焊接工程學(xué)(第七章)

1、四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛第七章第七章焊接應(yīng)力變形與接頭強(qiáng)度焊接應(yīng)力變形與接頭強(qiáng)度四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛一、內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部變形一、內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部變形 第一節(jié)第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程內(nèi)應(yīng)力是在沒(méi)有外力的條件下產(chǎn)生并平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力在物體內(nèi)部構(gòu)成平衡，即內(nèi)力與內(nèi)力矩之和為零內(nèi)應(yīng)力不同于外載條件下產(chǎn)生的應(yīng)力不論是自

2、由狀態(tài)下的焊接，還是拘束條件下（通過(guò)夾具緊固）的焊接，一般均有內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛 第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程1、內(nèi)應(yīng)力原因分析圖圖1 1 內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的金屬框架模型內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的金屬框架模型只給右圖金屬框架的中心桿件加熱，兩邊的桿件溫度保持不變，中心桿件由于溫度升高而伸長(zhǎng)，由于其受到兩邊桿件的約束不能自由伸長(zhǎng)，中心桿件將受到壓力作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力，兩邊桿件將受到中心桿件的拉應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Sc

3、ience and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、內(nèi)應(yīng)力的分類第一類內(nèi)應(yīng)力宏觀內(nèi)應(yīng)力，與物體尺寸大小相當(dāng)，分布范圍較大第三類內(nèi)應(yīng)力超微觀內(nèi)應(yīng)力，在金屬晶格的超微觀范圍內(nèi)平衡第二類內(nèi)應(yīng)力微觀內(nèi)應(yīng)力，其范圍在一個(gè)或幾個(gè)晶粒的微觀區(qū)域內(nèi)平衡根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的存在方式，分為瞬時(shí)內(nèi)應(yīng)力和殘余內(nèi)應(yīng)力第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛3、內(nèi)部變形自由變形：物體在某些因素（如溫度影響）作用下，無(wú)任何外界阻礙而自由進(jìn)行的變形。 LT=aL0(T1

4、-T0)單位長(zhǎng)度上的自由變形，即自由變形率，用T表示：T = LT/L0=a(T1-T0)=aTa、L0、T0、T1分別表示材料的熱膨脹系數(shù)、桿件的原始長(zhǎng)度、原始溫度及加熱后溫度圖圖2 2 自由變形自由變形第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛外觀變形：當(dāng)物體的自由變形受到外界阻礙時(shí)只能部分表現(xiàn)出來(lái)的變形部分，即Le。單位長(zhǎng)度上的外觀變形，即為外觀變形率，用e表示：e =Le/L0內(nèi)部變形：物體自由變形受到外界阻礙而沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)的變形部分，即L。單位長(zhǎng)

5、度上的內(nèi)部變形，即內(nèi)部變形率，用表示：=L/L0圖圖3 3 外觀變形和內(nèi)部變形外觀變形和內(nèi)部變形第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形之間的關(guān)系一般而言，當(dāng)材料拉伸時(shí)，其變形為正值；當(dāng)受到壓縮時(shí)，其變形量為負(fù)值。L=-(LTLe)=LeLT； =eT在彈性范圍內(nèi)，內(nèi)應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)變滿足虎克定律：=E= E(eT)圖圖4 4 自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形的關(guān)系自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形的關(guān)系第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川

6、大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛二、熱循環(huán)中應(yīng)力與應(yīng)變的演變過(guò)程假設(shè)受拘束的金屬桿件為低碳鋼棒，其長(zhǎng)度為單位長(zhǎng)度，并固定在絕緣的剛性壁之間，對(duì)其進(jìn)行均勻加熱然后均勻冷卻至原始溫度，完成熱循環(huán)過(guò)程。假定熱循環(huán)過(guò)程中低碳鋼的熱膨脹系數(shù)為常數(shù)，其屈服應(yīng)變?cè)?00以下為常數(shù)，現(xiàn)分析當(dāng)桿件的內(nèi)部應(yīng)變小于屈服應(yīng)變時(shí)（s），應(yīng)力和應(yīng)變的演變過(guò)程第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊

