焊接结构第二章 焊接应力与变形及其控制.ppt
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1、2023/10/26,1,北京铁路局石家庄职工培训基地主讲:邢建章职称:工程师,第二章 焊接应力与变形及其控制,2023/10/26,2,第二章 焊接应力与变形及其控制,【能力目标】熟悉焊接应力与变形的概念、产生的原因、分布规律及控制措施,掌握简单的焊接变形的矫正方法。了解焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的原因。【内容提示】结构件在焊接时,由于局部加热而造成温度分布不均匀,进而造成不均匀分布的塑性变形,最终导致焊件产生残余应力和变形。本章主要介绍焊接应力和变形的基本概念及产生的原因,焊接应力的分布规律,降低和消除焊接残余应力的方法,焊接变形的种类和控制焊接变形的措施,以及焊接结构的疲劳破坏和脆性断裂
2、的有关知识。,2023/10/26,3,第一节 焊接应力与变形产生的原因,一、焊接应力与变形的基本知识,1应力 物体受外力作用或由其他因素引起的物体内部的相互作用力叫做内力。物体单位面积上的内力叫做应力。根据引起内力的原因不同,可将应力分为工作应力和内应力,工作应力是由外力作用于物体而引起的应力;内应力是由于物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化,造成物体内部不均匀性变形而引起的应力。内应力存在于许多工程结构中,如冲压结构、锻造结构、焊接结构等。,2023/10/26,4,2变形 物体在外力、温度等因素的作用下,其形状或尺寸发生变化称为物体的变形。变形分为弹性变形和塑性变形,当使物体产生变形
3、的外力或其他因素消除后,变形也随之消失,物体能恢复原状,这样的变形称为弹性变形;当外力或其他因素消除后,变形的物体不能恢复原状,这样的变形称为塑性变形。,3焊接应力与焊接变形 焊接构件由焊接而产生的内应力叫焊接应力,焊接结束后残留在焊件中的焊接应力叫焊接残余应力。由焊接而引起的焊件形状或尺寸改变称为焊接变形。,2023/10/26,5,二、焊接应力与变形产生的原因,影响焊接应力与变形的因素很多,其中,最根本的原因是焊件受热不均匀,其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚度不同所致。另外,焊缝在焊接结构中的位置、装配一焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影
4、响,下面着重介绍几个主要因素。,1焊件的不均匀受热 焊接是一个局部加热的过程,焊件上温度分布极不均匀,为了便于了解不均匀受热时应力与变形的产生,下面对不同条件下的应力与变形进行讨论。,2023/10/26,6,(1)长板条中心加热(类似于堆焊)引起的应力与变形 如图2-l-la所示,长度为L。,厚度为的长板条,材料为低碳钢,在其中间沿长度方向进行加热,为简化讨论,将板条上的温度区分为两种,中间为高温区,其温度均匀一致;两侧为低温区,其温度也均匀一致。,图2-1-1 长板条中心加热和冷却时的应力与变形,加热时,如果板条的高温区与低温区是可分离的,高温区将伸长,低温区不变,如图2-l-lb所示。但
5、实际上板条是一个整体,所以板条将整体伸长,此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形,如图2-1-lc所示。,图2-1-1 长板条中心加热和冷却时的应力与变形,2023/10/26,8,冷却时,由于压缩塑性变形不可恢复,所以,如果高温区与低温区是可分离的,高温区应缩短,低温区应恢复原长,如图2-l-1d所示。因为板条是一个整体,所以板条将整体缩短,这就是板条的残余变形,如图2-1-le所示。同时,在板条内部也产生了残余应力,中间高温区为拉应力,两侧低温区为压应力。,图2-1-1 长板条中心加热和冷却时的应力与变形,a)原始状态 b),c)加热时 d),e)冷却时,图2-1-1 长板条中心
6、加热和冷却时的应力与变形,2023/10/26,10,(2)长板条一侧加热(相当于板边堆焊)引起的应力与变形 如图2-1-2a所示,在一块材质均匀的钢板的上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄板条组成,则各板条在加热时将根据温度高低而不同程度地伸长,,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,如图2-l-2b所示。但实际上,钢板是一个整体,各板条之间是互相牵连、互相影响的,上部板条因受下部板条的阻碍作用而不能自由伸长,因此产生了压缩塑性变形。由于钢板的温度分布是自上而下逐渐降低的,因此,钢板产生向下的弯曲变形,如图2-1-2c所示。,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与
