第2章-焊接变形和应力ppt课件

1、焊接结构第二章焊接变形和应力，第二章焊接变形和应力，本章的学习要点，1 .材料的热膨胀和收缩2。材料的应力应变曲线3。系统平衡，第一部分焊接变形和应力发生机理，一些基本概念，合力等于0，即 f=0。耦合力矩为0，即 m=0，2.1.1自由变形，外形变形和内部变形，(1)自由变形，自由变形：金属物体温度发生变化或相变时，其大小和形式不受外部干扰，自由进行。自由变形率：(2)外形变形，外形变形量：Le，外形变形率：外形变形：金属在温度变化过程中受到干扰，不能完全自由变形时，该部分称为外形变形。(3)内部变形，内部变形：金属在温度变化过程中受到干扰时，对未表示的部分进行变形称为内部变形。内部变形量：

2、内部变形量：对3种变形的分析结果：形状变形与自由变形和内部变形的对数总和在数值上相同。其变形表达式为 e= t 。等价形式为= e- t。这两个公式必须牢记！在上述情况下，内部应变的绝对值小于金属屈服时的应变，或构件中的压缩应力。如果杆件温度从T1恢复到T0，则杆件将恢复为原始长度L0，并且没有任何形式的应力。如果温度持续上升，且构件中干扰导致的内部变形大于金属屈服时的变形，会发生什么情况？、综上所述，压缩塑性变形缩短了周围载荷消失后金属材料的收缩，收缩变形量大致等于压缩引起的压缩塑性变形量。同样，拉伸塑性变形与周围载荷消失后金属材料延伸得更长，肾脏变形与生成的拉伸塑性变形基本相同。提示：小试

3、样均匀加热过程的变形受到限制-与外力对应时，会产生内部变形并产生应力。计算方法：在弹性范围内，=e =e ( e- t)超出弹性范围，=s，在材料力学中，如果物体被外力平衡，则可以说该物体处于力平衡状态。定义内部应力：在没有外力的情况下，物件内平衡的应力。2.1.2焊接内部应力的种类和发生，内部应力的分类，1)按应力的分布范围，2)基于结构空间位置的宏观应力：在整个焊接范围内平衡的应力微应力：在粒子范围内相互平衡的应力超细应力：在晶格范围内平衡的应力；单向应力：应力沿构件的一个方向作用的双向应力：应力沿构件的两个方向作用。也就是说，应力沿构件的三个方向作用，3)应力相对于焊缝的位置，法向应力：

4、应力作用方向平行于焊缝的横向应力：应力作用方向垂直于焊缝，瞬时应力：焊接过程中产生的应力残余应力：焊接后留下的应力，温度应力：焊接零件非均匀加热产生的应力约束应力：受焊缝零件热变形的约束的应力组织应力：连接金属组织，(1)温度应力，温度应力：非均匀元件加热产生的内部应力。生成条件：均匀热不均的温度结果：应力残留或消失(温度应力不高，即温度应力低于材料的屈服限制，即温度应力在弹性范围内，在结构件中不发生塑性变形，在结构件的温度均匀化后，热应力消失)。)示例：框架结构的温度应力平衡特性，(2)残余应力，残余应力：温度回到原始状态后留在物体内部的应力。原因：不均匀加热生成条件：塑性变形或相变发生示例

5、：金属框架，因此：如果由于某种原因肾脏变形被阻止，则相应的肾脏受到部分压缩应力，其他阻碍构件伸长的部分受到拉伸应力。如果由于任何原因收缩变形受到阻碍，收缩部分会受到拉伸应力，妨碍收缩的构件的其他部分会受到压缩应力。、加热-膨胀-约束-温度应力(压缩应力)压缩(3)相变应力，相变应力：材料在凝固冷却过程中由组织变化引起的体积大小变化而产生的应力。原因：组织变形，2.1.3对金属材料的焊接应力和变形进行以下假设，以分析非均匀温度场的变形和应力，以及金属在焊接过程中的物理和机械特性发生复杂变化时的问题：1.假设平面剖面：假设元件被视为熔接前选取的剖面，并且在熔接后保留平面。2.假设金属性质不会变更：

6、假设在熔接过程中材料的某些热物理性质不会随温度变更。3.假定焊缝温度场：假定焊缝温度场不随时间变化。4.金属屈服点假设：500 以下，屈服点与常温相同，不随温度变化；在500 600之间，屈服点迅速减少。超过600 时，完全塑性状态，即屈服点为0。软钢的屈服点和温度的关系，从2.1.3.1张板的中心对称加热，温度场：对称端面中心的不均匀温度场T=f(x)，变形分析：使用单位长度分析变形和应力，假设：T0=0，设定为平面假设T=T，剖面保持平面温度场对称，仅转换端面，e表示为常数：板中心 0，压缩，内部应力和变形的计算，温度低，没有塑性变形时，即矩形面积=曲线下的面积，力的平衡为拉力，压缩应力区

