第1章焊接应力与变形

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1、(1)2022-12-12176532894第1章 焊接结构中的应力与变形1.1 焊接应力与变形概述焊接应力与变形概述1.2 焊接残余应力焊接残余应力1.3 焊接残余变形焊接残余变形(2)2022-12-12176532894 1.1 内应力的产生内应力的产生一、内应力及其产生原因一、内应力及其产生原因(3)2022-12-12176532894 按分布范围不同分类按分布范围不同分类：第一类内应力第一类内应力：也称宏观宏观内应力，其平衡范围很大；焊接中涉及的是此类。第二类内应力第二类内应力：也称微观微观内应力，其平衡范围比前者小得多，相当于晶粒尺寸；第三类内应力第三类内应力：也称超微观超微观内

2、应力，其平衡范围更小，相当于晶格尺寸。(4)2022-12-12176532894(5)2022-12-12176532894(6)2022-12-12176532894(7)2022-12-12176532894二二 焊接应力与变形的形成过程焊接应力与变形的形成过程 变形变形：物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。分类分类：1）根据外力或其它因素去除后，是否会恢复原状分为弹性变形和塑性变形弹性变形和塑性变形 2）按拘束条件分类：自由变形和非自由变形自由变形和非自由变形(8)2022-12-12176532894一一)简单杆件的应力与变形简单杆件的应力与

3、变形自由变形自由变形外观变形外观变形(9)2022-12-12176532894(10)2022-12-12176532894(11)2022-12-12176532894(12)2022-12-12176532894二二)杆件在加热、冷却过程中的应力、应变演变杆件在加热、冷却过程中的应力、应变演变假设假设(13)2022-12-121765328943 3）4 4）焊接温度场假定）焊接温度场假定(14)2022-12-12176532894三三)长板条不均匀温度场作用下的应力与变形长板条不均匀温度场作用下的应力与变形(15)2022-12-12176532894(16)2022-12-121

4、76532894(17)2022-12-12176532894(18)2022-12-12176532894(19)2022-12-12176532894图1-3 钢板条中心加热和冷却时的应力与变形a)原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却过程(20)2022-12-12176532894(21)2022-12-12176532894(22)2022-12-12176532894(23)2022-12-12176532894(24)2022-12-12176532894图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形d)假设各板条的收缩

5、e)冷却后的变形(25)2022-12-12176532894四四)焊接引起的应力和变形焊接引起的应力和变形1产生的原因产生的原因 最主要原因：焊件受热不均匀最主要原因：焊件受热不均匀1)焊件的不均匀受热焊件的不均匀受热(1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力和变形：变形属于自由变形，杆件加热过程中不会产生内应力，冷却后无残余应力和残余变形。即(2）受约束后杆件在均匀加热时的应力和变形：属于非自由变形，即存在外观变形，也存在内部变形。a、温度较低，即T Ts（屈服点温度）时，无残余应力和残余变形(26)2022-12-12176532894b b、加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时、加热温

6、度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T T TsTs），内部变形由弹性变形和塑性变形两，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成，甚至全部由塑性变形组成部分组成，甚至全部由塑性变形组成（T T600600），冷却后存在三种情况：，冷却后存在三种情况：如果杆件能自如果杆件能自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而且是无残由收缩，那么杆件中只出现残余变形而且是无残余应力；余应力；如果杆件受绝对约束，那么杆件中没如果杆件受绝对约束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力；有残余变形而存在较大的残余应力；如果杆件如果杆件收缩不充分，那么杆件中即有残余变形又有残余收缩不充分，那么杆件中即有残余变形又有残余

7、应力。实际生产中的焊件与第三种情况类同。应力。实际生产中的焊件与第三种情况类同。(27)2022-12-12176532894(28)2022-12-12176532894 由上述讨论可知：由上述讨论可知：对构件进行不均匀加热，在加热的过程中，对构件进行不均匀加热，在加热的过程中，只要温度高于只要温度高于材料屈服点温度，构件就会产生压缩塑性变形材料屈服点温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后勤，冷却后勤工作构件必然有残余应力和残余变形。工作构件必然有残余应力和残余变形。通常，焊接过程中焊件的通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向变形方向与焊后焊件的变形方向相反。相反。加热加热时，时

8、，焊缝及附近区域焊缝及附近区域产生产生压缩塑性变形压缩塑性变形，冷却冷却时压缩时压缩塑性变形区塑性变形区要收缩。如是这种收缩能充分进行，则焊接残要收缩。如是这种收缩能充分进行，则焊接残余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，则焊接残余变形小而焊接残余应力大。则焊接残余变形小而焊接残余应力大。焊接过程和焊接结束后焊接过程和焊接结束后,焊件中的应力分布都是不均匀的焊件中的应力分布都是不均匀的.,.,焊接结束后焊接结束后,焊缝及其附近区域的残余应力都通常是拉应焊缝及其附近区域的残余应力都通常是拉应力力.(29)2022-12-1217653

9、28942）焊缝金属的收缩）焊缝金属的收缩3）金属组织的变化）金属组织的变化4）焊件的刚性和拘束）焊件的刚性和拘束 刚性是指焊件抵抗变形的能力。是焊件本身的性能，刚性是指焊件抵抗变形的能力。是焊件本身的性能，与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关。与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关。拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。是一种外拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。是一种外部条件。部条件。刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大，反之相反。接应力越大，反之相反。(30)2022-12-12176532894 2、低碳钢焊接温度场(31)20

