǎn)生塑性變形。材料屈服后不考慮其加工硬化對材料的影響。特點(diǎn)：材料屈服后，其流動應(yīng)力與應(yīng)變量無關(guān)，軟化與硬化相等。適用于熱加工分析理想彈塑性體焊接變形的分類按變形發(fā)生階段分類瞬時變形：焊接加熱和冷卻時發(fā)生的變形殘余變形：完全冷卻后仍保留下來的變形—主要影響按變形范圍分類：整體變形：收縮變形、彎曲變形局部變形：角變形、波浪變形按拘束條件分類自由變形非自由變形：外觀變形、內(nèi)部變形按變形發(fā)生的方向分類：縱向收縮變形、橫向收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形9.1.2焊接變形和應(yīng)力的基本類型焊接應(yīng)力的分類無外力作用下，焊接引起的在構(gòu)件范圍內(nèi)互相平衡的內(nèi)應(yīng)力按應(yīng)力平衡范圍分類：宏觀應(yīng)力——第一類應(yīng)力——整個焊件范圍——主要微觀應(yīng)力——第二類應(yīng)力——晶粒尺寸范圍——組織應(yīng)力超微觀應(yīng)力—第三類應(yīng)力——晶格尺寸范圍——?dú)鋽U(kuò)散、聚集按作用時期：瞬時應(yīng)力、殘余應(yīng)力空間位置：單向(軸)應(yīng)力,平面(雙向)應(yīng)力,三向(體積)應(yīng)力與焊縫的方向：縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力應(yīng)力形成原因：熱應(yīng)力：焊件不均勻加熱——溫度應(yīng)力拘束應(yīng)力：構(gòu)件熱變形時受到拘束組織應(yīng)力：接頭金屬組織轉(zhuǎn)變時體積變化受阻9.1.2焊接變形和應(yīng)力的基本類型9.1.3桿件均勻加熱、冷卻過程中的變形與應(yīng)力加熱冷卻過程中有熱變形而無熱應(yīng)力；冷卻后無殘余變形和應(yīng)力9.1.3桿件均勻加熱、冷卻過程中的變形與應(yīng)力加熱過程無外觀變形有壓縮彈性變形和壓縮熱應(yīng)力；熱應(yīng)力達(dá)到屈服極限時有壓縮塑性變形冷后有殘余變形、無殘余應(yīng)力9.1.3桿件均勻加熱、冷卻過程中的變形與應(yīng)力加熱過程與受阻熱變形相似冷后無外觀變形有殘余拉伸彈性變形和殘余應(yīng)力；熱應(yīng)力達(dá)到屈服極限時有拉伸塑性變形；如去除剛性約束則拉伸塑性變形保持到室溫產(chǎn)生殘余變形9.2縱向收縮變形及所引起的變形和應(yīng)力

9.2.1補(bǔ)充工作假定針對實(shí)際焊件的變形問題研究線熱源的假定板厚方向溫度均勻，僅在板寬度和長度方向有溫度梯度。薄板單向應(yīng)力的假定

實(shí)際為平面或體積應(yīng)力，板厚不大時，厚度方向應(yīng)力較小，且橫向應(yīng)力相對縱向應(yīng)力也較小，故假定為縱向的單向應(yīng)力截面保持平面假定假定構(gòu)件在焊前所截取的截面焊接后仍不變，即構(gòu)件只發(fā)生伸長、縮短、彎曲，其橫截面只發(fā)生平移或偏轉(zhuǎn)，截面本身并不變形。板寬較小

焊接構(gòu)件內(nèi)收縮變形與應(yīng)力發(fā)生發(fā)展原因?殘余變形和殘余應(yīng)力產(chǎn)生的根源？變形、應(yīng)力數(shù)量的決定因素？

9.2.2板中加熱時的變形與應(yīng)力的產(chǎn)生假定3塊同截面同質(zhì)同長度相互成為整體時不傳熱中間板加熱時自由變形，無應(yīng)力，也不引起1、3板變形，冷卻后無殘余變形和應(yīng)力

