第1章焊接结构中的应力与变形.ppt
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第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述一一1-11-1应力及变形的基本概念应力及变形的基本概念1.1.内应力内应力/焊接应力焊接应力所谓内应力是指在在没没有有外外力力条条件件下下平平衡衡于于物物体体内内部部的的应应力力.在在焊焊接接结结构构中中存存在在的的这这种种内内部部互互相相平平衡衡的的应应力力就就称称为为焊焊接接内内应应力力,简称焊接应力,简称焊接应力.分类:
1.应力按其分布范围可分为宏宏观观内内应应力力和和微微观观内内应应力力;2.内应力按其作用时间可分为瞬时应力和残余应力瞬时应力和残余应力.瞬时应力随时间而变化,由构件各处受热不均匀/膨胀或收缩变形不一致,互相约束而产生.当物体温度恢复到原始均匀状态后构件中仍然存有的内应力,称为残余应力.
(1)焊接温度场:
将焊接过程中某一瞬间,接头中各点温度分布状态称为焊接温度场.在焊接热源作用下,构件上各点温度在不断地变化,可以认为达到某一极限热状态时温度场不再改变,该温度场称为极限温度场.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述2.2.有关力学和物理性能假定有关力学和物理性能假定1)平截面假定:
假定杆件在焊前所取横截面焊后仍保持为平面.2)金属性能假定:
材料某些物理性能如线胀系数()、比热容(c)、热导率()均不随温度变化而变化.3)金属屈服点假定:
在500以下时同常温时屈服点,而600以上时呈完全塑性状态,即屈服点为零.4)应力应变关系假设:
材料呈理想弹-塑性状态,即材料屈服后不发生强化.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述低碳钢应力应变关系(本构关系)二二构件中焊接应力与变形产生构件中焊接应力与变形产生均匀加热的应力和变形产生11)自由变形)自由变形当金属物体温度有改变或发生相变,其尺寸和形状要发生变化,如变化没有受到外界任何阻碍而自由地进行,称之为自由变形.其中:
热膨胀系数22)自由变形率)自由变形率所谓自由变形率指单位长度上的自由变形量。
用表示:
)外观变形和内部变形外观变形和内部变形当金属物体在温度变化过程中受到阻碍,使它不能完全自由地变形,只能够部分地表现出来,我们把能够表现出来的这部分变形称为外观变形(或实际变形),而未表现出来的那部分变形,称为内部变形.外观变形用表示内部变形是自由变形和外观变形之差,用表示,表达式为:
第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述5)外观变形率外观变形率所谓外观变形率指的是单位长度上的外所谓外观变形率指的是单位长度上的外观变形量,用来表示观变形量,用来表示,表达式为:
表达式为:
66)内部变形率内部变形率:
指是单位长度上的内部变形指是单位长度上的内部变形量,用量,用表示表示,表达式为:
,表达式为:
第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述1)1)低碳钢热循环的最高温度小于低碳钢热循环的最高温度小于500500时时:
1.加热温度较低:
材料变形在弹性范围内-当杆件温度恢复到初始温度,杆件将自由收缩到原来长度压应力将全部消失.2.加热温度较高:
当压缩变形率超过材料屈服变形率时,杆件将发生压缩塑性变形,变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述2)2)低碳钢热循环最高温度超过低碳钢热循环最高温度超过600:
600:
A.加热过程:
加热过程:
杆件受到完全约束而没有任何自由变形,开始加热即产生压缩弹性变形.随温度升高,达到屈服应变出现压缩塑性变形.温度达500继续升温,弹性变形减少而塑性变形增大.温度升高/随屈服点降低/压应力降低.在温度600,材料屈服点降到零,材料处于全塑性状态/压应力消失/变形全为塑性变形.B.冷却过程:
冷却过程:
杆件冷却到600性能开始恢复,屈服点逐渐升高,此时随杆件冷却,杆端将不以4为起点而以4为起点收缩.由于收缩时又受到约束,杆内必将产生拉伸变形和拉应力.当温度已下降至500,材料完全恢复弹性,拉伸塑性变形不断增加,而拉应力达到屈服点则不再增加.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述结论:
结论:
构件均匀加热时,如在升温过程中产生了塑性变形,那么在自由冷却时,此变形将保留下来而形成残余变形。
对于完全约束的杆件,在不高的温度(对低碳钢可推导出这个温度约为100)时即产生压缩塑性变形,该变形在自由冷却后将被保留下来。
如果在冷却时受约束,则必然会产生拉应变和拉应力。
完全受约束杆件,即使加热温度不高(对低碳钢而言,加热温度超过200),产生的压缩塑性变形也足以使其在冷却时产生拉应力达到材料拉伸屈服点.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述内部变形(率)s时-产生弹性/塑性变形.板条分四个区域:
1)完全弹性变形区:
变形率均小于s,冷却后无残留塑性变形.2)T500区域是弹性区和部分塑性变形区.冷却后塑性变形部分保留.3)500T600的区域是完全塑性区.600以上纤维在伸长和缩短时都没有任何阻力,该区塑性变形冷却时将不保留.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述结论1:
板条堆焊后其残余应力分布和变形大小完全取决于加热过程中所产生压缩塑性变形区大小和分布.凡是影响压缩塑性变形区大小和分布因素都会对板条中残余应力和变形产生影响.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述结论2:
内部变形率小于金属屈服限变形率s,不存在残余应力和变形;内部变形率大于金属屈服限变形率s,将出现残余应力,板条将产生残余弯曲变形和收缩变形,但方向与加热相反.变形位置则由平衡条件决定.44相变对应力和变形的影响相变对应力和变形的影响低碳钢相变点Ac1温度(723)-材料呈完全塑性状态,奥氏体转变时体积变化不受任何阻力,所以对应力和变形不产生影响.焊后出现低温马氏体转变:
马氏体转变温度为200300-材料已完全恢复弹性,马氏体转变时体积膨胀受到周围金属阻碍而产生相变应力.在焊缝金属马氏体膨胀使得该区内残余拉应力减小,甚至出现压应力.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述55影响焊接应力与变形的主要因素影响焊接应力与变形的主要因素1)焊缝/近缝区不均匀加热范围和程度.包括焊缝尺寸/数量及位置/材料热物理性能/焊接工艺方法和参数(电流/电压/焊速)以及焊接操作方法(直通焊/分段跳焊/逆向分段焊)因素.2)焊件刚度/周围环境拘束度(如焊接构件尺寸和形状/焊接夹具)/焊缝布置及装配焊接次序.构件在小拘束条件下焊接变形大/应力小;反之,焊接变形小/应力大.第一章焊接结构中的应力与变形1-1焊接应力及变形概述概念概念:
在焊接过程全部结束,焊件完全冷却后残余在焊件中的内应力叫做焊接残余应力.在厚度1520mm的常规焊接结构中残余应力呈现双轴分布,厚度方向应力很小.在大厚度焊接结构中厚度方向应力比较大.a.沿焊缝方向作用的残余应力称为纵向焊接残余应力x.b.沿垂直于焊缝方向作用的残余应力称为横向焊接残余应力y.c.沿厚度方向作用的残余应力用z表示.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力1.1.纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力残余应力分布与焊接过程形成塑性压缩变形的大小/分布有关,影响压缩塑性变形因素都能影响残余应力分布.a.构件几何尺寸/结构形式;b.焊接方法/焊接参数.分四种情况分析:
1)板边堆焊;2)等宽度板对接焊缝;3)不等边板对接焊缝;4)相变影响.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力22横向残余应力分布横向残余应力分布横向残余应力产生原因复杂:
1)在焊接过程中焊缝及近缝区金属横向收缩先后次序不同,使对接两块板有产生平面内弯曲趋势而出现横向残余应力;2)纵向收缩造成板平面内弯曲趋势也引起横向残余应力.横向应力yy由两部分组成:
