焊接内应力及调控措施要点.ppt

焊接内应力及调控措施 吉林大学 李桂中 温度场的整体描述 横看成岭纵呈峰； 远近温升各不同； 等温环线有疏密； 最终回归热平衡。 （3） （2）刚性拘束 特征：εe ≡ 0， ε≡ －εT T, εT ,εe,ε 2、拉伸试验与温度的关系 图7表示了碳钢在不同温度下进行拉伸试验的特征曲线变化趋势。 3. 焊接内应力的产生及分布 3.1 典型钢棒内应力的分析 将一钢棒固定在刚性结构上后加热（如图8所示），由于钢棒的延伸受到限制，则在钢棒内将产生压应力。 钢棒：材料S235（Re=235N/㎜2） 长度=100㎜ Δt=60℃/80℃/100℃/120℃ t=60℃ σ=151N/㎜2 t=80℃ σ=201N/㎜2 t=100℃ σ=252N/㎜2 t=120℃ σ=302N/㎜2 图9为一端固定的钢棒。将钢棒加热到1500℃（理论上），随着温度的升高，钢棒的抗变形能力下降，出现延伸及墩粗。当冷却到室温时，钢棒缩短了≈2%，该2%即为铸造时所考虑的收缩量。 3.2 焊件内应力的产生和分布 平板侧面堆焊和平板对接焊缝焊接过程中的温度分布如图11所示。 3.2.1 纵向应力产生的原因 金属在加热时的伸长量与温度成正比（自由状态下）。我们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，它们由于各自受热情况不同，将按温度分布情况伸长；同时在冷却时，各小板条又将收缩回原处，这样就不会有内应力出现。然而我们假设的小板条之间是互相联系的，互相牵制的。因此，焊接时，温度高伸长大的板条就受到温度低伸长小的板条拘束（产生压缩塑性变形）；而温度低伸长小的板条又会受到温度高伸长大的板条拉伸。因此，高温部分就会产生压应力，而低温部分就会产生拉应力。 当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区压缩塑性变形的存在，就会产生较大的收缩量。根据平面假设原理，这部分压缩塑性变形区会被拉伸，产生拉应力，焊件低温区则产生压应力。 具体分析 1) TMAX ≤ TS 的最高温度状态 具体分析 冷却终了： 由于TMAX ≤ TS ，故内部变形ε≤ εs ； 单元体内部没有塑性变形，即εp ＝0； 单元体内每个小窄条处于完全弹性状态。 因此，加热循环结束后，单元体没有 任何残余变形，最终恢复到原始状态。 所以，单元体内部也没有任何残余应力！ 具体分析 2) TMAX ＞ TS 2.1.12 长板条中心焊接试件分析 提示： 1. 加热最高温度远超过TP; 2. 最大塑性变形εP远超过εs； 因此， 应力分布图出现新的变化； 残余应力的峰值将达到σs 。 加热至最高温度时的应力分布 长板条中心焊接 冷却至室温的应力分布图 残余应力分布 3.2.2 横向应力产生的原因 焊接结构横向应力比较复杂，它是由下面的原因所致。 1）由纵向收缩变形引起的横向应力 单边堆焊焊后焊件变形如图12a，如果焊缝位于焊件中心，此时，我们可以假设沿焊缝中心将焊件切开，这时切开的焊件便成了两个单边堆焊焊件，焊后焊缝边缘区发生纵向收缩。 但实际上焊缝是将这两块板牢牢连接在一起的，因此在焊缝中部将 产生横向拉应力，焊缝的两端则出现了横向压应力，如图12b。 3.2.3 应力分布状态 （1）纵向、横向应力分布状态（图14 ） （2）角焊缝焊接结构中的应力分布（图15) （3）三向应力状态 上述所举的例子中均未考虑板厚方向的收缩应力。可以肯定，随着材料厚度的增加，在厚度方向上的内应力也会增大。这就产生了三轴应力状态，如图16所示。这种应力状态极容易导致脆性断裂。 多轴应力状态见图16。 （4）焊接工字梁