焊接结构讲稿

1、第二章第二章 焊接应力与变形焊接应力与变形本章重点：本章重点： 1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形焊接残余变形 4.预防和矫正残余变形的方法预防和矫正残余变形的方法 5.焊接残余应力焊接残余应力 6.焊接残余应力的调节及消除措施焊接残余应力的调节及消除措施本章难点：本章难点： 1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形焊接

2、残余变形 4.焊接残余应力焊接残余应力2.1 2.1 焊接应力与变形的基本概念焊接应力与变形的基本概念 1.按应力的按应力的 分布范围分布范围2.根据结构中根据结构中 的空间位置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. 1一一 焊接应力产生的原因及分类焊接应力产生的原因及分类 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. 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

3、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. 11.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：010TTLLT0LLTT01TT 二二 焊接变形产生原因及分类焊接变形产生原因及分类 2.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

4、：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形 ； 00LLeTLLL00LL4 分析焊接变形的几个简化假设分析焊接变形的几个简化假设1）平截面假设）平截面假设2）金属物理性能假设）金属物理性能假设 是与温度无关的参量是与温度无关的参量3）金属屈服点的假设）金属屈服点的假设4）材料应力应变关系简化）材料应力应变关系简化、bSEC3 长板条加热产生的变形与应力长板条加热产生的变形与应力 假定：假定： 板条长宽比板条长宽比45 单向应力单向应力 线热源，厚度方向上温度是均匀的线热源，厚度方向上温度是均匀的 截面保持平面截面保持平面 1.对称加热模型对称加热模型2. 非对称加热模型非对称加热模型高温和室温

5、时焊接变形对高温和室温时焊接变形对比比v 结论结论1，外观变形曲线和自由变形曲线之间的距离表征对应金属，外观变形曲线和自由变形曲线之间的距离表征对应金属纤维的内部变形大小，也表征内应力的大小。当纤维的内部变形大小，也表征内应力的大小。当 内应力满足胡克定律，当内应力满足胡克定律，当内应力超过屈服极限，出现塑性变形内应力超过屈服极限，出现塑性变形2，外观变形曲线在自由变形曲线之上，则对应的金属纤维，外观变形曲线在自由变形曲线之上，则对应的金属纤维内部变形（应变）是拉伸变形（应变），出现的应力是拉内部变形（应变）是拉伸变形（应变），出现的应力是拉应力；反之内部变形（应变）是压缩变形（应变）出现压应

6、力；反之内部变形（应变）是压缩变形（应变）出现压应力应力ss3，外观变形的大小和方向由内应力平衡的规律来决定，并，外观变形的大小和方向由内应力平衡的规律来决定，并受其支配受其支配4，材料在均匀温度场的作用下加热温度当小于塑性温度时，材料在均匀温度场的作用下加热温度当小于塑性温度时，则材料根据约束情况和温度的高低出现弹性变形和热应力则材料根据约束情况和温度的高低出现弹性变形和热应力或者还出现塑性变形。若出现塑性变形，则不可恢复，导或者还出现塑性变形。若出现塑性变形，则不可恢复，导致室温条件下出现残余变形或应力。致室温条件下出现残余变形或应力。5，材料在不均匀温度场作用下，只要加热时出现塑性变形，

7、材料在不均匀温度场作用下，只要加热时出现塑性变形，冷却后就会出现残余变形和残余应力。残余应力的分布情冷却后就会出现残余变形和残余应力。残余应力的分布情况是：原来高温区出现拉应力，与高温区相接的低温区出况是：原来高温区出现拉应力，与高温区相接的低温区出现压应力，这和加热时的应力分布情况相反。而且压应力现压应力，这和加热时的应力分布情况相反。而且压应力区和拉应力区总是相接分布以形成自平衡体系。区和拉应力区总是相接分布以形成自平衡体系。四 焊接引起的内应力和变形 1 焊接应力与变形的特殊性 焊接温度场变化比较复杂 焊接温度变化范围大 焊接过程中可发生金属的相变2 不同拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的

8、变形和应力 1)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2) 2) 杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由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 |1.2ttTT01t2t 2.)2.)杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由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;|2 . 2max0Tt1t2t 3t4ts2pesT2.)2.)杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由杆件在拘束

9、条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力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s01t2t3t4tts 5t6t7t4psTs500600Co500Co600CTos600;|3 . 2maxT3. 3.）杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由）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收缩是的变形和应力 s |1 . 3T0t1t3. 3.）杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由）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收缩是的变形和应力TT1t2t3t4t2pt500Co500ss2pCTos

10、500;|2 . 3max03. 3.）杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由）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收缩是的变形和应力500600Co500Co6004p4p1t2t3t4t5tT0TtsCTos600;|3 . 3max3 3 焊接应力变形的演变过程焊接应力变形的演变过程焊接残余变形的基本类型焊接残余变形的基本类型 线方向发生扭转的变形螺旋变形：焊件沿着轴厚度方向上的错边度或胀不一致，所引起的长错边变形：两焊件热膨现波浪形，在焊薄板中出波浪变形：焊后构件程移面围绕焊缝产生的角位角变形：焊后构件的平布置偏离焊件的形心轴弯曲变形：由于焊缝的

11、尺寸缩短后在垂直焊缝的方向上横向收缩变形：构件焊尺寸缩短后在平行焊缝的方向上纵向收缩变形：构件焊. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1纵向收缩量的计算纵向收缩量的计算1.单层焊的纵向收缩量： F构件截面积 L构件长度 -焊缝截面积2.多层焊的收缩量：FLFKLH1HF焊接方法焊接方法CO2焊焊埋弧焊埋弧焊手工焊手工焊材料材料低碳钢低碳钢低碳钢低碳钢奥氏体钢奥氏体钢K10.0430.0710.0760.0480.0570.076nKFLFKKLsH851212层数nEss纵向引起弯曲变形结论纵向引起弯曲变形结论 反比与构件的截面惯性矩成的距离成正比与焊缝偏离板条形心轴积成正比与焊接线能量或堆

