焊接應(yīng)力與變形課件

1、第二章焊接應(yīng)力與變形 第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因 第二節(jié)焊接殘余變形 第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力返回第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因一、焊接應(yīng)力與變形的基本知識(shí) 1.應(yīng)力 物體受到外力作用而發(fā)生改變時(shí)，物體的任意一部分與另一部分之間同時(shí)發(fā)生的相互作用的力稱為內(nèi)力。作用在物體單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。 2.變形 物體在外力或溫度等因素的作用下，形狀和尺寸的改變稱為物體的變形。當(dāng)外力或其他因素去除后，變形也隨之消失，物體恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為彈性變形;當(dāng)外力或其他因素去除后，變形仍然存在，物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為塑性變形。 下一頁返回第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因3.焊接應(yīng)力與變形 焊接構(gòu)件由

2、焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力，按作用時(shí)間可分為焊接瞬時(shí)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接過程中，某一瞬時(shí)的焊接應(yīng)力稱為焊接瞬時(shí)應(yīng)力，它隨時(shí)間而變化。而焊后在室溫條件下殘存于焊件內(nèi)的應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。二、焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因 焊接應(yīng)力與變形是多種因素交互作用的結(jié)果。焊接應(yīng)力按產(chǎn)生來源可分為三種情況:一是焊接不均勻加熱和冷卻引起焊件各部分溫度差產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，它是形成焊接殘余應(yīng)力的主要來源;二是焊前加工狀況和焊件的剛性及外界約束焊件造成的應(yīng)力;三是金屬加熱和冷卻時(shí)發(fā)生相變?cè)斐傻谋热葑兓a(chǎn)生的應(yīng)力。焊接應(yīng)力導(dǎo)致焊件尺寸改變而產(chǎn)生焊接變形。下面著重討論上述三個(gè)因素。上一頁下一頁返回第一節(jié)焊接應(yīng)力與變

3、形的產(chǎn)生原因 1.焊件的不均勻受熱 首先討論金屬在不同條件下產(chǎn)生的應(yīng)力與變形的情況。 (1)不受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形。不受約束的桿件在均勻加熱時(shí)，其變形為自由變形，即桿件變形沒有受到外界任何阻礙而自由地進(jìn)行，如圖2-1(a)。 (2)受約束的桿件均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形。受約束的桿件均勻加熱時(shí)，其變形為非自由變形即桿件要受到阻礙不能自由地進(jìn)行下去。對(duì)于非自由變形，我們把能夠表現(xiàn)出來的這部分變形稱為外觀變形，如圖2-1(b) (3)長板條中心加熱引起的應(yīng)力與變形。如圖2-2(a)所示為中長板條中心加熱，出現(xiàn)圖示中T曲線的溫度分布，即靠近熱源部分的材料溫度高，遠(yuǎn)離熱源部分的材料溫度低。

4、上一頁下一頁返回第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因 2.焊前加工狀況和焊件的剛性以及外界約束造成的應(yīng)力 構(gòu)件若經(jīng)過軋制、拉拔、剪切、彎曲、沖壓、鍛造等冷熱加工會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力在某種場(chǎng)合下會(huì)疊加到焊接應(yīng)力上去，而在焊后的變形過程中也有附加性 焊件的剛性和拘束對(duì)焊接應(yīng)力和變形有很大影響。剛性是指焊件抵抗變形的能力;而拘束是焊件周圍物體對(duì)焊件變形的約束。剛性是焊件本身的性能，它與焊件材質(zhì)、焊件截面形狀和尺寸等有關(guān);而拘束是一種外部條件。焊件自身的剛性及周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力就越大;反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊件變形越大，而焊件應(yīng)力越小 上一頁下一頁返回第一

5、節(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生原因3.金屬組織的變化 鋼在加熱和冷卻過程中發(fā)生相變可得到不同組織。當(dāng)金屬發(fā)生相變時(shí)，其比容將有一個(gè)突變，例如碳鋼當(dāng)由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或馬氏體時(shí)，其比容將增大;相反方向的轉(zhuǎn)變比容將減小。伴隨這種相變所出現(xiàn)的體積變化將產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力。在室溫下，如果相變產(chǎn)物保留下來，那么就產(chǎn)生相變應(yīng)力。但一般情況下，這種影響必須要考慮發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度。上一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形一、焊接殘余變形的分類焊接殘余變形是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題。焊接殘余變形大致可以分為六類: 1.收縮變形 收縮變形包括縱向收縮變形和橫向收縮變形。 縱向收縮變形是構(gòu)件焊后在焊縫方向上發(fā)生的收縮，橫