7、变形,钢板冷却时,各板条若是分离的,收缩状态应如图2-l-2d所示。但钢板是一个整体,上部分板条要受到下部分板条的阻碍而不能自由收缩,所以钢板产生了与加热时相反的残余变形,如图2-l-2e所示。同时,在钢板内产生了残余应力,即钢板中部为压应力,钢板两侧为拉应力。,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,2023/10/26,13,图2-1-2 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形,a)原始状态 b)假设状态下各板条的伸长 c)加热后的实际变形与应力 d)假设状态下各板条的收缩 e)冷却后的实际变形与应力,由上述分析可知,对构件进行不均匀加热,在加热过程中,只要温度高于材料屈服点的温
8、度,冷却后,构件必然有残余应力和残余变形。,2023/10/26,14,2焊缝金属的收缩 焊缝金属冷却时,当它由液态转为固态,其体积要收缩。由于焊缝金属与母材金属是紧密联系的,因此,焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形,同时在焊缝中引起残余应力。另外,一条焊缝是逐步形成的,焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩,由此也会产生焊接应力与变形。,3金属组织的变化 钢在加热及冷却过程中发生相变,可得到不同的组织,这些组织的比容也不一样,由此也会产生焊接应力与变形。4焊件的刚性和拘束 焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响,刚性是指焊件抵抗变形的能力,而拘束是指焊件周围物体对焊件变
9、形的约束。刚性是焊件本身的性能,它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关,而拘束是一种外部条件。拘束度是衡量焊接接头刚性大小的一个定量指标,焊件的拘束度越大,焊接变形越小,焊接应力越大;反之,焊件的拘束度越小,则焊接变形越大,而焊接应力越小。,2023/10/26,16,第二节 焊接残余应力及其控制,一、焊接残余应力的分类 1按产生应力的原因分类(1)热应力 热应力是指在焊接过程中,由焊件内部温度差异引起的应力,故又称温度应力,它随着温差消失而消失。热应力是引起热裂纹的主要原因之一。(2)相变应力 相变应力是指在焊接过程中局部金属发生相变,其密度增大或减小而引起的应力。,2023/10/26,1
10、7,(3)塑变应力 塑变应力是指局部金属发生拉伸或压缩塑性变形后所引起的内应力。对金属进行剪切、冲压、弯曲、切削、锻造等冷热加工时,都会产生这种内应力。焊接过程中,近缝高温区的金属热胀和冷缩受阻时,便产生塑性变形,从而引起塑变应力。,18,2按应力存在的时间分类(1)焊接瞬时应力 焊接瞬时应力是指在焊接过程中某一瞬时产生的焊接应力,它随时间而变化。焊接瞬时应力和焊接热应力没有本质区别,当温差也随时间而变化时,热应力也是瞬时应力。(2)焊接残余应力 焊接残余应力是焊接结束后残留在焊件内的应力,残余应力对焊接结构的强度、耐腐蚀性和尺寸稳定性等性能均有影响。,3按焊接残余应力在结构中的作用方向分类(
11、1)单向应力 单向应力是指焊接应力在焊件中只沿一个方向产生,即焊件中的应力是单方向的,也称线应力,如薄板焊接和圆柱对接时。,(2)双向应力 双向应力是指焊接应力存在于焊件中一个平面的不同方向上,如薄板十字对接焊缝和较厚钢板对接时,焊件中的应力存在于一个平面上,也称为平面应力。,(3)体积应力 体积应力是指焊接应力在焊件中沿空间三个方向发生,也称三向应力,如厚板对接焊缝。,二、焊接残余应力的分布 在厚度小于20 mm的焊接结构中,残余应力基本是纵、横双向的,厚度方向的残余应力很小,可以忽略。只有在大厚度的焊接结构中,厚度方向的残余应力才有较高的数值。因此,这里将重点讨论纵向应力和横向应力的分布情
12、况。,2023/10/26,22,1纵向残余应力 的分布 作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。在焊接结构中,焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力,一般可达到材料的屈服点,随着与焊缝间距离的增大,拉应力急剧下降并转化为压应力。宽度相等的两板对接时,纵向残余应力 在焊件横截面上的分布情况如图2-2-1所示。,图2-2-1 纵向残余应力在焊件横截面上的分布情况,2023/10/26,23,2横向残余应力 的分布 作用方向垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。横向残余应力 的产生原因比较复杂,可将其分成两个部分加以讨论:一部分是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力,用