9.2.2板中加熱時的變形與應(yīng)力的產(chǎn)生板2因加熱而伸長時受板1、3阻礙而收縮，板1、3被拉長，板1、2、3伸長量相同板2壓應(yīng)力小于屈服極限時，不產(chǎn)生塑性變形，冷后無殘余應(yīng)力和變形；高于屈服極限時，產(chǎn)生塑性變形，冷后有殘余變形

9.2.2板中加熱時的變形與應(yīng)力的產(chǎn)生冷卻過程與加熱過程相反，板2產(chǎn)生拉應(yīng)力，板1、3產(chǎn)生壓應(yīng)力總體縮短△——縱向收縮殘余變形板2——拉伸殘余應(yīng)力板1、3——壓縮殘余應(yīng)力

9.2.2板中加熱時的變形與應(yīng)力的產(chǎn)生焊接構(gòu)件內(nèi)收縮變形與應(yīng)力發(fā)生發(fā)展過程就是由焊接件加熱區(qū)的熱變形受其他非加熱區(qū)的阻礙所產(chǎn)生加熱區(qū)高溫壓縮塑性變形(加熱區(qū)材料性質(zhì)決定)是產(chǎn)生殘余變形的根源，并同時產(chǎn)生殘余應(yīng)力。最后塑性變形累積是決定變形、應(yīng)力數(shù)量的根據(jù)。焊接熱量和構(gòu)件剛度是變形、應(yīng)力產(chǎn)生和發(fā)展條件，控制這些條件可控制殘余變形和應(yīng)力的數(shù)量。

9.2.3殘余變形與殘余應(yīng)力的關(guān)系

9.2.4板中對焊時的變形和應(yīng)力主作用面積區(qū)——焊縫及熱影響區(qū)主作用區(qū)的膨脹力是焊接變形和應(yīng)力產(chǎn)生的力源大部分膨脹量轉(zhuǎn)化為壓縮塑性變形

9.2.4板中對焊時的變形和應(yīng)力

9.2.4板中對焊時的變形和應(yīng)力殘余變形和殘余應(yīng)力的關(guān)系

9.2.4板中對焊時的變形和應(yīng)力殘余變形和殘余應(yīng)力的關(guān)系焊縫縱向收縮量與線能量或焊縫熔敷面積成正比焊縫縱向收縮量與工件的橫截面積成反比焊縫絕對縱向收縮量隨焊縫長度的增加而變大去除斷續(xù)焊縫節(jié)距的實(shí)際焊縫總長度

9.2.4板中對焊時的變形和應(yīng)力板中對焊的收縮力

9.2.4板中對焊時的變形和應(yīng)力9.3構(gòu)件邊緣加熱時的收縮變形和彎曲變形

9.3.1彎曲變形與縱向應(yīng)力的形成9.3構(gòu)件邊緣加熱時的收縮變形和彎曲變形

9.3.1彎曲變形與縱向應(yīng)力的形成邊緣一側(cè)加熱和冷卻時的應(yīng)力與變形a)原始狀態(tài)b)假設(shè)各板條的伸長c)加熱后的變形d)假設(shè)各板條的收縮e)冷卻后的變形9.3.2影響彎曲變形的因素及控制原則板邊加熱后的收縮變形與應(yīng)力9.3.2影響彎曲變形的因素及控制原則板邊加熱后的彎曲變形與應(yīng)力9.3.2影響彎曲變形的因素及控制原則板邊加熱后的彎曲變形與應(yīng)力的控制構(gòu)件的彎曲變形曲率與線能量和主作用區(qū)偏心距成正比,與構(gòu)件的慣性矩成反比;撓度與變形曲率和長度平方成正比焊接線能量越大（電流大、焊速慢），彎曲變形越大焊縫位置的偏心程度越大，彎曲變形越大設(shè)計時要對稱布置焊縫（對稱焊接）保證強(qiáng)度前提下不選過大焊腳尺寸（調(diào)整變形）構(gòu)件剛性越大，彎曲變形越?。ɡ每▕A具增加剛性）構(gòu)件長度不影響曲率，但影響撓度（分段焊或多層焊）9.4橫向收縮引起的變形