6、向收縮變形是構(gòu)件焊后在垂直焊縫方向上發(fā)生的收縮。如圖2-4所示。 2.撓曲變形 撓曲變形是由于結(jié)構(gòu)上的焊縫不對(duì)稱或焊件斷面形狀不對(duì)稱，由焊縫的縱向收縮或橫向收縮而引起的彎曲變形，如圖2-5所示。3.角變形角變形就是焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移，如圖2-6所示。下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形4.波浪變形 波浪變形就是焊后構(gòu)件呈波浪形，如圖2-7所示。這種變形易在薄板結(jié)構(gòu)中發(fā)生。 5.錯(cuò)邊變形 在焊接過程中，兩焊件熱膨脹不一致，可能引起長度方向或厚度方向上的錯(cuò)邊，如圖2-8所示。 6.扭曲變形 焊后沿構(gòu)件的長度方向上出現(xiàn)的螺旋形變形，如圖2-9所示。常發(fā)生在框架、桿件或梁柱等剛性較大的工件上。

7、二、焊接殘余變形產(chǎn)生的原因及影響因素 1.縱向收縮變形和橫向收縮變形上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形 (1)縱向收縮變形。根據(jù)前面的分析，在焊接時(shí)，焊縫及其附近的金屬由于高溫下的自由變形受到阻礙產(chǎn)生壓縮塑性變形，產(chǎn)生壓縮塑性變形的區(qū)域稱為塑性變形區(qū)。 (2)橫向收縮變形。對(duì)接接頭橫向收縮變形大小主要與焊接線能量、焊縫坡口形式、焊縫截面積大小和焊接工藝有關(guān)。焊接線能量越大，橫向收縮變形越大;坡口角度越大，間隙越大，橫向收縮變形越大。焊縫截面積越大，橫向收縮變形越大。實(shí)際上這三個(gè)因素是有關(guān)聯(lián)的，坡口角度越大，間隙越大，焊縫截面積也越大，所需焊接線能量越大，焊接橫向變形越大 2.彎曲變形 彎曲變形

8、主要是由于焊縫的中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸不重合或不對(duì)稱引起的。 上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形(1)縱向收縮引起的彎曲變形，如圖2-10所示 (2)橫向收縮變形引起的彎曲變形。橫向收縮變形引起的彎曲變形在生產(chǎn)中常見的情況:采用很多筋板或加強(qiáng)板，并且在結(jié)構(gòu)上布置不對(duì)稱。 3.角變形焊接接頭角變形產(chǎn)生的根本原因是橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布。焊縫的正面變形大，背面的變形小，造成了構(gòu)件平面的偏轉(zhuǎn) 對(duì)接接頭角變形影響因素如下。 (1)坡口角度。坡口角度越大，焊接接頭上部及下部橫向收縮量差別就越大，因而角變形越大。由于自動(dòng)焊的熔深比手工焊大得多，因此焊接相同厚度時(shí)，采用自動(dòng)焊比手工焊坡口角度

9、小，使自動(dòng)焊比手工焊角變形小 上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形(2)焊縫截面形狀。采用對(duì)稱坡口，有利于減小角變形。如X形坡口代替V形坡口。但是采用X形或雙U形坡口時(shí)，如不采取合理的焊接順序，仍可能產(chǎn)生角變形。一般采用雙面交替焊，用最少的翻轉(zhuǎn)次數(shù)求得最小的角變形。如圖2-12(a)所示 (3)焊接方式有關(guān)。對(duì)于同樣的板厚和坡口形式，多層焊比單層焊角變形大，層數(shù)越多，角變形越大，多道焊比多層焊角變形大 4.波浪變形 波浪變形常發(fā)生在薄板焊接結(jié)構(gòu)中，薄板焊后焊縫附近是拉應(yīng)力，離開焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到某一臨界值(稱為臨界應(yīng)力)時(shí)，薄板因出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力，這種現(xiàn)象我們稱之為失