7、接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛由于金屬鋼棒在整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中被固定，故其外觀變形量e=0；內(nèi)部變形量=eT0t1：隨溫度升高，壓縮的內(nèi)部變形量增加，壓應(yīng)力上升t1：溫度至最大值，內(nèi)部變形和壓應(yīng)力也為最大t1t2：溫度逐漸降低，內(nèi)部變形及壓應(yīng)力減小t2：溫度降至原始值，內(nèi)部變形及壓應(yīng)力減至零圖圖5 5 受拘束碳鋼棒熱循受拘束碳鋼棒熱循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力與變形環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力與變形第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛經(jīng)過(guò)以上的熱循環(huán)過(guò)程后，在低碳鋼金屬棒內(nèi)沒(méi)有殘

8、余應(yīng)力和殘余變形，應(yīng)力和變形的大小隨時(shí)間而變化，且變化是瞬時(shí)性的第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛?cè)?、焊接過(guò)程中應(yīng)力和變形的形成1、焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)加熱的局部性熱源僅作用在焊件的接頭部位，焊件上的溫度分布很不均勻，溫差很大熱源的移動(dòng)性焊接過(guò)程中熱源沿一定方向移動(dòng)，在焊件上形成一種準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)加熱速度和冷卻速度快可在短時(shí)間內(nèi)升至很高溫度并降至很低溫度，如加熱速度可至1500/s以上第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School

9、 of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛圖圖6 6 低碳鋼力學(xué)性能與溫度的關(guān)系低碳鋼力學(xué)性能與溫度的關(guān)系1-1-彈性模量彈性模量E E；2-2-抗拉強(qiáng)度點(diǎn)抗拉強(qiáng)度點(diǎn)b b；3-3-屈服屈服點(diǎn)點(diǎn)s s；4-4-膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)；5-5-伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率焊接過(guò)程中應(yīng)力和變形的過(guò)程十分復(fù)雜，比一般的熱處理過(guò)程要復(fù)雜得多第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、焊接條件下應(yīng)力和變形的分布右圖為

10、沿低碳鋼板條長(zhǎng)度方向焊一縱向焊縫，焊后溫度升高造成的膨脹使端面從AA平移至A1A1，則AA1為外觀變形e 。在DD區(qū)域內(nèi)溫度超過(guò)熱塑性溫度600，可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)s=0，不產(chǎn)生應(yīng)力 圖圖7 7 低碳鋼長(zhǎng)板條中心焊接低碳鋼長(zhǎng)板條中心焊接的溫度及應(yīng)力分布的溫度及應(yīng)力分布第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛DC和DC區(qū)域的溫度從600的熱塑性溫度降至 500的屈服應(yīng)變溫度，屈服應(yīng)變s從零上升到室溫時(shí)的數(shù)值。這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力大小是隨屈服應(yīng)變s的增加而增加。

11、在CB和CB區(qū)域內(nèi)(e-T)s，故內(nèi)應(yīng)變?yōu)槭覝貢r(shí)的s并保持不變。AB和AB區(qū)域內(nèi)金屬完全處于彈性狀態(tài)，其內(nèi)應(yīng)力正比于內(nèi)部應(yīng)變值圖圖7 7 低碳鋼長(zhǎng)板條中心焊接的低碳鋼長(zhǎng)板條中心焊接的溫度及應(yīng)力分布溫度及應(yīng)力分布第一節(jié) 焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力是焊接后殘留在焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。薄板時(shí)視為二維分布，厚板時(shí)則為三維分布一般而言，將平行于焊縫方向的應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力，x；將垂直于焊縫方向的應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力，y；厚度方向

