4第四章 焊接应力及变形.ppt

焊接应力与变形 机电工程学院 4.1焊接应力与变形的产生 几个概念： 1、内应力：是指在没有任何外力作用下，平衡于弹性体内的应力。其主要特点是内应力在弹性体内构成一个平衡力系，内力和内力矩的总合都为零。 2、残余应力：是指当产生应力的各种因素的作用不复存在时，由于不均匀的塑性形变和不均匀的相变所致，在物体内部依然存在并自身保持平衡的应力。 残余应力按其存在范围的大小可分为三类： ①宏观应力或第一类应力 在晶体材料中许许多多晶粒范围之内存在并保持平衡的应力； ②微观应力或第二类应力 在几个晶粒范围之内存在并保持平衡的应力； ③超微观应力或第三类应力 存在于晶粒内的几百、几千个原子之间并保持平衡的应力。 3、温度应力（热应力）：由于构件受热不均引起的应力。 4、组织应力：是金属发生固态相变所产生的应力。 一般，有组织应力必然有热应力，而有热应力却不一定有组织应力。 5、焊接瞬时应力和瞬时变形：焊接加热中由于热源作用的集中性与瞬时性，使焊件局部受热不均匀而产生的内应力和变形，是暂时存在于焊件中的。 6、焊接残余应力和残余变形：焊后冷却至室温残存于焊件中的内应力与变形，通常所说的焊接应力与变形就是指焊接残余应力和残余变形。 焊接应力与变形对结构的制造质量和使用性能有很大影响。焊接应力是引起各种焊接裂纹的主要原因；在一定条件下会影响结构（尤其是低温及受动载结构）的承载能力，如强度、刚度和受压稳定性，还影响结构的机加工精度和尺寸稳定性。焊接变形量若超过允许值就必须矫正，有些经矫正虽能达到使用要求，但矫正工作量太大；有些因矫正无效或无法矫正而报废。 7、自由变形率、外观变形率和内部变形率 当某一金属物体的温度改变或发生相变，其几何尺寸和形状就会发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由进行，这种变形成为自由变形（）,见图4-1(a)；自由变形率即单位长度上的自由变形量，用来表示： （4-1） 式中：为金属的热膨胀系数。 当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地表现出来，见图4-1 (b)。能够表现出来的这部分变形称为外观变形，其变形率为： （4-2） 而未表现出来的那部分变形称为内部变形，其变形率为： （4-3） 图4-1 金属杆件的变形 4.1 焊接应力和变形产生的原因 金属热胀冷缩，而且塑性状态的金属在外力作用下，将会产生不可恢复的塑性变形。焊接应力和变形的产生，也是由于焊接热源集中作用在接口部位，在焊件上形成一个不均匀温度场（图4-2），成为导致焊接应力与变形的根本原因。 4.1.1 平板中心加热时的纵向应力和变形 纵向应力与变形是指与平板长度方向平行的应力与变形。 在长板条中心沿长度方向用电阻丝间接加热，则在板条横截面上将出现中间高两边低的不均匀温度场，而板条长度方向的温度可看成是均匀的。处理长比宽大得多的板条，除两个端部外，可根据材料力学中的平面假设原理进行分析，即当构件受纵向力或弯矩作用而变形时，在构件中的平截面始终保持是平面。 从板条中截取单位长度的一小段来分析。假设板条由若干互不相连的小窄条组成，则各窄条都可按本身被加热的温度自由膨胀，结果每单位长度板条端会出现图4-3（a）中所示的变形曲线。 4.1.2 平板对接焊时的纵向应力和变形 4.1.2.1 残余应力和变形的产生原理 接头纵向应力和变形指的是构件焊后在平行焊缝方向产生的应力和变形。 焊接时温度变化的范围要大得多，近缝区的温度最高到金属熔点，而离热源稍远的母材温度急降到室温。高温下，金属的力学性能随温度的变化而变化，见图4-4。 如低碳钢： T500℃，σS是常数，弹性区； T=500-600℃，σS急降到0， 弹性→塑性； 600℃以上，σS＝0，塑性区。 平板对焊时，沿焊缝垂直方向横截面的峰值温度分布见图4-5。AA1段是实际伸长量。对于实际伸长量大于自由伸长量的部分，要承受拉应力，对实际伸长量小于自由伸长量的部分，要承受压应力，拉应力和压应力总体是平衡的。 由于加热时近缝区（区域）内部变形都是压缩塑性变形，所以冷却至室温时区域的长度将缩短。但受临近金属的制约不能自由缩短，而此时区域已处于弹性阶段，结果如下（图4-6）： 图4-6 平板对接焊的纵向残余应力与变形 ①压缩塑性变形引起残余应力，焊缝及其附近受拉，数值一般达σS，两侧受压； ②板端向内平移，即残余纵向收缩变形。 上面的变形和应力就是室温下保留下来的焊接残余变形和应力。 平板对接焊时的纵向应力σX