焊接应力与变形

教学重点焊接应力和变形的概念、分类；减少和防止焊接残余应力及变形的措施；教学难点本章重点与难点焊接应力和变形产生的过程及原因；控制焊接应力和残余变形的措施学习目标掌握产生焊接应力和变形的原因、特点、类型；掌握控制焊接应力和变形的工艺措施。应用能力学习目标与应用应用合理的焊接结构设计、工艺措施控制焊接应力和变形的方法•什么是应力什么是应力什么是内力由外力或其他因素引起物体内部之间的相互作用力单位截面积上的内力1.工作应力2.内应力4.1焊接应力和变形概述4.1.1焊接应力和变形的概念•内应力详解内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力内应力产生的原因温度应力（热应力）残余应力由于构件受热不均匀引起（举例：金属框架详解，此种情况在温度应力不高，即低于材料的屈服极限，框架里不产生塑性变形）如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度恢复到原始的均匀状态后产生了新的内应力即残余应力•什么是变形外力温度形状尺寸改变变形弹性变形塑性变形在外力或其他因素作用下发生变形，当外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体恢复原状相反，当外力或其他因素去除后，变形仍然存在，即物体不能恢复到原状态下的变形•什么是焊接应力与焊接变形内应力焊接应力焊接变形焊接过程中的某一瞬时值焊接后残留于焊件中的值焊接瞬时应力焊接瞬时变形焊接残余应力焊接残余变形焊接构件由焊接而产生的内应力是焊件由焊接而产生的变形（包括尺寸和形状的改变1.按应力的分布范围2.根据结构中的空间位置围平衡的应力超微观应力：在晶格范内相互平衡的应力微观应力：在晶粒范围范围平衡的应力宏观应力：在整个焊接.3.2.1焊接应力产生的原因及分类1的三个方向作用三向应力：应力沿构件的两个方向作用双向应力：应力沿构件的一个方向作用单向应力：应力沿构件.3.2.1焊接应力产生的原因及分类13.根据应力与焊缝的相对位置4.根据应力产生、作用的时间5.根据应力形成原因向与焊缝垂直横向应力：应力作用方向与焊缝平行纵向应力：应力作用方.2.1应力残余应力：焊后留下的现的应力瞬时应力：焊接过程出.2.1受阻属组织转变时体积变化组织应力：由于接头金力变形受到拘束引起的应拘束应力：由于焊件热均匀加热引起的应力温度应力：由于焊件不.3.2.1焊接变形产生原因及分类21.自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。单位长度的自由变形量：][010TTLLT0LLTT][01TT焊接变形产生原因及分类22.外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形。3.内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形；000LLTLLL00LL•钢的屈服极限σs在0~500℃时基本是一常数。当温度超过500℃时，σs发生陡降，当温度达到600℃时，σs接近于零。说明钢材此时几乎处于完全塑性状态，在很小的外力作用下就可以发生塑性变形。4.1.2焊接应力和变形产生的过程•焊接是一个加热和冷却的热循环过程，焊接时金属受热和冷却的整个热循环的温度范围常在1500℃以上。•见P51图4-1所示焊接时的应力和变形的形成主要取决于焊接热过程，以及焊件在焊接过程中受拘束的条件1.均匀加热时引起应力与变形的原因（见P52图4-3所示）（1）能自由膨胀和收缩的无拘束状态杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力杆件一端固定的自由热变形0TtT注意（2）杆件两端完全固定，不能膨胀也不能收缩刚性拘束状态杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时不能自由变形的变形和应力受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力sξ|ξ|1.4ttTT01t2t杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力CTos500;ξ|ξ|2.4max0Tt1t2t3t4ts2psrsT杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力s01t2t3t4tts5t6t7t4psTs500600Co500Co600CTos600;ξ|ξ|3.4maxT3.