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焊接应力变形与接头强度2016年5月主讲：刘伟第一节焊接应力和变形的形成过程一、内应力和内部变形概述内应力是在没有外力的条件下产生并平衡于物体内部的应力。内应力在物体内部构成平衡，即内力与内力矩之和为零。内应力不同于外载条件下产生的应力。在实际的焊接过程中，一种为自由状态下的焊接；另一种为拘束条件下的焊接，即通过夹具紧固时的焊接。在这两种情况下，一般均有内应力出现。1、内应力产生原因分析如右图，若只给金属框架的中心杆件加热，两边的杆件温度保持不变，中心杆件由于温度升高而伸长，但由于其受到两边杆件的约束不能自由伸长，故中心杆件将受到压力作用而产生压应力，两边杆件将受到中心杆件的拉应力。图1内应力产生的金属框架模型2、内应力的分类根据内应力分布的尺寸范围，可分为：①、第一类内应力：即宏观内应力，与物体尺寸大小相当，分布范围较大；②、第二类内应力：即微观内应力，其范围在一个或几个晶粒的微观区域内平衡；③、第三类内应力：即超微观内应力，在金属晶格的超微观范围内平衡。根据内应力的存在方式，可分为：瞬时内应力和残余内应力。3、内部变形①、自由变形：物体在某些因素（如温度的影响等）作用下，在无任何外界阻碍而自由进行的变形。△LT=a·L0(T1-T0)单位长度上的自由变形，即自由变形率，用εT表示：εT=△LT/L0=a(T1-T0)=a△T其中，a、L0、T0、T1分别表示材料的热膨胀系数、杆件的原始长度、原始温度及加热后温度。图2自由变形②、外观变形：当物体的自由变形受到外界的阻碍时只能部分表现出来的变形部分，即△Le。单位长度上的外观变形，即为外观变形率，用εe表示：εe=△Le/L0③、内部变形：物体的自由变形受到外界的阻碍时而没有表现出来的变形部分，即△L。单位长度上的内部变形，即为内部变形率，用ε表示：ε=△L/L0图3外观变形和内部变形④、自由变形、外观变形和内部变形之间的关系一般而言，当材料拉伸时，其变形为正值；当受到压缩时，其变形量为负值。△L=-(△LT—△Le)=△Le—△LT；ε=εe—εT在弹性范围内，内应力与内部应变满足虎克定律：σ=E·ε=E·（εe—εT）图4自由变形、外观变形和内部变形的关系二、热循环中应力与应变的演变过程假设受拘束的金属杆件为低碳钢棒，其长度为单位长度，并固定在绝缘的刚性壁之间，对其进行均匀加热然后均匀冷却至原始温度，完成热循环过程。假定热循环过程中低碳钢的热膨胀系数为常数，其屈服应变在500℃以下为常数，现分析当杆件的内部应变小于屈服应变时（ε＜εs），应力和应变的演变过程。由于金属钢棒在整个热循环过程中被固定，故其外观变形量εe=0；内部变形量ε=εe—εT0—t1：随温度升高，压缩的内部变形量增加，压应力上升；t1：温度至最大值，内部变形和压应力也为最大t1—t2：温度逐渐降低，内部变形及压应力减小t2：温度降至原始值，内部变形及压应力减至零图5受拘束碳钢棒热循环过程中的应力与变形经过以上的热循环过程后，在低碳钢金属棒内没有残余应力和残余变形，应力和变形的大小随时间而变化，且变化是瞬时性的。三、焊接过程中应力和变形的形成1、焊接热过程的特点：①、加热的局部性——热源仅作用在焊件的接头部位，焊件上的温度分布很不均匀，温差很大；②、热源的移动性——焊接过程中热源沿一定方向移动，在焊件上形成一种准稳定温度场；③、加热速度和冷却速度快——可在短时间内升至很高温度并降至很低温度，如加热速度可至1500℃/s以上。由图可见，焊接过程中应力和变形的过程十分复杂，比一般的热处理过程要复杂得多。图6低碳钢力学性能与温度的关系1-弹性模量E；2-抗拉强度点σb；3-屈服点σs；4-膨胀系数α；5-伸长率δ2、焊接条件下应力和变形的分布：右为沿低碳钢板条长度方向焊一纵向焊缝，焊后由于温度升高造成的膨胀使端面从A′A平移至A1A1′，则A′A1为外观变形εe。在D′D区域内由于温度超过热塑性温度600℃，故可认为该区域内σs=0，不产生应力。