1、前言第一章 绪论第二章 焊接应力勺坐形S24 内应力及变形的一些基本概念一、内应力及其产生原因二、自由变城外观变形和内部变形三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力四、焊接引起的内应力及变形522 焊接残余变形一、焊接残余变形的分类和研究焊接残余变形的意义二、纵向收缩变形及它所引起的挠曲变形三、横向收缩变形及其产生的烷曲变形四、角变形五、波浪变形六、焊接错边七、熙效形受形(组曲变形)八 预防焊接变形的措施九、矫正焊接变形的方法S 23 焊接残余应力一、焊接残余应力的分布二、焊接残余应力的影响戈在焊接过程中调节内应力的措施四、焊后消除焊接内应力的方法五、焊接残余应力的测定第三章焊接接头531
2、焊接接头的一般性能二、焊接接头的不均匀性及其力学行为三 t 焊缀及接头的基本型式5i2 焊接接头的工作应力分布和工作性能一、应力集中的概念二、电弧焊接接头的工作应力分布职工作性能王、接触焊接头的工作交力分布和工作性能四、铆焊联合结构与铆焊联合接头535 焊接接头静载强度计算一、工作焊缝和联系焊缝置、焊接接头强度计算的假设王、电弧焊接头的静载强度计算四、接触焊接头的静载强度计算634 焊缝许用应力535 焊缝代号第四章 焊接结构的脆性断裂544 脆断事故和研究脆断助意义542 金属材料的断裂及其影响因素一、金属材料断裂的形态特征二、影响金属脆断的主要因素543 金属材料的脆性断裂的能量理论544
3、 材料断裂的评定方法一、转变温度方法二、断裂力学方法54 七 焊接结构的特点及其对脆断的响一、与铆接结构相比焊接结构具有刚性大与整体性强的特点二、焊接结构制造工艺的特点546 焊接结构抗开裂做能与止裂性能的评定方法一、脆性断裂的产生(引发)、扩展和停止二、焊接结构的两种设计原则三、焊接接头抗开裂性能试验四、止裂试验S47 预防焊接结构脆性断裂的措施一、正确选用材料二、采用合理的焊接结构设计三、用断裂力学方法评定结构安全性第五章 焊接接头和结构构疲劳强度B51 研究本问题的意义552 疲劳断裂的过程和断口特征553 在焊接结构中疲劳限的常用表示法一、 基本概念置、疲劳强度的常用表示法S 54 焊
4、接接头的疲劳强度计算555 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用一、裂纹的 V 临界 6”展二、疲劳裂纹扩展特性 d edyAx曲线的一般义系三、疲劳裂纹扩展寿命的估算55 书 影响焊接接头疲劳强度的因素一、压力集中的影响三、近绽 K 金属性能变化的彤响三、残余应力的影响M、缺陷阴影响5 卜 7 提高好接接头疲劳强度的措施一、防低应力纪甲二、N 整残余应力场三、改善材料的机械性能回、特殊保护措施6 六章 机器焊接结构661 焊接结构的合理性分析一、从结构张度万面分折结构的合理性三、焊接结构的制造工艺性及经济性562 焊接机器一机身的一般要求二、切削机床的焊接机身三、锻压设备焊接机身N、柴油机机身
5、五、减速器相体563 焊接容器一、曲壁容器二、厚壁容器三、多层容器D、球形容器564 焊接旋转体一、齿轮、反常轮和飞轮二、水轮机工作轮：汽轮机转子四、水轮发屯机转子支架五、鼓简565 薄板结构一、薄板结构的局部稳定性二、薄板结构的工艺性三、薄板结构实例566 电渣焊结构一、电掩焊接头形式二、电渣焊结构的合理性分析三、电渣好机器部件实例第一章 绪 论焊接技术在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。在短短的几十年中焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆，压力容器中几乎全部取代了铆接。不仅如此，在机器制造业中，不少过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯改成焊接结构，