有一定程度的拘束状态杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力sξ|ξ|4.4T0t1t杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力TT1t2t3t4t2pt500Co500ss2pCTos500;ξ|ξ|5.4max0杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力500600Co500Co6004p4p1t2t3t4t5tT0TtsCTos600;ξ|ξ|6.4max•结论：•焊接变形和焊接应力都是由于焊接是局部的不均匀加热引起的•焊接时加热区金属在周围母材金属一定程度的拘束作用下，不能自由地热胀冷缩•在加热时，发生压缩塑性变形，在冷却时若能够收缩就产生焊接变形，若不能自由地收缩就产生焊接应力。•当焊件拘束度较小时，冷却时能够比较自由地收缩，则焊接变形较大而焊接应力较小•若焊件拘束度较大或外加较大刚性拘束，则冷却时不能自由地收缩，焊接变形较小而焊接应力很大2.不均匀加热时引起应力与变形的原因（1）长钢板一侧加热引起的应力和变形长钢板在中心加热引起的纵向收缩变形和应力长板条冷却后产生的残余应力和变形•残余应力的分布是：焊缝及近焊缝区域受到拉应力，常达以后随远离焊缝依次是压应力，拉应力，形成三个正负相间的应力分布区。（2）对接接头Y形坡口焊接后的角变形•对接接头Y形坡口的焊缝，在焊缝正面较宽，在根部较窄，因此冷却时焊缝横向收缩变形在焊件厚度方向上不均匀，焊缝横截面上部横向收缩变形大，下部与根部横向收缩变形小，造成构建平面的偏转，产生角变形4.2焊接残余变形•焊接是一个不均匀加热和冷却的过程焊接过程中出现应力和变形焊后焊接结构产生焊接残余应力和焊接残余变形。4.2.1焊接残余变形的分类•焊接残余变形主要有•收缩变形（纵向、横向收缩）角变形、弯曲变形、波浪变形(失稳变形)和扭曲变形见图4-1所示及错边变形图1-29a)b)c)d)e)图4-1焊接变形的基本变形形式a)收缩变形b)角变形c)弯曲变形d)波浪变形e)扭曲变形返回1.收缩变形定义：焊件尺寸比焊前缩短的现象。分类：纵向收缩变形：横向收缩变形见4.7所示（1）纵向收缩变形：沿焊缝轴线（长度）方向尺寸的缩短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，当焊接冷却后该区域产生收缩而引起图4-7纵向和横向收缩变形纵向横向收缩变形纵向收缩变形的影响因素1.焊缝的长度2.焊件的横截面积大小3.焊接材料的弹性模量4.焊件中产生压缩塑性变形的区域面积大小5.产生压缩塑性的变形率纵向收缩变形的规律及措施1.焊件的横截面积越大—焊件的纵向收缩量越小2.焊缝的长度越长—焊件的纵向收缩量越大3.焊接时的热输入越大—纵向收缩越大4.焊件的原始温度越高—焊件的纵向收缩量越大5.焊件材料的线膨胀系数越大—焊件的纵向收缩量越大采用间断焊缝代替连续焊缝采用多层焊接工艺代替单层焊(补充)焊接时提高焊件的初始温度，可降低压缩塑性的变形量选择线膨胀系数较小的材料进行焊接（2）横向收缩变形：垂直焊缝轴线方向尺寸的缩短横向收缩变形与纵向收缩基本相同，但是影响的因素较多：线能量、接头形式、装配间隙、板厚等横向收缩变形的影响因素1）与热输入有关：横向收缩变形随焊接热输入增大而增加。2）与间隙有关：装配间隙增加，横向收缩也增加，如图4-83）与焊接长度有关：焊缝的横向收缩沿焊接方向由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。4）与拘束程度有关：定位焊缝越长，横向收缩变形量就越小5）与金属填充量有关：对接接头的横向收缩量随焊缝金属量的增加而增加大的6）与焊接方法有关：焊接方法对横向收缩量也有影响。7）与焊缝形式有关：角焊缝的横向收缩要比对接焊缝小得多。1.焊接线能量增大—横向收缩量增大2.装配间隙增大—横向收缩量增大3.横向收缩量的分布规律：沿着焊接长度方向由小到大，随后趋于稳定。4.焊缝金数量填充量增加—横向收缩量增大5.