图7低碳钢长板条中心焊接的温度及应力分布DC和D′C′区域的温度从600℃的热塑性温度降至500℃的屈服应变温度，屈服应变εs从零上升到室温时的数值。这两个区域内的内应力大小是随屈服应变εs的增加而增加。在CB和C′B′区域内(εe-εT)＞εs，故内应变为室温时的εs并保持不变。AB和A′B′区域内金属完全处于弹性状态，其内应力正比于内部应变值。图7低碳钢长板条中心焊接的温度及应力分布第二节焊接残余应力焊接残余应力是焊接后残留在焊接结构中的应力。薄板时视为二维分布，厚板时则为三维分布。一般而言，将平行于焊缝方向的应力称为纵向残余应力，σx；将垂直于焊缝方向的应力称为横向残余应力，σy；厚度方向的残余应力用σz表示。一、焊接残余应力的分布1、纵向残余应力σx焊缝附近的纵向残余应力σx为拉应力。离开焊缝区，拉应力迅速下降，随后出现压应力。图8垂直焊缝截面的纵向残余应力σx焊缝中纵向残余应力σx的分布并不完全相同，且与焊缝长度有关。长焊缝的中部区域σx基本保持一稳定的常数，在焊缝的两端σx逐渐降为零；随焊缝长度的缩小，焊缝中部的σx稳定区域逐渐减小直至消失；且短焊缝比长焊缝的σx应力峰值小。若长焊缝进行分段焊接，可减少焊件的σx。图9不同长度焊缝的纵向残余应力σx2、横向残余应力σy横向残余应力σy由两部分组成：焊缝及附近塑性区的纵向收缩引起的横向残余应力σy′以及焊缝及附近塑性区的横向收缩不同时引起的横向残余应力σy″。①、纵向收缩引起的横向残余应力σy′：沿焊缝方向截面上的上、下端部为压应力，中部为拉应力。图10纵向应力σx引起的横向应力σy′在与焊缝距离不同的截面上，σy′的分布不同：离焊缝越远，应力值越小；当焊缝长宽比（L/B）增加时，σy′将随之增加。但当焊缝足够长时，中部区域的σy′将逐渐减小，甚至趋于零。图11不同长度焊缝的σy′分布②、横向收缩不同时引起的横向残余应力σy″：在焊接过程中，由于焊接热源对材料的加热存在时间上的先后顺序，因此其冷却也不完全同步，这种冷却时的不同时性将引起材料的横向残余应力σy″。为分析焊接横向应力的演变过程，现将焊接过程分为三个区段：假如当电弧位于某点时，区段Ⅰ的焊缝金属在恢复弹性，区段Ⅱ的金属处于热塑性状态，区段Ⅲ的金属处于熔化状态。在焊接过程中，区段Ⅰ的金属在横向收缩时不会受到区段Ⅱ和区段Ⅲ的约束。当区段Ⅱ恢复到弹性状态并开始横向收缩时，将受到区段Ⅰ的拘束，在区段Ⅱ上端和区段Ⅰ的下端产生横向拉伸应力，在区段Ⅰ和区段Ⅱ的结合处附近产生横向压应力，此时区段Ⅲ处于热塑性状态，对区段Ⅱ的横向收缩不起作用。当区段Ⅲ过渡到弹性状态时，其横向收缩将受到区段Ⅰ和区段Ⅱ的拘束，使分布区扩展，直至焊接结束。图12焊缝横向收缩不同时性引起的横向应力σy″图13低碳钢焊接接头的应力分布σz3、厚板中的残余应力σz：当焊接构件的厚度超过25mm时，除了有纵向残余应力σx和横向残余应力σy外，在厚度方向还有残余应力σz。下图为240mm厚的碳钢焊接后焊接接头在厚度方向上的应力分布。由于焊缝正面和背面均有水冷铜块，故凝固过程中，中心部位冷却最慢，中心部位就有较高的拉应力。二、焊接残余应力对焊接结构性能的影响1、残余应力对静载强度的影响残余应力对静载强度的影响与材料的塑性有关。右图为低碳钢板材中的残余应力分布，中间为残余拉应力，两侧为压应力。在外力的作用下，构件内部的应力应是残余应力和外力共同作用的结果。图14残余应力对材料强度的影响构件在外加拉力的作用下，残余应力为拉应力的区域将与外加拉力叠加而使拉力增大，直至屈服产生塑性变形；残余应力为压应力的区域与外加拉力叠加后，压应力逐渐变小并转变为拉应力。如果材料的塑性足够好，使其全面屈服而不破坏，则残余应力的存在并不影响静载强度。如果构件是塑性较低的材料，在外加拉力的作用下，应力峰值高的部位在发生塑性变形后应力继续上升，当达到材料的最大抗拉强度后，构件就会发生破坏。此时，残余应力的存在会影响其静载强度。