搜索
第二单元焊接应力与变形•学习目标：•了解有关应力与变形的相关知识;•掌握焊接应力与变形产生的原因;•熟悉焊接应力与变形的危害;•掌握预防及控制焊接应力与变形的措施。综合知识模块一焊接应力与变形的产生•焊接时一般采用集中热源在局部加热，•因此造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。•焊接应力是形成各种焊接裂纹的重要因素，•焊接残余应力和变形在一定条件下还会严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、加工精度和尺寸稳定性等。能力知识点1应力和变形基础知识•1．应力•物体在受外力作用后，以及在物理、化学或物理化学变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，其内部会产生内力。•作用在物体单位截面上的内力叫做应力。•根据引起内力的原因不同，应力分为工作应力和内应力。•物体由于外力的作用在其单位截面上出现的内力称为工作应力。•物体在无外力作用的情况下而存在于内部的应力称为内应力。•内应力的分类：•根据内应力产生的原因不同，可分为热应力、装配应力、相变应力、焊接应力等。•还可以根据内应力所涉及的范围，将其分为宏观内应力、微观内应力和超微观内应力。2．变形•定义：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：•按照物体变形的性质不同，变形可以分为弹性变形和塑性变形。•按拘束条件不同，物体的变形还可分为自由变形和非自由变形。弹性变形和塑性变形•当使物体产生变形的外力或其它因素去除后，变形也随之消失，即物体恢复原状，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，这样的变形称为塑性变形。自由变形和非自由变形•以图2-1中的一根金属杆为例，•当温度为T0时长度为L0，均匀加热，•温度上升至T时，若金属杆不受阻，杆的长度会增加至L，•其长度的改变ΔLT＝L－L0，•ΔLT就是自由变形，如图2-la所示。图2-1金属杆件的变形•a)自由变形•b)非自由变形•单位长度的变形量称为变形率，•自由变形率用εT表示，其数学表达式为：•εT＝ΔLT/L0＝α(T－T0)•式中α-金属的线膨胀系数，它的数值随材料及温度而变化。•非自由变形：如果金属杆在温度变化过程中的伸长受到阻碍，则变形量不能完全表现出来，就是非自由变形，见图2-lb。•外观变形：能够表现出来的这部分变形，用ΔLe表示，•外观变形率εe可用下式表示：εe=ΔLe/L0•内部变形：未表现出的变形，用ΔL表示。ΔL=ΔLT-ΔLe•同样，内部变形率ε用下式表示：ε=ΔL/L03．焊接应力与焊接变形•焊接残余应力和变形直接影响结构的制造质量和使用性能，严重时会导致构件的失效甚至报废。•焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。•由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。•焊接加热及冷却过程中产生的应力与变形，称为焊接瞬时应力和焊接瞬时变形；•焊接过程结束后，残留在焊接结构中的应力与变形，称为焊接残余应力和焊接残余变形。能力知识点2研究焊接应力与变形的几个假定（1）平截面假定•假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。•即构件只发生伸长、缩短、弯曲，•构件变形时其横截面只发生平移或偏转，永远保持平面。（2）金属性能不变的假定•假定在焊接过程中材料的某些热物理性质，如：•线膨胀系数(α)、热容(c)、热导率(λ)等•均不随温度的变化而变化。（3）金属屈服点假定•低碳钢屈服点与温度的关系，如图2-2中实线所示，•为了讨论问题的方便，•可以将它简化为图2-2中虚线所示。低碳钢的屈服强度与温度关系的假定•即在500℃以下，屈服点与常温相同，不随温度的变化而变化；•在500~600℃之间，屈服点呈线性下降；•600℃以上时屈服点为零，呈全塑性状态。•我们把材料屈服点为零时的温度称为塑性温度。•通常将焊接过程中的某一瞬间，焊接接头中各点的温度分布称为温度场。•在焊接热源作用下构件上各点的温度在不断地变化，•可以认为达到某一极限热状态时，•温度场不再改变，这时的温度场称为极限温度场。（4）焊接温度场假定能力知识点3焊接应力与变形产生的原因•焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。•主要因素包括焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其中最根本的原因是焊件受热不均匀。•此外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响。1．焊件的不均匀受热•为了便于了解焊件在不均匀受热时如何产生应力与变形，•首先对均匀加热时产生应力与变形的情况进行讨论。（1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形•根据前面对变形知识的讨论，•不受约束的杆件在均匀加热与冷却时，•其变形属于自由变形，•因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，•冷却后也不会有任何残余应力和残余变形，•如图2-3a所示。图2-3杆件均匀加热时的应力与变形a）自由状态b）自由延伸-限制收缩状态c）限制延伸-自由收缩状态d）限制延伸-限制收缩状态（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形•根据前面对非自由变形情况的讨论，•受约束杆件的变形属于非自由变形，•既存在外观变形，也存在内部变形。当加热温度较低时•加热时：当加热没有达到材料屈服点温度时（TTs），材料的变形为弹性变形，加热过程中杆件内部存在压应力的作用。•冷却后：当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，不存在残余变形和残余应力。当加热温度较高时•加热时：加热温度达到或超过材料屈服点温度时（TTs），则杆件中产生压缩塑性变形，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（T600℃）。•冷却后：当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况：•1）如果杆件加热时自由延伸，冷却时限制收缩，那么冷却后杆件内既有残余应力又有残余变形，如图2-3b所示。•2）如果杆件加热时不能自由延伸，可以自由收缩，那么杆件中没有残余应力只有残余变形，如图2-3c所示。•3）如果杆件受绝对拘束，那么杆件中存在残余应力而没有残余变形，如图2-3d所示。•实际生产中的焊件，与上述的第一种情况相似：•焊后既有焊接应力存在，又有焊接变形产生。