一由于焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩纵向收缩所引起,用yy表示,分布规律为中部为拉而两端为压;另一个是由焊缝及附近塑性变形区横向收缩不同时横向收缩不同时性性所引起,用yy”表示.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力横向应力另一个组成部分y”.由于焊缝不是同时完成,各部分有先焊和后焊之分.先焊部分先冷却/先收缩,后焊部分后冷.却/后收缩.先焊先焊/先冷却先冷却部分又限制后焊后焊/后冷后冷却却部分横向收缩,这种限制和反限制构成了横向y”.注意:
注意:
yy”分布与焊接方向、分段方法分布与焊接方向、分段方法以及焊接顺序有关以及焊接顺序有关.分段退焊法可使横向残余应力出现拉压交替分布状态,应力峰值较低,分布较为均匀.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力33厚板中残余应力分布厚板中残余应力分布44焊接工焊接工(H(H形形)形形/箱形箱形/T/T形结构的残余应力形结构的残余应力55拘束条件下焊接的残余应力拘束条件下焊接的残余应力55拘束条件下焊接的残余应力拘束条件下焊接的残余应力条件条件:
a.构件在拘束状态下焊接b.构件本身刚度大.概念概念:
构件在拘束状态下焊接产生的应力,称为拘束应力.规律:
a.焊缝较短时拘束应力大小不变,焊缝较长则拘束应力沿焊接方向逐渐增大.b.拘束长度(两固定端之距离)越大则拘束应力越小.c板厚增大拘束应力变大.d.焊接热输入增大拘束应力则增大.总结总结:
1)拘束条件下焊接应力是拘束应力与自由状态下焊接残余应力这两项应力综合.2)拘束应力是拉应力,它对构件影响较大,需采取措施减小构件刚度,防止产生过大拘束应力.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力6.6.圆筒纵圆筒纵/环缝焊接残余应力环缝焊接残余应力圆筒纵向焊缝焊接残余应力分布类似于平板对接时应力分布.环焊缝残余应力分布规律环焊缝残余应力分布规律:
a.环焊缝残余应力分布与筒体刚度和材料有关.b.环缝残余应力小于平板对接焊缝中相应应力数值.c.环缝径向收缩导致弯曲应力产生,一般内外表面上的分布是对称的.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力二二焊接残余应力对焊接结构使用性能的影响焊接残余应力对焊接结构使用性能的影响1.1.对结构强度的影响对结构强度的影响结论结论11:
对于延性材料内应力对静强度没影响.材料处于脆性状态不能进行塑性变形,随着外力增加构件不能产生应力均匀化,应力峰值不断增加,直到材料强度极限b而发生局部破坏.结论结论22:
对于脆性材料内应力对静强度有不利影响.塑性变形产生的必要条件是切应力的存在,而在三轴等值拉应力作用下切应力max=0,不可能产生塑性变形.结论结论33:
无论是脆性材料还是延性材料,三轴拉伸内应力将阻碍塑性变形产生,承载能力(静强度)有不利影响.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力2.2.对结构加工尺寸精度的影响对结构加工尺寸精度的影响机械切削加工把一部分材料从工件上切去,如果工件中存在着内应力,那么把一部分材料切去的同时,把原先在那里的内应力也一起去掉,从而破坏了原来工件中内应力的平衡,使工件产生变形,加工精度也就受到了影响.保证加工精度办法:
保证加工精度办法:
1.1.先消除焊接内应力然后再进行机械加工;先消除焊接内应力然后再进行机械加工;2.2.调整机加工工艺调整机加工工艺,如分次加工与交替加工如分次加工与交替加工.注意:
焊接应力是否长期稳定,亦即焊接应力是否会在长期存放过程中随时间变化而破坏已经加工完毕的工件尺寸的精度.第一章焊接结构中的应力与变形1-2焊接残余应力3.对结构刚度的对结构刚度的影响影响构件伸长与外力关系:
P外
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- 焊接 结构 中的 应力 变形
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