10、穩(wěn)。上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形5.焊接錯(cuò)邊由于焊接產(chǎn)生的錯(cuò)邊主要原因之一是焊接過程中對(duì)接邊的熱不平衡。如圖2-13所示的是熱不平衡的幾個(gè)例子。 6.扭曲變形 這類變形目前研究的還比較少，常見產(chǎn)生的扭曲變形是焊縫角變形沿長度上的不均勻分布。如圖2-14所示。三、預(yù)防焊接殘余變形的措施 焊接殘余變形可以從設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面來解決 1.設(shè)計(jì)措施 (1)選擇合理的焊縫形式和尺寸 對(duì)于如圖2-15所示受力較大的T形接頭或十字接頭，在保證相同的強(qiáng)度條件下，采用開坡口的角焊縫可以減少焊縫金屬，對(duì)減少變形有利。上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形 (2)盡量減少焊縫數(shù)量。如圖2-16所示是采用壓型結(jié)構(gòu)代

11、替筋板結(jié)構(gòu)來防止薄板結(jié)構(gòu)的變形。 (3)合理安排焊縫布局和接頭位置。對(duì)于易產(chǎn)生彎曲變形的梁、柱等結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)，焊縫盡可能接近中性軸或?qū)ΨQ于截面中性軸，如 圖2-17所示 2.工藝措施 進(jìn)入生產(chǎn)階段，采用焊前預(yù)防或焊接過程中主動(dòng)的工藝措施，可以減小焊接變形。 (1)焊前預(yù)防措施 反變形。事先估計(jì)好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向，然后在裝配時(shí)給予一個(gè)相反方向的變形與焊接變形相抵消，使焊后構(gòu)件滿足設(shè)計(jì)要求。反變形法主要用于控制角變形和彎曲變形。 上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形如圖2-18中，(a)圖對(duì)接接頭角變形，預(yù)先在坡口處墊高;(b)圖是工字形梁翼緣板反變形;(c)圖是薄殼結(jié)構(gòu)支承座焊接的反變形如圖2

12、-19所示是鍋爐集箱焊接時(shí)的彈性反變形。 剛性固定法。剛性固定法是將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形。這種方法主要用來防止角變形和波浪變形。由于剛性固定法增加了焊接時(shí)的拘束度，所以焊接收縮量大約減少40%-70 %，但是會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。 如圖2-20所示是焊接法蘭盤時(shí)，采用剛性固定法，可有效防止法蘭盤的角變形。上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形 如圖2-21(a)所示為翻斗車的斗體，其外部輪廓有曲面，也有平面，上平面裝有角鋼，所有焊縫均為連續(xù)角焊縫。施焊后，由于角鋼與斗體焊縫的縱向收縮，會(huì)使角鋼產(chǎn)生彎曲而向外凸，因此在生產(chǎn)中，也用角鋼作為臨時(shí)支撐點(diǎn)固定在斗體內(nèi)側(cè)，控制焊接后的變形。圖2-2

13、1(b)所示的電鏟配重箱是由底板、帶孔蓋板、四周圍板、中間的隔板裝焊而成。 (2)焊接過程采取的措施 合理地選擇焊接方法和規(guī)范。由于焊接變形是焊接過程中不均勻加熱的結(jié)果，所以總的原則是，在焊接過程中應(yīng)采用最小的總加熱量，變形量就會(huì)最小。合理地選擇裝配順序和焊接順序。上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形裝配和焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊憳O大，因此質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)，需合理安排裝配、焊接順序，把變形降至最低。如圖2-11所示工字形梁不同裝配焊接順序。如圖2-22所示圓筒體的對(duì)稱焊。如圖2-23所示的排管的焊接順序。如圖2-24所示是長焊縫分段焊接的幾種焊接方式。裝配焊接順序?qū)ψ冃斡绊懙睦尤鐖D2-2

