焊接内应力及变形Ⅰ、Ⅱ.ppt

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焊接内应力及变形Ⅰ、Ⅱ详解

焊接内应力及变形Ⅰ、Ⅱ (IWE-3/4.11-12) 焊接内应力及变形—导论 焊接的热效应导致焊接内产生焊接内应力,不同的焊接工艺在焊接部位产生不同形状的温度场。该温度场的温度变化区间为从金属的熔点(钢的为1500℃0)至室温(约为20℃)。 焊接内应力及变形—导论 在不同的温度,不同的位置及不同的时刻,将产生不同的热变形,延伸或收缩,由此导致产生塑性变形及内应力。同样的过程也存在于板材及型材轧制使得冷却过程中。 焊接内应力及变形—导论 以钢棒为例,在自由状态下,钢棒被加热而延伸,在冷却时又恢复到原始长度,在整个过程中不存在延伸和收缩阻力,因此在钢棒中不存在内应力,见图3。 焊接内应力及变形—导论 限制延伸—自由收缩状态下,钢棒受热时不能自由延伸而产生压应力,随温度提高,屈服极限下降并导致“锻粗”,压应力随之下降。在冷却时对收缩没有限制,而“锻粗”部位不能恢复原态,故钢棒缩短,但不存在内应力,见图5。 焊接内应力及变形—导论 拉伸试验与温度的关系 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 典型钢棒内应力的分析 将钢棒固定在刚性结构上并加热,由于钢棒的延伸受到限制,在钢棒内会产生压应力。 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 钢棒一端固定并加热到1500℃,随温度升高,钢棒变形抗力下降,出现延伸及墩粗。当冷却到室温时,钢棒缩短了约2%,该2%即为铸造时所考虑的收缩量。见图9。 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 钢的屈服极限σs在0~500℃时基本是一常数。当温度超过500℃时, σs发生陡降,当温度达到600℃时, σs接近于零。说明钢材此时几乎处于完全塑性状态,在很小的外力作用下就可以发生塑性变形。 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 纵向应力产生的原因 自由状态下,金属受热时的伸长量与温度成正比,假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成。在焊接过程中由于他们的受热不同,将按温度分布情况伸长。同时在冷却时,又将收缩回原处。这样就不会出现内应力。 如果认为小板条之间相互制约,同步胀缩,则温度高的部位就会受到温度较低处的压缩作用,同时其对低温处有拉伸作用。因此,在高温部分产生压应力,低温部分产生拉应力。 当焊件冷却时,由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性变形不能恢复,因此该处的收缩量也较大,其余部分逐渐减小。根据平面假设,焊缝及近缝区被拉伸,产生拉应力,其他温度低的部分产生压应力。 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 横向应力产生的原因: 1. 由纵向收缩变形引起的横向应力 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 横向应力产生的原因: 2. 由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力 焊缝先焊的部位先冷却,并恢复变形抗力,将对后冷却部位的横向收缩变形产生制约,并由此使后冷却部位产生拉应力,而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用,因此使先冷却部位产生压应力。此外,由于应力平衡的结果,在焊缝的最末段也将产生压应力。 上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 应力分布状态 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 应力分布状态 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 应力分布状态 焊接内应力及变形—内应力的产生及分布 焊接内应力及变形 —不同应力状态下的应力—应变图 焊接内应力及变形—裂纹的形成 构件在承载之前就存在焊接应力并可能存在焊接裂纹。导致焊接裂纹的产生有两方面的原因:①应力超过材料的断裂强度;②应变超过材料的延伸率。 焊接内应力及变形—消除内应力的措施 1. 预热 可降低厚大件的应力峰值 可避免高强钢及合金钢的淬硬倾向及冷裂纹 可以改善点固焊和第一条焊道的热循环状态 补偿冷空气的影响 提高材料的导热能力,改善高导热材料的熔合 降低冷却速度,减弱淬火效应,避免淬硬倾向 焊接内应力及变形—消除内应力的措施 2. 消除应力退火 消除焊接内应力的最佳办法是对焊件进行整体消除应力退火,这样不仅可以消除焊接内应力,还可以消除构件在轧制及校形过程中产生的内应力。当残余应力在50-100N/mm2时,可认为是安全的。最佳的退火温度在580~650℃之间,并按退火温度曲线图进行退火。 焊接内应力及变形—消除内应力的措施 3. 局部退火 对不能进行整体退火的构件,可考虑进行局部退火。但应注意,局部加热会造成构件内的温度分布不均匀,并因而产生热应力。因此,局部退火的作用取决于退火面积。实际中,局部退火经常应用于环焊缝,如锅炉管道等。 焊接内应力及变形—消除内应力的措施 4. 火焰加热法消除应力 用两把火焰枪加热近缝区,使近缝区温度保持在200℃左右,而焊缝中心的温度维持在100℃左右,火焰加热区的外侧用水冷却,这将在焊缝的横截面上

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