焊接应力与变形.ppt

第4章 焊接应力与变形,教学重点,焊接应力和变形的概念、分类；减少和防止焊接残余应力及变形的措施；,教学难点,本章重点与难点,焊接应力和变形产生的过程及原因；控制焊接应力和残余变形的措施,学习目标,掌握产生焊接应力和变形的原因、特点、类型；掌握控制焊接应力和变形的工艺措施。,应用能力,学习目标与应用,应用合理的焊接结构设计、工艺措施控制焊接应力和变形的方法,什么是应力,什么是应力,什么是内力,由外力或其他因素引起物体内部之间的相互作用力,单位截面积上的内力,1.工作应力2.内应力,4.1焊接应力和变形概述,焊接应力和变形的概念,内应力详解,内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力,内应力,产生的原因,温度应力（热应力）,残余应力,由于构件受热不均匀引起（举例：金属框架详解，此种情况在温度应力不高，即低于材料的屈服极限，框架里不产生塑性变形）,如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度恢复到原始的均匀状态后产生了新的内应力即残余应力,什么是变形,外力,温度,形状,尺寸,改变,变形,弹性变形,塑性变形,在外力或其他因素作用下发生变形，当外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体恢复原状,相反，当外力或其他因素去除后，变形仍然存在，即物体不能恢复到原状态下的变形,什么是焊接应力与焊接变形,内应力,焊接应力,焊接变形,焊接过程中的某一瞬时值,焊接后残留于焊件中的值,焊接瞬时应力,焊接瞬时变形,焊接残余应力,焊接残余变形,焊接构件由焊接而产生的内应力,是焊件由焊接而产生的变形（包括尺寸和形状的改变,1.按应力的 分布范围2.根据结构中的空间位置,焊接应力产生的原因及分类 1,焊接应力产生的原因及分类1,3.根据应力与焊缝的相对位置4.根据应力产生、作用的时间5.根据应力 形成原因,焊接变形产生原因及分类 2,1.自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。单位长度的自由变形量：,焊接变形产生原因及分类 2,2.外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形。3.内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形；,钢的屈服极限s在0500时基本是一常数。当温度超过500时，s发生陡降，当温度达到600时，s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。,焊接应力和变形产生的过程,焊接是一个加热和冷却的热循环过程，焊接时金属受热和冷却的整个热循环的温度范围常在1500以上。见P51图4-1所示,焊接时的应力和变形的形成主要取决于焊接热过程，以及焊件在焊接过程中受拘束的条件,1.均匀加热时引起应力与变形的原因（见P52图4-3所示）（1）能自由膨胀和收缩的无拘束状态杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力,注意,（2）杆件两端完全固定，不能膨胀也不能收缩刚性拘 束状态杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时不能自由变形的变形和应力,杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力,杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力,3.有一定程度的拘束状态 杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力,杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力,杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力,结论：焊接变形和焊接应力都是由于焊接是局部的不均匀加热引起的焊接时加热区金属在周围母材金属一定程度的拘束作用下，不能自由地热胀冷缩在加热时，发生压缩塑性变形，在冷却时若能够收缩就产生焊接变形，若不能自由地收缩就产生焊接应力。当焊件拘束度较小时，冷却时能够比较自由地收缩，则焊接变形较大而焊接应力较小若焊件拘束度较大或外加较大刚性拘束，则冷却时不能自由地收缩，焊接变形较小而焊接应力很大,2.不均匀加热时引起应力与变形的原因（1）长钢板一侧加热引起的应力和变形,长钢板在中心加热引起的纵向收缩变形和应力,长板条冷却后产生的残余应力和变形,残余应力的分布是：焊缝及近焊缝区域受到拉应力，常达以后随远离焊缝依次是压应力，拉应力，形成三个正负相间的应力分布区。