焊接残余应力学习教案

1、会计学1焊接焊接(hnji)残余应力残余应力第一页，共46页。一二三目录(ml) 焊接(hnji)残余应力的分布残余应力对结构(jigu)性能的影响消除残余应力对结构性能的影响第1页/共45页第二页，共46页。知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容焊接焊接残余应力残余应力 掌握焊接残余应力的掌握焊接残余应力的类型及其在各种截面上类型及其在各种截面上的应力分布状态。掌握的应力分布状态。掌握焊接残余应力对焊接结焊接残余应力对焊接结构力学行为的影响规律构力学行为的影响规律 纵向残余应力、横纵向残余应力、横向残余应力以及厚度方向残余应力以及厚度方向残余应力沿焊缝长度向残余应力沿焊缝长度、宽度

2、和厚度方向上的、宽度和厚度方向上的基本分布规律基本分布规律第2页/共45页第三页，共46页。纵向应力纵向应力xx：沿焊缝：沿焊缝(hn fn)(hn fn)方向上的应力方向上的应力横向应力横向应力yy：垂直于焊缝：垂直于焊缝(hn fn)(hn fn)方向上的应力方向上的应力 z z： 厚度方向上的应力厚度方向上的应力第3页/共45页第四页，共46页。1) 1) 纵向残余应力纵向残余应力(yngl)(yngl)在纵向上的分布在纵向上的分布 1.纵向残余纵向残余(cny)应力的分布应力的分布原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循环原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循

3、环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现特性不尽相同，使两端的纵向残余应力出现(chxin)过渡区。过渡区。总结：总结： 板条中部区，板条中部区，焊缝纵向残余应力基焊缝纵向残余应力基本保持不变。在板条本保持不变。在板条的端部存在一个内应的端部存在一个内应力的过渡区，纵向残力的过渡区，纵向残余应力逐渐降至零。余应力逐渐降至零。第4页/共45页第五页，共46页。不同不同(b tn)长度低碳钢板焊接纵向应力分布长度低碳钢板焊接纵向应力分布 不同焊缝长度不同焊缝长度x值的变化值的变化第5页/共45页第六页，共46页。中间拉应力中间拉应力(yngl)，两侧压应力，两侧压应力(yngl)2) 2) 纵向残

4、余纵向残余(cny)(cny)应力在纵向上的分布应力在纵向上的分布 第6页/共45页第七页，共46页。低碳钢低碳钢 铝合金铝合金焊缝纵向应力焊缝纵向应力(yngl)沿板材横向上的分布沿板材横向上的分布x=sxs与材料的热导率、热膨胀系数与材料的热导率、热膨胀系数(png zhng xsh)、弹性模量等物理性能有关、弹性模量等物理性能有关第7页/共45页第八页，共46页。3)3)圆筒环形圆筒环形(hun xn)(hun xn)焊焊圆筒环焊缝纵向残余圆筒环焊缝纵向残余(cny)应力的分布应力的分布低碳钢：圆筒直径低碳钢：圆筒直径(zhjng)与壁厚之与壁厚之比较大时，分布与平板相似，比较大时，分布

5、与平板相似，x=s圆筒直径圆筒直径(zhjng)与壁厚之比较小时与壁厚之比较小时，xs 环焊缝纵向应力与圆筒半径及焊接塑性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变形区宽度的关系取决于圆筒的半径取决于圆筒的半径R、壁、壁厚厚、塑变区的宽度、塑变区的宽度bp第8页/共45页第九页，共46页。2. 横向残余应力横向残余应力(yngl)的分布的分布y y 由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向(zn xin)收缩引收缩引起的起的y= +(叠加叠加) y由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不 同时性所引起的同时性所引起的第9

6、页/共45页第十页，共46页。1)y1)y分析分析(fnx)(fnx)：中心为拉应力两端为压应力复原中心加拉力两端加压力y第10页/共45页第十一页，共46页。-+纵向应力纵向应力x引起引起(ynq)的横向应力的横向应力yxy第11页/共45页第十二页，共46页。不同长度焊缝中的横向不同长度焊缝中的横向(hn xin)残余应力（残余应力（y）的分布）的分布不同长度焊缝中的横向不同长度焊缝中的横向(hn xin)(hn xin)残余应力（残余应力（ y y）的分布）的分布第12页/共45页第十三页，共46页。2)y2)y分分析析(fnx)(fnx)：第13页/共45页第十四页，共46页。T1T2

7、恢复弹性阶段恢复弹性阶段全塑性阶段全塑性阶段熔化态阶段熔化态阶段 1 2 3 1 2 3 4 对接过程中，设将焊缝分为三个区域对接过程中，设将焊缝分为三个区域，电弧位于某点时，区段，电弧位于某点时，区段I的焊缝金属的焊缝金属(jnsh)恢复弹性，区段恢复弹性，区段II的焊缝金属的焊缝金属(jnsh)处于完全塑性状态，区段处于完全塑性状态，区段III的焊的焊缝金属缝金属(jnsh)处于熔化状态。处于熔化状态。开始(kish)，区段I的焊缝金属横向收缩不会受到区段II和区段III的拘束，此时属于自由变形，不会产生横向残余应力，只是接头宽度有微量缩小。中间过程，区段II的焊缝金属恢复到弹性状态并开始