6、大大简化了生产工艺，降低了成本。在这方而，我国在解放后的三十多年中取得了很大的进展。早在五十年代末和六十年代初，我国就设计制造出焊接的 72500 千瓦水轮机工作轮，i2000 吨水压机(见图 11)。六十年代中和七十年代初，又分别用小锻件和小铸件拼焊了 125000 千瓦汽轮机转子和重达 120 吨的大型水轮机工作轮(图 l2)。许多尖端技术如宇航、核动力等如果不采用焊接结构，实际上是不能实现的，图 13 为反应堆压力容器焊接结构。焊接在整个工业中的地位还可以从这样一个事实来判断，即世界主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的 45左右。焊接结构之所以有如此迅速发展是因为它具有一系列优点。
7、与铆接结构相比它可以节省大量金属材料。例如起重机采用焊接结构，其重量往往可以减轻 1520，建筑钢结构般可减轻 l0 一20。其原因在于焊接结构不必打铆钉孔，材料截面得到充分利用；此外，它也不需要象角钢那样的辅助材料(图 14)；而且，焊缝金属的重量一般比铆钉轻。其次，焊接结构生产不需打孔，划线的工作量也比较少，因此比较省工。焊接设备一般亦比铆接生产所需的大型设备如多头钻床等的投资低。最后，焊接结构具有比铆接结构好得多的密封性。这是压力容器特别是高温高压容器不可缺少的条件。与铸件相比焊接结构生产不需要制作木模和砂型也不需要专门熔炼、浇铸，工序简单，生产周期短。这一点对于单件和小批量生产特别明显
8、。其次，焊接结构比铸件节省材料。一般情况下它比铸钢轻20 一 30以上，比铸铁件轻 50 一 60。这主要是因为焊接结构的截面可以按设计的需要来选取，不必象铸件那样因工艺的限制而加大尺寸，也没有必要采用过多的筋板和过大的园角。焊接车间所用的设备和厂房投资一般都比生产同样重量毛坯的铸造车间低。最后，采用轧制材料的焊接结构的材质一般比铸件好。即使不用轧材，用小铸件拼焊成大件，小铸件的质量也比大铸件容易保证。与锻件相比情况大致相仿。下面举几个实例来说明采用焊接结构以小拼大的经济效果。12， 。oo 吨水压机的下横粱采用焊接结构净重 260吨，而采用铸钢件则重达 470 吨，重量减轻将近 45。又例如
9、，大型水轮机空心主轴，净重达 473 吨(图 l5)可以用三个方案来制造：1.全锻，2.由两个铸钢法兰与锻造轴简拼焊；3.轴筒由厚板弯成两个半筒，焊成一个整简，然后与铸钢法兰拼焊。三个方案无论从材料消耗到大型机床的加工工时都有相当大的差别(见表 11)。整锻方案首先需要大钢锭。钢锭大所需浇冒口也大，因此消耗钢材最多。同时因为毛坯不易保证尺寸精确度，故加工裕量最大，占用大型机床的时间亦最长。而采用厚钢板筒身和铸造法兰拼焊最为经济。在一般情况下，成批生产采用铸造的成本较低，比采用焊接结构经济。但这也不是绝对的。例如暖气片用薄板冲压成形再用接触焊焊接，不但生产率高，而且可以减轻重量三分之二。如果板材
10、供应充足，比铸造合算(图 16)。压型焊接结构在成批生产中取代铸件很有发展前途。焊接结构还有一些用别的工艺方法难以达到的优点。例如，焊接结构可以在同一个零件上，根据不同要求采用不同的材料或分段制造来简化工艺。举两个实例来说明：大型齿轮的轮缘可用高强度的耐磨优质合金钢，而其它部分则可用一般钢材来制造。这样既提高了齿轮的使用性能，又节省了优质钢材。拖拉机的半轴(图 l7)的一瑞有花健轴孔，如果采用整料就无法用拉刀加工。如果改成拼悍，可先用拉刀将花键孔加工完，然后再用摩擦焊与另一端焊成一个整体则可简化工艺提高工件质量。有些型材如果采用焊接结构比轧制经济。例如用宽扁钢与钢板焊成的大型：工字钢(高度大于
