焊接应力与变形产生的机理

焊接培训教材焊接应力与变形产生的机理张明录一二三四目录焊接应力与变形的概念焊接应力和残余应力温度场作用下的应力和变形焊接引起的变形和应力•材料的热胀冷缩•材料的应力应变曲线•系统平衡一.焊接应力与变形的概念TLTTLLLL0000)(abcdef拉伸压缩sp应变应力合力等于零，即ΣF=0；合力矩等于零，即ΣM=01.自由变形、外观变形和内部变形(1)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。自由变形量：自由变形率：)(0101TTLLT)(01011TTLLTTLT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsL'pLeL2L'T2LpL'0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L'2(2)外观变形外观变形量：△Le外观变形率：0LLee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LT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsL'pLeL2L'T2LpL'0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L'2当金属物在温度变化过程中受到阻碍，把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。内部变形量：内部变形率：)(11eTLLL)()（101011eTeTLLLLLLT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsL'pLeL2L'T2LpL'0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L'2(3)内部变形外观变形在数值上等于自由变形与内部变形的代数和。它的应变表达式为：εe＝εT＋ε它的等价形式为：ε＝εe－εT这两个公式一定要牢记！三种变形的分析结论：•以上情况是内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形率，即或，，则杆件中的压应力。当杆件温度从T1恢复到T0时，杆件将恢复到原来长度L0，也不存在任何形式的应力。s1sLL1s1若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内部变形量大于金属屈服时的变形量。即：seTLLLL22则在这种情况下该如何？LT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsL'pLeL2L'T2LpL'0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L'2)(0202TTLLTseTLLLL22sTepLLLL220202002)()('TTLTTLTTLLppLLsTepp'综上可知，压缩塑性变形会使得金属材料在环境载荷消失后收缩变短，收缩变形量约等于压缩而产生的压缩塑性变形量。同理可知，拉伸塑性变形也将会使得金属材料在环境载荷消失后延伸变长，伸长变形量约等于已产生的拉伸塑性变形量。•提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束—等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。•计算方法：在弹性范围内σ＝E·ε＝E（εe－εT）超出弹性范围则有σ＝σs材料力学中，当物体在外力作用下处于平衡状态时，可以说该物体处于受力平衡状态。内应力定义：没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。二.焊接应力和残余应力1.应力的分类（1）宏观应力：在整个焊接范围平衡的应力微观应力：在晶粒范围内相互平衡的应力超微观应力：在晶格范围平衡的应力单向应力：应力沿构件的一个方向作用双向应力：应力沿构件的两个方向作用三向应力：应力沿构件的三个方向作用1）按应力的分布范围2）按结构中的空间位置3）按应力与焊缝的相对位置纵向应力：应力作用方向与焊缝平行横向应力：应力作用方向与焊缝垂直瞬时应力：焊接过程出现的应力残余应力：焊后留下的应力4）按应力产生、作用的时间1.应力的分类（2）温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力。拘束应力：由于焊件热变形收到拘束引起的应力。组织应力：由于接头金属组织转变时提及变化受阻。5）根据应力形成原因1.应力的分类（3）(1)温度应力产生条件：受热不均匀温度均匀结果：应力残留或消失(如果温度应力不高，即低于材料的屈服极限，，亦即温度应力在弹性范围内时，在框架中不产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之消失)。sT举例：框架结构的温度应力平衡特点温度应力：由于构件受热不均匀引起的内应力。(2)残余应力•残余应力：温度恢复到原始状态均匀后残存在物体内部的应力。•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•举例：金属框架因此：①任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部分受压应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力。②任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。加热－膨胀－受拘束－产生温度应力（压应力）＋压缩屈服变形冷却－收宿－受拘束－产生残余应力（拉应力）＋拉伸屈服变形金属框架的温度应力与残余应力(3)相变应力材料在凝固冷却过程中，由于组织转变，带来体积尺寸变化，产生的应力。PPM相变应力：组织转变产生原因：三.温度场作用下的应力和变形金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生复杂的变化，为了分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定：◇平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。◇金属性质不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。◇焊接温度场假定：假定焊接温度场不随时间而改变。•在500℃以下，屈服点与常温相同，不随温度而变化；•500℃~600℃之间，屈服点迅速下降；•600℃以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。低碳钢的屈服点与温度的关系屈服点与温度之间的关系1.在长板条中心对称加热BL1温度场：对端面中心对称的不均温度场T=f(x)1XTT1XTTeB/2B/2变形分析：取单位长度分析其变形与应力假设：T0=0，则△T=TxfTTT::e①由平面假设，变形时截面保持平面②温度场对称，端面只作平移，εe为常数Te:可见：板条中心ε＜0，受压；板条两侧ε＞0，受压内应力与变形的计算当温度较低，无塑性变形，即smax))(()(xfEEeTe2222220)]([)]([BBeeBBBBdxxfEdxxfEdxF22BBedxxfB矩形面积=曲线下的面积力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡1XTTeB/2B/222BBedxxfB即为T=f(x)时的外观应变))((xfEe可求得各点应力的大小，应力分布分为三个区域：两侧受拉，中间受压冷却后，应力和应变消失；即无残余应力和残余变形当温度较高，板件中产生塑性变形，即：smax1XTTesC/2C/2e'spp']2,2[cc产生压缩塑性变形，ssepxf)()2,2[cB]2,2(BcseTexfEE))(()(222222222222220)]([2)]([)]2([)]([)]([)]([cBsecBBcecceeBBBBeeBBcdxxfEdxxfEdxcfEdxxfEdxxfEdxxfEdxF)]('[)''('xfEEpepe2222)''('BBBBpedxEdxF222222')]('['cBccBcepeedxEdxxfEdxE0])('[)('22dxxfEcBEccpee冷却后，应力和应变不能完全消失(存在压缩塑性变形)])([)('sepppxfxf实际上，残余外观变形：ε'e理论上，中心凹陷量残余应力对称温度场：变形仅为端面平移；εe;ε’e力的平衡条件：，实质是图形中面积的平衡应力：加热时，中间压，两侧拉；冷却后，中间拉，两侧压残余应力的产生，加热时存在塑性变形热量集中的热源，C小，残余变形小的大小取决于C的大小，所以热量集中的热源小eesmax0dA结论：2.在长板条边缘非对称加热BL1温度场：典型的非对称温度场这两种情况为不平衡力矩，不能发生sspp'内应力平衡条件为：截面有转动，所以εe非常数，是x的线性函数BxBeeBee)(000)]([)(F000BeBTeBdxxfEdxEdx0)]([)(M000BeBTeBdxxfxExdxEdxx20eBeemBceeB01板条平均伸长率为：板条曲率为：结论：当ε﹥εs时产生残余应力和残余变形；当ε﹤εs时不产生残余应力和残余变形；sspp'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。由上述讨论可知：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。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。5）焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。由上述讨论可知：热循环拘束度焊接热循环中产生的残余应力和变形主要取决于四.焊接引起的变形和应力1.焊接过程的特殊性(1)高温下金属的性能发生显著变化例如：低碳钢不同温度下的屈服强度可能出现的相变将引起许多物理和力学参量的变化(2)焊接温度场是一个空间分布极不均匀的温度场与前面分析的沿长度同时加热的模型有较大差别，平面的准确性受到影响。平面的适用条件：焊接速度快；材料导热慢2.受拘束体在热循环中的应力与应变的演变过程(1))(TesE取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，将该棒均匀加热，然后冷却。弹性状态，无残余应力(2))(500,TeMAXsECT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.焊接应力与应变的演变过程4.焊接热应变循环近缝区的两种情况a)无相变；b)有相变谢谢