14、5所示焊接梁。 散熱法?？恐苯铀浠蜚~冷卻塊來限制和縮小焊接熱場(chǎng)的分布，可以達(dá)到減小變形的目的，如圖2-26所示，但對(duì)淬硬性較高的材料慎用。如圖2-27所示是利用水冷焊接壓蓋防止變形。上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形四、矯正焊接殘余變形的方法 焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形，盡可能采取前述的預(yù)防措施，如果變形仍然超出技術(shù)要求，就需矯正措施來減小或消除已發(fā)生的變形。矯正的方法有以下兩類 1.機(jī)械矯正法 機(jī)械矯正法是冷作矯正金屬變形的一種方法，是利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，達(dá)到恢復(fù)原形位的方法。采用機(jī)械設(shè)備矯正法比較普遍，其矯正質(zhì)量好，效率高，勞動(dòng)條件好。常用的機(jī)械設(shè)備矯正設(shè)備有:拉伸機(jī)

15、、壓力機(jī)、卷板機(jī)、板材矯平機(jī)、型材矯正機(jī)和管材矯正機(jī)等 如圖2-28所示的是薄板波浪變形的矯正。上一頁下一頁返回第二節(jié)焊接殘余變形如圖2-29是工字形梁上拱和旁彎的機(jī)械矯正。 2.火焰加熱矯正法 火焰加熱矯正法是利用火焰對(duì)焊件局部伸長部分加熱，使其在較高溫度下發(fā)生塑性變形，冷卻后收縮變短，使構(gòu)件變形得到矯正?；鹧婕訜岱ú捎靡话愕臍夂负妇?。 如圖2-30所示是鍋爐集箱彎曲變形的火焰矯正實(shí)例。如圖2-31(a)所示為T形梁角變形的線狀加熱矯正實(shí)例。圖2-31(b)所示為工字梁彎曲變形火焰加熱矯正的實(shí)例。上一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力一、焊接殘余應(yīng)力的分類 前面已討論過殘余應(yīng)力的有些分類，現(xiàn)將焊接應(yīng)力

16、的所有分類總結(jié)見表2-1。二、焊接殘余應(yīng)力的分布 在厚度不大(15-20) mm)的中厚和薄板焊接結(jié)構(gòu)中，焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)為平面應(yīng)力狀態(tài)。只有在大型結(jié)構(gòu)厚截面焊縫中，在厚度方向的殘余應(yīng)力較大。1.縱向應(yīng)力。 平板對(duì)接直線焊縫所引起的縱向殘余應(yīng)力如圖2-32所示，可以看出，焊縫及其附近區(qū)域是拉應(yīng)力(低碳鋼和不銹鋼上數(shù)值一般達(dá)到材料的屈服極限)，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力。下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力同時(shí)可以看出，靠近板的橫向板邊時(shí)應(yīng)力降低，在橫向板邊應(yīng)力為零。圖2-33是不同長度焊縫中的分布。 圓筒對(duì)接環(huán)焊縫引起的縱向應(yīng)力(即切向應(yīng)力)如圖2-34所示。2.橫向應(yīng)力 y 橫向應(yīng)力較為復(fù)雜，它是由焊縫及

17、附近塑性變形區(qū)的縱向收縮所引起的和焊縫及其附近塑性變形區(qū)橫向收縮的不同時(shí)性引起的合成。其中，焊縫冷卻的橫向收縮是直接原因，焊縫的縱向收縮是間接原因。另外，表面和內(nèi)部不同的冷卻過程，以及可能疊加的相變過程也是影響因素。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 平板對(duì)接時(shí)，通常焊縫中心截面上的在兩端為壓應(yīng)力，中間為拉應(yīng)力，由此可引發(fā)焊縫端部的裂紋。的數(shù)值與板的尺寸有關(guān)，如 圖2-35(a)圖所示。圖2-36是兩塊25 mm x 910mmx 1 000 mm板多層焊焊接后y的分布。 3.厚板中的殘余應(yīng)力 圖2-37是80 mm低碳鋼厚板V形坡口多層焊焊縫殘余應(yīng)力的分布。如圖2-38所示是240 mm厚電

