1、焊接应力与变形1. 关于应力变形的一些基本概念两物体或一物体的两部分相互作用时，物体内有相互作用力，力除以横截面积，即单位面积的力称为应力 ，显然，同一受力物体，截面积不同的地方，其应力大小不同。受力物体会发生变形，但的体积基本不变，单位长变形为应变 。应力 s 时，变形或应变 是弹性的，= E，称为弹性模量 ，= E；应力 达到或超过 s 时，会发生塑性变形或塑性应变 p，总的内应变 N =s p 。2. 焊接应力及变形的基本原理与研究方法：火焰成形、火焰矫形与焊接应力变形的原理基本相通，其中火焰成形的情况最简单，火焰矫形次之，焊接时加热温度更高，还有填充金属，焊接应力变形的情况更复杂一些。
2、如果利用人们已经知道的常识，忽略一些影响相对较小，比较微观的变化因素，只对成形、矫形、应力变形，做简单的事实求是的定性分析，问题就简单多了。我们先分析平板火焰成形情况。火焰成形是利用高温火焰，对较大较薄平板（如图 1 a） ）中的一点进行快速加热。如放大图 1 b）c ）所示，我们把受热点简化为一个 的单元立方体。lV单元体受热要膨胀，它的长、宽 增加 ,厚度 增加 1,其中： ;lllT1 ，体积要增大 。即线膨胀量 与其线长度和温差 成正比，TVl比例系数 称为线膨胀系数。厚度 增量 1 也可同样计算。但受 b)a)a)1 2 3 c)l l 图 1 平板火焰“点加热”应力变形分析热单元体
3、四周受到冷金属的重重拘束包围无法自由膨胀。固体在受力时，会发生变形：受拉伸会伸长变细，受压缩会缩短墩粗，固体的体积基本不变，不会因为受力而增大或减小。从受热单元体分离出一个金属纤维 abcdefgh，其长宽方向的受热膨胀趋势 ，因为受到相邻冷金属的阻碍顶压无法增长，变成内部压缩弹T性变形 ，顶压应力为： ，就像金属棒在长度方向受到顶 TE压会被墩粗一样，受热单元体在长度方向的金属纤维 abcdefgh 会被墩粗，宽度方向也一样。长、宽方向的受顶压力各自引起的增厚： T32因为受热单元体的厚度方向，是自由表面，没有阻碍。因此，它的体积增大，主要表现为厚度方向的增加（包括厚度方向的 温升膨胀 1
4、和长宽方向因膨胀受阻而造成的 挤压增厚 2、 3 两个部分） 。当单元体受热不多，温升不大时，其应力变形都是弹性的。热源撤走降温后，温升变形和弹性应力变形自然会消失，一切又恢复原始状态。单元体受顶压的压缩应力变形是其受热升温造成的。知道受热体材料的线膨胀系数 、弹性模量 E、温升 T，就能根据对金属纤维 abcdefgh 的受力分析可知内应力 算出 。也能算出内应力达到T s 时所需要的加热温度 Ts。计算结果表明，这个温度并不高，常见的钢、铝材料只需一百度左右的局部温升，其挤压应力就达到材料的屈服极限了。超过这个温度，金属纤维 abcdefg 就会有原子移位，产生位错，发生滑移塑性流变，产生
5、塑性变形。这正是受热区金属会增厚的原因。金属的弹性极限和屈服极限与温度有关。碳钢被加热到 600700以后，其弹性极限和屈服极限几乎下降为零，如图 2 所示。这时的温度称为力学熔化温度或力学熔点。超过力学熔点，在外力作用下引起的变形几乎全部成为塑性变形。一般情况下，火焰成形和火焰矫形的加热温度都能达到，甚至超过这个温度，重点加热区的热膨胀都变成了加热区的塑性增厚变形 ，仔细观察测量即可知道，这不仅是理性分析的结果，也是客观现实的真实写照。已经增厚的加热区，此时仍然具有较高的温度和冷却收缩能力。随后，常辅之以喷水冷却，使金属表面尽快恢复弹性，已经增厚的受热区，冷却受缩时就产生弹性收缩力，此力也会