•以上所述的是一般杆件在均匀加热时的应力与变形。•下面讨论材料不均匀加热时的应力与变形。（3）长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形•如图2-4a所示的长度为L0，厚度为δ的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上进行加热。•为简化讨论，我们将板条上的温度区域分为两种，中间为高温区，其温度均匀一致；两边为低温区，其温度也均匀一致。图2-4长板条中心加热和冷却时的应力与变形a)原始状态b)、c)加热时d)、e)冷却后•加热时，如果板条的高温区与低温区是可分离的，•高温区将伸长，低温区长度不变，如图2-4b所示，•但实际上板条是一个整体，•所以板条将整体伸长，•此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形，如图2-4c所示。•冷却时，由于压缩塑性变形不可恢复，•所以，如果高温区与低温区是可分离的，•高温区应缩短，低温区应恢复原长，如图2-4d所示。•但实际上板条是一个整体，•所以板条将整体缩短，这就是板条的残余变形，如图2-4e所示。•同时在板条内部也产生了残余应力，•中间高温区为拉应力，两侧低温区为压应力。（4）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形•如图2-5a所示的材质均匀的钢板，在其上边缘快速加热。•假设钢板由许多互不相连的窄条组成，•则各窄条在加热时将按温度高低而有不同的伸长，如图2-5b所示。图2-5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•e)冷却以后的变形•但实际上，板条是一整体，•各板条之间是互相牵连、互相影响的，•上一部分金属因受下一部分金属的阻碍作用而不能自由伸长，•因此产生了压缩塑性变形。•由于钢板上的温度分布是自上而下逐渐降低，•因此，钢板产生了向下的弯曲变形，如图2-5c所示。•钢板冷却后，板条的收缩应如图2-5d所示。•但实际上钢板是一个整体，•上一部分金属要受到下一部分的阻碍而不能自由收缩，•所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形，如图2-5e所示；•并在钢板内产生如图2-5e所示的残余应力，•即钢板中部为压应力，钢板两侧为拉应力。由上述讨论可知：1）对构件进行不均匀加热，•在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，•冷却后，构件必然有残余应力和残余变形。2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。•如果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，则焊接残余变形小而焊接残余应力大。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的。•焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。2．焊缝金属的收缩•当焊缝金属冷却，由液态转为固态时，其体积要收缩。•由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。•这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。•另外，一条焊缝是逐步形成的，•焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩，由此也会产生焊接应力与变形3．金属组织的变化•钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容各不相同，由此也会造成焊接应力与变形。•定义：在焊接过程中，局部金属发生相变，其比容增大或减小而引起的应力称为相变应力。4．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，它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关；•而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束，是一种外部条件。•焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响。•焊件自身的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，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。4．刚性和拘束对焊接应力及变形的影响综合知识模块二焊接残余变形•能力知识点1焊接变形的分类及其影响因素•按焊接变形对整个焊接结构的影响程度，可分为局部变形和整体变形；•按焊接变形的特征，可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形，这五种基本变形形式如图2-6所示。图2-6焊接变形的基本形式•a）收缩变形•b）角变形•c）弯曲变形•d）波浪变形•e）扭曲变形1．收缩变形•焊件在焊后所发生的尺寸缩短现象，称为收缩变形。它分为纵向收缩变形和横向收缩变形。•图2-7纵向和横向收缩变形（1）纵向收缩变形•如图2-7所示，沿焊缝轴线方向尺寸的缩短称为纵向收缩变形，用△x表示。•产生原因：这是由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，焊件冷却后这个区域要收缩，于是引起纵向收缩变形。焊件纵向收缩的影响因素•纵向收缩变形量一般随长度的增加而增加；•焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小；•纵向收缩变形量还取决于材料的弹性模量、压缩塑性变形区的面积和压缩塑性变形量等。哪些因素会影响压缩塑性变形量？•压缩塑性变形量与纵向收缩变形量成正比，•其大小与焊接方法、焊接参数、焊接顺序以及母材的热物理性质有关，•其中以热输入影响最大。•一般情况下，压缩塑性变形量与热输入成正比。热输入的影响•对于同样截面的焊缝，可以一次焊成，也可以采用多层焊。•多层焊每层所用的热输入比单层焊时要小得多，•因此，多层焊时每层焊缝所产生的压缩塑性变形区面积比单层焊时小。•但多层焊所引起的总变形量并不等于各层焊缝之和，因为各层所产生的塑性变形区面积是相互重叠的。•图2-8所示为单层焊和双层焊对接接头塑性变形区示意图。•单层焊的塑性变形区面积为ABCD；•双层焊第一层的塑性变形区为A1B1C1D1，•第二层的塑性变形区为A2B2C2D2。•由此可以得出结论：•对截面相同的焊缝，采用多层焊引起的纵向收缩量比单层焊小；•分的层数越多，每层的热输入越小，纵