,（2）对接接头Y形坡口焊接后的角变形,对接接头Y形坡口的焊缝，在焊缝正面较宽，在根部较窄，因此冷却时焊缝横向收缩变形在焊件厚度方向上不均匀，焊缝横截面上部横向收缩变形大，下部与根部横向收缩变形小，造成构建平面的偏转，产生角变形,4.2 焊接残余变形,焊接是一个不均匀加热和冷却的过程 焊接过程中出现应力和变形 焊后焊接结构产生焊接残余应力和焊接残余变形。,焊接残余变形的分类,焊接残余变形主要有收缩变形（纵向、横向收缩）角变形、弯曲变形、波浪变形(失稳变形)和扭曲变形 见图4-1所示及错边变形,图1-29,a),b),c),d),e),图4-1 焊接变形的基本变形形式a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)波浪变形 e)扭曲变形,返回,1.收缩变形,定义：焊件尺寸比焊前缩短的现象。分类：纵向收缩变形：横向收缩变形 见4.7所示,（1）纵向收缩变形：沿焊缝轴线（长度）方向尺寸的缩短,由于焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形，当焊接冷却后该区域产生收缩而引起,图4-7 纵向和横向收缩变形,纵向横向收缩变形,纵向收缩变形的影响因素,焊缝的长度焊件的横截面积大小焊接材料的弹性模量焊件中产生压缩塑性变形的区域面积大小产生压缩塑性的变形率,纵向收缩变形的规律及措施,焊件的横截面积越大焊件的纵向收缩量越小焊缝的长度越长焊件的纵向收缩量越大焊接时的热输入越大纵向收缩越大焊件的原始温度越高焊件的纵向收缩量越大焊件材料的线膨胀系数越大焊件的纵向收缩量越大,采用间断焊缝代替连续焊缝,采用多层焊接工艺代替单层焊(补充),焊接时提高焊件的初始温度，可降低压缩塑性的变形量,选择线膨胀系数较小的材料进行焊接,（2）横向收缩变形：垂直焊缝轴线方向尺寸的缩短,横向收缩变形与纵向收缩基本相同，但是影响的因素较多：线能量、接头形式、装配间隙、板厚等,横向收缩变形的影响因素,1）与热输入有关：横向收缩变形随焊接热输入增大而增加。2）与间隙有关：装配间隙增加，横向收缩也增加，如图4-83）与焊接长度有关：焊缝的横向收缩沿焊接方向由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。4）与拘束程度有关：定位焊缝越长，横向收缩变形量就越小5）与金属填充量有关：对接接头的横向收缩量随焊缝金属量的增加而增加大的6）与焊接方法有关：焊接方法对横向收缩量也有影响。7）与焊缝形式有关：角焊缝的横向收缩要比对接焊缝小得多。,焊接线能量增大横向收缩量增大装配间隙增大横向收缩量增大横向收缩量的分布规律：沿着焊接长度方向由小到大，随后趋于稳定。焊缝金数量填充量增加横向收缩量增大热输入、焊材板厚及坡口角度增大横向收缩量增大,横向收缩变形的规律,图4-8 带间隙平板对接焊的横向收缩变形过程,角变形、弯曲变形和波浪变形,3.弯曲变形（挠曲变形）,定义：长构件因不均匀加热和冷却在焊后两端挠起的变形,弯曲变形的影响因素,（1）纵向收缩引起的弯曲变形：如图4-9所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。当焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。（2）横向收缩引起的弯曲变形：焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时引起的，如图4-10,图4-9 焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形,图4-10 焊缝横向收缩引起的弯曲变形,横向引起弯曲变形,横向引起弯曲变形与焊缝到焊件形心的距离成正比,3 角变形,定义：焊接时由于焊接区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形角变形产生的根本原因是由于焊缝的横向收缩沿板厚分布不均匀所致。,对接接头的角变形,平板堆焊中的角变形,T形接头的角变形,1）.焊缝横向收缩引起的弯曲角变形 2）.焊缝金属收缩引起的倾斜角变形,4.波浪变形（翘曲变形）,定义：薄板焊接时，因不均匀加热，焊后构件呈波浪状变形，或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的波浪状变形，见图4-11所示波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接又称之为失稳变形。,原因：薄板在承受压应力，当其中的压应力达到-临界力，薄板将出现波浪变形失去承载能力，称之为失稳。,图4-11 焊接角变形引起的波浪变形,5.扭曲变形,定义：焊后构件发生扭曲产生扭曲变形的原因主要是焊缝角变形沿焊缝长度方向分布不均匀及工件的纵向错边有关。,工字梁的扭曲变形,6.错边变形,原因：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善会造成错边,影响焊接残余变形的因素,影响焊接残余变形大小的因素：焊缝在结构中的位置焊接结构的刚性焊缝的长度和坡口形式焊接结构的装配顺序焊接工艺方法焊接操作方法结构材料的膨胀系数等,1.