11、 70 cm)往往比轧制的成本低。又如大型锅炉的水玲壁(图 18)采用无缝钢管加焊板条的办法来制造(图 186)往往比用轧制的鳍片管(图 I8。)来制造要经济。因为鳍片管的价格比无缝钢管低很多。焊接结构有自己的特点，只有正确地认识切实地掌握它的特点，才能设计制造出性能良好经济指标高的焊接结构。历史上许多焊接结构失效的事例追其根源，多数与结构未能考虑焊接结构的特点有关。有的焊接结构照搬铆接结构的设计，结果肇成事故。至于由于因袭旧结构的形式造成浪费的例子很多，如不必要地加大焊缝尺寸，随便加焊筋板等等就更不胜举了。焊接结构的主要特点可以归纳为下列几点。一、焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大 这是
12、因为铆钉孔周围的应力集中系数变化较少。而焊接结构与铆接结构不同，焊缝除了起着类似铆钉的连接元件作用之外，还与基本金属组成一个整体，并在外力作用下与它一起变形，因此焊缝的形状和焊缝的布置就必然会影响应力的分布，使应力集中在较大的范围内变化。应力集中对结构的跪性断裂和疲劳有很大的影响。从断裂力学角度来分析，应力集中区域内的裂纹(这在焊接结构上的可能性是比较大的)的应力强度因子要比在同样的外载条件下平滑构件上尺寸相同的裂纹的应力强度因子大(图 1g)。采取合理的工艺和设计，可以控制焊接结构的应力集中及提高其强度和寿命。二、焊接结构有较大的焊接应力和变形，绝大多数焊接方法都采用局部加热，故不可避免地将
13、产生内应力和变形。焊接应力和变形不但可能引起工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承裁能力：诸如强度，刚度和受压稳定性。除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。因此，在设计和施工时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的。三、焊接结构具有较大性能不均匀性 由于焊缝金属的成分和组织与基本金属不同，以及焊接接头所经受的不同热循环和热塑性应变循环，焊接接头的不同区域具有不同的性能，形成了一个不均匀体。它的不均匀程度远远超过铸件和锻件。这种不均匀性对结构的力学行为特别是断裂行为必须予以足够的重视。四、焊接接头整体性强 这是焊接结构区别于铆接结构的一个重要特性。这个特件一方面赋予焊接结构高密封性
14、和高刚度，另一方面又带来了问题，例如止裂性能不如铆接结构好。裂纹一旦扩展就不易制止，而铆接缝往往可以起到限制扩展的作用。本课程的第二、三、四、五章将从几个方面来论述焊接结构的主要特性，阐述其规律和原理并介绍控制它们的途径。第六章介绍典型焊接结构的实例，通过这些实例使学生更好地掌捏焊接结构的特点，为正确分析焊接结构的工艺性和构造合理性，为解决有关设计和工艺问题打好基础。第二章 焊接应力与变形521 内应力及变形的一些基本概念一、内应力及其产生原因内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。这种应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。内应力按其分布范围可分为三类：第一类内应
15、力，它在较大的范围内平衡，这个范围大小可以与物体尺寸来比量，故称之为宏观内应力。第二类内应力，它的平衡范围大小可以与晶粒尺寸来比量。第三类内应力，它的平衡范围更小，其大水可与品格尺寸来比量。第类内应力研究得比较多。内应力按其产生原因可分为温度应力和残余应力等几种(一 )温度应力 (热应力)温度应力是由于构件受热不均匀引起的。举一个简单例子来说明。图2I，是一个金属框架，如果只让框架的中心杆件受热，而两侧杆件的温度保持不变，则前者由于温度上升而伸长，但是这种伸长的趋势受到两侧杆件的阻碍，不能自由地进行，因此中心杆件就受到压缩，产生压应力。而两侧杆件在阻碍中心杆件膨胀伸长的同时受到中心杆件的反作用