8、(kish)横向收缩，将受到区段I的拘束，在II段的上端和区段I的下端产生横向拉伸应力，在区段I和II的结合处产生横向压应力，此时区段III的焊缝金属处于完全塑性状态，对区段II的横向收缩不起约束作用。当区段III恢复弹性时，其收缩受到区段I和II的拘，使y扩展。第14页/共45页第十五页，共46页。s不同焊接顺序不同焊接顺序(shnx)对横向应力的影响对横向应力的影响不同不同(b tn)焊接顺序对横向应力焊接顺序对横向应力y的影响的影响从中间向两端焊从中间向两端焊 y从两端向中间焊从两端向中间焊 y第15页/共45页第十六页，共46页。3) 3) 总总的的y yyy大小大小(dxio)受受s

9、的限制的限制第16页/共45页第十七页，共46页。 横向应力沿板宽上的分布横向应力沿板宽上的分布4)4)横向应力横向应力(yngl)(yngl)在板宽方向上的在板宽方向上的分布分布焊缝焊缝(hn fn)中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。中心应力幅值大，两侧应力幅值小，边缘处应力值为零。第17页/共45页第十八页，共46页。 厚板中的残余应力厚板中的残余应力(yngl)：x y z 三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工艺三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接工艺差别很大。差别很大。第18页/共45页第十九页，共46页。厚板对接焊多层多道焊的三向残余(cny)应力(10Cr

10、2Mo)ZYX-125MPa厚度方向应厚度方向应力力z240MPa230MPa280MPa纵向应力纵向应力x125MPa85MPa420MPa横向应力横向应力y厚板厚板V形坡口多层焊时沿厚度上的应力形坡口多层焊时沿厚度上的应力(yngl)分布分布第19页/共45页第二十页，共46页。=y+f结论：结论：由拘束产生由拘束产生(chnshng)的反作用力的反作用力f与自由状态下焊接产生与自由状态下焊接产生(chnshng)的横向残余应力的横向残余应力y之和。之和。第20页/共45页第二十一页，共46页。=x+f结论：结论： 焊缝引起的纵向收缩受到焊缝引起的纵向收缩受到限制，将产生限制，将产生(ch

11、nshng)(chnshng)纵纵向反作用内应力向反作用内应力ff。焊缝还。焊缝还将引起纵向应力将引起纵向应力xx， 最终最终的内应力是二者的综合。的内应力是二者的综合。第21页/共45页第二十二页，共46页。注意注意(zh y) 反作用应力是拉应力，且分布范围大，对结反作用应力是拉应力，且分布范围大，对结构的影响较大，在设计和施工时应注意采取措施构的影响较大，在设计和施工时应注意采取措施消除消除(xioch)(xioch)或减少。或减少。第22页/共45页第二十三页，共46页。5.封闭封闭(fngb)焊缝引起的内应力焊缝引起的内应力封闭焊缝是在较大拘束封闭焊缝是在较大拘束(jsh)下焊接的，

12、因此内应力比自由状态时大。下焊接的，因此内应力比自由状态时大。容器接管容器接管(jigun)焊缝焊缝第23页/共45页第二十四页，共46页。(x)r(y)封闭环焊缝残余封闭环焊缝残余(cny)应力分布应力分布a-封闭封闭(fngb)环焊缝环焊缝b-纵横纵横(znghng)应力分布应力分布r(y)(x)第24页/共45页第二十五页，共46页。1）中部存在均匀的双轴应）中部存在均匀的双轴应力场。力场。2）中心的应力的大小与镶）中心的应力的大小与镶块直径块直径(zhjng)d和圆盘直和圆盘直径径(zhjng)D的比值有关，的比值有关，d/D越小，拘束度越大，镶越小，拘束度越大，镶块中的内应力越大。块

13、中的内应力越大。第25页/共45页第二十六页，共46页。（a）相变温度高于塑性）相变温度高于塑性(sxng)温度温度 （b）相变温度低于塑性）相变温度低于塑性(sxng)温度温度 钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线第26页/共45页第二十七页，共46页。高强钢焊接相变应力对纵向高强钢焊接相变应力对纵向(zn xin)残余应力分布的影响残余应力分布的影响焊缝(hn fn)金属为奥氏体钢焊缝成分(chng fn)与母材相近第27页/共45页第二十八页，共46页。1. 焊接残余焊接残余(cny)应力对静载强度的影响应力对静载强度的影响内应力：焊缝内应力：焊缝(hn fn

14、)及近缝区，拉应力；远离焊缝及近缝区，拉应力；远离焊缝(hn fn)，压应力，压应力外应力：外应力：总应力：内应力总应力：内应力+外应力外应力)(BFAF第28页/共45页第二十九页，共46页。塑性材料：有足够塑性材料：有足够(zgu)的塑性变形能力，无的塑性变形能力，无影响影响1）外应力与内应力叠加，当拉应力峰值）外应力与内应力叠加，当拉应力峰值达到材料的屈服极限达到材料的屈服极限s后，该区域的应力后，该区域的应力不再增加，而产生塑性变形。不再增加，而产生塑性变形。2）继续增加外力，构件中尚未屈服的区）继续增加外力，构件中尚未屈服的区域的应力值继续增加并逐渐屈服，直至整域的应力值继续增加并逐