图15残余应力对材料强度的影响2、残余应力对机加工精度的影响在机械加工时，如果构件被切削部分的材料中有残余应力存在，机械加工后构件中残余应力的平衡状态将被破坏，残余应力将重新分布，并达到新的平衡。如，对T型焊件进行平面加工后，工件将会出现翘曲变形；若在加工过程中用夹具将其夹紧，使之不发生变形，但松开夹具后，变形就会逐渐表现出来。为此，对一些精度要求较高的构件，如精密机床、大型量具，保证加工精度最好的办法是先消除焊接应力，再进行加工。3、残余应力对结构受压稳定性的影响对于某些细长的构件（如竖立的柱），当其长细比达到一定程度时（λ＞150），外载引起的压应力与构件中的残余压应力叠加，使该区域的应力值达到屈服点以后时，可能会使构件出现失稳现象。图16工字梁焊接后受压时的应力分析4、焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响焊件在拉应力和腐蚀介质的共同作用下，易出现应力腐蚀开裂，如低碳钢在NaOH溶液中的腐蚀。应力腐蚀开裂的原因和步骤：①、在腐蚀介质中，构件表面出现的局部腐蚀将形成微小蚀坑造成应力集中，并产生微小裂纹；②、在腐蚀介质的作用下，裂纹尖端将被不断腐蚀，并在应力的作用下产生新的表面；③、新表面又将被腐蚀介质腐蚀掉，并使裂纹扩展。当裂纹扩展到临界值时，在应力的作用下裂纹将快速扩展造成脆断。应力腐蚀开裂所需的时间与应力大小有关。应力越大，发生断裂的时间越短。图17不锈钢的应力腐蚀开裂○—Cr18Ni9Ti；△—Cr25Ni20三、焊接残余应力的控制和消除措施1、焊接残余应力的控制①、采用合理的焊接顺序——先焊收缩量大和工作应力大的焊缝。图18焊接过程中焊接顺序的选择②、采用局部加热法——通过局部加热既减少温度梯度降低内应力，同时局部加热产生的膨胀使焊接区产生与焊缝收缩时相反的变形，冷却时加热区的收缩和焊缝收缩一致，通过焊缝自由收缩降低内应力。图19通过局部加热降低内应力2、焊接后消除应力的措施①、机械拉伸法——通过施加外载对焊件进行拉伸，焊件的拉应力区在外力的作用下总体拉力变大，甚至产生塑性变形；构件的压应力区将与外载的拉力相互抵消，甚至压应力完全消除。图20通过加载降低内应力②、焊后热处理——焊后热处理是将焊接构件整体或局部加热到某一温度，并保持一定时间，然后使其均匀冷却到室温，从而降低或消除应力的方法。A、局部高温回火——在焊缝周围的局部区域内进行加热。该方法可改善焊接接头的力学性能，降低应力的峰值，但不能完全消除应力。B、整体高温回火——将整个焊接构件在高温下进行回火。一般而言，回火温度越高，回火时间越长，应力消除就越彻底。图21消除应力与高温回火温度和时间的关系第三节残余应力变形焊接残余变形是焊接热循环过程中的压缩塑性变形导致构件出现缩短的现象。该过程的出现是不可逆的。一、焊接残余变形的基本形式焊接构件的收缩主要是由沿焊缝长度方向的纵向收缩和垂直于长度方向的横向收缩综合作用形成。焊接残余变形的部分实例：图22沿焊缝纵向和横向的收缩变形图23翘曲变形图25薄板焊件承受外力后的波浪变形图24焊件平面围绕焊缝产生的角变形图27焊接后发生扭曲变形图26两焊件的热膨胀不一致出现的错边二、焊接残余变形的计算1、纵向收缩变形：对于细长的钢质焊件（如梁、柱），单层焊时其纵向收缩率可用如下的经验公式进行估算：△L=k1·AH·L/A式中，A——焊缝截面积（mm2）；AH——塑性变形区面积（mm2）；L——构件长度（mm）。2、横向收缩变形：对于对接接头，其横向收缩量可用如下的经验公式进行估算：△B=0.18·AH/δ式中，△B——对接接头的横向收缩量（mm）；AH——焊缝截面积（mm2）；δ——板厚（mm）。三、焊接残余变形的控制与矫正1、控制焊接变形的措施①、设计措施：A、合理选择焊件尺寸——焊件的长度、宽度和高度对焊接变形有明显影响。如，当钢件和铝件的厚度分别为9mm和7mm时，角变形最大；细长构件焊接时易产生弯曲变形；薄板焊接时易出现波浪变形。故对焊件的尺寸参数应精心设计。B、合理选择焊缝尺寸和坡口形式——一般