18、渣焊焊縫中心的應(yīng)力分布。4.構(gòu)束狀態(tài)下焊接的內(nèi)應(yīng)力如圖2-39所示為中間桿件對(duì)接焊縫的橫向收縮。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 5.封閉圓形焊縫所引起的內(nèi)應(yīng)力 在容器、船舶等板殼結(jié)構(gòu)上，圓形封閉焊縫多用于接管、鑲塊和法蘭盤的連接，封閉圓焊縫是在較大的拘束狀態(tài)下焊接的，其內(nèi)應(yīng)力比自由狀態(tài)下大。如圖2-40中徑向應(yīng)力為拉應(yīng)力。 6.焊接梁柱中的殘余應(yīng)力 梁柱屬細(xì)長比值較大的焊接構(gòu)件，易發(fā)生縱向彎曲變形，所以往往注重分析縱向殘余應(yīng)力的分布。如圖2-41所示是T形梁、工字形梁和箱形梁中縱向焊接殘余應(yīng)力的分布。 7.相變對(duì)平板對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力的影響 金屬相變時(shí)，比容將發(fā)生變化例如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體或

19、馬氏體，比容增大。如圖2-42所示是相變應(yīng)力與疊加后，在相變區(qū)的殘余應(yīng)力可能為壓應(yīng)力。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力三、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響 1.焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度的影響對(duì)于光滑構(gòu)件，只要材料有足夠的塑性，塑性變形可使截面上的應(yīng)力均勻化，殘余應(yīng)力的存在并不影響構(gòu)件的承載能力，即對(duì)靜載強(qiáng)度沒有影響;如果材料處于脆性狀態(tài)或經(jīng)熱處理的材料以及三向應(yīng)力作用下的材料，由于材料不能塑性變形，構(gòu)件截面上的應(yīng)力不能均勻化，殘余拉應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，使結(jié)構(gòu)局部破壞，導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件斷裂 對(duì)于帶缺口的構(gòu)件，由于嚴(yán)重的應(yīng)力集中，可能同時(shí)存在著較高的拉伸內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)構(gòu)件中因其中的某種原因受到大的作用引力

20、時(shí)，拉伸內(nèi)應(yīng)力和嚴(yán)重應(yīng)力集中的共同作用，將降低結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度，使之在遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)的外載應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 2.焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)有關(guān)，在 min / max比值較低時(shí)，影響較大，有應(yīng)力集中時(shí)影響更大。當(dāng)試件，特別是試件表面上有壓縮殘余應(yīng)力時(shí)，可提高疲勞強(qiáng)度。因而，提高焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，不僅要降低殘余拉應(yīng)力，而且要減少產(chǎn)生接頭應(yīng)力集中的因素如余高過大、角焊縫過于凸起等。另外，采取噴丸、點(diǎn)狀加熱、超載處理等方式在構(gòu)件中引入壓縮殘余應(yīng)力，可以改善焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞性能。 3.焊接殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械加

21、工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響 如果工件中存在焊接殘余應(yīng)力，機(jī)械切削加工在切去部分材料的同時(shí)，也會(huì)把切去材料中的殘余應(yīng)力一起去掉，從而破壞工件中的應(yīng)力平衡，使工件產(chǎn)生變形，加工精度也就受到影響。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力如圖2-43中，當(dāng)加工完之后，松開夾具時(shí)變形就能表現(xiàn)出來。 4.焊接殘余應(yīng)力對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響 當(dāng)桿件受壓時(shí)，桿件截面上的壓縮殘余應(yīng)力將與外載所引起的應(yīng)力疊加，使桿件上壓應(yīng)力區(qū)先到達(dá)屈服極限，該區(qū)應(yīng)力不再增加，從而使該區(qū)喪失進(jìn)一步承受外載能力，相當(dāng)于削弱了桿件的有效截面，使壓桿的臨界應(yīng)力下降，對(duì)壓桿的穩(wěn)定性有不利的影響。壓桿內(nèi)應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性的影響與壓桿的截面形狀和殘余應(yīng)力的

22、分布有關(guān)，若能使有效截面遠(yuǎn)離壓桿的中性軸，可以改善其穩(wěn)定性 5.焊接殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響應(yīng)力腐蝕開裂是拉應(yīng)力,腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象,焊接后的殘余應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加促使焊縫附近很快產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力因此，對(duì)于受腐蝕的結(jié)構(gòu)，采取適當(dāng)?shù)南龤堄鄳?yīng)力的措施，是有利于提高抗腐蝕能力的。 6.焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響 焊接后，焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力，并且拉應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限。因此，當(dāng)構(gòu)件受拉時(shí)，該區(qū)不能承受負(fù)載，相當(dāng)于有效承載面積減小了，導(dǎo)致剛度有所下降。四、降低焊接殘余應(yīng)力的措施 在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)遵循設(shè)計(jì)規(guī)范