7、域面积的平衡，也就是说，T=f(x)的形状变形可以得出每个点的应力大小，应力分布可以分为三个区域。两侧拉动、中间压力、冷却后应力和变形消失。也就是说，没有残余应力和残余变形，温度高时，板产生塑料变形，即，压缩塑料变形，冷却后应力和变形不会完全消失(存在压缩塑性变形)，实际上残余形状变形：e，理论，中心凹陷量，残余应力，结论：对称温度场：变形仅转换为端面；e；e力的平衡条件：本质是图形区域的平衡应力：加热时的中等压力，两边拉动；冷却后中间拉动，两侧压力残余应力发生，加热时塑料变形列集合的热源，c小，残余变形的大小取决于c的大小，列集合的热源小，2.1.3.2在长板边缘不对称加热，温度场：典型不对

8、称温度场，这两种情况是不平衡力矩，不能发生，内部应力平衡条件为：截面有旋转，因此e是非常数字的，x的线性函数，板块的平均伸长是：板块曲率是，结论： ？s不引起残余应力和残余变形。1)元件加热不均匀时，只要温度高于加热期间材料降伏点的温度，元件就会产生压缩塑胶变形，冷却后元件必须具有残余应力和残余变形。2)通常，焊接过程中焊接件的变形方向与焊接后焊接件的变形方向相反。3)焊接加热时，焊缝及其周围区域产生压缩塑料变形，冷却时压缩塑料变形区域收缩。4)焊接期间和焊接结束后焊接件的应力分布不均匀。焊接结束后，焊缝及其周围区域的残余应力通常是拉伸应力。可以从以上讨论中知道：2.1.4焊接引起的变形和应力

9、，2.1.4.1焊接过程的特殊性和假设条件，(1)高温下金属的性能发生了重大变化。例如，软钢不同温度下屈服强度可能发生的相变很多的物理和机械参数的变化(2)焊接温度场与空间分布极不均匀的温度场以及沿前面分析的长度同时加热的模型不同，并受平面假设的准确性影响。平面假设的适用条件：焊接速度快；材料的热传导慢。2.1.4.2热循环中受约束身体应力和变形的演化过程，(1)取一个单位长的软钢条，两端固定不展开，均匀加热钢筋，然后冷却。弹性状态，无残余应力，(2)，塑性变形和残余应力，(3)，残余应力为材料屈服极限，2.1.4.3焊接应力和变形的演化过程，2.1.4.4焊接热变形周期，狭缝附近的两种情况a

10、)保持不变；b)相变，第二节焊接残余变形，纵向收缩变形侧收缩变形弯曲变形角度变形波变形错边变形变形变形变形变形、焊接残余变形可分为7类：焊接后结构中残留的变形。2.2.1纵向收缩变形，纵向收缩变形：焊接后沿焊缝长度方向发生的收缩变形。压缩塑性变形：抑制焊接近场金属的自由变形，产生压缩塑性变形。收缩变形：焊接区域液态金属在冷却过程中形成实体焊缝，产生收缩变形。这两个区域统称为收缩变形区域，2.2.1.1纵向收缩变形的根本原因，垂直收缩变形的根本原因，收缩变形区域的存在会导致元件因虚拟外力Ff的作用而减少L，2.2.1.1纵向收缩变形的影响因素，焊缝长度：l l l(间断焊缝连续焊缝)零部件的截面

11、面积：a l l 压缩塑料变形，规格：焊接热输入APLLL工艺措施：焊接层数： (热输入)多层焊接单层焊接(L)多层焊接单层焊接预热：t0 机械性质工程计算：近似估计、2.2.1.3纵向收缩量估计、Aw是单层或单层对接熔接金属或圆角熔接的断面面积； K1是单层对接焊接中考虑的系数，与焊接方法和材料相关。K2是多层对接焊缝中考虑的系数。或者，双侧角焊缝t型接头期间考虑的系数。2.2.2侧收缩变形，侧收缩变形：熔接后垂直于熔接方向发生的收缩变形。压缩塑性变形：抑制焊接近场金属的自由变形，产生压缩塑性变形。收缩变形：焊接区域液态金属在冷却过程中形成实体焊缝，产生收缩变形。这两个区域统称为收缩变形区，

