焊接变形和应力学习教案

1、会计学1焊接变形焊接变形(bin xng)和应力和应力第一页，共196页。几个几个(j )基本概念基本概念合力等于零，即合力等于零，即F = 0；合力矩等于零，即合力矩等于零，即M = 0 第1页/共195页第二页，共196页。自由自由(zyu)变形、外观变形和内部变形变形、外观变形和内部变形(1)自由自由(zyu)变形变形自由变形：当金属物体温度发生自由变形：当金属物体温度发生(fshng)变化，或发生变化，或发生(fshng)了相了相变，其尺寸和形状就要发生变，其尺寸和形状就要发生(fshng)变化，如果这种变化没有受到外变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。界的阻碍而自由的进

2、行。自由变形量：自由变形量：自由变形率：自由变形率：第2页/共195页第三页，共196页。(2) 外观外观(wigun)变形变形外观外观(wigun)变形量：变形量：Le 外观外观(wigun)变形率：变形率：外观变形：外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全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，称为外观变形的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形LT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsLpLeL2LT2LpL0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L2第3页/共195页第四页，共19

3、6页。(3) 内部内部(nib)变形变形内部变形：当金属物在温度变化过程内部变形：当金属物在温度变化过程(guchng)中受到阻碍中受到阻碍，把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。，把未表现出来的那部分变形，称为内部变形。内部内部(nib)变形量：变形量：内部变形率：内部变形率：LT1L1LeL0L1T0T2T1T1T2T0LT2LsLpLeL2LT2LpL0无阻碍(a)(b)(c)(d)(e)(f)L212无阻碍有阻碍有阻碍L2第4页/共195页第五页，共196页。这两个公式这两个公式(gngsh)(gngsh)一定要牢一定要牢记！记！第5页/共195页第六页，共196页。若温度继续升高，

4、杆件中由于阻碍而产生的内部变形量若温度继续升高，杆件中由于阻碍而产生的内部变形量大于金属屈服大于金属屈服(qf)(qf)时的变形量，即时的变形量，即 则在这种情况下该如何？则在这种情况下该如何？第6页/共195页第七页，共196页。seTLLLL22第7页/共195页第八页，共196页。第8页/共195页第九页，共196页。n s第9页/共195页第十页，共196页。焊接焊接(hnji)内应力的种类和产生内应力的种类和产生第10页/共195页第十一页，共196页。1）按应力的）按应力的 分布分布(fnb)范范围围2）根据结构）根据结构(jigu)中的空中的空间位置间位置宏观应力：在整个焊接范围

5、平衡的应力宏观应力：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三向应力：应力沿构件的三个方向作用3）根据应力与焊）根据应力与焊 缝的相对位置缝的相对位置纵向应力：应力作用方向与焊缝平行纵向应力：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瞬时

6、应力：焊接过程出现的应力残余应力：焊后留下的应力残余应力：焊后留下的应力温度应力：由于焊件不均匀加热引起的应力温度应力：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）根据应力 形成原因形成原因 4）根据应力产生）根据应力产生 、作用的时间、作用的时间第11页/共195页第十二页，共196页。应力随之消失。应力随之消失。 ) )n举例：框架结构的温度应举例：框架结构的温度应力平衡力平衡(pnghng)(pnghng)特点特点第12

7、页/共195页第十三页，共196页。因此：任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部因此：任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部分受压应力，阻碍分受压应力，阻碍(z i)构件伸长的其它部分则受拉应力构件伸长的其它部分则受拉应力。任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应力，而阻碍力，而阻碍(z i)收缩的构件的其它部分则受压应力。收缩的构件的其它部分则受压应力。第13页/共195页第十四页，共196页。加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形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冷却收宿受拘束产生残余(c

8、ny)应力（拉应力）拉伸应力（拉应力）拉伸屈服变形屈服变形第14页/共195页第十五页，共196页。第15页/共195页第十六页，共196页。n4.金属屈服点假定：金属屈服点假定：第16页/共195页第十七页，共196页。低碳钢的屈服点与温度低碳钢的屈服点与温度(wnd)的关的关系系第17页/共195页第十八页，共196页。温度场：温度场：对端面中心对称对端面中心对称(zhn xn du chn)的不均温度场的不均温度场T=f(x)第18页/共195页第十九页，共196页。变形变形(bin xng)分析：取单位长度分析其变形分析：取单位长度分析其变形(bin xng)与应力与应力假设假设(ji

9、sh)：T0=0，则，则T=T由平面假设，变形时截面保持平面由平面假设，变形时截面保持平面温度场对称，端面只作平移温度场对称，端面只作平移(pn y)，e为常数为常数可见：板条中心可见：板条中心0，受压；板条两侧，受压；板条两侧0，受压，受压第19页/共195页第二十页，共196页。矩形矩形(jxng)(jxng)面积面积= =曲线下的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力的平衡相当于拉、压应力区面积的平衡第20页/共195页第二十一页，共196页。即为即为T=f(x)T=f(x)时的外观时的外观(wigun)(wigun)应变应变可求得各点应力的大小，可求得各点应力的大小，应