12、的殘余應(yīng)力用z表示四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛一、焊接殘余應(yīng)力的分布1、縱向殘余應(yīng)力x焊縫附近的縱向殘余應(yīng)力x為拉應(yīng)力。離開(kāi)焊縫區(qū)，拉應(yīng)力迅速下降，隨后出現(xiàn)壓應(yīng)力圖圖8 8 垂直焊縫截面的縱向殘余應(yīng)力垂直焊縫截面的縱向殘余應(yīng)力x x第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛焊縫中縱向殘余應(yīng)力x的分布并不完全相同，且與焊縫長(zhǎng)度有關(guān)。長(zhǎng)焊縫的中部區(qū)域x

13、基本保持一穩(wěn)定的常數(shù)，在焊縫的兩端x逐漸降為零；隨焊縫長(zhǎng)度的縮小，焊縫中部的x穩(wěn)定區(qū)域逐漸減小直至消失；且短焊縫比長(zhǎng)焊縫的x應(yīng)力峰值小。若長(zhǎng)焊縫進(jìn)行分段焊接，可減少焊件的x圖圖9 9 不同長(zhǎng)度焊縫的縱向殘余應(yīng)力不同長(zhǎng)度焊縫的縱向殘余應(yīng)力x x第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、橫向殘余應(yīng)力y橫向殘余應(yīng)力y由兩部分組成：焊縫及附近塑性區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力y以及焊縫及附近塑性區(qū)的橫向收縮不同時(shí)引起的橫向殘余應(yīng)力y縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力y：沿焊縫方向

14、截面上的上、下端部為壓應(yīng)力，中部為拉應(yīng)力圖圖10 10 縱向應(yīng)縱向應(yīng)力力x x引起的橫引起的橫向應(yīng)力向應(yīng)力y y 第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛在與焊縫距離不同的截面上，y的分布不同：離焊縫越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越?。划?dāng)焊縫長(zhǎng)寬比（L/B）增加時(shí)，y將隨之增加。但當(dāng)焊縫足夠長(zhǎng)時(shí)，中部區(qū)域的y將逐漸減小，甚至趨于零圖圖11 11 不同長(zhǎng)度焊縫的不同長(zhǎng)度焊縫的y y分布分布 第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing S

15、cience and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛橫向收縮不同時(shí)引起的橫向殘余應(yīng)力y：焊接過(guò)程中由于焊接熱源對(duì)材料的加熱存在時(shí)間上的先后順序，因此其冷卻不完全同步，這種冷卻時(shí)的不同時(shí)性將引起材料的橫向殘余應(yīng)力y圖圖12 12 焊縫橫向收縮不焊縫橫向收縮不同時(shí)引起的橫向應(yīng)力同時(shí)引起的橫向應(yīng)力y y第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛當(dāng)焊接構(gòu)件的厚度超過(guò)25mm時(shí)，除了有縱向殘余應(yīng)力x和橫向殘余應(yīng)力y外，在厚度方向還有殘余應(yīng)力z下圖為碳鋼焊接

16、后焊接接頭在厚度方向上的應(yīng)力分布。由于焊縫正面和背面均有水冷銅塊，故凝固過(guò)程中，中心部位冷卻最慢，中心部位就有較高的拉應(yīng)力3、厚板中的殘余應(yīng)力z圖圖13 13 低碳鋼焊接接頭的應(yīng)力分布低碳鋼焊接接頭的應(yīng)力分布z z第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛右圖為低碳鋼板材中的殘余應(yīng)力分布，中間為殘余拉應(yīng)力，兩側(cè)為壓應(yīng)力。在外力的作用下，構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)是殘余應(yīng)力和外力共同作用的結(jié)果 二、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)性能的影響1、殘余應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響圖圖14 14 殘余應(yīng)力

17、對(duì)材料強(qiáng)度的影殘余應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的影響響第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛構(gòu)件在外加拉力的作用下，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域?qū)⑴c外加拉力疊加而使拉力增大，直至屈服產(chǎn)生塑性變形；殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力的區(qū)域與外加拉力疊加后，壓應(yīng)力逐漸變小并轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。如果材料的塑性足夠好，使其全面屈服而不破壞，則殘余應(yīng)力的存在并不影響靜載強(qiáng)度第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工

