3456焊接结构学讲义(第三四五六章)

第3章焊接应力与变形•3-1内应力的产生•3.1.1内应力及产生原因•按分布范围分为：•第一类内应力（宏观，工程中主要研究对象）•第二类内应力（微观内应力，晶粒尺寸）•第三类内应力（超微观内应力，晶格尺寸）内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力•㈠温度应力（热应力）•产生条件：受热不均匀或构件受外部拘束•温度均匀结果：应力残留或消失举例过程：加热-承受压应力-屈服（250℃）-应力降低、压应变继续增加；750℃开始冷却拉应力应变上升-室温-残余应力和相变应力。图3-1加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线（二）残余应力•产生原因：不均匀加热•产生条件：局部区域产生塑性变形或相变3.1.2热应变和相变应变•εT=α·(T1-T0)=α·⊿T•α=α（T）•温度场变化引起热应变和相变应变，造成应力和变形图3-2奥氏体钢和珠光体钢的热膨胀曲线a）无相变奥氏体钢b）有相变珠光体钢加热与冷却时的屈服强度滞后现象图3-3HY-80高强钢屈服强度与温度的关系以及屈服之后现象3.2焊接应力与变形的形成过程•自由变形、外观变形和内部变形•自由变形：•⊿LT=α·L0(T1-T0)•εT=⊿LT/L0=α·(T1-T0)•外观变形：•⊿Le•εe=⊿Le/L0•内部变形：•⊿L=－(⊿LT－⊿Le)•ε=⊿L/L0•内应力σ=E·ε=E(εe－εT)3.2.1简单杆件的应力与变形图3-4金属杆件的受热变形a）自由变形量b）外观变形量杆件的温度、变形与内应力演变规律•T1温度下∣ε1∣﹤εs，则只存在弹性变形；•T2温度下∣ε2∣﹥εs，则存在弹性和塑性变形，•∣εp∣=∣εe-εT∣-εs；图3-5低碳钢的应力-应变曲线对于低碳钢，假定杆件中的应力σ达到σs后就不再升高—即将低碳钢视为理想弹塑性体3.2.2不均匀温度场作用下的应力与变形•研究的前提条件：平面假设原理•㈠长板条中心加热（对称加热）图3-6长板条中心加热示意图截取板条的单位长度研究dxYBB..2/2/0)]([2/2/dxxfEBBe温度低，无塑性变形,应力平衡：图3-7长板条中心加热时的变形2222)(YBBpeBBdxEdx‘22'2222)]([BCeCCpeCBedxEdxxfEdxE’‘＋＝温度高，产生塑性变形，残余应力：0)]([)(22BBpeedxxfECBE’‘＝当加热温度高，板中心将发生塑性变形，如果已知塑性区压缩变形的分布规律为:)(xfpp则残余应力为：)](['xfEpe残余应力和变形的平衡条件可表达为：㈡长板条单侧加热（非对称加热）b)和c)两种情况为不平衡力矩，不能发生图3-8板条一侧不对称受热时的应力和变形板条截面上应力及力矩平衡方程内应力σ=E·ε=E(εe－εT)图3-9板条单边加热到不同温度时的应力与变形BBdxxMdxY0000力矩平衡：内应力平衡：长板条单侧加热内应力平衡及力矩平衡分几种情况考虑：•1）加热温度低，无塑性变形时•σ=E·ε=E(εe－εT)•εT=α·(T1-T0)0)]([)(0000BeBTeBdxTTEdxEdxY0)]([)(0000BeBTeBxdxTTExdxExdxM由于此时截面发生转动，即εe不再是常数，而是x的线性函数，即：)(00eeBeeBx求解可得到εe0和εeB，并进而可求出εe和σ。此外还可以求出板条的平均变形率εem：2)(0eBeem板条在该截面内的曲率C：BCeeB)(0结论：在这种情况下，内部变形小于金属屈服极限的变形率，则温度恢复后，板条中即不存在残余应力，也不存在残余变形。2）加热温度较高，使板条在靠近高温一侧的（B-Xs）局部范围内产生塑性变形)~()~0()({0BxxTTsssTBessBxsxeTedxTTxBdxdxTTdxss00000)]([)()]([)(BessBxsxeTexdxTTxBxdxxdxTTxdxss002000)]([)(2)]([)(3)当加热温度很高，造成板边（B-x2）一段内的σs=0，即变形抗力为零（见图3-9(c)）。此时，在（B-x2）一段内，由于温度很高，使变形抗力为零，在此区域内发生完全塑性变形，而应力σ=0。在（x2-x1）范围内，塑性变形抗力从x2处的σ=0线性变化到x1处的σ=σs=Eεs，在此区域内可将应力表示为σ=σs(T)=Eεs。在（x1~xs）范围内，发生塑性变形，塑性变形抗力为σs，即σ=σs，并且有ε=εs。在（xs~0）范围内为弹性变形区。采用与前述相同的处理办法，可得：0)]([)()(2)(0112'000211dxTTExxExxEdxEdxEdxEdxEdxYesssxxsxxsxTeBBsssssxesssxxsxxsxTeBBxdxTTExxExxxxxxxExdxExdxExdxExdxExdxM0022121222313221'0000)]([)(2)](23[)(211可以求出xs、εe0、εeB等参数，并进而求出εe和σ。Tess:另有结论：当ε﹥εs时产生残余应力和残余变形（如图2－7）；当ε﹤εs时不产生残余应力和残余变形；金属高温性能随温度变化对于低碳钢：CTCTcCTcsss600,0600500,0500,(三)受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程)(.1TesE弹性状态，无残余应力CETECTsTeMAXs100)(500,.2有塑性变形及残余应力CTMAXs600,.3残余应力等于材料屈服极限3.2.3焊接引起的应力与变形•焊接时发生焊接应力和变形的原因是焊件受到不均匀加热，同时因加热引起的热变形和组织变形（相变）受到焊件本身刚度的约束。•焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和试件完全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或剩余的应力变形。