10、力分布分为应力分布分为(fn wi)(fn wi)三个区域：两侧受拉，中间受压三个区域：两侧受拉，中间受压冷却后，应力和应变消失；即无残余冷却后，应力和应变消失；即无残余(cny)(cny)应力和残余应力和残余(cny)(cny)变形变形第21页/共195页第二十二页，共196页。产生产生(chnshng)压缩塑性变形，压缩塑性变形，第22页/共195页第二十三页，共196页。第23页/共195页第二十四页，共196页。冷却后，应力和应变冷却后，应力和应变(yngbin)(yngbin)不能完全消失不能完全消失( (存在压缩塑性变形存在压缩塑性变形) )实际上，残余外观实际上，残余外观(wig

11、un)变形：变形：e 理论上，中心理论上，中心(zhngxn)凹陷量凹陷量残余应力残余应力第24页/共195页第二十五页，共196页。热量集中的热源，热量集中的热源，C小，残余变形小小，残余变形小的大小取决于的大小取决于C的大小，所以热量集中的热的大小，所以热量集中的热源源小小smax第25页/共195页第二十六页，共196页。温度场：温度场：典型典型(dinxng)的非对的非对称温度场称温度场第26页/共195页第二十七页，共196页。这两种情况为不平衡力矩这两种情况为不平衡力矩(l j)(l j)，不能发生，不能发生第27页/共195页第二十八页，共196页。第28页/共195页第二十九页

12、，共196页。内应力平衡条件为：内应力平衡条件为：截面有转动截面有转动(zhun dng)，所以，所以e 非常数，是非常数，是x的线性函的线性函数数第29页/共195页第三十页，共196页。板条平均板条平均(pngjn)伸长率为：伸长率为：板条曲率板条曲率(ql)为：为：第30页/共195页第三十一页，共196页。结论：结论：当当s时产生时产生(chnshng)残余应力和残余应力和残余变形；残余变形；当当s时不产生时不产生(chnshng)残余应力和残余应力和残余变形；残余变形；sspp第31页/共195页第三十二页，共196页。1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于）对构件进行

13、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，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）通常，焊接过程中焊件的变形方向(fngxing)与焊后焊与焊后焊件的变形方向件的变形方向(fngxing)相反。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，）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。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）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的

14、应力分布是不均匀的。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。力。 由上述由上述(shngsh)讨论可知：讨论可知：第32页/共195页第三十三页，共196页。热循环热循环拘束度拘束度焊接热循环中产生的残余应力和变形焊接热循环中产生的残余应力和变形 主要取决于主要取决于焊接引起的变形焊接引起的变形(bin xng)和应力和应力焊接焊接(hnji)过程的特殊性及假定条件过程的特殊性及假定条件(1)(1)高温下金属的性能发生显著变化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例如：低碳钢不同温度下的屈服强度 可能出现的相

15、变将引起许多物理和力可能出现的相变将引起许多物理和力学参量的变化学参量的变化(2)(2)焊接温度场是一个空间焊接温度场是一个空间(kngjin)(kngjin)分布分布极不均匀的温度场极不均匀的温度场 与前面分析的沿长度同时加热的模型有与前面分析的沿长度同时加热的模型有较大差别，平面假设的准确性受到影响。较大差别，平面假设的准确性受到影响。 平面假设的适用条件：焊接速度快；材平面假设的适用条件：焊接速度快；材料导热慢料导热慢第33页/共195页第三十四页，共196页。受拘束体在热循环中的应力与应变受拘束体在热循环中的应力与应变(yngbin)的演变过程的演变过程(1) 取一单位长度的低碳钢棒，

16、其两端取一单位长度的低碳钢棒，其两端(lin dun)(lin dun)被固定不能伸被固定不能伸缩，将该棒均匀加热，然后冷却。缩，将该棒均匀加热，然后冷却。弹性状态，弹性状态，无残余无残余(cny)应力应力第34页/共195页第三十五页，共196页。(2)有塑性变形有塑性变形及残余及残余(cny)应力应力第35页/共195页第三十六页，共196页。(3)残余残余(cny)应力等于材应力等于材料屈服极限料屈服极限第36页/共195页第三十七页，共196页。焊接应力与应变的演变焊接应力与应变的演变(ynbin)过程过程第37页/共195页第三十八页，共196页。焊接热应变焊接热应变(yngbin)

