减少焊接变形与应力消除.pptx

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 的空间位置焊接应力产生的原因及分类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 23.根据应力与焊根据应力与焊 缝的相对位置缝的相对位置4.根据应力产生根据应力产生 、作用的时间、作用的时间5.根据应力根据应力 形成原因形成原因 焊接变形产生原因及分类 11.自由变形：自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了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。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：单位长度的自由变形量：焊接变形产生原因及分类 22.外观变形外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，：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，称为外观变形形，称为外观变形。3.内部变形内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形部变形 ；焊接残余变形的基本类型 纵向横向收缩变形角变形、弯曲变形和波浪变形杆件的均匀加热和冷却过程中的变形和应力 简化假定简化假定：1.金属材料的性参数金属材料的性参数 是与温度变化无关的参数是与温度变化无关的参数 2.金属的相变温度很高，不考虑组织应力金属的相变温度很高，不考虑组织应力 3.材料屈服极限与温度变化关系材料屈服极限与温度变化关系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 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 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 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.单向应力单向应力2.线热源，厚度方向上温度是均匀的线热源，厚度方向上温度是均匀的3.截面保持平面截面保持平面 长板条在中心加热引起的纵向收缩变形和应力 长板条非对称加热引起的变形和应力 长板条冷却后产生的残余应力和变形残余应力的分残余应力的分布是：焊缝及布是：焊缝及近焊缝区域受近焊缝区域受到拉应力，常到拉应力，常达以后随远离达以后随远离焊缝依次是压焊缝依次是压应力，拉应力，应力，拉应力，形成三个正负形成三个正负相间的应力分相间的应力分布区。布区。4.焊接残余变形 纵向收缩变形及产生的弯曲变形 纵向收缩变形结论 纵向收缩量的计算1.单层焊的纵向收缩量单层焊的纵向收缩量：F构件截面积构件截面积 L构件长度构件长度 -焊缝截面积焊缝截面积2.多层焊的收缩量多层焊的收缩量：焊接方法CO2焊埋弧焊手工焊材料低碳钢低碳钢奥氏体钢K10.0430.0710.0760.0480.0570.076纵向引起弯曲变形结论 横向收缩变形及其产生的挠曲变形 对接接头横向变形的实验数据丁字接头及搭接接头横向收缩横向收缩变形结论 横向引起弯曲变形 横向引起弯曲横向引起弯曲变形与焊缝到变形与焊缝到焊件形心的距焊件形心的距离成正比离成正比角变形 1.焊缝横向收缩焊缝横向收缩引起的弯曲角引起的弯曲角变形变形 2.焊缝金属收缩焊缝金属收缩引起的倾斜角引起的倾斜角变形变形 对接接头角变形丁字接头和搭接接头的角变形波浪变形 原因原因：薄板在承受压：薄板在承受压应力，当其中的压应应力，当其中的压应力达到力达到-临界应力，薄临界应力，薄板将出现波浪变形失板将出现波浪变形失去承载能力，称之为去承载能力，称之为失稳。失稳。错边变形 原因原因：主要是：主要是焊接过程中对焊接过程中对接边的热量不接边的热量不平衡，装配不平衡，装配不善会造成错边善会造成错边5.预防和矫正焊接残余变形的方法 1.合理设计合理设计：1.选选用对称截面的用对称截面的结构，焊缝布结构，焊缝布置对称，在设置对称，在设计时，安排焊计时，安排焊缝尽可能使焊缝尽可能使焊缝对称于截面缝对称于截面的中性轴的中性轴1.合理设计2.合理的选择焊缝的尺寸和形式合理的选择焊缝的尺寸和形式：在保证结构的承载：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能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸3.尽可能减少焊缝的数量尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊焊代替连续焊2.工艺措施1.正确的确定装配、焊接顺序正确的确定装配、焊接顺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，然后在装另一块盖板，先丁字，然后在装另一块盖板，焊后仍有较大的挠度焊后仍有较大的挠度丁字丁字 工字工字 正确应该是，先点固成工字，正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序然后焊接，注意次序 2.工艺措施2.