16、而产生拉应力在框架中互相平衡，就构成了内应力。因为这是由于不均匀温度造成的，所以称之为温度应力或热应力。如果温度应力不高(低于材料的屈服极限)，在框架里不产生塑性变形，那么，当框架的温度均匀化以后，热应力亦随之消失。热应力比较广泛地出现在各种温度不均匀的工程结构中。(二 )残余应力如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服限，使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生新的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中的，故称之为残余应力。以图 2l 的金属框架为例，如果中心杆件加热产生的压应力达到材料的屈服限，杆件中将出现压缩塑性变形。当杆件温度恢复到原始状态时，若任其自由收缩
17、，那么它的长度必然要比原来的短。这个差值就是中心杆件受压缩塑性变形量。实际上框架两侧杆件阻碍着中心杆件自由收缩，使它受到拉应力。而两侧杆件本身，则由于中心杆件的反作用而产生压应力。这样，就在框架中形成了一个新的内应力体系，即残余应力。我们知道金属在相变时其比容也有所变化，也就是说其尺寸有所变化。如果温度升高，使局部金属发生相变，伴随这种相交所出现的体积变化将产生新的内应力。当温度恢复到原始状态后，如果相变的产物还保留下来，那么这个金属框架将产生相变应力。它也是残余应力的一种。二、自由变形、外观变形和内部变形物体在某些外界条件(如应力、温度等)的影响下变化都有一定的规律性。当某一金属物体的温度有
18、了改变，或发生了相交，它的尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的任何阻碍而自由地进行，这种变形称之为自由变形。以杆件为例，当温度为 T0 时，其长度为 L。 ，当温度由 T。升至 T1 时，如不受阻碍，其长度将由。增长至正 l，这段长度的改变就是自由变形，其大小可用下列公式来表示：式中 。金属的热膨胀系数，它的数值随材料而异，在不同温度箔况下其数值也有一定程度的变化。而自由变形率即单位长度上的自由变形量，用 e7 来表示：当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地表现出来(见图 226)，我们把能够表现出来的这部分变形，罚；之为外观变形，用 All 表
19、示。其而未表现出来的那部分变形，我们称之为内部变形。它们的数值是自由变形和外观变形之差，因为是受压故为负值，可用下列公式表示：同样内部变形率用下式来表公应力和应变之间的关系可以从材料试验的应力一应变图中得如。以低碳钢为例，当应变在弹性范围以内时，应力与应变是直线关系，可以用虎克定律来表示：对于低碳钢一类材料，应力一应变曲线可以简化为图 23 线，即当试伟中的应力达到材料的屈服限吨后不再升高。当金属杆件在加热过程中受到阻碍，其长度不能自由增长，则在杆件中特产生内部变形，如果内部变形军的绝对创、于金属屈服时的变形串，说明杆件中受到小于的应力。当杆件温度从 7l 恢复到 7。时，如果允许杆件自由收纸
20、则秆件将恢复到原来长度l。 ，杆件中也不存在应力。假如位杆件温度升得较高，达到，使杆件中的内部变形串大于金属屈服时助变形串，即。在这种情况下，杆件中不但产生达到屈服极限的应力，问时还产生压缩塑性变形，其数值为在杆件温度由恢复到的过程中，若允许其自由收缩，最后秆件比原来长度缩短，秆件中也不存在内应力。三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力前面分析的是一根金属杆件在均匀加热过程中，受到约束而发生应力和变形的情况。现在再来分析一个金属长板条受不均匀温度场作用时，其变形和应力的情况。我们分析一个长度比宽度大得多的板免这样除了两个端部以外，可根据“材料力学”中朋平面假设原理即当构件受纵向力或弯矩作用