17、循环循环近缝区的两种情况近缝区的两种情况(qngkung)a)(qngkung)a)无相变；无相变；b)b)有相变有相变第38页/共195页第三十九页，共196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残余焊接残余变形变形 掌握焊接残余变形掌握焊接残余变形的类型、产生原因、影的类型、产生原因、影响因素响因素 纵向收缩变形、横纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、向收缩变形、角变形、弯曲变形、错边变形和弯曲变形、错边变形和扭曲变形扭曲变形第39页/共195页第四十页，共196页。波浪变形波浪变形错边变形错边变形扭曲变形扭曲变形焊接残余变形焊接残余变形(bin xng)分为七类分为七类

18、 焊接残余(cny)(cny)变形：焊接后残存于结构中的变形。第40页/共195页第四十一页，共196页。纵向变形结果纵向变形结果第41页/共195页第四十二页，共196页。这两个这两个(lin )区域统称为收缩区域统称为收缩变形区变形区纵向收缩变形产生纵向收缩变形产生(chnshng)的原因的原因纵向收缩变形产生的根本主要原因纵向收缩变形产生的根本主要原因第42页/共195页第四十三页，共196页。收缩变形区的存在收缩变形区的存在(cnzi)使构件相当于受到一个假使构件相当于受到一个假想外力想外力Ff的作用而缩短的作用而缩短L第43页/共195页第四十四页，共196页。纵向收缩纵向收缩(sh

19、u su)变形的影响因素变形的影响因素AdALAELFLpApf焊缝的长度焊缝的长度(chngd)：L L(间断焊连续焊间断焊连续焊)构件的截面积：构件的截面积：AL压缩塑性变形：？压缩塑性变形：？第44页/共195页第四十五页，共196页。温差温差 Ln焊接方法：不同焊接方法，热源集中程度不焊接方法：不同焊接方法，热源集中程度不同，同，HAZ不同，即不同，即AP不同不同n材料性质：材料性质：L第45页/共195页第四十六页，共196页。第46页/共195页第四十七页，共196页。纵向收缩纵向收缩(shu su)量的估算量的估算Aw 为单层或一层对接焊缝金属为单层或一层对接焊缝金属(jnsh)

20、或一条角焊缝的截面积；或一条角焊缝的截面积；k1 为单层对接焊缝时考虑的系数，与为单层对接焊缝时考虑的系数，与焊接方法和材料有关；焊接方法和材料有关；k2 为多层对接焊缝时考虑的系数；或为多层对接焊缝时考虑的系数；或双面角焊缝双面角焊缝T型接头时考虑的系数。型接头时考虑的系数。第47页/共195页第四十八页，共196页。横向变形结果横向变形结果第48页/共195页第四十九页，共196页。这两个区域这两个区域(qy)统称为收缩变形区统称为收缩变形区横向向收缩变形产生横向向收缩变形产生(chnshng)的原因的原因横向收缩变形产生的根本主要原因横向收缩变形产生的根本主要原因即在热源附近的金属受热膨

21、胀，但将受周围温度较低的金属的约束即在热源附近的金属受热膨胀，但将受周围温度较低的金属的约束而承受压应力，这样在板宽方向上产生压缩塑性变形，并使其厚度而承受压应力，这样在板宽方向上产生压缩塑性变形，并使其厚度增加，最终结果表现为横向收缩。增加，最终结果表现为横向收缩。第49页/共195页第五十页，共196页。通过热变形通过热变形(bin xng)计算和实验得到计算和实验得到横向收缩变形横向收缩变形(bin xng)B大小为大小为第50页/共195页第五十一页，共196页。第51页/共195页第五十二页，共196页。的挤压，使厚度方向变形的挤压，使厚度方向变形横横向收缩向收缩第52页/共195页

22、第五十三页，共196页。wwqcqBcqBwt2第53页/共195页第五十四页，共196页。横向收缩变形横向收缩变形(bin xng)量的对比量的对比第54页/共195页第五十五页，共196页。的横向压缩变形。的横向压缩变形。(1)分布分布(fnb)第55页/共195页第五十六页，共196页。图图2-17 2-17 弯曲变形弯曲变形（a a）由纵向收缩引起的弯）由纵向收缩引起的弯曲变形曲变形（b b）由横向收缩引起的弯）由横向收缩引起的弯曲变形曲变形第56页/共195页第五十七页，共196页。应力应力抗弯截面中心抗弯截面中心弯曲变形弯曲变形根本原因：产生压应力的部位相对根本原因：产生压应力的部

23、位相对(xingdu)(xingdu)于构件中性轴不于构件中性轴不对称对称第57页/共195页第五十八页，共196页。第58页/共195页第五十九页，共196页。第59页/共195页第六十页，共196页。方向方向(fngxin(fngxing)g)相反相反焊后会表现出较大的弯曲焊后会表现出较大的弯曲(wnq)(wnq)变形变形 (1)装焊顺序：装焊顺序：工工第60页/共195页第六十一页，共196页。如果焊接如果焊接(hnji)(hnji)前先将腹板和上前先将腹板和上下翼板点固成工字梁，施焊时按照下翼板点固成工字梁，施焊时按照括号内的顺序进行，则会使焊接括号内的顺序进行，则会使焊接(hnji)

