焊接变形与应力产生的根本原因课件

金属材料焊接工艺

南华大学

（四）

张元钟焊接结构的生产工艺过程第五章焊接结构设计备料焊接检验装配本章主要内容1.焊接变形与焊接应力产生的原因2.焊接残余变形3.预防和矫正残余变形的方法4.焊接残余应力5.焊接残余应力的调节及消除措施第一节焊接变形与应力产生的原因一、简单杆件的变形与应力

L0——杆件原始长度

ΔLT——自由变形

ΔLe

——外观变形内部变形：-(ΔLT–ΔLe)

第一节焊接变形与应力产生的原因二、焊接变形与应力产生的原因当金属杆件在加热过程中受到阻碍，其长度不能自由增长，则在杆件中将产生内部变形。如果内部变形率的绝对值小于金属屈服强度时的变形率，说明杆件中受到小于σs的应力。当杆件温度恢复到T0时，如果允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度L0，杆件中也不存在应力。第一节焊接变形与应力产生的原因如果杆件温度升得较高，使其内部变形率大于金属屈服时的变形率，杆件中不但产生达到屈服极限的应力，同时还产生压缩塑性变形。在杆件温度恢复到T0的过程中，若允许自由收缩，最后杆件比原来长度缩短ΔLp，杆件中也不存在内应力。如果不能自由收缩，则会在杆件中产生内应力。焊接变形与应力产生的根本原因：

工件的局部加热、焊接接头的膨胀与收缩的不自由。三、焊接变形的基本类型第二节预防和矫正焊接残余变形的方法

一、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。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.尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊二、工艺措施1.正确的确定装配、焊接顺序不正确的装配次序：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正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序

2.选择适当的施焊次序和方向

3、反变形法

定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。4、刚性固定法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5、合理的选择焊接的方法和焊接规范选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊代替单层焊二、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。机械矫正法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较大的钢材）。

火焰矫正法第三节焊接残余应力

一、焊接残余应力分布

1.纵向应力的分布1.纵向应力的分布

2、横向应力的分布3、厚板中的残余应力分布4、封闭焊缝中的残余应力分布组织应力[相变应力]二、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

3、对疲劳强度的影响（研究不够充分）4对应力腐蚀的影响原因：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三、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工艺措施工艺原则消除残余应力的措施注：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。四、焊接残余应力的测定1.应力测定方法的分类按其对结构的是否破坏来分

按测试原理分应力释放法原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。应力释放法1.切条法：将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变片或加工的标距孔然后测原始读数，然后切断，然后在读数根据

可以算出应力。应力释放法2.车削法：此法多用于测圆柱零件堆焊后的残余应力分布3.小孔法：是应力破坏性最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推算小孔处的应力。

4.套孔法：采用套料钻或管形电火花加工环形孔来释放应力，在孔内预先贴上应变片，可以算出表面残余应力，切削深度为[0.6~0.8]D，破坏性不大。X射线衍射法原理：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用X射线，以掠角入射到晶体表面时，如果能满足2dSin=n，则X射线在反射方向因干涉而加强缺点：1、焊缝设计的原则1）便于焊接操作（可达性）2）焊缝要避开构件的工作应力最大处3）焊缝应避免密集和交叉4）焊缝一般应避开加工部位5）尽量减少焊缝数量6）焊缝设置应尽量对称7）尽量将工作焊缝变为联系焊缝第四节焊接结构设计工艺要点2、焊接方法的选用原则1）接头性能、焊接质量要符合结构的质量要求2）生产率高