23、，使得結(jié)構(gòu)在制造過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力得到有效的控制。同時(shí)，在焊接過程中采取一些工藝措施可在降低應(yīng)力峰值的同時(shí)，使應(yīng)力的分布也更為合理上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力1.設(shè)計(jì)措施 (1)盡量減少焊縫數(shù)量和采用小的焊縫尺寸 (2)避免焊縫密集和交叉。如圖2-44中用切口來避免焊縫的交匯，不過，在需考慮結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度時(shí)應(yīng)有條件的采用切口。 (3)采用剛性小的接頭形式或開減應(yīng)力槽，減小局部剛度，降低焊縫拘束度 (4)采用盡可能小的板厚。當(dāng)板厚較大時(shí)，易產(chǎn)生三軸拉伸應(yīng)力促使發(fā)生脆性斷裂。 (5)選用熱輸入小和能量集中的焊接方法。 (6)在殘余拉應(yīng)力區(qū)避免焊縫幾何形狀不連續(xù)性和應(yīng)力集中。 上一頁下一頁

24、返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力(7)由于焊后處理會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，因而需要合理制定焊后消除應(yīng)力的技術(shù)要求，減少不必要的焊后處理 2.工藝措施 (1)采用合理的焊接順序和方向。 先焊收縮量較大的焊縫和受力較大的焊縫。如圖2-45中應(yīng)先焊對(duì)接焊縫1，后焊角焊縫2，使得焊縫1能自由收縮，從而減少內(nèi)應(yīng)力。 如圖2-46中應(yīng)先焊受力較大的翼緣對(duì)接焊縫1再焊腹板對(duì)接焊縫2，最后焊角焊縫3，使腹板收縮有一定的余地 拼板時(shí)，應(yīng)先焊錯(cuò)開的短焊縫，然后焊直通長焊縫。如圖2-47所示為大型容器底部拼板的焊接順序上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 采用分段退焊法。分段退焊法也能減少焊接接頭的橫向與縱向收縮，若焊接作業(yè)連續(xù)

25、進(jìn)行且無焊件中途完全冷卻這一情況發(fā)生，則焊接殘余應(yīng)力也得到一定降低，分段退焊廣泛應(yīng)用于船舶或儲(chǔ)罐等大型結(jié)構(gòu)的焊接。 (2)采用降低焊縫拘束度的措施，補(bǔ)償焊縫收縮量對(duì)一些圓焊縫可以采用反變形法，降低焊縫拘束度，如圖2-48所示。采用加熱“減應(yīng)區(qū)”法。如圖2-49中修復(fù)斷口時(shí)，在輪緣或輪輻上適當(dāng)加熱，使輪緣或輪輻加熱時(shí)一起伸長，冷卻時(shí)一起縮短，從而減小內(nèi)應(yīng)力。 采用預(yù)熱法。 如圖2-50所示為ZG310-570鑄鋼齒輪毛坯上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 (3)錘擊或碾壓焊縫。只要金屬材料具有足夠的塑性，則無論在熱態(tài)或冷態(tài)下，均可用錘擊方式沿焊接方向延展焊縫。錘擊應(yīng)保持均勻、適度，避免錘擊過分產(chǎn)

26、生裂紋。對(duì)于帶有對(duì)接焊縫的金屬薄板，特別是有色金屬的薄壁構(gòu)件上，采用碾壓法(用窄滾輪滾壓焊縫和近縫區(qū))比冷錘擊更為合適，如圖2-51所示。五、消除焊接殘余應(yīng)力的措施 由于焊接殘余應(yīng)力帶來前述的影響，因而對(duì)一些重要的、法規(guī)要求的或具有特別性能要求的結(jié)構(gòu)就需要消除殘余應(yīng)力。焊后消除殘余應(yīng)力的方法見表2-2。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 1.高溫退火熱處理 高溫退火熱處理是當(dāng)前焊后消除殘余應(yīng)力的最主要方法。高溫退火熱處理除消除應(yīng)力的作用外還可以改善焊接接頭的金相組織、力學(xué)性能和釋放焊接接頭中的氫。 (1)整體高溫退火。整體高溫退火是將整個(gè)構(gòu)件加熱到一定溫度，然后保溫一段時(shí)間，再冷卻。 整體熱處