10、22-12-12176532894 3、焊接应力与变形的演变过程、焊接应力与变形的演变过程(32)2022-12-12176532894 1.2 焊接残余应力焊接残余应力(33)2022-12-12176532894二、焊接残余应力的分布二、焊接残余应力的分布(34)2022-12-12176532894图1-5 对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况图1-6 板边堆焊时的纵向残余应力与变形图1-7 不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力 的分布a)短焊缝 b)长焊缝(35)2022-12-12176532894(36)2022-12-12176532894(37)2022-12-121765

11、32894(38)2022-12-12176532894(39)2022-12-12176532894(40)2022-12-12176532894(41)2022-12-12176532894(42)2022-12-12176532894(43)2022-12-12176532894(44)2022-12-12176532894(45)2022-12-12176532894(46)2022-12-12176532894(47)2022-12-12176532894(48)2022-12-121765328946、相变应力、相变应力产生的原因：不同的组织肯有不同的密度和不同产生的原因：不同的组

12、织肯有不同的密度和不同的晶格类型，从而具有不同的比体积。的晶格类型，从而具有不同的比体积。如果相变的温度高于金属的塑性温度如果相变的温度高于金属的塑性温度T TP P（材料屈服强度为零时的温度），则由于体积处（材料屈服强度为零时的温度），则由于体积处于完全塑性状态，比体积的变化完全转化为材料于完全塑性状态，比体积的变化完全转化为材料的塑性状态，故不会影响焊后的残余应力分布的塑性状态，故不会影响焊后的残余应力分布。(49)2022-12-12176532894 图图3-343-34钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线a)a)相变温度高于塑性温度相变温度高于塑性温度 b

13、)b)相变温度低于塑性温度相变温度低于塑性温度 图图3-34a3-34a，正反向相变温度均高于，正反向相变温度均高于600600，故其相变对低碳，故其相变对低碳钢的焊接残余应力没有影响。钢的焊接残余应力没有影响。对于碳含量或合金元素含量较高的高强钢，加热时，其相对于碳含量或合金元素含量较高的高强钢，加热时，其相变温度高于变温度高于TPTP，冷却时，冷却时A A转变温度降低，并可能转变为转变温度降低，并可能转变为M M，其，其转变温度低于转变温度低于TPTP（图（图3-34b3-34b）。这种情况下，由于）。这种情况下，由于A MA M时，时，其比体积增大，不但可抵消部分焊接时的压缩塑性变形，减

14、其比体积增大，不但可抵消部分焊接时的压缩塑性变形，减小残余拉应力，而且可能出现较大的焊接残余压应力。小残余拉应力，而且可能出现较大的焊接残余压应力。(50)2022-12-12176532894(51)2022-12-12176532894(52)2022-12-12176532894三、残余应力的影响三、残余应力的影响(53)2022-12-12176532894(54)2022-12-12176532894(55)2022-12-12176532894(56)2022-12-121765328943 对受压杆件稳定性的影响对受压杆件稳定性的影响 当外载当外载(57)2022-12-1217

15、6532894(58)2022-12-12176532894(59)2022-12-12176532894(60)2022-12-12176532894(61)2022-12-12176532894(62)2022-12-12176532894(63)2022-12-121765328945内应力对应力腐蚀开裂的影响内应力对应力腐蚀开裂的影响 一些焊接构件一些焊接构件(64)2022-12-12176532894四、焊接过程中调节内应力的措施四、焊接过程中调节内应力的措施一一)(65)2022-12-12176532894(66)2022-12-12176532894二二)(67)2022-1

16、2-12176532894(68)2022-12-12176532894(69)2022-12-12176532894三三)焊接过程中调节内应力的措施焊接过程中调节内应力的措施(70)2022-12-12176532894(71)2022-12-12176532894(72)2022-12-12176532894五、焊后消除残余应力的方法五、焊后消除残余应力的方法1、整体高温回火、整体高温回火 重要构件多采用整体加热的高温回火的方式来消除残重要构件多采用整体加热的高温回火的方式来消除残余应力。热处理的参数的选择因材料而异。如表余应力。热处理的参数的选择因材料而异。如表4-3。(73)2022-

17、12-12176532894(74)2022-12-12176532894(75)2022-12-12176532894(76)2022-12-12176532894(77)2022-12-121765328942、局部高温回火、局部高温回火 (78)2022-12-12176532894(79)2022-12-121765328943、温差拉伸法、温差拉伸法 也称低温消除应力法也称低温消除应力法 (80)2022-12-12176532894(81)2022-12-12176532894(82)2022-12-121765328944、机械拉伸法、机械拉伸法(83)2022-12-12176

18、532894(84)2022-12-121765328945、振动法、振动法(85)2022-12-121765328946、其它方法、其它方法(86)2022-12-12176532894六、六、(87)2022-12-12176532894(88)2022-12-12176532894(89)2022-12-12176532894(90)2022-12-12176532894(91)2022-12-12176532894(92)2022-12-12176532894(93)2022-12-12176532894(94)2022-12-12176532894(95)2022-12-12176532894(96)2022-12-12176532894(97)2022-12-12176532894(98)2022-12-12176532894(99)2022-12-12176532894