6、拉动相邻金属产生内应力，并产生人们需要的火焰成形变形。火焰成形是采用不同的焰道轨迹形状和适宜的冷却方法（空冷、正面水冷、背面水冷） ，将原本平整的钢板，加工成船板所需要的各种形貌（单曲率面、帆形双曲率面、马鞍形双曲率面等） 。这和原本落后的地炉加热钢板，人工锤击成形的方法相比，轻松、简单、效率高，当时，这种加工工艺曾是日本的一项重大发明，大大促进了日本造船工业的发展。火焰矫形是加热焊接结构中变形凸起的地方，使之产生与焊接变形相反的变形，达到矫形的目的。生产上不少人称火焰矫形为“打鼓” ，即用焰道收缩“打消鼓起处” ，矫正焊接变形。焊接应力变形虽较复杂，也可用粗浅的知识和普通道理，简单地定性分析
7、焊接应力变形的成因和规律。焊接温度场如图 3 所示。焊接时，焊丝、焊条等填充金属在空中受热自由膨胀，并瞬间熔化，落入熔池；熔池区母材受热也瞬间熔化，很难向四周冷金属的方向膨胀，但能向熔池和图 2 低碳钢屈服极限与温度的关系焊接结构课件 - 3 -黎明 - 3 -表面方向自由膨胀；受热熔池区将热量传向四周，形成热塑性状态的热影响区，热影响区也无法向四周冷金属方向膨胀，只能向阻力很小的熔池及其表面方向膨胀。由此可见，焊缝金属及热影响区热膨胀是半自由的：其热膨胀基本上都变成了这个区域的厚度增加。这个增厚区域还具有很高的温度，有很强的冷却收缩能力。在随后冷却的初期，该区域仍处于液态或热塑性状态，其冷却
8、收缩主要表现为自身厚度减小的体积收缩。当该区域散热较快的四周和金属表面开始恢复弹性时，其冷却收缩即有弹性变形和弹性力同时产生。这个不断增大的弹性力就是冷却收缩力（注意：冷却收缩是金属降温时的主动收缩，体积要减小；而拉伸压缩是受拉压金属被拉长压短，是被动的，只会变形，但体积不会增大减小） ，除了拉动自身体积减小之外，也拉动周围相邻冷金属向它们靠拢：拉得动的部分，就表现为焊接工件的焊接变形，拉不动的部分就成了存在于焊接工件内部的弹性变形 ，它乘以弹性系数，即 ，就是弹性内应力。在冷却过程中，可见变形、 、 都在不断E变化，最终的结果就是焊接工件的变形及其焊接残余应力。也就是说，焊接应力和变形是由同
9、一个原因，同时产生的。这个原因就是焊缝及其热影响区的收缩能力。这个收缩能力来源于焊接时的不均匀加热。受热的区域相对焊接工件很小，受热区产生了不均匀的膨胀，并具有了很强的冷却收缩能力，为其后的不均匀收缩创造了条件。可以说，归纳起来，焊接应力变形只有一种，就是焊缝及其热影响区的 焊接收缩 应力变形。各种各样的焊接应力变形都是焊接收缩力在焊接工件中不同位置的特殊分布造成的。把加热区简化成长方体仅仅是为了便于数值分析推理。火焰成形、火焰矫形、焊接应力变形的加热区未必是方的圆的，但是不管它们的加热区及其热影响区是什么形状，都是在周围冷金属的重重包围之中，其加热温升膨胀体积增加，只能造成自身的增厚，不影响
10、我们定性分析得出的结论。关于变形的一些基本概念：（见下页图）1. 可见变形 e：物体虽受拘束，但实际上仍可测得出来，或看得见的变形量；e 0 表示伸长，e 0 表示伸长，f 表示伸长， T 表示拉伸，e 表示压缩；5. 内部塑性变形 p：内部变形中去掉拘束也不能恢复的部分；p = e - T - s 表示压缩塑性变形；重点始终不受拘束的自由温度变形 TT冷却收缩中的自由温度变形 T p N s s看不见的内部变形 N e T可见变形 e板条中 O 纤维 L0 1板条 A的限制板条 B的阻挡 sp e N受热后 f去掉拘束的自由变形两个测量点位置BOA纤维端点单元体受力图:纵向、横向受压；垂直板