21、 gb变形时，在构件中的乎截面始终保持是平面)来进行分析。(一 )在长板条中心加热图 24 所示厚度为 6 的长板条，在其中间沿长度上用电阻丝进行间接加热，则在板条横截面上将出现一个中间高两边低的不均匀温度场，而沿板条长度方向的温度分布可视为均匀的。关于这个板条的变形和应力的情况，我们可以从板条中切出一单位长度的小段来进行分析。假设这个金后板条是由若干互不相连的小窄条组成，则每极小窄条都可以按着自己被加热到的温度自由变形，其结果使单位长度板条淄面出现图25d 所示的曲面，c rey。实际上，组成板条的小窄条之间是互相牵连和约束的整体，截面必须保持平面。内 1：温度场杯板条上的分布是对称的，故端
22、面只作平移。移动距离为 f。曲线 5r 与 q 之间的差距为应变。行线以上的为负恢，产生庆应力。平行线以下的为正慎，产生拉应力。在这种情况下，板条中间受压两例即。这三个区域的应力相互平衡，即平行线以上的面积和平行线以下的面积相等，见图 256。如果己知温度分布是：朗函数7(z)，则应力的平衡条件可以用放学因为温度场对称于中心软，故hG。nst，截面只作平移，外观应变 e 可以从方程式(22)求出。代入(21)则可求出各点的内应力值。由上述可知，加在板条上的不均匀温度场，将使板条产生内应力和变派如果卜述温度场在金属板条中所引起的内应力。小于金属的屈服极限。，当加热电源断开以后，板条逐渐冷却，恢复
23、到原来购温度，此时板条亦将恢复到原来长度，应力和变形均将消失。如果加在板条上的不均匀温度场使板条中心部分受热较高，则在板条中心“G”区内产生较大的内部变形，使“c”区中的内部变形牢大于金属屈服限时的变形率 c。这种情况讨在图 25c 中看出。则在 “c”区中将产生塑性变形。塑性变形区的宽度 c 的大小和塑性交形的分布可按公式(22)相加倍正来求得。内应力在。此时我们把加热电源开，让板条渐渐冲却。由于在板条“c”区巾产生压缩塑性交形，当板条温度恢复到原始温度后，应力和变形就不能象上述情况那样消失。如果允许其自由收缩，枝条“c”区的长度将比原来短，其缩短量等子温度场存在时所产生的压缩塑性变形量。此
24、时板条端面就成了一个中心凹的曲面。实际上板条是一个整体，区的收缩受到两侧金属的限制，截面保持为平画，因此出现了新的变形和应力。板条中心部分受拉两侧受压，这个新的平衡应力系统就是残余应力。为残余外观应变量。残余应力和变形也可用数学方程式来表达。乎衡条件：由于 ff 的分布对称于中心轴，故截面同样只作平移，c5c。nsl。可从(2d)和 (23)式中求出残余应变和应力。 根据上述两种情况分析，可以归纳如下：在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心受压，两边受技。同时平板端面向外平移(伸长)。如果此时不产生塑性变形，即当温度恢复到原始状态后，内应力稍失，乎板端面亦恢复到原来的位置。如果此时产生
25、理性变形，即 12Lq，当温度恢复到原始状态时，还会出现由于不均匀塑性变形引起的残余应力，其将号与温度应力大致相反，同时板条端面向内平移(缩短) ，即为残余变形。(二 )非对称加热 (一侧加热)在图 26 所示长板条一例用电阻丝间接加热，则在长板条中产生对断面中心不对称的不均匀温度场，它格使板条产生变形和应力。它们也应符合内应力平衡和平面假设原则，此板条端面亦有一个位移。位移的大小受内应力必须平衡这一条件所制约，因而不是任意的。因 266、c 所示情况，它们只能产生两个符号相反，而不作用在同一直线上的力，这样就构成了不平衡力矩，因此是不可能的。图 26J 所示情况，形成了三个正负相间的应力区，