18、程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛?cè)绻麡?gòu)件是塑性較低的材料，在外加拉力的作用下，應(yīng)力峰值高的部位在發(fā)生塑性變形后應(yīng)力繼續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到材料的最大抗拉強(qiáng)度后，構(gòu)件就會(huì)發(fā)生破壞。此時(shí)，殘余應(yīng)力的存在會(huì)影響其靜載強(qiáng)度圖圖15 15 殘余應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的影響殘余應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的影響第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)加工精度的影響在機(jī)械加工時(shí)，如果構(gòu)件被切削部分的材料中有殘余應(yīng)力存在，機(jī)械加工后構(gòu)件中殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)將被破壞，殘余應(yīng)力將重新分布，并達(dá)到新的平衡。如

19、，對(duì)T型焊件進(jìn)行平面加工后，工件將會(huì)出現(xiàn)翹曲變形；若在加工過(guò)程中用夾具將其夾緊，使之不發(fā)生變形，但松開(kāi)夾具后，變形就會(huì)逐漸表現(xiàn)出來(lái) 對(duì)一些精度要求較高的構(gòu)件，保證加工精度最好的辦法是先消除焊接應(yīng)力，再進(jìn)行加工第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛對(duì)于某些細(xì)長(zhǎng)的構(gòu)件（如豎立的柱），當(dāng)其長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到一定程度時(shí)（150），外載引起的壓應(yīng)力與構(gòu)件中的殘余壓應(yīng)力疊加，使該區(qū)域的應(yīng)力值達(dá)到屈服點(diǎn)以后時(shí)，可能會(huì)使構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象3、殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定性的影響圖圖16 16 工

20、字梁焊接后受壓時(shí)的應(yīng)力分析工字梁焊接后受壓時(shí)的應(yīng)力分析第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛4、焊接殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響焊件在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，如低碳鋼在NaOH溶液中的腐蝕應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因和步驟：在腐蝕介質(zhì)中，構(gòu)件表面出現(xiàn)的局部腐蝕將形成微小蝕坑造成應(yīng)力集中，并產(chǎn)生微小裂紋在腐蝕介質(zhì)的作用下，裂紋尖端將被不斷腐蝕，并在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生新的表面新表面又將被腐蝕介質(zhì)腐蝕掉，并使裂紋擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界值時(shí)，在應(yīng)力的作用下裂

21、紋將快速擴(kuò)展造成脆斷第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的時(shí)間與應(yīng)力大小有關(guān)。應(yīng)力越大，發(fā)生斷裂的時(shí)間越短圖圖17 17 不銹鋼的不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂Cr18Ni9TiCr18Ni9TiCr25Ni20Cr25Ni20第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛?cè)?、焊接殘余?yīng)力的控制和消除措施1、焊接殘余應(yīng)力的

22、控制采用合理的焊接順序先焊收縮量大和工作應(yīng)力大的焊縫圖圖18 18 焊接過(guò)程中焊接順序的選擇焊接過(guò)程中焊接順序的選擇第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛采用局部加熱法通過(guò)局部加熱既減少溫度梯度降低內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)局部加熱產(chǎn)生的膨脹使焊接區(qū)產(chǎn)生與焊縫收縮時(shí)相反的變形，冷卻時(shí)加熱區(qū)的收縮和焊縫收縮一致，通過(guò)焊縫自由收縮降低內(nèi)應(yīng)力圖圖19 19 通過(guò)局部加熱降低內(nèi)應(yīng)力通過(guò)局部加熱降低內(nèi)應(yīng)力第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufactu

