焊接结构生产与实例 教学课件 ppt 作者 赵岩 主编第二章.ppt

第2章 焊接应力与变形 2.1 焊接应力与变形的产生 2.1.1 焊接应力与变形的基本概念 2.1.2 焊接应力与变形产生的原因 2.1.1 焊接应力与变形的基本概念 1. 焊接变形 2. 内应力与焊接应力 1. 焊接变形 物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。当使物体产生变形的外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体可以恢复原状，这样的变形称为弹性变形。当外力或其他因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。 以一根金属杆的变形为例，当温度为T0时，其长度为L0 ，均匀受热，温度上升到T时，如果金属杆不受阻碍，杆的长度增加至L，其长度的改变⊿LT=L-L0，⊿LT就是自由变形，如果金属杆件的伸长受阻碍，则变形量不能完全表现出来，就是非自由变形，其中，把能表现出来的这部分变形称为外观变形，用⊿Le表示；而未表现出来的变形称为内部变形，用⊿L表示。在数值上⊿L =(⊿LT － ⊿Le)，见图2－1。 对于低碳钢一类材料，应力－应变曲线可以简化为图2－2中OST线，即当试棒中的应力达到材料的屈服极限σs后不再升高。 2. 内应力与焊接应力 内应力是在焊接结构上无外力作用时保留于物体内部的应力。这种应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。内应力是造成物体内部的不均匀变形而引起的应力。内应力的显著特点是在物体内部自成平衡的，形成一个平衡力系。焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。 2.1.2 焊接应力与变形产生的原因 1. 焊接结构产生应力和变形的原因 2. 研究焊接应力与变形的基本假设 3. 构件中焊接应力与变形的产生 1. 焊接结构产生应力和变形的原因 金属的焊接是局部加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，焊缝及其附近区域的金属被加热至熔化，然后逐渐冷却凝固，再降至常温。近缝区的金属也要经历从常温到高温，再由高温降至低温的热循环过程。由于焊件各处的温度极不均匀，所以各处的膨胀和收缩变形也差别较大，这种变形不一致导致了各处材料相互约束，这样就产生了焊接应力和变形。 在焊接过程中，由于接头形式的不同，使得焊接熔池内熔化金属的散热条件有所差别，这样使得熔化金属凝固时产生的收缩量亦不相同。这种熔化金属凝固、冷却快慢不一引起收缩变形的差别也导致了焊接应力和变形的产生。 在焊接过程中，一部分金属在焊接热循环作用下发生相变，组织的转变引起体积变化，也产生应力和变形。 受焊前加工工艺的影响，施焊前构件若经历冷冲压等工艺而具有较高的内应力，在焊接时由于应力的重新分布，则形成新的应力和变形。 以上所述的几种因素在焊接结构的制造中是不可避免的，因此焊接结构中产生应力和变形是必然的。 2. 研究焊接应力与变形的基本假设 （1）焊接温度场假定 通常将焊接过程中的某一瞬间焊接接头中各点的温度分布状态称为焊接温度场。在焊接热源的作用下，构件上各点的温度在不断地变化，这是一个复杂的热循环过程，可以认为达到某一极限热状态时，温度场不再改变，这样的温度场称为极限温度场。 （2）平截面假定 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即构件只发生伸长、缩短、弯曲、其横截面只发生平移或偏转，截面本身并不变形。 （3）金属性质不变的假定 假定焊接过程中材料的某些热物理性质，如线膨胀系数、热容、热导率等均不随温度而变化。 （4）金属屈服点假定 金属屈服点与温度的实际关系如图2—3实线所示，为了讨论问题的方便，我们将它简化为图2—3中虚线所示。即在500℃以下，屈服点与常温下相同，不随温度而变化；500℃～600℃之间，屈服点迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。我们把材料屈服点为零时的温度称为塑性温度。 3. 构件中焊接应力与变形的产生 （1）长板条中心加热 （2）长板条非对称加热（一侧加热） （3）受拘束的杆件在均匀加热时的应力与变形 （1）长板条中心加热 （1）长板条中心加热 （2）长板条非对称加热（一侧加热） （2）长板条非对称加热（一侧加热） （3）受拘束的杆件在均匀加热时的应力与变形 2.2 焊接残余应力 2.2.1 焊接残余应力的分类 2.2.2 焊接残余应力的分布 2.2.3 焊接残余应力对焊件性能的影响 2.2.4 减少焊接残余应力的措施 2.2.5 消除焊接残余应力的方法 2.2.1 焊接残余应力的分类 1. 按产生的原因分 2. 按应力存在的时间分 3. 按应力在焊件内的空间位置分 1. 按产生的原因分 （1）热应力 它是在焊接过程中焊接内部的温度有差异引起的应力，故又称温差应力。 （2）相变应力 它是在焊接过程中局部金属发生相变，其比体积增大或减小而引起的应力。 （3）塑变应力