焊缝在结构中的位置 焊接结构刚性不大、焊缝在结构中对称布置或焊缝在结构的中性轴上、焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置（即焊缝截面上下左右对称）施焊顺序与方向合理时，主要产生纵向缩短和横向缩短 焊缝在结构中布置不对称时，焊后要产生弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝较多的一侧 焊缝偏离结构中性轴式，则焊后要产生弯曲变形，弯曲方向朝向焊缝一侧，焊缝偏离结构中性轴越远，则越容易产生弯曲变形,2.焊接结构的刚性,衡量焊接接头刚性大小的定量指标拘束度拘束度 拉伸拘束度 弯曲拘束度 拘束度越大，刚性越大，焊接结构越不易变形结构抵抗拉伸的刚性主要决定与结构面积的大小 截面积越大，拉伸拘束度就越大，则抵抗拉伸的刚性就越大，变形就越小。结构抵抗弯曲的刚性主要看结构的截面形状和尺寸大小结构抵抗扭曲的刚性除了决定于结构的尺寸大小外，最主要的是结构截面形状 短而粗的焊接结构，刚性较大；细而长的构件，抗弯刚性小,说明,结论,3.焊缝长度和坡口形式,焊缝截面越大，焊缝长度越长，焊接变形越大。Y形坡口的焊缝和角焊缝横向收缩要产生角变形。坡口角度越大，角变形越大。Y形（V形）坡口比U形坡口角变形大。X形（双Y形）坡口比Y形坡口角变形小。X形坡口比双U形坡口角变形大。I形坡口角变形小。坡口的根部间隙越大，则变形越大。4.焊接结构的装配及焊接顺序 焊接结构的刚性是在装配、焊接过程中逐渐增大的，结构整体的刚性总比它的零、部件刚性大 尽可能先装配整体，然后再焊接，可减少焊接结构的变形。焊接顺序不合理，引起焊接变形 合理的焊接顺序，可使变形达到最小,5.焊接线能量,焊接线能量越大，焊接变形也越大。焊接变形随着焊接电流的增大而增大，随着焊接速度的加快而减小。焊件形式尺寸及刚性拘束度相同条件下，埋弧自动焊产生的变形比焊条电弧焊大，CO2气体保护焊和氩弧焊产生的变形比焊条电弧焊小 气焊、电渣焊的焊接变形大，电弧焊引起的焊接变形小，电子束焊和激光焊的焊接变形极小单道焊、大电流慢速摆动焊的线能量大，引起的焊接变形比多层多道焊、小电流快速不摆动焊大。对称的焊缝对称施焊时，可减少焊接变形或不产生某种变形。结构材料的线膨胀系数大（如不锈钢），热胀冷缩量大，引起的焊接变形大,4.2.3 控制焊接变形的措施,1.设计措施（1）选择合理的焊缝形状和尺寸：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸1）选择最小的焊缝尺寸(如图4-12示）,图4-12 相同承载能力的十字接头,2）选择合理的坡口形式（如图4-13示）选用焊缝金属少的坡口形式 a)角变形大 b)角变形小,图4-13T形接头的坡口,（2）尽可能减少焊缝的数量,用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊只要允许，多采用型材、冲压件；焊缝多且密集处，可以采用铸焊联合结构，就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度，以减少肋板数量，或者采用压型结构代替肋板结构，都对防止薄板结构的变形有利。（3）合理安排焊缝的位置（见图4-14所示）梁、柱等焊接构件、常因焊缝偏心配置而产生弯曲变形。,箱形结构的焊缝安排,a),b),图4-14 合理安排焊缝位置防止焊接变形a)不合理 b)合理,反变形法定义：在焊接前对焊件施加具有大小相同、方向相反的变形，以抵消焊后发生变形的方法。这种方法可以防止弯曲变形和角变形。(如图4-15所示）,2.工艺措施,平板对接焊时的反变形法,a),b),c),图4-15 无外力作用下的反变形法a)平板对接焊 b)电渣对接立焊 c)工字梁翼板反变形,刚性固定法,在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好,定义：当焊件刚性较小时，利用外加刚性拘束来减少焊件焊后变形的方法,1）将焊件固定在刚性平台上，如图4-162）将焊件组合成刚度更大或对称的结构，如图4-173）利用焊接夹具增加结构的刚度和拘束，如图4-184）利用临时支撑增加结构的拘束，如图1-19,图1-48 薄板拼接时的刚性固定,图4-16 薄板拼接时的刚性固定,图4-17 T形梁的刚性固定与反变形,图4-18 对接拼板时的刚性固定,图4-19防护罩焊接时的临时支撑,选择合理的装配焊接顺序,1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体。