24、(hnji)过程中结构的惯性矩过程中结构的惯性矩IIII和和偏心距偏心距eIeI基本保持不变，这样就可基本保持不变，这样就可以使两对角焊缝引起的弯曲变形相以使两对角焊缝引起的弯曲变形相互抵消，能够保持构件的基本平直互抵消，能够保持构件的基本平直。 说明，通过调整说明，通过调整(tiozhng)(tiozhng)装配和焊接顺序，可以对弯曲变形的程装配和焊接顺序，可以对弯曲变形的程度进行调整度进行调整(tiozhng)(tiozhng)，可以根据实际情况要求，降低构件的弯曲，可以根据实际情况要求，降低构件的弯曲挠度。挠度。 (2)焊前先点固成工字形截面焊前先点固成工字形截面(jimin)，则近似地

25、有：，则近似地有：f=f工工第61页/共195页第六十二页，共196页。第62页/共195页第六十三页，共196页。(1) 产生产生(chnshng)原因原因第63页/共195页第六十四页，共196页。第64页/共195页第六十五页，共196页。下挠的数值下挠的数值(shz)(shz)可以根据每对角焊缝产生的横向收缩变形量来可以根据每对角焊缝产生的横向收缩变形量来估算估算第65页/共195页第六十六页，共196页。第66页/共195页第六十七页，共196页。肋板数量肋板数量(shling)n(shling)n为偶为偶数时数时 肋板数量肋板数量(shling)n(shling)n为奇为奇数时数时

26、 第67页/共195页第六十八页，共196页。图图2-21 角变形角变形第68页/共195页第六十九页，共196页。第69页/共195页第七十页，共196页。第70页/共195页第七十一页，共196页。图图2-24 平板表面火焰加热的线能量与其角变形平板表面火焰加热的线能量与其角变形(bin xng)的关系曲线的关系曲线第71页/共195页第七十二页，共196页。第72页/共195页第七十三页，共196页。第73页/共195页第七十四页，共196页。对接(du ji)焊层数与角变形的关系第74页/共195页第七十五页，共196页。对接多层焊防止(fngzh)角变形方法第75页/共195页第七十

27、六页，共196页。丁字接头丁字接头(ji tu)的角的角变形变形筋板与主板的角变形筋板与主板的角变形(bin xng)主板自身的角变形主板自身的角变形(bin xng)角焊缝所产生角焊缝所产生(chnshng)(chnshng)的角的角变形变形第76页/共195页第七十七页，共196页。第77页/共195页第七十八页，共196页。第78页/共195页第七十九页，共196页。第79页/共195页第八十页，共196页。第80页/共195页第八十一页，共196页。图图2-25 2-25 角变形在焊缝长度上的分布角变形在焊缝长度上的分布第81页/共195页第八十二页，共196页。图图2-26 波浪波浪

28、(blng)变变形形图图2-27 薄板受压失稳薄板受压失稳第82页/共195页第八十三页，共196页。焊接波浪变形的形成原因：焊接波浪变形的形成原因： 焊后存在焊后存在(cnzi)(cnzi)于平板中的内应力，一般情况下于平板中的内应力，一般情况下在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在压应力的作用下，如果压应力的作用下，如果 ，薄板可能失稳，薄板可能失稳，产生波浪变形。产生波浪变形。第83页/共195页第八十四页，共196页。第84页/共195页第八十五页，共196页。有效断有效断面减小面减小应力集中应力集中加大加大焊接填充量加大焊

29、接填充量加大第85页/共195页第八十六页，共196页。n两种材料的热膨胀的差异两种材料的热膨胀的差异图图2-32 2-32 焊接过程中对接边的焊接过程中对接边的热输入不平衡的典型例子热输入不平衡的典型例子a) 工件与夹具工件与夹具(jij)一边接触一边接触较紧，导热较快，另一边较紧，导热较快，另一边接触不良，导热较慢；接触不良，导热较慢；b) b) 工件与夹具工件与夹具(jij)间一边间一边导热不良，另导热不良，另边导热良边导热良好；好；c) c) 焊接热源偏离中心，一焊接热源偏离中心，一边热输入量大，另一边热边热输入量大，另一边热输入量小；输入量小；d) d) 对接边一边热容量大，对接边一

30、边热容量大，导热快，另一边热容量小导热快，另一边热容量小，导热慢。，导热慢。 第86页/共195页第八十七页，共196页。图图2-33 2-33 封头与筒身环焊缝封头与筒身环焊缝对接边错边的产生过程对接边错边的产生过程第87页/共195页第八十八页，共196页。第88页/共195页第八十九页，共196页。第89页/共195页第九十页，共196页。第90页/共195页第九十一页，共196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