23、ring Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、焊接后消除應(yīng)力的措施機(jī)械拉伸法通過(guò)施加外載對(duì)焊件進(jìn)行拉伸，焊件的拉應(yīng)力區(qū)在外力的作用下總體拉力變大，甚至產(chǎn)生塑性變形；構(gòu)件的壓應(yīng)力區(qū)將與外載的拉力相互抵消，甚至壓應(yīng)力完全消除圖圖20 20 通過(guò)加載降低內(nèi)應(yīng)力通過(guò)加載降低內(nèi)應(yīng)力第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛焊后熱處理焊后熱處理是將焊接構(gòu)件整體或局部加熱到某一溫度，并保持一定時(shí)間，然后使其均勻冷卻到室溫，從而降低或消除應(yīng)

24、力的方法A、局部高溫回火在焊縫周圍的局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加熱。該方法可改善焊接接頭的力學(xué)性能，降低應(yīng)力的峰值，但不能完全消除應(yīng)力第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛沖擊斷口剪切唇B、整體高溫回火將整個(gè)焊接構(gòu)件在高溫下進(jìn)行回火。一般而言，回火溫度越高，回火時(shí)間越長(zhǎng)，應(yīng)力消除就越徹底圖圖21 21 消除應(yīng)力與高溫消除應(yīng)力與高溫回火溫度和時(shí)間的關(guān)系回火溫度和時(shí)間的關(guān)系第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science

25、 and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛焊接殘余變形是焊接熱循環(huán)過(guò)程中的壓縮塑性變形導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)縮短的現(xiàn)象一、焊接殘余變形的基本形式焊接構(gòu)件的收縮主要是由沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向收縮和垂直于長(zhǎng)度方向的橫向收縮綜合作用形成第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛焊接殘余變形的部分實(shí)例圖圖22 22 沿焊縫縱向和橫向的收縮變形沿焊縫縱向和橫向的收縮變形第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Scie

26、nce and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛圖圖23 23 翹曲變形翹曲變形第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛圖圖25 25 薄板焊件承受薄板焊件承受外力后的波浪變形外力后的波浪變形圖圖24 24 焊件平面圍繞焊件平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角變形焊縫產(chǎn)生的角變形第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛圖圖26 26

27、兩焊件的熱膨脹不一致出現(xiàn)的錯(cuò)邊兩焊件的熱膨脹不一致出現(xiàn)的錯(cuò)邊第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛圖圖27 27 焊接后發(fā)生扭曲變形焊接后發(fā)生扭曲變形第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛二、焊接殘余變形的計(jì)算二、焊接殘余變形的計(jì)算1、縱向收縮變形對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的鋼質(zhì)焊件（如梁、柱），單層焊時(shí)其縱向收縮率可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：L= k

28、1 AH L / AA焊縫截面積（mm2）AH塑性變形區(qū)面積（mm2 ）L 構(gòu)件長(zhǎng)度（mm）第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、橫向收縮變形 對(duì)于對(duì)接接頭，其橫向收縮量可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：B=0.18AH/B對(duì)接接頭的橫向收縮量 （mm）AH焊縫截面積（mm2 ）板厚（mm）第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛?cè)?、焊?/p>

29、殘余變形的控制與矯正1、控制焊接變形的措施設(shè)計(jì)措施A、合理選擇焊件尺寸焊件的長(zhǎng)度、寬度和高度對(duì)焊接變形有明顯影響。如，當(dāng)鋼件和鋁件的厚度分別為9mm和7mm時(shí)，角變形最大；細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件焊接時(shí)易產(chǎn)生彎曲變形；薄板焊接時(shí)易出現(xiàn)波浪變形，故對(duì)焊件的尺寸參數(shù)應(yīng)精心設(shè)計(jì)第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛B、合理選擇焊縫尺寸和坡口形式一般而言，焊縫尺寸越大，填充金屬就越多，焊接變形就越大，因此，應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)承載能力的情況下，盡量采用較小的焊縫尺寸；但是，若焊縫尺寸過(guò)小，冷卻速

