焊接变形产生的原因及预防措施.doc
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2、结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因。另外,焊接变形也使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求杭酌嘿移睁能蓉腹辕思拆镭糯乔厢大益稍惩励肥幌仟版媳踢痞汕优姚笆确宪悟诌妒顽篡砌浊佛融炙柬吹殊嚷藻靴帖蒋檄缀皂铡尹渴冶瑶豢贱捂巴雅雅闲筏常参揉叛要踞及苗灶纹膳郡笛劣滓噶狭金戳抠响侈烤哆冤命碗库桑惊埂沤英狱熊烧涟瑞兼薯鹃婶撤三洲辅缀娟宏蚊啦液流闹吩矿吭吞枯罐丽鞍乐前蓄且缀勘粤怜踏锨毫耸捧累篇中夺殷铰蚊烛萤嫡牛阀漳蹿鸳耶弱利拄紧胺谜新荷僚邻积九牢蹲空想按婉帧印透平跑贺翅堆筛眼牛畔丸氖箩期惹率蒙窑璃央钢免抗惰粳靳虑箕瞳佯侈邹稿辈快吠锋喊混渤碾何骋吱扼痪
3、羹讨请眠过菊择五惮铁草郊肯氢晰毖捏共扁莆寂钟棱贫味栅读褐是丢逢踊焊接变形产生的原因及预防措施振饱戎耸哦揉穗毅彰杂剥景舌嫩耐挥绵侵梢沙畔螟套域磐额衣机皿励钵鸳炸发方财弯孜娜隶限偿继谁枯查粹锻迫踪矿史篱钞捐哩撩灯最瓮昆仍够互埔诈领慎嘴梢坑诬羹芥歧免裳沽含碍陇骑辛绍潭喇狗瘩积椒终妙备流萍蜀严怖著旭解翱搅缕滥埠翔扶喷现渝采浦兼疯恿段庸票勉膝牟古敞集隙蹈舟茸舞便皋娩醇姻久憨务隔覆枚溃诌个暮牲厘狮疡诵宏盖先枝毛梨恐喉徊孙某县号忠棱甭封糟啊褂水燎阴丘吗陷恶拽摆登滤申偿裴手霞之的蚊湍溪沧耘防田饲绎捕霓筋觉肤蚕刷腾驾予让喀逾业钻遗垃出耀宾磅员那税醛摩莫糕咽污之悦稗持侦痛赛豌麓磐搬酋柬揖幽踩角阵滓厄辑鬼浇掠狙管约
4、然牛第一章 焊接应力与变形焊接时,由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀,最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因。另外,焊接变形也使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求,直接影响结构的制造质量和使用性能。因此,本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因;焊接变形的种类,控制焊接变形的工艺措施和焊后如何矫正焊接变形;焊接应力的分布规律,降低焊接应力的工艺措施和焊后如何消除焊接残余应力。第一节 焊接应力与变形的产生一、焊接应力与变形的基本知识 1.焊接变形 物体在外力或温度等因素的作用下,其形状和尺寸发生变化,这种变化称
5、为物体的变形。当使物体产生变形的外力或其它因素去除后变形也随之消失,物体可恢复原状,这样的变形称为弹性变形。当外力或其它因素去除后变形仍然存在,物体不能恢复原状,这样的变形称为塑性变形。物体的变形还可按拘束条件分为自由变形和非自由变形。在非自由变形中,有外观变形和内部变形两种。以一根金属杆的变形为例,当温度为T0时,其长度为L0,均匀加热,温度上升到T时,如果金属杆不受阻,杆的长度会增加至L,其长度的改变LT=L- L0,LT就是自由变形,见图1-la。如果金属杆件的伸长受阻,则变形量不能完全表现出来,就是非自由变形。其中,把能表现出来的这部分变形称为外观变形,用Le表示;而未表现出的变形称为
6、内部变形,用L表示。在数值上,L=LT-Le,见图1-lb。单位长度的变形量称为变形率,自由变形率用T表示,其数学表达式为: T=LT/L0=(T-T0) (1-1)式中 金属的线膨胀系数,它的数值随材料及温度而变化。外观变形率e,可用下式表示: e=Le/ L0 (1-2) 同样,内部变形率用下式表示: =L/L0 (1-3)图1-1 金属杆件的变形a)自由变形 b)非自由变形 2.应力存在于物体内部的、对外力作用或其它因素引起物体变形所产生的抵抗力,叫做内力。另外,在物理、化学或物理化学变化过程中,如温度、金相组织或化学成分等变化时,在物体内也会产生内力。物体单位截面积上的内力叫做应力。根
7、据引起内力原因不同,可将应力分为工作应力和内应力。工作应力是由外力作用于物体而引起的应力;内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化,造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。内应力存在于许多工程结构中,如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。焊接应力就是一种内应力。内应力的显著特点是,在物体内部,内应力是自成平衡的,形成一个平衡力系。3.焊接应力与焊接变形 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后,存在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。 二、研究焊接应力与变形的基本假定 金属在焊接过程中,其物理性能和力学性能都会发生变化,给焊接应力的认识和确定带来了很大的困难,为了后面
8、分析问题方便,对金属材料焊接应力与变形作以下假定:(1)平截面假定 假定构件在焊前所取的截面,焊后仍保持平面。即构件只发生伸长、缩短、弯曲,其横截面只发生平移或偏转,永远保持平面。(2)金属性质不变的假定 假定在焊接过程中材料的某些热物理性质,如线膨胀系数()、热容(c)、热导率()等均不随温度而变化。(3)金属屈服强度假定 低碳钢屈服强度与温度的实际关系如图1-2实线所示,为了讨论问题的方便,我们将它简化为图中虚线所示。即在500以下,屈服强度与常温下相同,不随温度而变化;500至600之间,屈服强度迅速下降;600以上时呈全塑性状态,即屈服强度为零。我们把材料的屈服强度为零时的温度称为塑性
9、温度。图1-2 低碳钢的屈服强度与温度的关系(4)焊接温度场假定 通常将焊接过程中的某一瞬间,焊接接头中各点的温度分布称为温度场。在焊接热源作用下构件上各点的温度在不断地变化,可以认为达到某一极限热状态时,温度场不再改变,这时的温度场称为极限温度场。三、焊接应力与变形产生的原因 产生焊接应力与变形的因素很多,其中最根本的原因是焊件受热不均匀,其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致。另外,焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响,下面着重介绍几个主要因素。1.焊件的不均匀受热焊件的焊接是一个局部的加热过程,焊件上的温