15、渐屈服，直至整个截面上应力完全达到个截面上应力完全达到s，应力就全面，应力就全面(qunmin)均匀化了。均匀化了。3）由于初始内应力是平衡的，即拉应力）由于初始内应力是平衡的，即拉应力和压应力的面积相等。所以使构件截面完和压应力的面积相等。所以使构件截面完全屈服所需要施加的外力与无内应力而使全屈服所需要施加的外力与无内应力而使构件完全屈服所需要施加的外力是相等的构件完全屈服所需要施加的外力是相等的。 塑性材料塑性材料第29页/共45页第三十页，共46页。脆性材料：材料发生局部破坏脆性材料：材料发生局部破坏(phui)，降低静载强，降低静载强度度脆性脆性(cuxng)(cuxng)材料材料 当

16、外载荷增加时，由于材料不能发当外载荷增加时，由于材料不能发生塑性变形而使构件上的应力均匀生塑性变形而使构件上的应力均匀化，因而应力峰值不断化，因而应力峰值不断(bdun)增增加，一直达到材料的断裂极限加，一直达到材料的断裂极限 。这将造成局部破坏，从而导致整个这将造成局部破坏，从而导致整个构件断裂。构件断裂。 b第30页/共45页第三十一页，共46页。刚度：构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位刚度：构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位长度长度(chngd)(chngd)所需的外力。所需的外力。FLFLLAEBE tgFLEA LE ：弹性模量：弹性模量(tn xn m lin)；L：构

17、件：构件长度；长度；F ：外力；：外力； A：构件截面积。：构件截面积。伸长量伸长量刚度刚度第31页/共45页第三十二页，共46页。1s 刚度(n d)减小EbBFLL)(LEbBLFtg)(tgtg 1）加载过程）加载过程(guchng)b区域：区域：B-bB-b区域：区域：1s)(2bBF第32页/共45页第三十三页，共46页。外力作用消失外力作用消失(xiosh)(xiosh)，各，各区的应力均匀下降区的应力均匀下降2）卸载）卸载(xi zi)过程过程BF回弹回弹(hu dn)量量EBLFEALFL LL ( )卸载后，相对于卸载前伸长了卸载后，相对于卸载前伸长了LLb区域：区域：B-b

18、区域：区域：BFsBFbBF)(2第33页/共45页第三十四页，共46页。假使构件中存在着与外力方向一致的内应力，而假使构件中存在着与外力方向一致的内应力，而内应力的数值又达到内应力的数值又达到 ，则在外力作用下刚度将降，则在外力作用下刚度将降低，而且在卸载后构件的原来尺寸也不能完全恢复低，而且在卸载后构件的原来尺寸也不能完全恢复。刚度的降低程度与刚度的降低程度与b/B的比值有关，的比值有关，b所占的比例所占的比例越大，对刚度的影响也越大。越大，对刚度的影响也越大。s第34页/共45页第三十五页，共46页。v 即焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，只即焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载

19、，只要其大小不超过前一次，内应力就不再起作用，外载要其大小不超过前一次，内应力就不再起作用，外载也不影响内应力的分布。也不影响内应力的分布。v 只适用于静载，对频率较高、次数只适用于静载，对频率较高、次数(csh)(csh)较多的较多的变载荷另当别论，变载荷另当别论，结论结论(jiln)(jiln)：第35页/共45页第三十六页，共46页。 两端铰支的受压杆件，在弹性两端铰支的受压杆件，在弹性(tnxng)范围内工作范围内工作时，其失稳的临界应力，可由下式求得：时，其失稳的临界应力，可由下式求得：E：弹性模量；：弹性模量； l：受压杆件的自由长度：受压杆件的自由长度(chngd)；I：为构件截

20、面惯性矩；：为构件截面惯性矩； A：截面积。：截面积。lr：细长比；细长比；：截面惯性距半径。截面惯性距半径。2222EAlEIcr21cr第36页/共45页第三十七页，共46页。crcr受压前受压前hbhBA 21223bxBI受压后受压后hbhBA212)(23bxBIBB 33)(BBxxIIAA AAIIxxAlEIcr22F第37页/共45页第三十八页，共46页。 受压焊接柱的弹性受压焊接柱的弹性(tnxng)(tnxng)区与拉伸残余应力相对应区与拉伸残余应力相对应，如果能使残余拉应力区远离截面中性轴，则会大大提高，如果能使残余拉应力区远离截面中性轴，则会大大提高有效截面惯性距，从而提高临界应力。有效截面惯性距，从而提高临界应力。气体(qt)火焰加热翼板边缘两板叠焊第38页/共45页第三十九页，共46页。内应力的影响只在构件的一定长细比范围内应力的影响只在构件的一定长细比范围(fnwi)内起作用。内起作用。即：即：30 150范围范围(fnwi)内较明显。