焊接变形与应力.ppt

Chapter 2 焊接变形与应力Stress and reform of welding本章重点本章重点：1.杆件的均匀加杆件的均匀加热、冷却、冷却过程的程的变形与形与应力力 2.长板条在不均匀温度板条在不均匀温度场作用下的作用下的变形与形与应力力 3.焊接残余接残余变形形 4.预防和防和矫正残余正残余变形的方法形的方法 5.焊接残余接残余应力力 6.焊接残余接残余应力的力的调节及消除措施及消除措施本章本章难点点：1.杆件的均匀加杆件的均匀加热、冷却、冷却过程的程的变形与形与应力力 2.长板条在不均匀温度板条在不均匀温度场作用下的作用下的变形与形与应力力 3.焊接残余接残余变形形 4.焊接残余接残余应力力1.3.1 焊接应力与变形的基本概念 1.按应力的 分布范围2.根据结构中 的空间位置焊接接应力力产生的原因及分生的原因及分类 12.焊接应力产生的原因及分类 23.根据根据应力与力与焊 缝的相的相对位置位置4.根据根据应力力产生生 、作用的、作用的时间5.根据根据应力力 形成原因形成原因 3.焊接变形产生原因及分类 11.自由自由变形：形：当金属物体温度当金属物体温度发生生变化，或化，或发生了生了相相变，其尺寸和形状就要，其尺寸和形状就要发生生变化，如果化，如果这种种变化没有受到外界的阻碍而自由的化没有受到外界的阻碍而自由的进行。行。单位位长度的自由度的自由变形量：形量：4.焊接变形产生原因及分类 22.外外观变形形：当金属物在温度：当金属物在温度变化化过程中受到阻碍，程中受到阻碍，不能完全的自由不能完全的自由变形，把能表形，把能表现出来的出来的这部分部分变形，称形，称为外外观变形形。3.内部内部变形形：把未表：把未表现出来的那部分出来的那部分变形，称形，称为内内部部变形形 ；5.焊接残余变形的基本类型 6.纵向横向收缩变形7.角变形、弯曲变形和波浪变形8.杆件的均匀加热和冷却过程中的变形和应力 简化假定化假定：1.金属材料的性参数金属材料的性参数 是与温度是与温度变化无关的参数化无关的参数 2.金属的相金属的相变温度很高，不考温度很高，不考虑组织应力力 3.材料屈服极限与温度材料屈服极限与温度变化关系化关系9.不同拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力 1.杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力 10.2.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 11.2.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12.2.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13.3.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 14.3.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15.3.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16.3.长板条（长宽比45）在不均匀温度场作用下变形和应力 假定假定：1.单向向应力力2.线热源，厚度方向上温度是均匀的源，厚度方向上温度是均匀的3.截面保持平面截面保持平面 17.长板条在中心加热引起的纵向收缩变形和应力 18.长板条非对称加热引起的变形和应力 19.长板条冷却后产生的残余应力和变形残余残余应力的分力的分布是：布是：焊缝及及近近焊缝区域受区域受到拉到拉应力，常力，常达以后随达以后随远离离焊缝依次是依次是压应力，拉力，拉应力，力，形成三个正形成三个正负相相间的的应力分力分布区。布区。20.4.焊接残余变形 21.纵向收缩变形及产生的弯曲变形 纵向收缩变形结论 22.纵向收缩量的计算1.单层焊的的纵向收向收缩量量：F构件截面构件截面积 L构件构件长度度 -焊缝截面截面积2.多多层焊的收的收缩量量：焊接方法CO2焊埋弧焊手工焊材料低碳钢低碳钢奥氏体钢K10.0430.0710.0760.0480.0570.07623.纵向引起弯曲变形结论 24.横向收缩变形及其产生的挠曲变形 25.对接接头横向变形的实验数据26.丁字接头及搭接接头横向收缩27.横向收缩变形结论 28.横向引起弯曲变形 横向引起弯曲横向引起弯曲变形与形与焊缝到到焊件形心的距件形心的距离成正比离成正比29.角变形 1.焊缝横向收横向收缩引起的弯曲角引起的弯曲角变形形 2.焊缝金属收金属收缩引起的引起的倾斜角斜角变形形 30.对接接头角变形31.丁字接头和搭接接头的角变形32.波浪变形 原因原因：薄板在承受：薄板在承受压应力，当其中的力，当其中的压应力达到力达到-临界界应力，薄力，薄板将出板将出现波浪波浪变形失形失去承去承载能力，称之能力，称之为失失稳。33.错边变形 原因原因：主要是：主要是焊接接过程中程中对接接边的的热量不量不平衡，装配不平衡，装配不善会造成善会造成错边34.5.预防和矫正焊接残余变形的方法 1.合理合理设计：1.选用用对称截面的称截面的结构，构，焊缝布布置置对称，在称，在设计时，安排，安排焊缝尽可能使尽可能使焊缝对称于截面称于截面的中性的中性轴35.1.合理设计2.合理的合理的选择焊缝的尺寸和形式的尺寸和形式：在保：在保证结构的承构的承载能力的条件下，尽量采用能力的条件下，尽量采用较小的小的焊缝尺寸尺寸3.尽可能减少尽可能减少焊缝的数量的数量：用型：用型钢代替代替钢板，用断板，用断续焊代替代替连续焊36.2.