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焊接应力与变形
第二章 焊接应力与变形
本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因;焊接应力的分布规律;焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力;焊接变形的种类,焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。
第一节 焊接应力与变形的产生
一、应力与变形的基本知识
1.应力
物体在单位截面上表现的内力称为应力。
根据引起内力的原因不同,应力可分为:
工作应力:
物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。
内应力:
物体在无外力作用下而存在于内部的应力。
内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。
2.变形
物体在外力或温度等因素的作用下,其内部原子的相对位置发生改变,其宏观表现为形状和尺寸的变化,这种变化称为物体的变形。
按变形性质可分为:
弹性变形和塑性变形;
按变形的拘束条件可分为:
自由变形和非自由变形。
二、研究焊接应力与变形的基本假定
(1)平截面假定
(2)金属性能不变的假定
(3)金属屈服点的假定
三、焊接应力与变形的产生原因
影响焊接应力与变形的因素很多,如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等,其最根本的原因是焊件受热不均匀。
为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因,首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。
1.均匀加热时引起应力与变形的原因
(1)不受约束的杆件,均匀加热
属于自由变形,无残余应力,无残余变形。
(2)受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形
如果加热温度较低,材料的变形在弹性范围内,根据虎克定律,应力与应变符合线性关系,当温度恢复到原始温度时,杆件自由收缩到原来的长度,压应力全部消失,即不存在残余应力与残余变形。
如果加热温度比较高,达到或超过材料屈服点温度时,杆件的压缩变形量增大,产生塑性变形,此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。
当温度恢复到原始温度时,弹性变形部分恢复,塑性变形部分不能恢复。
①若杆件能自由收缩,则由于压缩塑性变形的出现,杆件将比原来长度缩短,出现缩短的残余变形,但无残余应力存在。
②如果杆件不能自由收缩,则不存在外观的残余变形,但杆件中会产生残余拉应力。
2.不均匀加热时引起的应力与变形
(1)长板条中心加热引起的应力与变形
(2)长板条一侧加热引起的应力与变形
综上所述:
①金属不均匀受热时,只要加热温度高于屈服点温度,加热时产生压缩塑性变形,焊后就会产生残余应力与残余变形;
②焊接过程中的变形与焊接残余变形方向相反;
③焊接加热时,焊缝附近产生压缩塑性变形,冷却后收缩,如果收缩充分,则变形大,应力小;否则变形小,应力大。
④焊接瞬时及残余应力分布不均匀,焊缝及其附近区域通常为残余拉应力。
第二节 焊接应力
一、焊接残余应力的分类
1.根据应力性质划分:
拉应力、压应力
2.根据引起应力的原因划分:
热应力、组织应力、拘束应力
3.根据应力作用方向划分:
纵向应力、横向应力、厚度方向应力
4.根据应力在焊接结构中的存在情况划分:
单向应力、两向应力、三向应力
5.根据内应力的发生和分布范围划分:
第一类应力、第二类应力、第三类应力
二、焊接残余应力的分布规律
1.纵向应力бx的分布
бx在焊件横截面上的分布规律为:
焊缝及其附近区域为残余拉应力,一般可达材料的屈服强度,随着离焊缝距离的增加,拉应力急剧下降并转为压应力。
бx在焊件纵截面上的分布规律为:
在焊件纵截面端头,бx=0,越靠近纵截面的中间,бx越大,逐渐趋近于бs。
如图2-9所示。
图2-11为板边堆焊时,бx在焊缝横截面上的分布。
T形接头的бx分布与立板和水平板尺寸有很大关系,δ/h越小,接近于板边堆焊的情况;δ/h越大,接近于等宽板对接的情况。
2.横向应力бy的分布
бy =бy′+бy″
бy′:
焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力;
бy″:
焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。
3.特殊情况下的焊接残余应力
①厚板中的焊接残余应力