热输入、焊材板厚及坡口角度增大—横向收缩量增大横向收缩变形的规律图4-8带间隙平板对接焊的横向收缩变形过程角变形、弯曲变形和波浪变形3.弯曲变形（挠曲变形）•定义：长构件因不均匀加热和冷却在焊后两端挠起的变形•弯曲变形的影响因素（1）纵向收缩引起的弯曲变形：如图4-9所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。当焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。（2）横向收缩引起的弯曲变形：焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时引起的，如图4-10图4-9焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形图4-10焊缝横向收缩引起的弯曲变形横向引起弯曲变形横向引起弯曲变形与焊缝到焊件形心的距离成正比3角变形•定义：焊接时由于焊接区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形•角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。对接接头的角变形平板堆焊中的角变形T形接头的角变形1）.焊缝横向收缩引起的弯曲角变形2）.焊缝金属收缩引起的倾斜角变形4.波浪变形（翘曲变形）•定义：薄板焊接时，因不均匀加热，焊后构件呈波浪状变形，或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的波浪状变形，见图4-11所示•波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接又称之为失稳变形。•原因：薄板在承受压应力，当其中的压应力达到-临界力，薄板将出现波浪变形失去承载能力，称之为失稳。图4-11焊接角变形引起的波浪变形5.扭曲变形•定义：焊后构件发生扭曲•产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀及工件的纵向错边有关。工字梁的扭曲变形6.错边变形原因：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善会造成错边4.2.2影响焊接残余变形的因素•影响焊接残余变形大小的因素：•焊缝在结构中的位置•焊接结构的刚性•焊缝的长度和坡口形式•焊接结构的装配顺序•焊接工艺方法•焊接操作方法•结构材料的膨胀系数等1.焊缝在结构中的位置焊接结构刚性不大、焊缝在结构中对称布置或焊缝在结构的中性轴上、焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置（即焊缝截面上下左右对称）施焊顺序与方向合理时，主要产生纵向缩短和横向缩短焊缝在结构中布置不对称时，焊后要产生弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝较多的一侧焊缝偏离结构中性轴式，则焊后要产生弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝一侧，焊缝偏离结构中性轴越远，则越容易产生弯曲变形2.焊接结构的刚性•衡量焊接接头刚性大小的定量指标拘束度•拘束度拉伸拘束度弯曲拘束度拘束度越大，刚性越大，焊接结构越不易变形①结构抵抗拉伸的刚性主要决定与结构面积的大小截面积越大，拉伸拘束度就越大，则抵抗拉伸的刚性就越大，变形就越小。②结构抵抗弯曲的刚性主要看结构的截面形状和尺寸大小③结构抵抗扭曲的刚性除了决定于结构的尺寸大小外，最主要的是结构截面形状短而粗的焊接结构，刚性较大；细而长的构件，抗弯刚性小说明结论3.焊缝长度和坡口形式•焊缝截面越大，焊缝长度越长，焊接变形越大。Y形坡口的焊缝和角焊缝横向收缩要产生角变形。坡口角度越大，角变形越大。Y形（V形）坡口比U形坡口角变形大。X形（双Y形）坡口比Y形坡口角变形小。X形坡口比双U形坡口角变形大。I形坡口角变形小。坡口的根部间隙越大，则变形越大。4.焊接结构的装配及焊接顺序焊接结构的刚性是在装配、焊接过程中逐渐增大的，结构整体的刚性总比它的零、部件刚性大尽可能先装配整体，然后再焊接，可减少焊接结构的变形。焊接顺序不合理，引起焊接变形合理的焊接顺序，可使变形达到最小5.焊接线能量•焊接线能量越大，焊接变形也越大。焊接变形随着焊接电流