工艺措施1.正确的确定装配、正确的确定装配、焊接接顺序序不正确的装配次序：工字构件，不正确的装配次序：工字构件，先丁字，然后在装另一先丁字，然后在装另一块盖板，盖板，焊后仍有后仍有较大的大的挠度度丁字丁字 工字工字 正确正确应该是，先点固成工字，是，先点固成工字，然后然后焊接，注意次序接，注意次序 37.2.工艺措施2.选择适当的施适当的施焊次序和方向次序和方向 原原则：38.反变形法定定义：构件在：构件在焊前前预制成与制成与变形方向相反的形方向相反的变形，形，这种种方法可以防止弯曲方法可以防止弯曲变形，和形，和角角变形。形。39.刚性固定法在无反在无反变形的情况下，将形的情况下，将构件加以固定来限制构件加以固定来限制焊接接变形，（在形，（在焊法法兰盘上），上），防止角防止角变形和波浪形和波浪变形形较好好40.合理的选择焊接的方法和焊接规范选择线能量能量较低的低的焊接方法，采用多接方法，采用多层焊代替代替单层焊 41.矫正残余变形的方法 1.机械机械矫正法正法：将：将变形的构形的构件中的尺寸件中的尺寸较短的部分短的部分通通过机械力作用，使之机械力作用，使之产生塑性延展生塑性延展变形，而形，而恢复和达到形状的要求，恢复和达到形状的要求，可以利用螺旋、气可以利用螺旋、气动、液液压的器具来加外力的器具来加外力42.矫正残余变形的方法 2.火焰火焰矫正法正法：利用：利用火焰加火焰加热时产生的生的局部局部压缩变形使形使较长部分在冷却后部分在冷却后缩短来消除短来消除变形（不形（不适用于具有晶适用于具有晶间腐腐蚀倾向的不向的不锈钢和和淬硬淬硬倾向向较大的大的钢材）材）43.6.焊接残余应力 焊接残余应力分布 44.1.纵向应力 的分布 45.1.纵向应力 的分布46.横向应力的分布 47.横向应力的分布 48.横向应力的分布 49.厚板中的残余应力分布50.封闭焊缝中的残余应力分布51.组织应力相变应力52.焊接残余应力的影响 1.对静静载强度的影响度的影响 2.对机械加工精度的影响机械加工精度的影响原因：原因：焊件在不件在不经过焊后消后消应力力处理，内部存在着理，内部存在着相互平衡的相互平衡的应力，当力，当进行机械加工行机械加工时，如切削，如切削掉掉焊件的一部分承受残余件的一部分承受残余应力金属，力金属，则焊件会件会重新重新变形（二次形（二次变形）以使残余形）以使残余应力重新分布力重新分布来保持平衡，来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的件不断的切削，就会不断的变形，加工精度形，加工精度难以保以保证53.焊接残余应力的影响3 对疲疲劳强度的影响度的影响（研究不（研究不够充充分）分）4 对应力腐力腐蚀的影响的影响原因：拉原因：拉应力和介力和介质、腐、腐蚀共同作共同作用下用下产生裂生裂纹的一种的一种现象，拉象，拉应力越大，力越大，发生生应力腐力腐蚀开裂的开裂的时间越早。越早。5 对结构构刚度的影响度的影响 结论：在静：在静载下，下，焊件件经过一次加一次加载，卸，卸载后，以后再次加后，以后再次加载，只，只要其大小不超要其大小不超过前一次，残余前一次，残余应力不再起作用，外力不再起作用，外载也不影响也不影响焊件内部残余件内部残余应力的分布力的分布54.7.焊接残余应力的调节及消除措施 1.调节残余残余应力的措施力的措施 1.1设计措施措施:设计上减小上减小焊接接应力的力的核心是正确布置核心是正确布置焊缝，以避免，以避免应力叠力叠加加 55.设计原则56.工艺措施 57.工艺原则58.消除残余应力的措施 注：振注：振动法的法的优点，从点，从应力消除效果看，振力消除效果看，振动法比用同法比用同样大大小的静小的静载拉伸效果好，且具有拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，价廉，处理成本理成本低，低，时间短，无高温回火的金属氧化短，无高温回火的金属氧化问题等等优点。点。59.8.焊接残余应力的测定 1.应力力测定方法的分定方法的分类按其按其对结构的是否破坏来分构的是否破坏来分 按按测试原理分原理分60.应力释放法原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。61.应力释放法1.切条法切条法：将待：将待测焊件划件划分几个区域，在各区分几个区域，在各区待待测点上点上贴应变片或片或加工机械引申加工机械引申计的的标距孔然后距孔然后测原始原始读数，数，然后切断，然后在然后切断，然后在读数根据数根据 可以算出可以算出应力。力。62.应力释放法2.车削法削法：此法多：此法多用于用于测圆柱零件柱零件堆堆焊后的残余后的残余应力分布力分布 63.应力释放法3.小孔法小孔法：是：是应力破坏性力破坏性最小的一种，原理是：最小的一种，原理是：在在应力力场中中钻一个小一个小孔，孔，应力平衡受到破力平衡受到破坏，坏，钻孔周孔周围的的应力力重新重新调整，整，测得孔附得孔附近的近的应变片的片的变化，化，可用可用弹性力学推算小性力学推算小孔孔处的的应力。力。64.应力释放法4.套孔法套孔法：采用套料：采用套料钻或管形或管形电火花加火花加工工环形孔来形孔来释放放应力，在孔内力，在孔内预先先贴上上应变片，可以算片，可以算出表面残余出表面残余应力，力，切削深度切削深度为0.60.8D，破坏，破坏性不大。性不大。65.X射线衍射法 原理原理：晶体在：晶体在应力的作用下，力的作用下，原子原子间距距发生生变化，其化，其变化化与与应力大小成正比，当用力大小成正比，当用X射射线，以掠角，以掠角 入射到晶体表入射到晶体表面面时，如果，如果 能能满足足2dSin=n ，则X射射线在反射在反射方向因干涉而加方向因干涉而加强缺点缺点：66.