31、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91页/共195页第九十二页，共196页。纵向应力纵向应力x：沿焊缝方向上的应力：沿焊缝方向上的应力横向横向(hn xin)应力应力y：垂直于焊缝方向上的应力：垂直于焊缝方向上的应力 z：厚度方向上的应力：厚度方向上的应力第92页/共195页第九十三页，共196页。(1) 纵向残余应力纵向残余应力(yngl)在纵向上的分布在纵向上的分布 纵向残余应力纵向残

32、余应力(yngl)的分布的分布x原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循环特原因：板条两端的边界条件与中间部分不同，拘束度和热循环特性不尽相同，使两端的纵向残余应力性不尽相同，使两端的纵向残余应力(yngl)出现过渡区。出现过渡区。总结：总结： 板条中部区板条中部区，焊缝纵向残余应力，焊缝纵向残余应力基本保持不变。在板基本保持不变。在板条的端部存在一个内条的端部存在一个内应力的过渡区，纵向应力的过渡区，纵向残余应力逐渐降至零残余应力逐渐降至零。第93页/共195页第九十四页，共196页。不同长度低碳钢板焊接不同长度低碳钢板焊接(hnji)纵向应力分布纵向应力分布图图2-37 不同焊

33、缝长度不同焊缝长度x值的变化值的变化第94页/共195页第九十五页，共196页。中间拉应力中间拉应力(yngl)，两侧压应力，两侧压应力(yngl)第95页/共195页第九十六页，共196页。（a）低碳钢）低碳钢 （b） 铝合金铝合金图图2-38 焊缝纵向应力沿板材横向焊缝纵向应力沿板材横向(hn xin)上的上的分布分布x=sxs与材料与材料(cilio)的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关的热导率、热膨胀系数、弹性模量等物理性能有关第96页/共195页第九十七页，共196页。(3)圆筒环形圆筒环形(hun xn)焊焊图图2-39 圆筒环焊缝纵向圆筒环焊缝纵向(zn xin)残余应力

34、残余应力的分布的分布低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较大低碳钢：圆筒直径与壁厚之比较大时，分布与平板相似时，分布与平板相似(xin s)，x=s圆筒直径与壁厚之比较小时，圆筒直径与壁厚之比较小时，xs图图2- 40 环焊缝纵向应力与圆筒半径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及焊接塑性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97页/共195页第九十八页，共196页。横向横向(hn xin)残余应力的分布残余应力的分布y y 由焊缝及其附近由焊缝及其附近(fjn)的塑性变形区的纵向收缩引的塑性变形区的纵向收缩引起的起的y= +(叠加

35、叠加) y由焊缝及其附近由焊缝及其附近(fjn)的塑性变形区的横向收缩的的塑性变形区的横向收缩的不不 同时性所引起的同时性所引起的第98页/共195页第九十九页，共196页。(1)y分析分析(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99页/共195页第一百页，共196页。-+图图2-41 纵向应力纵向应力x引起引起(ynq)的横向应力的横向应力y第100页/共195页第一百零一页，共196页。不同材料不同材料(cilio)、工、工艺会形成不同的应力分艺会形成不同的应力分布布图图2-42 不同长度焊缝不同长度焊缝(hn fn)中的横向残余应力（中的横向残余应力（y）的分布）

36、的分布第101页/共195页第一百零二页，共196页。(2)y分析分析(fnx)：第102页/共195页第一百零三页，共196页。 1 2 3T1T2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对接过程中，设将焊缝分为三个区域，电弧位于某点时，区段域，电弧位于某点时，区段I的焊缝金的焊缝金属恢复弹性，区段属恢复弹性，区段II的焊缝金属处于的焊缝金属处于(chy)完全塑性状态，区段完全塑性状态，区段III的焊缝的焊缝金属处于金属处于(chy)熔化状态。熔化状态。开始，区段I的焊缝金属横向收缩不会受到区段II和区段II

37、I的拘束，此时属于自由(zyu)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103页/共195页第一百零四页，共196页。s图图2-43 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？思考？思考(sko)：从一端向另一端的直通焊焊接残余应力的分布情况。：从一端向另一

38、端的直通焊焊接残余应力的分布情况。不同焊接不同焊接(hnji)顺序对横向应力顺序对横向应力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104页/共195页第一百零五页，共196页。第105页/共195页第一百零六页，共196页。(3)总的总的y大小大小(dxio)受受s的限制的限制第106页/共195页第一百零七页，共196页。图图2-44 横向应力沿板宽上的分布横向应力沿板宽上的分布(4)横向横向(hn xin)应力在板宽方向应力在板宽方向上的分布上的分布焊缝中心应力焊缝中心应力(yngl)幅值大，两侧应力幅值大，两侧应力(yngl)幅值小，边缘处应力幅值