30、度就會(huì)很大，又容易產(chǎn)生焊接缺陷如焊接裂紋、熱影響區(qū)硬度過(guò)高等合理設(shè)計(jì)坡口也可控制焊接變形。如：雙Y型坡口對(duì)接接頭的角變形明顯比V型坡口的?。粚?duì)于受力較大的丁字接頭和十字接頭，開(kāi)坡口的焊縫比不開(kāi)坡口的角焊縫更能有效地減少焊接變形第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛C、合理進(jìn)行焊接安排焊接規(guī)劃時(shí)，應(yīng)盡量減少不必要的焊縫，減少焊縫數(shù)量就可減少焊接變形量應(yīng)力求使焊縫位置對(duì)稱于焊接結(jié)構(gòu)的中性軸，或接近中性軸。當(dāng)焊縫對(duì)稱于中性軸時(shí)，有可能使焊縫引起的彎曲變形相互抵消；當(dāng)焊縫

31、接近中性軸時(shí)，可以減少由焊縫收縮引起的彎曲力矩，使彎曲變形減少第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛工藝措施圖圖28 28 減少焊接變形的反變形法減少焊接變形的反變形法A、反變形法焊接前通過(guò)估算構(gòu)件在焊接后出現(xiàn)變形的大小和方向，在裝配時(shí)給予一相反的變形量，使之與焊后構(gòu)件的焊接變形量相抵消，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊

32、楊 剛剛B、剛性固定方法焊前將焊件固定再進(jìn)行焊接。此法可在一定程度上減小焊接變形量，尤其適用于防止角變形和波浪變形的焊件圖圖29 29 剛性固定法焊接法蘭盤剛性固定法焊接法蘭盤第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛C、合理選擇焊接規(guī)范選擇熱輸入較小的焊接法，可有效防止焊接變形。也可采用水冷或銅冷卻塊的方法限制和縮小焊接熱場(chǎng)的分布，減少焊接變形第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Eng

33、ineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛 2、矯正焊接變形的方法、機(jī)械矯正法利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，使之相互抵消。在薄板結(jié)構(gòu)中，若焊縫為比較規(guī)則的直焊縫或圓焊縫，可用圓盤形輥輪碾壓焊縫及兩側(cè)，使之伸長(zhǎng)來(lái)消除焊接殘余變形。該法尤其適用于塑性較好的材料，其效率高，質(zhì)量好對(duì)于不太厚的板材，可用錘擊法來(lái)延展焊縫及周圍壓縮塑性變形區(qū)域，以消除焊接變形。該法簡(jiǎn)單，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，錘擊力不易控制第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛火焰加熱矯正法利用

34、火焰局部加熱時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性變形，使焊件在冷卻后產(chǎn)生收縮，以矯正焊件的變形第三節(jié) 殘余應(yīng)力變形四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論一、焊接接頭的概念及特點(diǎn)焊接接頭是由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)及鄰近母材組成的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能不均勻的焊接體。其特點(diǎn)為：幾何形狀不連續(xù)；化學(xué)成分不連續(xù)；金相組織不連續(xù)；力學(xué)性能不連續(xù)四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接

35、工程學(xué)楊楊 剛剛第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論圖圖30 30 焊接接頭的構(gòu)成焊接接頭的構(gòu)成 1- 1-焊縫金屬；焊縫金屬；2-2-熔合線；熔合線；3-3-熱影響區(qū)；熱影響區(qū)；4-4-母材母材四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛二、焊縫及焊縫接頭的基本形式1、焊縫的基本形式對(duì)接焊縫和角焊縫對(duì)接焊縫：對(duì)接接頭實(shí)施的焊縫，是沿焊件的厚度方向進(jìn)行連接，其力學(xué)性能較好第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and E

36、ngineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛圖圖31 31 角焊縫截面形狀及計(jì)算截面角焊縫截面形狀及計(jì)算截面角焊縫：沿焊件的兩個(gè)表面進(jìn)行的截面為三角形的連接。一般用三角形的腰長(zhǎng)，即焊角尺寸K表示角焊縫的大小，斜邊上的高a所在的截面為計(jì)算截面第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、焊接接頭的基本形式A、對(duì)接接頭根據(jù)焊件的厚度，可分為卷邊對(duì)接、平對(duì)接和坡口對(duì)接等圖圖32 32 對(duì)接接頭的形式對(duì)接接頭的形式第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工