选择适当的施焊次序和方向选择适当的施焊次序和方向 原则：原则：反变形法定义定义：构件在焊前预制成与：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形，和方法可以防止弯曲变形，和角变形。角变形。刚性固定法在无反变形的情况下，将在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较防止角变形和波浪变形较好好合理的选择焊接的方法和焊接规范选择线能量较低的焊选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊接方法，采用多层焊代替单层焊代替单层焊 矫正残余变形的方法 1.机械矫正法机械矫正法：将变形的构：将变形的构件中的尺寸较短的部分件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，使之通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而产生塑性延展变形，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、气动、可以利用螺旋、气动、液压的器具来加外力液压的器具来加外力矫正残余变形的方法 2.火焰矫正法火焰矫正法：利用：利用火焰加热时产生的火焰加热时产生的局部压缩变形使较局部压缩变形使较长部分在冷却后缩长部分在冷却后缩短来消除变形（不短来消除变形（不适用于具有晶间腐适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢淬硬倾向较大的钢材）材）6.焊接残余应力 焊接残余应力分布 1.纵向应力 的分布 1.纵向应力 的分布 横向应力的分布 横向应力的分布 横向应力的分布 厚板中的残余应力分布封闭焊缝中的残余应力分布组织应力相变应力焊接残余应力的影响 1.对静载强度的影响对静载强度的影响 2.对机械加工精度的影响对机械加工精度的影响原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证形，加工精度难以保证焊接残余应力的影响3 对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响（研究不够充（研究不够充分）分）4 对应力腐蚀的影响对应力腐蚀的影响原因：拉应力和介质、腐蚀共同作原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。间越早。5 对结构刚度的影响对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次加结论：在静载下，焊件经过一次加载，卸载后，以后再次加载，只载，卸载后，以后再次加载，只要其大小不超过前一次，残余应要其大小不超过前一次，残余应力不再起作用，外载也不影响焊力不再起作用，外载也不影响焊件内部残余应力的分布件内部残余应力的分布7.焊接残余应力的调节及消除措施 1.调节残余应力的措施调节残余应力的措施 1.1设计措施设计措施:设计上减小焊接应力的设计上减小焊接应力的核心是正确布置焊核心是正确布置焊缝，以避免应力叠缝，以避免应力叠加加 设计原则工艺措施 工艺原则消除残余应力的措施 注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大注：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。低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。8.焊接残余应力的测定 1.应力测定方法的分类应力测定方法的分类按其对结构的是否破坏来分按其对结构的是否破坏来分 按测试原理分按测试原理分应力释放法原理：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。应力释放法1.切条法切条法：将待测焊件划：将待测焊件划分几个区域，在各区分几个区域，在各区待测点上贴应变片或待测点上贴应变片或加工机械引申计的标加工机械引申计的标距孔然后测原始读数，距孔然后测原始读数然后切断，然后在读然后切断，然后在读数根据数根据 可以算出应力。可以算出应力。应力释放法2.车削法车削法：此法多：此法多用于测圆柱零件用于测圆柱零件堆焊后的残余应堆焊后的残余应力分布力分布 应力释放法3.小孔法小孔法：是应力破坏性：是应力破坏性最小的一种，原理是：最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附重新调整，测得孔附近的应变片的变化，近的应变片的变化，可用弹性力学推算小可用弹性力学推算小孔处的应力。孔处的应力。应力释放法4.套孔法套孔法：采用套料：采用套料钻或管形电火花加钻或管形电火花加工环形孔来释放应工环形孔来释放应力，在孔内预先贴力，在孔内预先贴上应变片，可以算上应变片，可以算出表面残余应力，出表面残余应力，切削深度为切削深度为0.60.8D，破坏，破坏性不大。性不大。X射线衍射法 原理原理：晶体在应力的作用下，：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用与应力大小成正比，当用X射射线，以掠角线，以掠角 入射到晶体表面入射到晶体表面时，如果时，如果 能满足能满足2dSin=n ，则，则X射线在反射方向因干涉射线在反射方向因干涉而加强而加强缺点缺点：