第3讲焊接应力与变形..docxVIP

第3讲 焊接应力与变形金属结构在焊接过程产生各式各样的焊接变形和大小不同的焊接应力。若焊件在焊接时能自由收缩，则焊后焊件的变形较大，而应力较小，如果由于外力的限制或自身刚性较大，焊件不能自由收缩，则焊后焊件的变形较小而应力较大。在实际生产中，焊后总会产生一定的变形，并存在一定的焊接残余应力，变形和应力两者在焊接时同时产生。3.1 焊接应力及变形产生的原因和影响因素3.1.1 焊接应力与焊接变形的概念物体受到外力作用时，在其单位截面积上所受的力称为应力。当没有外力存在时，物体内部所出现的应力称为内应力。内应力在物体内部是相互平衡的，如物体内有拉伸内应力，就必然有压缩内应力，这是内应力的重要特征。在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，使焊件内部产生的应力，称为焊接内应力，又名焊接残余应力，过大的焊接应力能引起焊件或焊缝产生裂纹，降低结构承载能力，并使结构在腐蚀介质中产生应力腐蚀。当物体受到外力作用时，它的形状发生变化，这种形状变化称为变形。当外力消失后，物体形状恢复原样，这种变形称为弹性变形；如果物体所产生变形在外力消失后不能恢复原状，这种变形称为塑性变形。在焊接应力的作用下，结构所产生的形状和尺寸的变化称为焊接变形，它造成下一道工序施工困难，为矫正焊接变形往往要消耗很多人力和物力，严重的焊接变形，会影响结构承受外力的能力和使用性能，甚至因变形严重无法矫正而报废。因此焊工必须了解焊接应力、变形的规律，掌握减少焊接应力和控制焊接变形的措施，以保证结构的焊接质量。3.1.2 焊接应力与焊接变形的形成产生焊接应力和变形的原因很多，下面分析一下其中的主要原因。1. 焊接时焊件不均匀加热由于焊接时局部加热到熔化状态，形成焊件上温度不均匀分布。下面来看看由手工电弧焊温度不均匀分布而引起的焊接应力和变形的过程。设有一块钢板，沿边缘进行堆焊，见图3-1。如果钢板是由无数块互相能自由滑动的板条组成，板条受热而伸长，伸长的多少与温度的高低成正比。图3-1 钢板边缘堆焊时的应力与变形实际上钢板是一整体，受热部分金属要受到下面未受热部分金属的约束，不能自由伸长。因此，堆焊部分金属伸长时，带着整块钢板绕中性面向上弯曲变形，受到压缩应力。当温度继续升高时，压缩应力继续增加。钢板随温度升高，屈服极限不断降低，在600℃左右屈服极限几乎接近于零。因此，堆焊部分的金属在压缩应力作用下产生塑性变形。冷却时，堆焊金属逐渐收缩而使内部的压缩应力逐渐消失，同时，在高温产生的压缩变形保留下来，即堆焊金属冷却下来后比原始长度要缩短。同样道理，缩短时也受到原来末加热部分金属的约束，其结果使整块钢板产生向下弯曲变形；同时，堆焊处金属受到拉伸应力。由上面分析可以看到，焊件局部不均匀受热是产生变形和应力的主要原因。焊接后，在焊缝以及焊缝附近金属受拉应力，离焊缝较远处的金属受压应力。2. 熔敷金属的收缩焊缝金属在凝固和冷却过程中，体积要发生收缩，这种收缩使焊件产生变形和内应力，焊缝金属的收缩量决定于熔化金属的数量。例如焊接V型坡口对接接头时，焊缝上部宽，熔化金属多，收缩量大。上下收缩量不一致，故发生角变形。3. 金属组织的变化金属加热到很高温度并随后冷却下来，金属内部组织要发生变化。由于各种组织的比容不同，钢中常见组织的比容见表3-1。所以，金属冷却下来时要发生体积的变化。表3-1 钢中常见组织的比容钢中常见组织奥氏体①铁素体珠光体渗碳体马氏体比容/（cm3/g）0.123~0.1250.1270.1290.1300.127~0.1314. 焊件的刚性焊件的刚性本身就限制了焊件在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小不同。焊件夹持在卡具中进行焊接，由于夹具夹紧力的限制，焊件不能随温度的变化自由膨胀和收缩，这样也就有效地减少了焊件的变形，但焊件中产生了较大的内应力。在焊接过程中多种因素影响着应力与变形的变化，如焊接方法、焊接速度、焊件的装配间隙、对口质量、焊件的自重等，特别是装配顺序和焊接顺序对焊接变形与应力有较大的影响。3.1.3 影响焊接变形与焊接应力的因素3.1.3.1 焊接加热量的影响1. 焊接线能量焊接工艺参数会影响构件的受热程度，而受热程度是用线能量来衡量的。决定线能量的主要参数是焊接电流I、电弧电压U和焊接速度v等三个方面。输入的热量愈大，则焊接变形与应力也就愈大。2. 焊接方法不同的焊接方法（气焊、焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊）加热区的大小不同，因而对焊接变形与应力的影响也完全不同。焊接相同厚度的钢板时，埋弧焊比焊条电弧焊变形小，因为前者焊接速度快，电流密度大，加热集中，熔深大。焊接薄板结构时，气焊的变形最大，焊条电弧焊次之，CO2气体保护焊最小。因为CO2气体保护焊用细焊丝，电流密度大，加热集中，而气焊火焰加热区域宽，热量不集中。3. 焊缝尺