39、小，边缘处应力(yngl)值为零。值为零。第107页/共195页第一百零八页，共196页。 厚板中的残余应力：厚板中的残余应力：x y z 三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接三者均在厚度方向上有很大不同，不同的焊接(hnji)工艺差别很大工艺差别很大第108页/共195页第一百零九页，共196页。厚钢板厚钢板(gngbn)焊缝焊缝(hn fn)水冷铜滑水冷铜滑块块图图 厚板电渣焊接现场厚板电渣焊接现场(xinchng)(1)电渣焊电渣焊第109页/共195页第一百一十页，共196页。YZXZXY+240mm180MPa240MPa300MPa图图 厚板电渣焊厚度厚板电渣焊厚度(hud)(

40、Z)方向的残余应力分布方向的残余应力分布第110页/共195页第一百一十一页，共196页。(2)厚板对接厚板对接(du ji)焊多层多道焊的三向残余应力焊多层多道焊的三向残余应力(10Cr2Mo)ZYX-125MPa厚度方向应力厚度方向应力z240MPa230MPa280MPa纵向应力纵向应力x125MPa85MPa420MPa横向应力横向应力y图图2-46 厚板厚板V形坡口多层焊时沿厚度形坡口多层焊时沿厚度(hud)上的应力分布上的应力分布第111页/共195页第一百一十二页，共196页。应力应力(yngl)集集中中塑性塑性(sxng)绞链中心绞链中心角变形角变形(bin xng)多层焊的热

41、疲劳多层焊的热疲劳焊根裂纹焊根裂纹图 厚板焊接接头缺陷第112页/共195页第一百一十三页，共196页。=y+f结论：结论：由拘束产生的反作用力由拘束产生的反作用力f与自由状态下焊接与自由状态下焊接(hnji)产生产生的横向残余应力的横向残余应力y之和。之和。第113页/共195页第一百一十四页，共196页。=x+f结论结论(jiln)(jiln)：焊缝引起的：焊缝引起的纵向收缩受到限制，将产生纵向收缩受到限制，将产生纵向反作用内应力纵向反作用内应力ff。焊。焊缝还将引起纵向应力缝还将引起纵向应力xx， 最终的内应力是二者的综合最终的内应力是二者的综合。第114页/共195页第一百一十五页，共

42、196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，对结构构(jigu)(jigu)的影响较大，在设计和施工时应注意的影响较大，在设计和施工时应注意采取措施消除或减少。采取措施消除或减少。第115页/共195页第一百一十六页，共196页。封闭封闭(fngb)焊缝引起的内应力焊缝引起的内应力图图2-49 容器接管焊缝容器接管焊缝封闭封闭(fngb)焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。焊缝是在较大拘束下焊接的，因此内应力比自由状态时大。第116页/共195页第一百一十七页，共196页。(x)r(y)图图 封闭封闭(fngb)环焊缝

43、残余应力分布环焊缝残余应力分布a-封闭封闭(fngb)环焊缝环焊缝b-纵横应力纵横应力(yngl)分布分布r(y)(x)第117页/共195页第一百一十八页，共196页。中部存在均匀的双轴应力场中部存在均匀的双轴应力场中心的应力的大小与镶块直中心的应力的大小与镶块直径径d和圆盘直径和圆盘直径D的比值有关的比值有关(yugun)，d/D越小，拘束度越小，拘束度越大，镶块中的内应力越大。越大，镶块中的内应力越大。第118页/共195页第一百一十九页，共196页。（a）相变温度高于塑性温度）相变温度高于塑性温度 （b）相变温度低于塑性温度）相变温度低于塑性温度图图2-51 钢材加热和冷却时的膨胀和收

44、缩曲线钢材加热和冷却时的膨胀和收缩曲线第119页/共195页第一百二十页，共196页。图图2-52 高强高强(goqing)钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的钢焊接相变应力对纵向残余应力分布的影响影响(a)焊缝焊缝(hn fn)金属为奥氏金属为奥氏体钢体钢(b)焊缝成分焊缝成分(chng fn)与与母材相近母材相近第120页/共195页第一百二十一页，共196页。焊接残余应力焊接残余应力(yngl)对静载强度的影响对静载强度的影响内应力：焊缝内应力：焊缝(hn fn)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+

45、外应力外应力第121页/共195页第一百二十二页，共196页。塑性材料：有足够的塑性变形能力塑性材料：有足够的塑性变形能力(nngl)，无影响，无影响外应力与内应力叠加，当拉应力峰外应力与内应力叠加，当拉应力峰值达到材料的屈服值达到材料的屈服(qf)极限极限s后，后，该区域的应力不再增加，而产生塑性该区域的应力不再增加，而产生塑性变形。变形。继续增加外力，构件中尚未屈服继续增加外力，构件中尚未屈服(qf)的区域的应力值继续增加并逐的区域的应力值继续增加并逐渐屈服渐屈服(qf)，直至整个截面上应力，直至整个截面上应力完全达到完全达到s，应力就全面均匀化了。，应力就全面均匀化了。由于初始内应力是平

