1、第一章 焊接应力与变形 第一节 内应力与变形的基本概念 第二节 焊接残余应力 第三节 焊接残余变形 第一章 焊接应力与变形 第一节 内应力与变形的基本概念 一、内应力及产生原因 （一）应力 物体所受的力分为外力和内力，内力是平衡于物体内部的 作用力。而物体单位截面上所受的内力称为应力。根据引起内 力的原因不同，应力分为工作应力和内应力。 1、工作应力 物体由于受到外力的作用而在其内部单位截面上出现的内 力称为工作应力。 2、内应力 下一页 返回 第一章 焊接应力与变形 物体在没有受到外力作用的情况下而平衡于内部的应力称 为内应力。 内应力按其分布范围可分为宏观内应力和微观内应力。内 应力按其产
2、生的原因不同又可分为热应力、相变应力和残余应 力等几种。 （二）变形 物体在某些外界条件（外力或温度等因素）的作用下，其 内部原子的相对位置发生改变，宏观表现为形状和尺寸的变 化，这种变化称为物体的变形。 按物体变形的性质可分为弹性变形和塑性变形；按变形的 拘束条件分为自由变形和非自由变形。 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 1、弹性变形与塑性变形 物体在外力或其它因素作用下发生变形，当外力或其它因 素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为 弹性变形。当外力或其它因素去除后变形仍然存在，物体不能 恢复原状的这种变形称为塑性变形。 2、自由变形与非自由变形 物体的变形不受外界
3、任何阻碍自由地进行，这种变形称为 自由变形。焊接变形是由焊接而引起焊件的尺寸改变。 二、研究焊接应力与变形的若干假定 1、平截面假定 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 2、金属性能不变的假定 3、金属屈服点的假定 4、应力应变关系的假设 三、焊接应力与变形的产生原因 （一）均匀加热时引起应力与变形的原因 1、不受约束杆件在均匀加热时的应力与变形 2、受约束杆件在均匀加热时的应力与变形 （二）不均匀加热时引起的应力与变形 1、长板条中心加热引起的应力与变形 2、长板条一侧加热引起的应力与变形 （三）焊接应力与变形的产生 上一页 返回 第一章 焊接应力与变形 第二节 焊接残余应力 一、焊接残
4、余应力的分布 在厚度不大 ( 15 20mm)的常规焊接结构中 ,残余应力基 本上是双轴的，厚度方向上的应力很小。只有在大厚度的焊接 结构中，厚度方向的应力才比较大。为了便于分析，把焊缝方 向的应力称为纵向应力用 x表示。垂直于焊缝方向的应力称为 横向应力，用 y来表示。厚度方向的应力，用 z来表示。 1、纵向应力 x 在低碳钢结构中，焊缝及其附近区域中的纵向应力是拉应 力，数值一般达到材料的屈服极限。随着截面离开端面的距离 下一页 返回 第一章 焊接应力与变形 增加， x逐渐趋近于 s值，在板条的端部存在一个内应力的 过度区，在此区域中， x比较低，越接近端面 x越低，到端 面处 x=0。在
5、板条的中段有一个内应力的稳定区。但当板条比 较短时，就不存在稳定区，焊缝的纵向应力 x小于 s。板条 越短， x就越低。 应力的大小，取决于圆筒的半径、壁厚以及塑性变形区的 宽度。后者与焊接线能量和材质有关。当壁厚不变， x随着半 径的减小而降低，随着宽度的减小而增加。 2、横向应力 y 它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近的 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 塑性变形区的纵向收缩所引起的，用 y 来表示；另一个是由 焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的，用 y 来表示。 1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力 y 对长焊缝来说中心部分的拉应力将有所