12、2.2.2.1侧收缩变形的根本原因，即热源附近的金属受热后会膨胀，但周围温度较低的金属会受到压缩应力，从而在板宽度方向产生压缩塑性变形，厚度增加，最终结果显示为横向收缩。横向收缩变形B大小，通过热变形计算和实验。(1)表面处理原因：a)沿厚度方向温度分布不均匀的b)沿焊接方向温度分布不均匀的热源附近的金属热膨胀变形，受到板厚度深度以及前后温度低的金属的限制和限制，可能会在宽度方向发生压缩塑性变形，在厚度上方增厚可能会导致焊接后侧收缩变形。(2)对接接头中有间隙的对接熔接：加热、膨胀、减少间隙；冷却，收缩；水平收缩而不留下缝隙的对接焊缝：板的膨胀导致板边被挤压，厚度方向变形侧收缩，2.2.2.2

13、侧收缩的影响因素，焊缝热输入：qb焊缝剖面面积：ab板厚：表面处理：；b:5925；沿焊接方向从小到大逐渐增加，在一定长度后趋于稳定。原因：首先，焊接焊缝的横向收缩为后焊接焊缝提供了挤压效果，使后者产生了较大的横向压缩变形。，(1)分布，2.2.3弯曲变形，弯曲变形：构件焊接后向特定方向弯曲的现象。以f显示其大小。根本原因：产生压力应力的部分相对于杆件的中性轴不对称。2.2.3.1纵向收缩引起的弯曲变形，(1)零件内的焊接位置相对于该截面中性轴的不对称位置Ff为偏心力，(2)影响因素，零部件刚度ei:ei-f-焊接位置：不对称-e-f-虚拟力Ff:焊接顺序，示例2-1表示I:If焊接位置：不对

14、称，在相反方向焊接后的较大弯曲变形，(1)焊接顺序：操作，焊接前将腹板和顶部和底部挡泥板固定在工作梁上，焊接时按括号内的顺序进行，焊接期间结构的惯性矩II和偏心eI默认保持不变，从而使两个对角焊缝产生的弯曲变形相互抵消，以保持构件的默认平整状态。调整描述、装配和焊接顺序，以调整弯曲变形的程度，并根据实际情况减少零部件的弯曲变形。(2)如果在焊接前连接锯齿截面，则大致如下：f=f操作，(3)弯曲变形的估计，2.2.3.2侧收缩变形引起的弯曲变形，侧焊缝在构件中分布不对称，侧收缩变形导致结构的弯曲变形。(1)原因，(2)影响因素，零部件结构刚性焊接的位置装配焊接顺序影响侧收缩变形的因素，(3)弯曲

15、挠曲的估算，下挠曲的值可以根据每个对角熔接产生的横向收缩变形量进行估算.每个加强筋对和腹板之间的角焊缝侧收缩B1使构件弯曲的角度 1如下：每个加强筋对和机翼之间的角焊缝侧收缩使杆件弯曲一个角度2:如果每个加强筋对的总弯曲角度为，则杆件的总挠曲为，如果肋数目n为偶数，则肋数目n为奇数。2.2.4角度变形，熔接后构件平面引起的熔接结果的角度位移称为角度变形。使用beta表示每个变形的大小。图2-21角度变形，(1)角度变形的根本原因：厚度方向上水平收缩变形的分布不均。表面处理过程中产生的角变形平板表面高温区金属的热膨胀，对环境温度低的区域金属的扰动挤压，压缩塑性变形。焊接表面压缩塑性变形后角变形。

16、影响因素：a .角度变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布，还取决于板的刚度。b .熔接痕能量和板厚的影响。图2-24平板表面火焰加热线能量与角度变形的关系曲线，对接接头角度变形影响因素：坡口角焊缝截面几何焊接方法焊接顺序，对接焊缝数与角度变形的关系，对接多层焊接角度和角度变形防止方法，t接头角度变形，肋板和板边变形板自身角度变形，角焊缝引起的角变形的影响因素，(2)角度变形的影响因素，温度场分布焊接热输入板厚度焊接方法坡口角焊缝层数焊接顺序，(3)角度变形的分布，沿长度开始相对较小，随后逐渐增大，图2-25角度变形的焊缝长度的分布，2.2.5波变形，构件焊接后波形称为波变形或不稳定性变形。(图2-26波浪变形，图2-27板材压缩不稳定性，(1)表示压力下薄板压力应力达到阈值时，因波变形而失去薄板支撑力的现象称为不稳