46、衡的，即拉应由于初始内应力是平衡的，即拉应力和压应力的面积相等。所以使构件力和压应力的面积相等。所以使构件截面完全屈服截面完全屈服(qf)所需要施加的外所需要施加的外力与无内应力而使构件完全屈服力与无内应力而使构件完全屈服(qf)所需要施加的外力是相等的。所需要施加的外力是相等的。 塑性材料塑性材料第122页/共195页第一百二十三页，共196页。脆性脆性(cuxng)材料：材料发生局部破坏，有影响，降低静载强度材料：材料发生局部破坏，有影响，降低静载强度脆性脆性(cuxng)材料材料当外载荷增加时，由于材料当外载荷增加时，由于材料不能发生塑性变形而使构件上不能发生塑性变形而使构件上的应力的应

47、力(yngl)均匀化，因而应均匀化，因而应力力(yngl)峰值不断增加，一直峰值不断增加，一直达到材料的断裂极限达到材料的断裂极限 。这。这将造成局部破坏，从而导致整将造成局部破坏，从而导致整个构件断裂。个构件断裂。 第123页/共195页第一百二十四页，共196页。刚度：构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位长度刚度：构件在外力作用下抵抗变形的能力；伸长单位长度(chngd)(chngd)所需的外力。所需的外力。E ：弹性模量；：弹性模量；L：构件：构件(gujin)长度；长度；F ：外力；：外力； A：构件：构件(gujin)截面积截面积。伸长量伸长量刚度刚度第124页/共195页第一百

48、二十五页，共196页。 刚度(n d)减小加载过程加载过程(guchng)b区域：区域：B-bB-b区域：区域：第125页/共195页第一百二十六页，共196页。外力作用消失外力作用消失(xiosh)(xiosh)，各区的，各区的应力均匀下降应力均匀下降卸载卸载(xi zi)过程过程回弹回弹(hu dn)量量( )卸载后，相对于卸载前伸长了卸载后，相对于卸载前伸长了b区域：区域：B-b区域：区域：第126页/共195页第一百二十七页，共196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

49、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127页/共195页第一百二十八页，共196页。加载过程加载过程(guchng)卸载卸载(xi zi)过程过程第128页/共195页第一百二十九页，共196页。v 即焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加即焊接构件经过一次加载和卸载后，如再加载，只要其大小不超过前一次，内应力就不再载，只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

50、布。起作用，外载也不影响内应力的分布。v 只适用于静载，对频率只适用于静载，对频率(pnl)(pnl)较高、次数较高、次数较多的变载荷另当别论，较多的变载荷另当别论，重要(zhngyo)结论第129页/共195页第一百三十页，共196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)范围内范围内工作时，其失稳的临界应力，可由下式求得：工作时，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；I：为构件：为构件(gujin)截面惯性矩；截面惯性矩； A：截面积。：截面积。：细长比；：细长比；：截面惯性距半径。：截面惯性

51、距半径。第130页/共195页第一百三十一页，共196页。受压前受压前受压后受压后F第131页/共195页第一百三十二页，共196页。 受压焊接柱的弹性区与拉伸受压焊接柱的弹性区与拉伸(l shn)(l shn)残余应力相对应，如残余应力相对应，如果能使残余拉应力区远离截面中性轴，则会大大提高有效截面惯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。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132页/共195页第一百三十三页，共196页。内应力的影响只在构件的一定内应力的影响只在构件的一定(ydng)的长细比范的长细比范围内起作用。即围内起作

52、用。即30 e3,4f1,2f3,4选择线能量较低的焊接方法采用多层焊代替单层焊选择高能量密度的焊接方法采用冷却方式限制(xinzh)(xinzh)、缩小焊接热场 第153页/共195页第一百五十四页，共196页。图图2-65 带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序第一种焊接顺序：第一种焊接顺序： 焊缝焊缝(hn fn)3、1、2弯曲变形：弯曲变形：f1+f2+f3 第二种焊接顺序：第二种焊接顺序： 焊缝焊缝(hn fn)1、2、3弯曲变形：弯曲变形：f1+f2-f3 第三种焊接顺序：第三种焊接顺序： 焊缝焊缝(hn fn)2、1、3弯曲变形：弯曲变形：f1-f3 第15