37、程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛B、搭接接頭用（角）焊縫將兩個(gè)工件相互重疊連接而成的接頭圖圖33 33 搭接接頭的形式搭接接頭的形式a-a-直焊搭接；直焊搭接；b-b-鉆孔塞焊；鉆孔塞焊；c-c-電阻點(diǎn)焊；電阻點(diǎn)焊；d-d-開(kāi)槽塞焊開(kāi)槽塞焊第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛C、T型接頭亦稱十字接頭，是將相互垂直的工件用（角）焊縫連接起來(lái)的接頭圖圖34 T3

38、4 T型接頭的基本形式型接頭的基本形式第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛D、角接接頭a-角接頭最簡(jiǎn)單，但承載能力差；b-雙面角焊縫，承載能力增強(qiáng)；c、d-開(kāi)坡口后易焊透，使用強(qiáng)度提高；e、f-簡(jiǎn)單實(shí)用的接頭；g-有最準(zhǔn)確直角的接頭；h-不易施焊的不合理接頭圖圖35 35 角接頭的基本形式角接頭的基本形式第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接

39、工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛?cè)?、焊接接頭工作應(yīng)力分布特點(diǎn)在焊接接頭中，工作應(yīng)力的分布是不均勻的，存在著局部應(yīng)力峰值（max）比平均應(yīng)力（m）高的現(xiàn)象，稱為應(yīng)力集中應(yīng)力集中系數(shù)為：KT=max/m應(yīng)力集中主要是由焊縫中的工藝缺陷如氣孔、夾雜、裂紋引起。其中，裂紋和未焊透引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛1、對(duì)接接頭的工作應(yīng)力分布對(duì)接接頭的工作應(yīng)力分布比較均勻，其應(yīng)力主要集中在焊縫的加厚高及焊縫與母材的過(guò)渡區(qū)對(duì)于承受沖擊載荷的構(gòu)件，應(yīng)將加

40、厚高用砂輪等工具打磨掉，以降低應(yīng)力集中系數(shù)四、焊接接頭的工作應(yīng)力分布第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛圖圖36 36 電弧焊對(duì)接接頭的應(yīng)力分布電弧焊對(duì)接接頭的應(yīng)力分布第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛2、搭接接頭的工作應(yīng)力分布根據(jù)搭接接頭中角焊縫的受力方向可分為：正面角焊縫與受力方向垂直的角焊縫側(cè)面角焊縫與受力

41、方向平行的角焊縫斜向角焊縫與受力方向成一定角度的角焊縫圖圖37 37 電弧焊搭電弧焊搭接接頭的角焊縫接接頭的角焊縫第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛A、正面角焊縫應(yīng)力主要集中在角焊縫的根部（A）和焊趾（B）。其中，焊趾部位的應(yīng)力集中系數(shù)隨角焊縫的斜邊與直角邊的夾角而變化。當(dāng)夾角減小和增大根部的焊透性時(shí)，可以大大降低應(yīng)力集中系數(shù)圖圖38 38 電弧焊正面搭接電弧焊正面搭接角焊縫的應(yīng)力分布角焊縫的應(yīng)力分布第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程學(xué)焊接工程學(xué)楊楊 剛剛由于搭接接頭的正面角焊縫常常不在板的中心，此時(shí)角焊縫將會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。為減少?gòu)澢鷳?yīng)力，防止較大的變形，兩條角焊縫之間的距離應(yīng)大于板厚的4倍，即l4圖圖39 39 電弧焊正面搭接焊縫的彎曲變形電弧焊正面搭接焊縫的彎曲變形第四節(jié) 焊接接頭強(qiáng)度基本理論四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of M