11、面的方向受力很小,可忽略不计。焊接结构课件 - 5 -黎明 - 5 -6.内部弹性变形 ：内部变形中去掉拘束后可以恢复，能表现出来的部分； = e - T - p 表示压缩弹性变形；3 控制调整焊接应力变形综合工艺方法的典型事例：例 1 图 2-85 大型储罐的合理装配焊接顺序： 中部板焊成长条：从中心，向两侧焊； 中部板连成大板：从中心，向两侧焊； 对接壁板之下的局部底板对接焊缝； 对称焊接壁板与边板之间的环缝； 焊接边板其余的焊缝； 最后焊接中部板与边板之间的焊缝。4 铝合金等的焊接裂纹问题LY12常规焊等温线示意图LY12常规焊缝冷却收缩方向热裂纹断口表面放大图像随焊冲击碾压防裂技术的原
12、理与技巧最近的研究结果表明，随焊焊缝表面冷凝结晶方向冲击传力杆后 座 消振 弹 簧橡 皮后 座冲 击 气 缸前碾压轮碾 压轮 座焊接电弧中心位置焊接方 向焊 件后 碾压 轮碾 压 轮导 向 支架下 缸 排 气整 流 罩上 缸排 气整 流罩上 缸排 气孔扭簧压 簧冲 击 活 塞调 速 阀气 动 冲 击 碾 压 轮低 压储 气筒压 力表 3减 压阀 20 . 6 M P a0 . 2 M P a0 . 8 M P a冲击碾压气路图近 端储 气 筒压 力表 2继电器气 泵储 能 室焊接结构课件 - 7 -黎明 - 7 -冲击旋压不仅有利于消除焊接热裂纹，细化焊缝晶粒，减小、减少焊接缺陷，对降低焊接残
13、余拉应力，预防焊接冷裂纹，提高接头静载强度、疲劳强度、疲劳寿命也有明显作用。焊接结构的冷裂、脆断、疲劳等许多问题，很值得我们去认真学习和研究。焊接时，电弧对焊丝和母材表面金属极快速地加热熔化，它们的受热膨胀是自由的，临近熔池的热影响区金属受热膨胀指向熔池，基本上也是自由的。它们具有很高的温度，在它们冷却凝固收缩时，首先在在焊接熔池表面和邻近冷金属的方向冷却凝固，受热区虽然有很强的冷却收缩能力，但它们收缩不自由，又必然要收缩。能够拉动周围金属时，就表现为可见的焊接变形，拉不动的就成为自身的内部弹塑性变形及其周围金属相连动的内部弹性变形，这种弹性变形乘以弹性系数（或弹性模量）就是焊接内应力。这焊接
14、不均匀加热的必然结果。 5开 口 销 1206 1气 铲 自 带排 气 罩下 拉 弹 簧8紧 固 螺 钉7 1套套前 碾 压 轮 钢前 碾 轮 挂 架冲 击 杆冲 击 杆 弹 簧 架上 弹 簧 挂 架气 锤 下 支 座气 锤 上 支 座 钢冲 击 杆 导 套碾 轮 导 向 架冲 击 杆 轴碾 压 轮 后 座后 碾 压 轮 轴后 碾 压 轮焊 枪挂 弹 簧 螺 钉冲 击 杆 预 压 弹 簧上 提 弹 簧气 锤二 维 调 整 平 台 气 铲 4 103产 成 品试 板 工 件42098765432图 号 备 注材 料 、 规 格数 量零 件 名 称序 号 5 1共 张哈 尔 滨 工 业 大 学第 张环 缝 、 直 缝 各 一 套随 焊 冲 击 碾 压 装 置 比 例数 量黎 明方 洪 渊杨 建 国 图号设 计审 核批 准工 艺随焊冲击碾压装置的实际结构图 系