9.4.1橫向收縮變形形成過程窄板中部加熱的橫向收縮變形形成過程充分厚度板件，逐點(diǎn)依次加熱9.4.1橫向收縮變形形成過程窄條對接時的橫向收縮變形9.4.2寬板對接時橫向收縮變形和應(yīng)力9.4.2寬板對接時橫向收縮變形和應(yīng)力9.5橫向收縮引起的角變形和彎曲角變形

9.5.1焊縫金屬收縮引起的傾斜角變形開坡口對接的傾斜角變形T形接頭角焊縫的傾斜角變形傾斜角變形決定于坡口角9.5.2焊縫金屬收縮引起的彎曲角變形厚板堆焊和對接引起的彎曲角變形角焊縫時的彎曲角變形彎曲角變形決定于熔深與板厚之比9.5.3焊縫金屬收縮引起的總角變形厚板對接、丁字接頭和搭接接頭橫向收縮引起的桿件彎曲變形和扭曲變形9.5.4波浪變形厚度小于10-15mm尤其3-4mm以下薄板焊接后主作用區(qū)縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力疊加，造成構(gòu)件局部失穩(wěn)9.5.4波浪變形波浪變形角變形引起的波浪變形9.6影響焊接變形的因素及防止措施

9.6.1影響變形的因素1、焊接方法——最高溫度及集中程度2、焊接規(guī)范——線能量3、構(gòu)件截面的幾何尺寸4、焊縫與形心距離5、焊縫長度6、初始應(yīng)力9.6.2減少和防止焊接變形的方法1、設(shè)計方面的措施選擇對稱截面結(jié)構(gòu)選用小的焊縫尺寸避免焊縫交叉和密集避免在應(yīng)力集中區(qū)布置焊縫合理選擇材料工藝9.6.2減少和防止焊接變形的方法2、工藝方面的措施正確地確定裝配焊接次序選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较蚍醋冃畏ɡ脢A具卡固構(gòu)件施焊其他方法：多層焊、坡口形式等9.6.3焊接變形對結(jié)構(gòu)的影響機(jī)械矯正和火焰矯正矯正焊接變形的方法機(jī)械矯正火焰矯正外力法碾壓點(diǎn)狀加熱線狀加熱三角形加熱矯正方法9.7焊接組織應(yīng)力9.8焊接殘余應(yīng)力9.8.1焊接殘余應(yīng)力的分布9.8焊接殘余應(yīng)力9.8.1焊接殘余應(yīng)力的分布9.8焊接殘余應(yīng)力9.8.1焊接殘余應(yīng)力的分布9.8.2焊接殘余應(yīng)力對承載能力的影響焊接殘余應(yīng)力對靜載強(qiáng)度的影響塑性韌性儲備足夠，不會開裂，不影響焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度過載法去除殘余應(yīng)力：新塑性變形使殘余應(yīng)力重分布而減少，屈服區(qū)拉應(yīng)力降至遠(yuǎn)低于屈服極限，過載越大，殘余應(yīng)力下降越多脆性材料，塑性變形能力差，易在局部應(yīng)力集中處起裂并脆斷9.8.2焊接殘余應(yīng)力對承載能力的影響焊接殘余應(yīng)力對靜載強(qiáng)度的影響只要材料有足夠的延性，能夠進(jìn)行塑性變形，內(nèi)應(yīng)力的存在不影響構(gòu)件的承載能力，對強(qiáng)度無影響。如果材料處于脆性狀態(tài)時，應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時，構(gòu)件將發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。9.8.2焊接殘余應(yīng)力對承載能力的影響焊接殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響決定于三個方向上殘余應(yīng)力的大小和符號。拉伸殘余應(yīng)力使疲勞強(qiáng)度降低，壓縮殘余應(yīng)力能提高疲勞強(qiáng)度表面噴丸提高疲勞壽命9.8.2焊接殘余應(yīng)力對承載能力的影響承受疲勞載荷時，焊件在同一應(yīng)力幅值的作用下與殘余應(yīng)力疊加，與殘余拉應(yīng)力疊加，應(yīng)力循環(huán)上移，提高平均應(yīng)力，降低疲勞強(qiáng)度；與殘余壓應(yīng)力疊加，應(yīng)力循環(huán)下移，降低平均應(yīng)力，提高疲勞強(qiáng)度。