②拘束状态下焊接残余应力
③封闭焊缝中的残余应力
④焊接梁柱中的残余应力
⑤焊接管道中的残余应力
三、焊接残余应力对焊接结构的影响
1.对结构强度的影响
只要材料具有足够的塑性,焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。
对脆性材料制造的焊接结构,由于材料不能进行塑性变形,随着外力的增加,构件不可能产生应力均匀化,所以在加载过程中应力峰值不断增加。
当应力峰值达到材料的强度极限时,局部发生破坏,而最后导致构件整体破坏。
所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。
2.对构件加工尺寸精度的影响
3.对梁柱结构稳定性的影响
四、减小焊接残余应力的措施
一般来说,可以从设计和工艺两方面着手:
1.设计措施
①尽可能减少焊缝数量;
②合理布置焊缝;
③采用刚性较小的接头形式。
2.工艺措施
(1)采用合理的装配和焊接顺序及方向
①钢板拼接焊缝的焊接;
②同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时,应先焊收缩量大的焊缝;
③对工作时受力较大的焊缝应先焊;
④平面交叉焊缝的焊接。
(2)缩小焊接区与结构整体之间的温差 (预热法、冷焊法)
(3)加热“减应区”法
(4)降低接头局部的拘束度
(5)锤击焊缝
五、消除焊接残余应力的方法
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现象来达到松驰焊接残余应力的目的,同时热处理还可以改善接头的性能。
(1)整体热处理 整体炉内热处理、整体腔内热处理
整体加热热处理消除残余应力的效果取决于热处理温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。
保温时间根据板厚确定,一般按每毫米板厚1~2min计算,但最短不小于30min,最长不超过3h。
碳钢及中、低合金钢:
加热温度为580~680℃;
铸铁:
加热温度为600~650℃。
(2)局部热处理
局部热处理只能降低残余应力峰值,不能完全消除残余应力。
加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热、远红外加热等,消除应力效果与加热区的范围、温度分布有关。
2.加载法
加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力,使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形,与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分,达到松驰应力的目的。
(1)机械拉伸法
(2)温差拉伸法
(3)振动法
六、焊接残余应力的测定
目前,测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类,即机械方法和物理方法。
1.机械方法
利用机械加工将试件切开或切去一部分,测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。
包括切条法、钻孔法和套孔法。
2.物理方法
是非破坏性测定焊接残余应力的方法,常用的有磁性法、超声波法和X射线衍射法。
(1)磁性法是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。
(2)X射线衍射法是根据测定金属晶体晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力的无损测量方法。
(3)超声波法是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的。
第三节 焊接变形
一、焊接残余变形的种类及其影响因素
按变形对整个焊接结构影响程度分类:
局部变形、整体变形
按变形特征分类:
收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形、错边变形
1.收缩变形
焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。
它可分为纵向收缩变形和横向收缩变形。
(1)纵向收缩变形Δx
产生原因:
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。
焊件在假想力的作用下产生的纵向收缩量可用下式表示:
影响因素:
①焊缝长度L
②焊件的截面积A
③压缩变形区的面积Ap
④压缩塑性应变εp(与焊接方向、焊接线能量、焊接工艺有关)
(2)横向收缩变形Δy
横向收缩变形的过程比较复杂,影响因素很多,现分述如下:
1)堆焊焊缝及角焊缝的横向收缩
影响因素:
① 焊接线能量:
焊接线能量越大,横向收缩量越大;
② 板厚:
板厚增加,横向收缩量减小。
③ 沿焊缝长度方向Δy逐渐增大,但到一定长度后趋于稳定,不再增大。
2)对接焊缝的横向收缩
影响因素:
Δy的大小与板厚、材质、拘束情况、焊接工艺、焊接顺序有关。
2.角变形
中厚板对接焊、堆焊、搭接焊及T形接头焊接中会产生角变形。
原因:
熔化金属在厚度上收缩量不一致而引起的。
(1)平板堆焊的角变形
影响因素:
①焊接线能量 ②板厚
堆焊引起的角变形沿堆焊焊缝长度方向开始比较小,随后增加,直至达到稳定。
(2)对接接头的角变形
影响因素:
①坡口形式 ②坡口尺寸 ③焊接层数 ④焊接顺序
(3)T形接头角变形 T形接头角变形可以看成是由立板相对于水平板的回转角变形β′与水平板本身的角变形β″两部分组成。
减小T形接头角变形的方法有:
① 采用开坡口,减小立板与水平板之间焊缝夹角,减小β′;
② 通过减小焊脚尺寸以减小焊缝金属量,降低β″。
3.弯曲变形
产生原因:
焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称,焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀引起的。
(1)纵向收缩引起的弯曲变形
(2)横向收缩引起的弯曲变形
4.波浪变形
波浪变形是一种失稳变形,一般产生于薄板结构中。
产生原因:
板中远离焊缝区的压缩残余应力超过了失稳的临界应力值。
防止措施:
①能降低焊接残余压应力的措施都可以减小波浪变形;
②提高板的刚度或增大板的拘束度均可减小或防止波浪变形。
5.扭曲变形
产生原因:
焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。
6.错边变形
错边变形可分为长度方向错边和厚度方向错边。
产生原因:
①装配不良;
②组成焊件的零件装配时夹紧不一致;
③两零件的刚度或热物理性质不一样;
④电弧偏离坡口中心。
以上6种变形是焊接变形的基本形式,其中收缩变形是最基本的变形形式,所有焊件都不可避免地会产生收缩变形,而其它几种变形在有些焊接结构中容易出现,而在有些焊接结构中不容易出现。
二、焊接变形对焊接结构生产的影响
首先,零部件的焊接变形给装配带来困难,进而影响后续焊接质量;
其次,焊接变形增加了结构的制造成本;
另外,焊接变形也会降低焊接接头性能和承载能力。
三、控制焊接变形的措施
1.设计措施
(1)尽量选用对称的构件截面和焊缝位置
(2)合理地选择焊缝长度和焊缝数量
(3)合理选择焊缝截面尺寸和坡口形式
2.工艺措施
(1)留余量法 主要是用于补偿焊件的收缩变形。
(2)反变形法 主要用于控制角变形及弯曲变形。
例:
V形坡口单板对接;(图2-52)
锅炉集箱;(图)
工字梁翼板;(图2-53)
板式起重机主梁,腹板预制上拱度(图2-54)
(3)刚性固定法
①焊件固定在刚性平台上(图2-55)
②将焊件组合成刚性更大或对称的结构(图2-56)
③利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束(图2-57)
④利用临时支撑增加结构的拘束(图2-58)
(4)选择合理的装配焊接顺序
①正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴。
(图2-54)
②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。
(图2-59)
③焊缝对称布置的结构,应由偶数焊工对称地施焊。
(图2-60)
④长焊缝焊接时,应采用合理的分段焊接顺序。
(图2-61)
⑤相邻两条焊缝,为防止产生扭曲变形,应注意焊接方向与顺序。
(图2-62)
(5)合理地选择焊接方法和焊接工艺参数(图2-63)
(6)热平衡法(图2-64)
(7)散热法(图2-65)
四、矫正焊接残余变形的方法
矫正焊接变形的实质是使构件产生新的变形,以抵消焊接残余变形。
矫正的方法一般有机械矫正法和火焰加热矫正法。
1.机械矫正法
机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸,产生拉伸塑性变形,使变形的构件恢复到所要求的形状。
(如图2-66)
2.火焰加热矫正法
火焰加热矫正,是利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形使较长的部分在冷却后缩短来消除变形。
加热方式:
①点状加热 用于矫正薄件的波浪变形。
②线状加热 用于矫正焊件的角变形及大厚度板的弯曲变形。
③三角形加热用于矫正刚度大,厚度大的焊件的弯曲变形。
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