27、理一般在爐內(nèi)進(jìn)行，遇到大型結(jié)構(gòu)(如大型容器)無法在爐內(nèi)處理時(shí)，可采用容器外壁覆蓋保溫層，在容器內(nèi)部用火焰或電阻加熱的辦法處理，如圖6-38所示 (2)局部高溫退火。局部高溫退火是將焊縫周圍的一個(gè)局部區(qū)域加熱，其效果不如整體熱處理，只能降低應(yīng)力峰值，而不能完全消除。常用于比較簡(jiǎn)單的、剛度較小的構(gòu)件上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 2.機(jī)械拉伸法 在焊接過程中，焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生的壓縮塑性變形導(dǎo)致了焊接殘余應(yīng)力的存在，機(jī)械拉伸法就是焊后對(duì)構(gòu)件加載拉伸，產(chǎn)生拉伸塑性變形，使它的方向和壓縮塑性變形相反，減少或消除焊接殘余應(yīng)力的方法。 3.溫差拉伸法 溫差拉伸法消除焊接殘余應(yīng)力的基本原理與機(jī)械拉伸法

28、相同，不同的是溫差拉伸法是局部加熱的溫差來拉伸焊縫區(qū)。適用于中等厚度鋼板焊后消除應(yīng)力。對(duì)于焊縫比較規(guī)則厚度不大( 40 mm)的板、殼結(jié)構(gòu)具有工程實(shí)用價(jià)值 上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力如圖2-52中在焊縫兩側(cè)各用一個(gè)寬度適當(dāng)?shù)难?乙炔焰炬加熱，在焰炬后面一定距離，用一根帶有排孔的水管進(jìn)行噴水冷卻。 4.振動(dòng)處理(VSR) 振動(dòng)消除殘余應(yīng)力是在交變應(yīng)力作用下，使材料內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，殘余應(yīng)力得到松弛。處理時(shí)，將焊后已冷卻下來(有時(shí)仍熱)的構(gòu)件置于振蕩臺(tái)上，或借助附著式振蕩器，以接近于構(gòu)件固有頻率的較高頻率(10-100 cps)作5-20 min的低幅振動(dòng)，并用振動(dòng)器的功率消耗量來測(cè)定構(gòu)件阻

29、尼的下降。如圖2-53是一種大型焊件使用振蕩器消除應(yīng)力的裝置。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力 5.爆炸處理 如圖2-54所示，爆炸處理是通過粘貼在焊縫及其近區(qū)表面的特種炸藥(主要的研究和應(yīng)用是條狀橡膠炸藥)的引爆產(chǎn)生的沖擊波與焊接殘余應(yīng)力的交互作用，使金屬產(chǎn)生適量的塑性變形，從而消除焊接殘余應(yīng)力的方法。 6.逆焊接加熱處理(AWHT) 逆焊接加熱處理是近年來在我國出現(xiàn)的一種新的調(diào)整焊接殘余應(yīng)力技術(shù)，其基本原理如下:利用與焊接加熱過程相反的方法即逆向焊接加熱，采用冷卻介質(zhì)使焊接區(qū)獲得比相鄰區(qū)(母材)為低的負(fù)溫差(該溫差要遠(yuǎn)低于焊接正溫差)，在冷卻過程中焊接區(qū)由于受到周圍金屬的拉伸而產(chǎn)生伸長塑性變形，從而抵消焊接過程中形成的壓縮塑性變形，達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力的目的。上一頁下一頁返回第三節(jié)焊接殘余應(yīng)力7.噴丸處理 噴丸處理是一種表面清理的方法，其介紹見第四章第一節(jié)。噴丸處理也可以降低和消除拉伸殘余應(yīng)力，也可以在工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，這是其主要優(yōu)點(diǎn)，因而