13、表示;另一部分是由焊缝及其附近塑性变形区横向收缩的不均匀性所引起的横向应力,用 表示。,2023/10/26,24,(1)纵向收缩引起的横向应力 如图2-2-2a所示是由两块平板条对接而成的焊件,如果假想沿焊缝中心将焊件一分为二,即两块板条都相当于板边堆焊,将出现如图2-2-2b所示的弯曲变形,要使两板条恢复到原来形状,必须在焊缝中部施加横向拉应力,在焊缝两端施加横向压应力。由此可以推断,焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力如图2-2-2c所示,其两端为压应力,中间为拉应力。,图2-2-2 纵向收缩引起的横向应力 的分布,2023/10/26,26,图2-2-3 不同焊接方向时 的分
14、布,总之,横向应力的两个组成部分、同时存在,焊件中横向应力 是由、合成的,但它的大小要受屈服点 的限制。,三、焊接残余应力对焊接结构的影响 1对结构强度的影响 应力集中不严重的焊接结构,只要材料具有一定的塑性变形能力,焊接内应力并不影响结构的静载强度。但是,当材料为脆性状态时,则拉伸内应力和外力引起的拉应力叠加,有可能使局部区域的应力首先达到断裂极限,导致结构早期破坏。因此,焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的强度。,2对焊件加工尺寸精度的影响 在机械加工时,因一部分金属从焊件上被切除而破坏了内应力原来的平衡状态,于是内应力重新分布以达到新的平衡,同时产生了变形,于是加工精度受到影响。如
15、图2-2-4所示为机械加工引起的内应力释放和变形。在T形焊件上加工平面时,当切削加工结束后松开加压板,工件会产生上挠变形,加工精度受到影响。为了保证加工精度,应对焊件先进行消除应力处理,再进行机械加工。也可采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残余应力。,2023/10/26,29,图2-2-4 机械加工引起的内应力释放和变形,机械加工后,原内应力的平衡打破,工件将产生变形,3对受压杆件稳定性的影响 焊接工字梁或箱形梁时,腹板的中心部位存在较大的压应力,这种压应力的存在,往往会导致高大梁结构的局部或整体失稳,产生波浪变形。焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸精度以及结构稳定性有影响外,还对
16、结构刚度、疲劳强度等有不同程度的影响。因此,为了保证焊接结构具有良好的使用性能,必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力,对某些重要的结构,焊后还必须采取消除焊接残余应力的措施。,四、控制焊接残余应力的措施 控制焊接残余应力,即在焊接结构制造过程中,采取一些适当的措施以减小焊接残余应力。一般可以从设计和工艺两方面着手:设计焊接结构时,在不影响结构使用性能的前提下,应尽量考虑采用能减小和改善焊接应力的设计方案;在制造过程中还要采取一些必要的工艺措施,以使焊接应力减小。,1设计措施(1)尽量减少结构上焊缝的数量和减小焊缝尺寸 多一条焊缝就多一处内应力源;过大的焊缝尺寸使焊接时受热区加大,残余应力与残余
17、变形量明显增大。(2)避免焊缝过分集中,焊缝间应保持足够的距离 焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀,而且可能出现复杂的双向或多向应力状态。压力容器的设计在这方面要求严格,如图2-2-5所示。,图2-2-5 容器接管焊接,(3)采用刚度较小的接头形式 对于厚度大、刚度大的焊件,在不影响结构强度的前提下,可在焊缝附近进行局部加工,以降低焊件局部刚度,达到减小焊接残余应力的目的,如图2-2-6所示。,图2-2-6 减小接头刚度的措施,2工艺措施(1)采用合理的装配一焊接顺序和方向 所谓合理的装配一焊接顺序就是指能使每条焊缝尽可能自由收缩的焊接顺序。在确定焊接顺序时应注意以下几点:1)在一个平面上的焊
18、缝,焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均比较自由。如图2-2-7所示的拼板焊接,合理的装配一焊接顺序是按图中的顺序施焊,即先焊相互错开的短焊缝,后焊直通长焊缝。,图2-2-7 拼板焊接合理的装配-焊接顺序,2)收缩量最大的焊缝应先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻力较小,因而残余应力就比较小。如图2-2-8所示为带盖板的双工字梁结构,应先焊盖板上的对接焊缝,后焊盖板与工字梁之间的角焊缝,原因是对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。,图2-2-8 带盖板的双工字梁结构,3)工作时受力最大的焊缝应先焊。如图2-2-9所示的大型对接工字梁,应先焊受力最大的翼板对接焊缝,再焊腹板对接焊缝,最后焊预先留出来的一段
19、角焊缝。,图2-2-9 大型对接工字梁,4)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。如图2-2-10所示为平面交叉焊缝,对这几种 T 形接头和十字接头,应采用如图2-2-10a,b,c所示的焊接顺序,才能避免在焊缝的交叉点产生裂纹及夹渣等缺陷。如图2-2-10d所示为不合理的焊接顺序。,a)b),c)合理的焊接顺序 d)不合理的焊接顺序,图2-2-10 平面交叉焊缝,5)如图2-2-11所示为对接焊缝与角焊缝交叉焊接。对接焊缝的横向收缩量大,必须先焊,后焊角焊缝。反之,如果先焊角焊缝,则焊接对接焊缝时,其横向收缩受限制,极易产生裂纹。,图2-2-11 对接焊缝与角焊缝交叉焊接,