12、焊面. 3. 2. 1横向收缩变形及其产生的挠曲变形横向收缩变形及其产生的挠曲变形 固定的刚性系数钢板厚度焊接线能量大小为横向收缩变形得到通过热变形计算和实验LLqqBB对接接头横向变形的实对接接头横向变形的实验数据验数据丁字接头及搭接接头横丁字接头及搭接接头横向收缩向收缩横向收缩变形结论横向收缩变形结论 变形小横板上的热能量越小，丁字接头：立板越厚，越大，横向收缩小角焊缝：板越厚，刚度坡口角度的增大而增大随焊丝金属量，板厚和自动焊手工焊变形量：气焊. 4. 3. 2. 1横向收缩引起的挠曲变形横向收缩引起的挠曲变形角变形角变形 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

13、形 对接接头角变形对接接头角变形丁字接头和搭接接头的角丁字接头和搭接接头的角变形变形波浪变形波浪变形 v 原因：薄板在承受压应力，当其中的压应力达到-临界应力，薄板将出现波浪变形失去承载能力，称之为失稳。22221 12BABEkcr错边变形错边变形 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5. 5.预防和矫正焊接残余变形的方法预防和矫正焊接残余变形的方法 1.合理设计：1.选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴1. 1.合理设计合理设计2.合理的选择焊缝的尺寸和形式：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸3.尽可能

14、减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊2. 2.工艺措施工艺措施1. 正确的确定装配、焊接顺序v 不正确的装配次序：工字构件，先丁字，然后在装另一块盖板，焊后仍有较大的挠度v 丁字 v 工字 v 正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序 LLEJLePf822, 1IIEJLePf824, 32. 2.工艺措施工艺措施2.选择适当的施焊次序和方向 原则： 翻转辅助时间的交替焊，尽可能增加截面对称的构件应对称最后焊，对构件变形影响大的先焊离构件形心轴近的缝时，先焊少的一侧当结构形心轴两侧有焊. 3. 2. 1反变形法反变形法v 定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法

15、可以防止弯曲变形，和角变形。刚性固定法刚性固定法v 在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好合理的选择焊接的方法和焊接规范合理的选择焊接的方法和焊接规范v选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊代替单层焊 矫正残余变形的方法矫正残余变形的方法 1.机械矫正法：将变形的构件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而恢复和达到形状的要求，可以利用螺旋、气动、液压的器具来加外力矫正残余变形的方法矫正残余变形的方法 2.火焰矫正法：利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向

16、较大的钢材） 6. 6.焊接残余应力焊接残余应力 焊接残余应力分布焊接残余应力分布 ：厚度方向上的应力力：垂直焊缝方向上的应：焊缝方向上的应力ZYX. 3. 2. 11. 1.纵向应力纵向应力 的分布的分布 X1. 1.纵向应力纵向应力 的分布的分布X 横向应力的分布横向应力的分布 分段倒退焊端向中间焊从中间向两端焊或从两的直通焊从焊缝的一端到另一端焊接顺序引起的力纵向收缩引起的横向应. 3. 2. 1. 2. 1Y 横向应力的分布横向应力的分布 另一端的直通焊从焊缝的一端到从两端向中间焊从中间向两端焊或 横向应力的分布横向应力的分布 倒退焊分段厚板中的残余应力分布厚板中的残余应力分布封闭焊缝

17、中的残余应力分布封闭焊缝中的残余应力分布组织应力组织应力 相变应力相变应力 焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响 1. 对静载强度的影响 2. 对机械加工精度的影响原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证，材料发生局部破坏至应力峰值不断增加，直产生应力的均匀化过程脆性材料，构件不可能性变形能力，无影响塑性材料，有足够的塑b. 2. 1焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响3 对疲劳强度的影响（研究不够充分）4 对应

18、力腐蚀的影响原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次加载，卸载后，以后再次加载，只要其大小不超过前一次，残余应力不再起作用，外载也不影响焊件内部残余应力的分布7. 7.焊接残余应力的调节及消除措施焊接残余应力的调节及消除措施 1.调节残余应力的措施 1.1设计措施:设计上减小焊接应力的核心是正确布置焊缝，以避免应力叠加 设计原则设计原则减小应力集中面突变处，应力最严重的区域和断焊缝尽量不布置在工作式采用刚性较小的接头形尽量避免三轴交叉焊缝离为容器上相邻焊缝最小距合相关要求相邻焊缝最小距离要符

19、焊缝不止应避免集中，尺寸和长度下，尽量减少焊缝截面在保证结构强度的前提. 5. 4. 31003. 2. 1mmt工艺措施工艺措施 工艺原则工艺原则焊接时预热和跟踪加热锤击或碾压焊缝的自由度反变形法来增加焊缝处的焊缝时，可采用刚性较大、自由度较小在焊接封闭焊缝后其他然后在焊直通的长焊缝开的短焊缝在拼板时，应先拼焊错焊缝先焊工作时受力较大的先焊收缩量较大的焊缝方向采用合理的焊接顺序和. 4. 3. 2. 3. 2. 1. 1消除残余应力的措施消除残余应力的措施 扭曲共振法弯曲共振法残余应力的交变应力来消除部分振动法：利用振动产生机械拉伸法热）两侧压应力区域局部加热塑性法（在焊接接头织与性能）高温回火（改变金相组. 2. 1. 4. 3. 2. 1注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。8. 8.焊接残余应力的测定焊接残余应力的测定 1.