•焊接残余应力和残余变形会在某种程度上影响焊接结构的承载能力和服役寿命。1.引起焊接应力与变形的机理及影响因素图3-10引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系焊接温度场特点：a.变化范围大；b.温度梯度大温度场特点会导致两方面问题：（1）高温下金属性能发生显著变化；（2）平面假设的准确性降低，相变、物理和力学参数变化，进一步影响应力应变分布规律。图3-11几种典型金属材料的屈服强度随温度变化图3-12平板中心焊接时的内应力分布平面假设近似成立的条件：焊接速度快、材料导热性差（低碳钢、低合金钢）图3-13薄板焊接时的温度场2.焊接应力与变形的演变过程(*****）图3-14薄板中心堆焊时横截面上的纵向应力变形演变过程3.焊接热应变循环图3-15低碳钢焊接近缝区的热循环与热应变循环示意图a)离焊缝较远、最高温度低于相变温度b)离焊缝较近、最高温度高于相变温度•哈工大张学秋博士提出的原理图3.3焊接残余应力这一节讨论焊接残余应力的分布、影响、测量及调控。3.3.1焊接残余应力的分布•一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中，厚度方向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴的，即为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中，在厚度方向上才有较大的残余应力。•应力通常表示方法：•将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以σx表示；•将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以σy表示；•对厚度方向上的残余应力以σz表示。1、纵向残余应力的分布σx图3-17平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布（***此图对于低碳钢适用，焊缝足够长）**焊缝长度较短时，σx﹤σs焊缝越短纵向应力σx的数值就越小。（对于低碳钢适用）图3-18不同焊缝长度σx值的变化不同尺寸、不同截面上纵向残余应力σx的分布（对于低碳钢适用）宽度、位置的影响•宽度的影响•位置的影响（焊缝的位置）不同材料上纵向残余应力在横截面上的分布图3-19焊缝纵向应力沿板材横向上的分布a)低碳钢b)铝合金一般情况下铝合金与钛合金焊件上σx﹤σs，其原因是：•铝合金和钛合金的σx分布规律与低碳钢基本相似，但焊缝中心的纵向应力值比较低。•对于铝合金来说，由于其导热系数比较高，使其温度场近似于正圆形，与沿焊缝长度同时加热的模型相差悬殊，造成了与平面变形假设的出入比较大。在焊接过程中，铝合金受热膨胀，实际受到的限制比平面假设时的要小，因此压缩塑性变形量降低，残余应力也因而降低，一般σx只能达到0.5～0.8σs。（熔点也是一个因素）•对于钛合金来说，由于其膨胀系数和弹性模量都比较低，大约只有低碳钢的1/3，所以造成其σx比较低，只能达到0.5～0.8σs。圆筒环焊缝上的纵向（圆筒的周向）应力分布图3-20圆筒环焊缝纵向残余应力的分布环焊缝纵向应力与圆筒尺寸及焊接塑性变形区宽度的关系图3-21环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊接塑性变形区宽度的关系2．横向残余应力的分布图3-22由纵向收缩所引起的横向应力的分布（1）纵向收缩的影响--σy′（2）横向收缩的影响--σy′′图3-24不同焊接方向对横向应力分布的影响图3-25横向应力沿板宽方向的分布几种情况下横向残余应力的分布规律—σy=σy′+σy′′3.厚板中的残余应力图3-26厚板V形坡口对接焊缝的三个方向残余应力的分布a)横向残余应力σyb)厚度方向残余应力σzc)纵向残余应力σxσy的作用：由于每焊一层就产生一次弯曲作用（如图中坡口两侧箭头所示），多次拉伸塑性变形的积累造成焊缝根部应变硬化，使应力不断升高。严重时，甚至会因塑性耗竭而导致焊缝根部开裂。图3-27厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力分布a)σz在厚度上的分布b)σx在厚度上的分布c)σy在厚度上的分布图3-28厚板对层焊时横向残余应力分布的分析模型图3-29厚板窄间隙多层焊残余应力分布的有限元计算结果图3-3025mm厚低碳钢板多层对接焊的残余应力沿板厚方向的分布实测结果4.拘束状态下焊接的内应力图3-31拘束条件下焊接的内应力5.封闭焊缝引起的内应力图3-32容器接管焊缝图3-33圆盘镶块封闭焊缝所引起的焊接残余应力分布图3-35高强钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响a)焊缝金属为奥氏体钢b)焊缝成分与母材相近相变对残余应力场的影响相变应力分布特点图3-36横向相变应力σmy的分布a)由σmx引起的σmy沿纵向的分布b)由σmz引起的σmy在厚度上的分布3.3.2焊接残余应力的影响•内应力对静载强度的影响•内应力对刚度的影响•内应力对杆件受压稳定性的影响•内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响•内应力对应力腐蚀开裂的影响1.内应力对静载强度的影响图3-37外载荷作用下塑性材料构件中应力的变化a)塑性材料b)脆性材料分三种情况讨论:1)塑性(韧性)材料;2)脆性材料;3)材料处于三轴(拉)应力状态;图3-38单轴和三轴应力状态三轴应力状态举例:厚大件上的缺口效应图3-39缺口根部应力分布示意图2.内应力对刚度的影响材料本身固有的属性吗？图3-40残余应力对刚度的影响EBLFEALFLLAELFtgEbBLFL)('''LFtg小即有焊接应力时刚度减，结果是：g'ttg图3-41焊接梁工作时的刚度分析3.内应力对杆件受压稳定性的影响2222EA