6、降低，逐渐趋近于零。 2）横向收缩所引起的横向应力 y 结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。 二、焊接残余应力对焊接结构的影响 1、对结构强度的影响 由于材料不能进行塑性变形，即材料处于脆性状态，随着 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 外力的增加，在构件上不可能产生均匀的应力，应力峰值不断 增加，一直到达材料的强度极限 b，发生局部破坏最后导致整 个构件断裂。可见焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大 的影响。 2、对构件加工尺寸精度的影响 3、对梁柱结构稳定性的影响 三、减小焊接残余应力的措施 1、设计措施 1）在保证结构强度的前提下尽量减小焊缝数量与截面尺寸。 2）将焊缝尽量布
7、置在最大工作应力区外，防止残余应力与外加 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 载荷产生的应力相叠加，影响结构的承载能力。 3）尽量防止焊缝密集、交叉。 4）采用局部降低刚度的方法，使焊缝能比较自由的收缩。 5）采用合理的接头形式，尽量避免采用应力集中较严重的接 头，如搭接接头。 2、工艺措施 1）合理的选择装配顺序 2）缩小焊接区与结构整体之间的温差 3）降低接头局部的拘束度 焊接封闭焊缝时，由于周围板的拘束度较大，拘束应力与 残余应力叠加而使局部区域形成高应力区，因而易产生裂纹。 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 4）锤击焊缝 锤击焊缝可以使焊缝得到延展，从而降低峰值拉应力。锤 击
8、可以在 500 以上的热态下进行，也可以在 300 以下的冷态 下进行，应保持均匀、适度，避免锤击过分而产生裂纹。 四、消除焊接残余应力的方法 1、热处理法减小温度差 1）整体高温回火 2）局部高温回火 2、机械拉伸法，机械拉伸法又叫过载法。 3、温差拉伸法 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 温差拉伸法又叫低温消除应力法。基本原理与机械拉伸法 相同，都是利用拉伸来抵消焊接时产生的压缩塑性变形。不同 的是机械拉伸法利用外力来进行拉伸，而温差拉伸法是利用局 部加热的温差来拉伸焊缝区。 4、振动法 这种方法优点是设备简单廉价，处理成本低，时间比较 短，不存在高温回火时金属氧化问题。 五、焊接残
9、余应力的测定 1、机械方法 机械方法是利用机械加工把试件切开或切去一部分，测定 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 由此释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力，所以又称 为应力释放法。 1）裁条法 2）套孔法 套孔法是用套料钻加工环形孔使残余应力得到释放的方法。 3）小孔法 在残余应力场中钻孔，部分应力则被释放，孔周围的应力 将重新分布，达到平衡状态，如果测出孔周围区域钻孔前后应 变的变化，根据弹性力学公式，则可以算出该处原来的应力分 布。 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 4）盲孔法 盲孔法与小孔法测残余应力的原理相同，但这种方法对结 构只有很轻微的破坏，对于一般构件，盲孔不需修
10、补，对结构 的使用性能几乎没有影响。 盲孔法所需仪器设备较简单，除钻孔设备外只需配备应变 仪即可进行现场测量。 5）逐层铣削法 逐层铣削法是一种完全破坏的方法。 2、物理方法 1） X光衍射法 X光衍射法的基本原理是党内应力存在时，晶体 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 的晶格就会变形，在 X射线的照射下，表面有规律排列的晶面反 射 X射线。如果以下满足条件： 2dsin =n 式中， d 晶面间的距离； X射线的波长。 2）超声波法 超声波法是根据金属的密度在应力作用下发生微小变化， 而使得超声波在穿越时其速度或衰减程度发生变化的原理来测 量残余应力的。 3）磁性法 磁性法是一种非破坏
11、性测试方法。 上一页 返回 第一章 焊接应力与变形 第三节 焊接残余变形 一、焊接残余变形的分类及其影响 （一）焊接残余变形的分类 1、总体变形 总体变形是指整个结构形状发生的变化，通常包括： 1）纵向收缩变形 构件沿焊缝方向上发生的变形，如 图 1-26a所示。 2）横向收缩变形 构件沿焊缝垂直方向上发生的变形，如 图 1-26b所示。 3）弯曲变形 下一页 返回 图 1-26 总体变形 a.纵向收缩变形； b.横向收缩变形 返回 第一章 焊接应力与变形 构件焊后整体发生的弯曲变形，如 图 1-26c所示。 4）扭曲变形 构件焊后发生的螺旋形变形，如 图 1-26d所示。 2、局部变形 1）