2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，如图4-203）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，如图4-214）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，如图4-225）长焊缝焊接时，可采用图4-23所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形,图4-20 主梁装配焊接a)形梁结构示意图 b)形梁的装配焊接方案,图4-21 压力机压型上模的焊接顺序a)压型上模结构图 b)、c)、d)焊接顺序,a),b),c),d),图4-22圆筒体对接焊缝的焊接顺序,a),b),c),d),图4-23 长焊缝的几种焊接顺序,合理地选择焊接方法和焊接工艺参数,图4-24 非对称截面结构的焊接,采用快速高温焊接方法或小能量（热输入）可以减少焊接变形,热平衡法,采用热平衡法防止焊接变形,散热法,散热法示意图a)水浸法散热 b)喷水法散热 c)散热垫法散热,4.2.4 矫正焊后残余变形的方法,1.手工矫正法:主要用于矫正一些小型简单焊件的弯曲变形和薄板的波浪变形2.机械矫正法：适用于塑性较好的材料及形状简单的焊件，如图4-253.火焰加热矫正法：利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形来抵消焊接变形（1）点状加热，如图4-26（2）线状加热，如图4-27（3）三角形加热，如图4-28火焰矫正变形的效果取决于三个因素：（1）加热方式（2）加热位置（3）加热温度和加热面积,图1-59,图4-25 机械矫正法,返回,图4-26 点状加热,适用于,波浪变形,a),b),c),图4-27 线状加热a)直通加热 b)链状加热 c)带状加热,返回,适用于,角变形,图4-28 工字梁弯曲变形的火焰矫正,弯曲变形,适用于,三角形加热,4.3 焊接残余应力,焊接残余应力的分类1.按产生应力的原因分类（1）热应力（温度应力）焊接是不均匀加热和冷却过程，焊件内部主要由于受热不均匀、温度差异所引起的应力。（2）拘束应力 主要由于结构本身或外加拘束作用而引起的应力。（3）相变应力（组织应力）主要由于焊接接头区产生不均匀的组织转变而引起的应力（4）氢致集中应力 主要由于扩散氢聚集在显微缺陷处而引起的应力。上述四种残余应力，以热应力和相变应力为主，则：内应力按产生的原因分为热应力（温度应力）和相变应力（组织应力）。,2.按应力存在的时间分（1）焊接瞬时应力（2）焊接残余应力3.按应力在空间的方向分类（1）单向应力（线应力）在焊件中沿一个方向存在的应力。例如：焊接薄板的对接焊缝及在焊件表面堆焊时产生的应力（2）双向应力（平面应力）作用在焊件某一平面内两个互相垂直方向上的应力 例如：常发生在厚度为15-20mm的中厚板焊接结构中,3）三向应力（体积应力）作用在焊件内互相垂直的3个方向的应力例如：焊接厚板的对接焊缝和互相垂直的3各方向焊缝交汇处的应力,金属受热和冷却时产生的体积膨胀和收缩是三个方向，则残余应力总是三向应力，忽略很小的一个或两个方向 应力，变为双向应力或单向应力,4.3.2 焊接残余应力对结构的影响1.对结构强度的影响 引起热裂纹和冷裂纹 促使接触腐蚀介质的结构在使用时容易发生应力腐蚀，产生应力腐蚀裂纹，引起应力腐蚀低应力脆断。降低结构的承载能力在应力集中、结构刚性拘束大、焊接缺陷较多部位，存在拉伸焊接残余应力减低结构使用寿命，易导致脆断2.对焊件加工尺寸精度的影响,3.对受压杆件稳定性的影响,机械加工引起内应力释放和变形,设计原则,减少焊接残余应力的措施,减少焊接残余应力的措施,设计措施 设计上减小焊接应力的核心是正确布置焊缝，以避免应力叠加 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够 的距离。,容器接管焊接,3）采用刚性较小的接头形式,减小接头的刚性措施,2.工艺措施1）采用合理的装配焊接顺序和方向 在一个平面上的焊缝，焊接时，应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由。,拼接焊缝合理的装配焊接顺序,收缩量最大的焊缝应先焊,带盖板的双工字梁结构焊接顺序,工作时受力最大的焊缝应先焊,对接工字梁的焊接顺序,平面交叉焊缝焊接时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接应力,平面交叉焊缝的焊接顺序,对接焊缝与角焊缝交叉的结构,2）整体预热法3）冷焊法4）降低焊缝的拘束度,降低局部刚度减少内应力,5）加热“减应区”法,加热“减应区”法示意图,消除焊接残余应力的方法1.热处理法（消除应力热处理法）（1）整体热处理（2）局部热处理2.加载法 利用力的作用使焊接接头拉伸残余应力区产生塑性变形，从而松弛焊接残余应力的方法（1）机械拉伸法（2）温差拉伸法（低温消除应力法）,“温差拉伸法”消除残余应力示意图,注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。,（3）锤击焊缝法（4）振动法：利用振动产生的交变应力来消除部分残余应力 分为 弯曲共振法 扭曲共振法 振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。,注意,谢谢大家！,