20、(2)预热法 预热法是在施焊前,预先将焊件局部或整体加热到150650焊接或焊补淬硬倾向较大或脆性的材料,以及刚度较大的焊件时,常常采用预热法。预热温度视材料、结构刚度等具体情况而定。,(3)冷焊法 冷焊法是指焊接前或焊接过程中不加热的工艺。具体做法为:尽量采用小的热输入施焊,选用小直径焊条,进行小电流、快速焊及多层多道焊。另外,应用冷焊法时,外境温度应尽可能高。,(4)降低焊缝的拘束度 对于平板上镶板的封闭焊缝,焊接时拘束度大,焊后焊缝纵向和横向拉应力都较大,极易产生裂纹。为了降低残余应力,应设法减小该封闭焊缝的拘束度。如图2-2-12a所示,焊前对镶板的边缘适当翻边,做出反变形,焊接时翻边
21、处拘束度减小。若镶板收缩余量预留得合适,焊后残余应力可减小,且镶板与平板平齐。如图2-2-12b所示为镶板,图2-2-12 降低局部刚度减小内应力,a)镶板的边缘少量翻边 b)镶板压凹,(5)加热“减应区”法 焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位(称为“减应区”),使之与焊接区同时膨胀或同时收缩,起到减小焊接应力的作用,此法称为加热“减应区”法。如图2-2-13所示为加热“减应区”法原理图,图中框架中心断裂,需要修复。若直接焊接断口处,焊缝横向收缩受阻,在焊缝中将产生相当大的横向应力。若焊前在构件两侧的减应区同时加热,两侧受热膨胀,使中心断口间隙增大。此时,对断口处进行焊接,焊后两侧也停止加
22、热。于是焊缝和两侧加热区同时冷却收缩,互不阻碍,减小了焊接应力。,图2-2-13 加热“减应区”法原理图,a)加热过程 b)冷却过程,五、减小焊接残余应力的方法 虽然在焊件结构设计时考虑了残余应力的问题,在工艺上也采取了一定的措施来控制焊接残余应力,但由于焊接应力的复杂性,结构在焊接完以后仍然可能存在较大的残余应力。另外,有些结构在装配过程中还可能产生新的应力,这些焊接残余应力及装配应力都会影响结构的使用性能。焊后是否需要消除残余应力,通常由设计部门根据钢材的性能、板厚、结构的制造及使用条件等多种因素综合考虑后决定。常用的减小焊接残余应力的方法有热处理法、机械拉伸法、温差拉伸法、锤击焊缝法、振
23、动法等。,1热处理法 热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变的现象来达到松弛焊接残余应力的目的,同时还可改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法有整体热处理和局部热处理两种。(1)整体热处理 整体热处理是将整个构件缓慢加热到一定的温度(例如,低碳钢为600680,并在该温度下保温一定的时间(一般,每毫米板厚保温l2 min,但总时间不少于30 min,不高于3 h),然后空冷或随炉冷却。整体热处理消除残余应力的效果取决于加热温度、加热方法、加热范围、保温时间、加热和冷却速度。一般可消除8090的残余应力,在生产中应用比较广泛。,2023/10/26,46,(2)局部热处理 对于某些不允许或
24、不可能进行整体热处理的焊接结构,可采用局部热处理,局部热处理就是对构件焊缝周围应力较大的局部区域,缓慢加热到一定温度后保温,然后缓慢冷却,其消除应力的效果不如整体热处理,它只能减小残余应力,不能完全消除残余应力。对于一些大型筒形容器的组装环缝和一些重要管道等,常采用局部热处理来降低结构的残余应力。,2机械拉伸法 机械拉伸法是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力,使焊缝及其附近区域产生拉伸塑性变形,与焊接时在焊缝及其附近区域所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分,以达到松弛残余应力的目的。实践证明,拉伸载荷加得越大,压缩塑性变形量就抵消得越多,残余应力消除得越彻底。在压力容器制造的最后阶段,通常要
25、进行水压试验,其目的之一也是利用加载来抵消部分残余应力。,3温差拉伸法 温差拉伸法的基本原理与机械拉伸法相同,不同的是机械拉伸法利用外力进行拉伸,而温差拉伸法是利用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。如图2-2-14所示为温差拉伸法示意图,在焊缝两侧各用一适当宽度(一般为100150 mm)的火焰加热焊件,将焊件表面加热到200左右,在焰嘴后面一定距离用水管喷头冷却,使焊缝两侧金属温度高,焊缝区温度低,两侧金属的热膨胀对中间温度较低的焊缝区进行拉伸,产生拉伸塑性变形抵消焊接时所产生的压缩塑性变形,从而达到消除残余应力的目的。如果加热温度和加热范围选择适当,可消除5070的应力。,图2-2-
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