12、角变形 温度沿板厚方向分布不均或熔化金属沿板厚方向收缩不 同，以及两者同时存在，使板件以焊缝为轴心转动而发生的变 形。 2）波浪变形 在薄板结构中压应力使其失稳而引起的变形。 （二）焊接残余变形对焊接结构的影响 上一页 下一页 图 1-26 总体变形、 1-27 局部变形 a.弯曲变形 b.扭曲变形 返回 第一章 焊接应力与变形 二、各种焊接残余变形的产生及变形值的估算 （一）收缩变形 焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。它分为纵向收缩变 形和横向收缩变形所示。 1、纵向收缩变形 纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩 短，如 图 1-28所示。 2、横向收缩变形 横向收缩变形是指沿垂直于焊缝轴线
13、方向尺寸的缩短。构 件焊接时，不仅产生纵向收缩变形，同时也产生横向收缩变 形。横向收缩变形量主要与焊接线能量和板厚有关。一般来 上一页 下一页 图 1-28 焊接塑性变形的分布 图 1-28 焊接塑性变形的分布 返回 第一章 焊接应力与变形 说，焊接线能量越大，横向收缩量越大；板厚增加，横向收缩 量减小。 （二）角变形 1、平板堆焊的角变形 2、对接接头的角变形 对接接头角变形主要与坡口形式、坡口尺寸、焊接层数、 焊接顺序等有关。 3、角焊缝产生的角变形 角变形可以通过反变形来预防，也可以用刚性固定法来限 制角变形。 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 （三）波浪变形 波浪变形是一种失稳变
14、形，一般产生于工字梁上筋板焊缝 横向收缩引起的弯曲变形和薄板结构中。在薄板焊接时，如果 板中远离焊缝区的压缩残余应力超过了失稳的临界应力值，薄 板就会出现波浪变形。这一方面会影响产品的外观，另外还会 降低构件的承载能力。 防止波浪变形可从两方面着手：一方面因焊接残余压应力 是产生波浪变形的外因，因此凡能降低焊接残余压应力的措施 都可以起到减小波浪变形的作用；另外通过提高板的刚度或增 大扳的拘束度均可以减小或防止波浪变形。 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 （四）扭曲变形（螺旋形变形） 产生扭曲变形的原因主要是焊缝的角变形沿焊缝长度方向 分布不均匀。 以上 5种变形是焊接变形的基本形式，其
15、中收缩变形在焊接 过程中最容易出现。 三、预防和消除焊接残余变形的措施 （一）预防焊接残余变形的措施 1、设计措施 1）尽量选用对称的构件截面和焊缝位置 2）合理选择焊缝长度和焊缝数量 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 3）尽量减小焊缝的截面尺寸 2、工艺措施 1）留余量法 2）反变形法 在焊接梁、柱等细长构件时，如果焊缝不对称，焊后构件 往往发生较大的残余变形。预防这种变形，可采用以下措施： 焊件固定在刚性平台上。 将焊件组合成刚性更大或对称的结构。 合理地选择焊接方法和规范。 3）合理选择装配焊接顺序 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 4）热平衡法 5）散热法 散热法即是通过不
16、同的方式迅速带走焊缝结构的弯曲变形 及其附近的热量，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接 变形的目的。 四、矫正焊接残余变形的方法 1、机械矫正法 机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸使恢 复到所要求的形状。 上一页 下一页 第一章 焊接应力与变形 2、火焰加热矫正法 火焰成形基本上采用线状加热，按照工艺方法的不同可分 为三种： 1）不用水冷的火焰加热法，简称空冷。 2）采用正面跟踪水冷的火焰加热法，简称正冷。 3）采用背面跟踪水冷的火焰加热法，简称背冷。 三种线状加热方法具有不同的特点。其中角变形效果以背 冷最大，空冷次之，正冷最小；横向收缩效果以背冷最大，正 冷次之，空冷最小。 上一页 返回