53、4页/共195页第一百五十五页，共196页。大型大型(dxng)储油罐的焊接储油罐的焊接第155页/共195页第一百五十六页，共196页。第156页/共195页第一百五十七页，共196页。第157页/共195页第一百五十八页，共196页。 a）按图纸下料 b）焊后残余变形(bin xng) c）预制反变形(bin xng)下挠下挠 上拱 平直(pn zh)第158页/共195页第一百五十九页，共196页。 焊前焊前 焊后焊后 焊前焊前 焊后焊后第159页/共195页第一百六十页，共196页。图图2-67 焊接梁柱结构的反变形焊接梁柱结构的反变形第160页/共195页第一百六十一页，共196页。

54、第161页/共195页第一百六十二页，共196页。工件(gngjin)压板压板(y bn) 控制控制薄板薄板T形接头的形接头的 角变形角变形!图图2-68 2-68 刚性固定法焊接法兰盘刚性固定法焊接法兰盘第162页/共195页第一百六十三页，共196页。（a）采用压铁）采用压铁 （b）用角钢临时增加近缝区刚性）用角钢临时增加近缝区刚性图图2-69 防止薄板波浪变形的辅助措施防止薄板波浪变形的辅助措施第163页/共195页第一百六十四页，共196页。第164页/共195页第一百六十五页，共196页。 方法要点：三要素方法要点：三要素 位置、形状、温度。位置、形状、温度。 在焊缝两侧母材带状加热

55、在焊缝两侧母材带状加热(ji r)至至200左右。利用加热左右。利用加热(ji r)带自身的热胀效应，对焊缝产生直接的拉伸作用并产生拉伸带自身的热胀效应，对焊缝产生直接的拉伸作用并产生拉伸塑性变形，从而松弛应力。塑性变形，从而松弛应力。 第165页/共195页第一百六十六页，共196页。图图2-70 温差拉伸专用夹具温差拉伸专用夹具 火焰加热器第166页/共195页第一百六十七页，共196页。图图2-71 随焊激冷法的原理随焊激冷法的原理基本原理是利用与焊接加热过基本原理是利用与焊接加热过程相反的方法，采用冷却程相反的方法，采用冷却(lngqu)(lngqu)介质使焊接区获得介质使焊接区获得比

56、相邻区域（母材）更低的负比相邻区域（母材）更低的负温差，在冷却温差，在冷却(lngqu)(lngqu)过程过程中，焊接区由于受到周围金属中，焊接区由于受到周围金属的拉伸而产生伸长塑性变形，的拉伸而产生伸长塑性变形，从而抵消焊接过程中形成的压从而抵消焊接过程中形成的压缩塑性变形，达到消除残余应缩塑性变形，达到消除残余应力的目的。力的目的。第167页/共195页第一百六十八页，共196页。第168页/共195页第一百六十九页，共196页。图图2-72 2-72 施加预拉伸载荷的几种方案施加预拉伸载荷的几种方案(1)预拉伸预拉伸(l shn)法法第169页/共195页第一百七十页，共196页。图图2

57、-73 随焊碾压示意图随焊碾压示意图第170页/共195页第一百七十一页，共196页。1焊枪焊枪 2-汽锤汽锤 3-固定平台固定平台 4-锤头锤头 5-工件工件图图2-742-74随焊锤击实施方案随焊锤击实施方案第171页/共195页第一百七十二页，共196页。第172页/共195页第一百七十三页，共196页。第173页/共195页第一百七十四页，共196页。第174页/共195页第一百七十五页，共196页。(a) 三点弯曲矫形三点弯曲矫形 (b) 辗压矫形辗压矫形图图2-75 机械矫正法的应用机械矫正法的应用第175页/共195页第一百七十六页，共196页。第176页/共195页第一百七十七

58、页，共196页。 对焊件施加一次机械拉伸，可以起到减小纵向焊接对焊件施加一次机械拉伸，可以起到减小纵向焊接(hnji)(hnji)变形和降低残余应力的效果。因为焊接变形和降低残余应力的效果。因为焊接(hnji)(hnji)残余残余应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，残余应力也就消除的越彻底。塑性变形就抵消的越多，残余应力也就消除的越彻底。 第177页/共195页第一百七十八页，共196页。 利用偏心轮和变速电动机组成激振器使结构发生共振所产利用偏心轮和变速电动机组成激振器使结构发生共振所产生的应力循环

59、生的应力循环(xnhun)(xnhun)来降低残余应力。来降低残余应力。 (a)初始应力分布初始应力分布 (b) 试件截面试件截面(jimin) (c) 经过经过6.2106次循环后的内应力分布次循环后的内应力分布(d) 经不同循环次数作用后内应力峰值的变化经不同循环次数作用后内应力峰值的变化 图图2-76 振动循环次数与消除应力的效果振动循环次数与消除应力的效果第178页/共195页第一百七十九页，共196页。橡胶垫橡胶垫构件构件(gujin)激振器激振器振动振动(zhndng)主机主机偏心块偏心块振动时效工艺振动时效工艺图图 振动时效处理工艺振动时效处理工艺第179页/共195页第一百八十页，共196页。第180页/共195页第一