焊接结构焊接残余应力.pptVIP

第三节 焊接残余应力 通常意义的焊接应力实际包括两类： 焊接瞬时应力： 焊接过程中某瞬时存在于结构中的应力。 焊接残余应力： 焊接后残留于结构中的应力。 一、焊接残余应力的分布 构件厚度不大δ15-20mm，残余应力为纵、横双向状态,即双轴平面应力 构件厚度较大δ20mm，残余应力为三轴体积状态。（平行于焊缝轴线分布的应力称为 （一）、纵向应力 1、σX的分布 在低碳钢和普通低合金钢的焊接结构中，其任意横截面上的应力性质均相同，即： 焊缝及其附近的压缩塑性变形区内为拉应力，且数值一般达到材料的屈服极限σS，而稍离开焊缝区，拉伸应力迅速陡降，继而出现残余压应力。显然，沿整条焊缝分布的σX都为拉应力，但拉应力的分布并不完全相同。 2、影响σx分布的因素 a.焊缝长度L L↑，σx增加直至屈服极限；同时，焊缝越长，板条中部稳定区越长；随着焊缝缩短，σx减小且稳定区逐渐减小，直至消失。 b .板宽(B） 板宽不同，焊接σx分布不同 当焊缝位于平板中心，B较小时，σx分布在整个宽度上，并随B↑，拉、压应力区交替出现，应力区面积增大；若B很大，则σx只在焊缝附近一定区域内分布。 当焊缝并非位于平板中心，σx在较宽一处附近分布。 c.材质的影响 结构材质不同，其焊缝上σx的分布也不同，随材料膨胀系数和弹性模数的降低，纵向应力的最大值也会随之降低。 低碳钢：焊接热场分布不均匀，焊接区各部分之间的温差大，焊缝附近的压缩塑性区及塑变量大，σx大。 铝合金：因其导热系数高，热场趋于均匀，等温线分布接近正圆，材料加热膨胀受到的 阻碍小，塑性变形小，残余应力低。σx≈0.6-0.8σs 钛合金：膨胀系数、弹性模量低，αE=1/3钢，产生的塑性应变不大，σx 低。σx≈0.5-0.8σs钢 σx的大小取决于圆筒半径R、壁厚δ和焊接压缩塑性变形区的宽度bp。 （二）横向残余应力σy 横向残余应力是垂直于焊缝轴向的应力，分布情况较复杂，主要由两部分组成： (1) 焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力，用σy′表示； (2) 焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起的横向残余应力，用σy〞表示。 横向残余应力σy是由σy’和σy’’叠加而成 1、σy ′的形成： 2、影响因素 a.焊缝长度L： L越大， σy ′越低 b.平板宽度B 随平板宽度B↑,σy ′↓。 B↑, L/B↓,构件刚性↑,焊缝纵向切开后,纵向收缩量↓,σy ′↓ 3、σy〞的形成 焊接时，焊缝不是同时完成，金属各部分在焊接时总有先后之分，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却，先冷却的部分由于恢复刚性要限制后冷却部分的横向收缩，相当于对后焊部分施加了拉伸作用，相反，为了平衡拉应力，后焊部分对先冷却部分相当于施加压缩作用，这种限制与反限制就构成σy 〞 从中间向两端焊接，由于中间部分先焊接先收缩，两端后焊接后收缩，则两端部分的横向收缩要受到中间部分的限制，因此σy 〞的分布是；中间受压，两端受拉；相反，从两端向中间焊接，中间受拉，两端受压。 横向残余应力σy是σy’与σy’’两者的合成，从减小总横向应力σy出发，应尽量采用从中间向两端施焊的方向进行焊接 4、σy的分布 σy在与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊缝截面上的分布相似，但离开焊缝距离越远，应力值越低，当到达板端时，σy = 0 （四）、拘束状态下焊接的应力 自由状态焊接：焊接时，除焊缝金属自身的约束和限制外，没有任何外部拘束的状态。 焊缝在拘束状态下的残余应力与自由状态不同，拘束状态下的焊缝变形除了与自由状态一样要受到焊缝金属自身的限制外，还会受到结构本身产生的外部拘束阻碍，使得焊缝残余应力发生了一些变化。 1、拘束状态下焊接的应力分布 1.1 横向拘束作用下的应力 如图2-110，在金属框架中心杆件上存在一条对接焊缝，该焊缝纵向收缩时，相当于在自由状态下变形，其纵向应力与前述相同；但当焊缝横向收缩时，焊缝连接的两焊件与其它刚性物体相连，此时，焊缝收缩除了受到自由状态下焊接时，焊缝自身各部分的阻碍外，其收缩还要受到框架结构的限制，因此，在焊缝内 部，除了产生与自由状态下焊接相似的内应力σy外 ，还将受到框架结构刚性拘束引起的拉应力σf，该拉应力并不是平衡于焊缝截面内，而是平衡于整个框架截面上，这种焊接后不在焊缝截面中平衡而在整个结构中平衡的应力σf称为反作用内应力 ，焊接接头的实际横向内应力就是σy和σf的迭加