26、只有在这种条件下内应力才可能平衡。在这种情况下，极条的外观变形不仪有端面平移，还有角位移。板条沿长度上就出现了弯曲变形(图 26)。如果已知温度按 y(x)分布，则板条的应力与变形可用数学方式来表达。内应力的平街条件为：将(2 7)式代入 (25)，(26)解联立方程即可求出 e， 。 ，c，p，进一步求出内应力的分从图 26 中不难看出板条的平均伸长率为：如果在加热时板系中的内部变形串小于金屑屈服限时的变形串 e。则当温度恢复到原始温度时，板条中不存在残余应力，也不出现残余变形。如果在加热时，板条中的内部变形串 e 大于金属屈服时的变形率： ，则板条中将出现压缩塑性变形。冷却时，板条恢复到原
27、始温度，其中将出现成余应力。板条也产生残余弯曲变形和收缩变形，但方向与加热时相反(见图 27)。变形位置则由平衡条件来决定。四、焊接引起的内应力及变形(一)焊接应力与变形的特殊性焊接应力和变形与上述不均匀温度场引起的应力和变形的基本规律是一致的，但是前者更为复杂。其复杂性首先表现在焊接时的温度变化范围比前面分析的情况要大得多，在焊缠上最高温度可高达材料的沸腾点，而离开热源温度急剧下降宣至室温。金属在高温下性能随温度发生变化，迅速厂降。为了分析方便通常用一条水平线和一条斜线(图上的虚线)组成的折线来简化。假设在 500Ic 以下。 为一常量，而 5000c 至 6000c 久宜线下降到零。而钦合
28、金的。 则用一条斜线来简化。图中铝合金的。 曲线末作简化。这些变化必然会影响到整个焊接过程中的应力分布，使问题复杂化。下面将举低碳钢作为例子进行分抓设有一低碳钢乎板条，沿中心线进行焊接。在焊接过程中出现一个温度场。在接近热源处取一横截面。该裁面上的温度如图 29 所示。按照长板条中心加热时的应力和变形分折的基本方法，可找出该截面附近金属单元体的自由变形 G7 和外观变形 f。 。假设港面从 JJ平移到 JlJ2，则 dJ：即为 q。在 DD区域内，金属的温度超过 6000c， 。 ，可视为零，不产生应力。因此这个区域不参加内应力的乎衔。Dc 和 oc区域，温度从 6000c 阵至 500Y，屈
29、服极限迅速从零上升到室温时的数值。因此在这两个区域里内应力的大小是随久的增加而增加的。在c6 和 G5区域内 le一 f7、 ，故内应力为室温时的。 ，保持不变。J5 和Jj“区域中金属完全处于弹性状态，内应力正比于内部破变值。焊接时的温度变化范围大的另一个影响是可能出现相变。桶变结果将引起许多物理和力学参量的变化。这是前面分析中一直未考虑的。焊接应力变形的复杂性还表现在它的温度场分布上。图 210 为德板在焊接时的一个典型温度场。图“是一个立体图， 用运直于乎板面的坐标表示温度；图 5 为距焊缝中心不同距离的温度公布。从图 210 中可以清楚地看出，由于焊接热源并不是沿焊缝全长同时加热，它的
30、温度场与图 25 中所采取的沿长度同时加热的模型有较大的差别。因此，平面假设的准确性就受到影响。但是，在焊接速度较快，材料导热性较差的情况下(如低碳钢、合金结构纲等)，在焊接温度场的后部，还有一个相当长的区域纵向的温度梯度较小，仍可用平面假设来作近似的分析。(二)受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程前面在讨论不均匀温度场引起的内应力时，只考虑了加热时的极限温度场和冷却后达到的原始温度场两个状态，并没有分析从前一状态到后一状态的过渡过程。事实上，一种状态是逐步过渡到另一种状态的，中间过程被省略掉了。为了深入分析焊接应力与变形的复杂变化过程，这里将对这个过程加以探讨和研究。取一单位长度的低碳顿
