第15章焊接应力及变形.doc

第十五章 焊接应力与变形 焊接应力与变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺性的重要因素。它会导致在焊接接头中产生冷、热裂纹等缺陷，在一定的条件下还会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度有不利的影响。在构件制造过程中，焊接变形往往引起正常工艺流程中断。因此掌握焊接应力与变形的规律，了解其作用与影响，采取措施控制或消除，对于焊接结构的完整性设计和制造工艺方法的选择以及运行中的安全评定都有重要意义。 15.1产生机理、影响因素及其内在联系 图给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力和变形。材料因素主要包括有材料特性、热物理常数及力学性能（热膨胀系数α＝f（T），弹性模量E＝f（T），屈服强度σs＝f（T），σs（T）≈0时的温度TK或称“力学熔化温度”以及相变等）；在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性）则更多地影响着热源周围金属运动的外拘束度。 焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。通常，若仅就其内拘束度的效应而言，焊接应力与变形产生机理可表述如下。焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔化；而与熔池比邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀的压缩塑性变形；在冷却过程中，已发生压缩塑性变形的这部分材料（如长焊缝的两侧）又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩时也产生相应的收缩拉应力与变形。这样，在焊接接头区产生了缩短的不协调应变（即残余塑性应变，或称初始应变、固有应变）。 与焊接接头区产生的缩短不协调应变相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通称为焊接应力。焊接接头区金属在冷却到较低温度时，材料回复到弹性状态；此时，若有金相组织转变（如奥氏体转变为马氏体），则伴随体积变化，出现相变应力。 随焊接过程而变化的内应力场和构件变形，称为焊接瞬态应力与变形。而焊后，在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形，称为焊接残余应力与焊接残余变形。 焊接结构多用熔焊方法制造。而熔焊时的焊接应力与变形问题最为突出，电阻焊次之。钎焊的不均匀加热或不均匀冷却也会引起构件中的残余应力和变形。在钎焊和扩散焊接头中，由于采用不同材质的钎料和中间过渡层，热膨胀系数的差异也是导致残余应力场的一个重要因素。 由于焊接应力与变形问题的复杂性，在工程实践中，往往采用实验测试与理论分析和数值计算相结合的方法，掌握其规律，以期能达到预测、控制和调整焊接应力与变形的目的。 15.2材料物理特性和力学特性的影响 焊接应力与变形的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例，影响这一过程的主要因素有以下三方面。 15.2.1材料物理特性随焊接温度的变化 表1中列出了一些常用材料的热物理特性在给定的温度T区间的平均值。表中，热导率λ、热扩散率α＝λ/cρ、比热容c、和密度ρ以及热焓s是影响焊接温度场分布的主要热物理参数。线胀系数α随温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。 表1 常用材料的热物理性能系数 材料 α /×10-6l/0C T 区间/0C λ/[J/ (cm.s.℃)] c.ρ/[J/ (cm.s.℃)] α＝λ/cρ/ (cm2.s-1) 低碳钢 低合金钢 奥氏体铬镍钢 铝 工业钛 12～16 16.5～17 16～20 23～27 8.5 500~600 600 300 700 0.38~0.42 0.25~0.33 2.7 2.8 4.9~5.2 4.4~4.8 2.7 2.8 0.075~0.09 0.063~0.07 1.0 0.06 15.2.2相变时的比容变化 金属在加热及冷却时发生相变也会引起比容及性能的变化。不同组织由于晶格类型不一样，其比容也不一样，其数值如表2 。 钢材加热冷却时容积变化Δυ/V如下图，图中1为加热时的变化，2为冷却时的变化；一般情况下，由于奥氏体变为铁素体和珠光体的转变在7000C以上发生，因此不影响焊接变形与应力；当冷却速度很快或合金及碳元素增加时，奥氏体转变温度降低，并可能变成马氏体，如图中线3；在7000C以下的这种变化，对焊接变形和应力，将发生相当大的影响。 表2 不同组织的物理性能 特性 组织类型 奥氏体 铁素体 珠光体 渗碳体 马氏体 密度ρ/g.cm-3 比容l/ρ(cm3/g) 线膨胀系数a (10-6l/0C) 体膨胀系数β (10-6l/0C) 晶格类型 7.843 0.123～