加載時增加塑性應(yīng)變，塑性韌性儲備足夠時不開裂，但疲勞加載提高屈服極限，減少韌性儲備振動法去殘余應(yīng)力：低應(yīng)力循環(huán)加載9.8.2焊接殘余應(yīng)力對承載能力的影響焊接殘余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕的影響殘余拉應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，加速應(yīng)力腐蝕開裂殘余應(yīng)力對機(jī)械加工精度的影響切屑掉焊件承受殘余應(yīng)力部分的金屬，造成二次變形，影響加工精度9.8.3焊接過程中殘余應(yīng)力的調(diào)整設(shè)計措施:設(shè)計上減小焊接應(yīng)力的核心：正確布置焊縫，以避免應(yīng)力疊加。盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸。避免焊縫過分集中，焊縫間應(yīng)保持足夠的距離。采用剛性較小的接頭形式。9.8.3焊接過程中殘余應(yīng)力的調(diào)整工藝措施: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。②收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊③工作時受力最大的焊縫應(yīng)先焊④平面交叉焊縫焊接時，在焊縫的交叉點(diǎn)易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。⑤對接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)焊接順序拼接焊縫合理的裝配焊接順序9.8.3焊接過程中殘余應(yīng)力的調(diào)整2）加熱減應(yīng)法9.8.3焊接過程中殘余應(yīng)力的調(diào)整3）預(yù)熱法降低屈服極限、彈性模量、減少溫差，能降低最大殘余應(yīng)力，預(yù)熱溫度越高，效果越好。4）降低拘束度作用與殘余變形相反5）機(jī)械應(yīng)力平衡法松弛內(nèi)應(yīng)力9.8.4消除焊接殘余應(yīng)力的措施去應(yīng)力退火低溫、緩冷塑性變形或蠕變變形產(chǎn)生的應(yīng)力松弛回復(fù)：點(diǎn)缺陷和位錯遷移，逐漸降低晶格畸變，內(nèi)應(yīng)力逐漸減小晶粒大小和形狀無變化強(qiáng)度、塑性和韌性基本無變化9.8.4消除焊接殘余應(yīng)力的措施熱塑性法機(jī)械拉伸法（過載法）振動法力學(xué)：交變應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加達(dá)到材料屈服極限產(chǎn)生局部塑形變形，釋放殘余應(yīng)力并重新分布，減小峰值能量：殘余應(yīng)力存在使原子處于不平衡狀態(tài)，通過振動，使之回到平衡位置，消除殘余應(yīng)力位錯運(yùn)動：殘余應(yīng)力在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生大量位錯運(yùn)動，產(chǎn)生塑性變形而使應(yīng)力釋放。注：振動法的優(yōu)點(diǎn)，從應(yīng)力消除效果看，振動法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設(shè)備簡單，價廉，處理成本低，時間短，無高溫回火的金屬氧化問題等優(yōu)點(diǎn)。噴丸法9.9焊接殘余應(yīng)力的測定1.應(yīng)力測定方法的分類按其對結(jié)構(gòu)的是否破壞來分

按測試原理分應(yīng)力釋放法原理：利用構(gòu)件在機(jī)加