31、棒，其两端被固定不能仲缩，将该棒均匀加热，然后冷却。为了便于分机把加热和冷却过程中的温度都看成是时间的线性函数。下面分三种俏况进行分抓115I L捧中的应力。2(qs?)，图 211 中水平坐标代表时间(f)，垂直坐标代表温度(y)。和 e在绝对拘束的情况下与水平轴重合。 随着 图 z41 受拘束低联钢挥在加热和冷却时间的推玖在 oft 间，温度上升， 压缩内部、过程中的应力与变倒 eIe 变形不断增加，压应力不 t9f 上升。秽 lf2间，温度降低，压缩内部变形不断减少，压应力不断下降。到 f：时应力恢复为零。211L，7 ，：500、图 212 中，在。一 f，间压缩内部变形不断增加，压应
32、力不断上升，到f：时 12I，应力达到屈服极限。对于低碳钢来说其弹性模量E2M10。k8fcm z，线膨胀系数。开始出现压缩理性变形 cf，随着温度的升高，压应力不变，但压缩塑性变形不断上升。到 f2 时温度到达最高低压缩塑性变形最大。从 f8 开始温度下降。由于捧中已产生了 eP 2 的压缩塑性变形，因此在冷却时它的端面并不 U2点作为起点，而是以 2 点为起点来收缩。从f 2 一 fI 间压应力不断降低，又因棒的两端固定不能自由收纸故从 ：开始出现拉应力。在时温度阵列原始状态，残余应力的大小取决于加热时的最高温度 y。 ：。对于低碳钢当 2000c 即可达到。37m ，6000c团 313
33、 在。问压缩内部变形增加，压应力上升，到 f，时压应力到达?”出现压缩塑性变形。在 f，一 fI 问压缩塑性变形不断增加，应力保持不变，到入时温度达到 500，低碳钢的屈服极限开始迅速下降。在 12 一 fo 间压应力降低。到七时温度达到 600，此时屈服极限可视为零，压应力消失，内部变形全部为压缩塑性交形JlJ4 间压缩塑性交形继续增加，到 f，时达到最高温度 Y。 。：。由于此时已产生压缩塑性交形 ep，在冷却时穆的端面格不以 4为起点而以 4 为起点收缩。但收缩时又受到约柬故产生拉伸塑性变形。在 f4 一 fl 间虽然樟的长度与原始状态相比承受了压缩塑性变形，但压缩量随着温度的下降不 2
34、9t 减少，因此这个阶段实际上是塑性拉伸过程到 fI时温度又回到 600。c ，材料的屈服极限从军开始上升，棒的端面以 5 点为起点收缩，因受到阻力而产生拉应力。llf e 间拉应力不断增加，到 f。时拉应力又到达。 。 。对于低碳钢 f。的温度为 5006c，这是因为温度从 6000c 降到500。c 所产生的内部变形正好相当于， 。从 f e 起c。 ，出现拉伸塑性交形。dI f，间捡应力为， 保持不变，拉伸塑性变形不断增加，直至 J，温度恢复到原始状态。实际上棒所受到的拘束不是绝对的，在加热冷却过程中外观变形并不等于军， 、偏离水平轴。在以上的分析中，没有考虑相变所引起的体积变化。这个问
35、题将在下一节中讨论。 (三)焊接应力变形的演变过程在分析研究焊接残余应力和变形时，取金属处于塑性状态的区域最宽的横截面( 对低碳钢来说，亦即 600等温线最宽处的横截面)作为起点，来逐步求得各区域的压缩塑性变形，最后求出焊件冷却后的残余应力和残余变形。图 214 为一低碳钢长板条沿中心线焊接一条纵向焊缝时，在横截面上纵向应力的演变过程示意图。图中截面 I 取于塑性温度区最宽处。该截面到热源的距离是 p J：(。一焊接连度，j，一时间)。截面到热源的眨离各为。铁面D离热源其远，温度恢复到原始状态。这些截面上的温度和应力不仅代表不同空间位置的各截面的温度和应力，而且由于焊接温度场是一个以热源为中心的等速移动温度场， 它们也代表同一截面在焊接热源经过时间z：、f ：、入 f后备瞬间的温度和应力。连续分析这些截面的温度和应力就可以研究焊接应力与变形的演变过程。截面取得越密超多就越能反映实际过程。下面将对以上几个截面分别加以分析。截面 I 的内应力分布与图 2g 相似。在焊缝及其两侧产生压缩塑性变形。经过一段时间(f：一 fI)后，温度演变到截面 E 的分布状态。此队因为在 Jl 时已存在压缩塑性变形，故在分析f：瞬间的内应力时，不能将 eey 曲线直接用在截面 B 上作为自由变形曲线，而必须把已产生的压缩塑性变形虽从中扣阮作出真正的自由变形分布曲