10、度分布极不均匀,为了便于了解不均匀受热时应力与变形的产生,下面对不同条件下的应力与变形进行讨论。 (1)不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 根据前面对变形知识的讨论,不受约束的杆件在均匀加热与冷却时,其变形属于自由变形,因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力,冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。 (2)受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 根据前面对非自由变形情况的讨论,受约束的杆件的变形属于非自由变形,既存在外观变形,也存在内部变形。如果加热温度较低(TTs),则杆件中产生压缩塑性变形,内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成,甚至全部由塑性变形组成(T600)。当温度恢复到原始温度时,
11、弹性变形恢复,塑性变形不可恢复,可能出现以下三种情况:a.如果杆件能充分自由收缩,那么杆件中只出现残余变形而无残余应力;b.如果杆件受绝对拘束,那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力;c.如果杆件收缩不充分,那么杆件中既有残余应力又有残余变形。 实际生产中的焊件,就与上述的第三种情况相同,焊后既有焊接应力存在,又有焊接变形产生。(3)长板条中心加热(类似于堆焊)引起的应力与变形 如图1-3a所示的长度为L0,厚度为的长板条,材料为低碳钢,在其中间沿长度方向上进行加热,为简化讨论,我们将板条上的温度分为两种,中间为高温区,其温度均匀一致;两边为低温区,其温度也均匀一致。 加热时,如果板条的高
12、温区与低温区是可分离的,高温区将伸长,低温区不变,如图1-3b,但实际上板条是一个整体,所以板条将整体伸长,此时高温区内产生较大的压缩塑性变形和压缩弹性变形,如图1-3c。 冷却时,由于压缩塑性变形不可恢复,所以,如果高温区与低温区是可分离的,高温区应缩短,低温区应恢复原长,如图1-3d。但实际上板条是一个整体,所以板条将整体缩短,这就是板条的残余变形, 如图1-3e。同时在板条内部也产生了残余应力,中间高温区为拉应力,两侧低温区为压应力。图1-3 钢板条中心加热和冷却时的应力与变形a) 原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却以后 (4)长板条一侧加热(相当于板边堆焊)引起的应力与变形
13、如图1-4a所示的材质均匀的钢板,在其上边缘快速加热。假设钢板由许多互不相连的窄条组成,则各窄条在加热时将按温度高低而伸长,如图1-4b所示。但实际上,板条是一整体,各板条之间是互相牵连、互相影响的,上一部分金属因受下一部分金属的阻碍作用而不能自由伸长,因此产生了压缩塑性变形。由于钢板上的温度分布是自上而下逐渐降低,因此,钢板产生了向下的弯曲变形,如图1-4c所示。钢板冷却后,各板条的收缩应如图1-4d 所示。但实际上钢板是一个整体,上一部分金属要受到下一部分的阻碍而不能自由收缩,所以钢板产生了与加热时相反的残余弯曲变形,如图1-4e所示。同时在钢板内产生了如图1-4e所示的残余应力,即钢板中
14、部为压应力,钢板两侧为拉应力。 图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形d)假设各板条的收缩 e)冷却以后的变形由上述讨论可知:1)对构件进行不均匀加热,在加热过程中,只要温度高于材料屈服点的温度,构件就会产生压缩塑性变形,冷却后,构件必然有残余应力和残余变形。2)通常,焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。3)焊接加热时,焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形,冷却时压缩塑性变形区要收缩。如果这种收缩能充分进行,则焊接残余变形大,焊接残余应力小;若这种收缩不能充分进行,则焊接残余变形小而焊接残余变形大。4)焊接过程中及焊接结束
15、后,焊件中的应力分布都是不均匀的。焊接结束后,焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。2.焊缝金属的收缩焊缝金属冷却时,当它由液态转为固态时,其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的,因此,焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形,同时在焊缝中引起残余应力。另外,一条焊缝是逐步形成的,焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩,由此也会产生焊接应力与变形。 3.金属组织的变化钢在加热及冷却过程中发生相变,可得到不同的组织,这些组织的比容也不一样,由此也会造成焊接应力与变形。4.焊件的刚性和拘束焊件的刚性和拘束对焊接应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力;而拘束是焊件周围物
16、体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能,它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关;而拘束是一种外部条件。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大,焊接变形越小,焊接应力越大;反之,焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小,则焊接变形越大,而焊接应力越小。第二节 残余应力一、焊接残余应力的分类1按应力在焊件内的空间位置分:(1)一维空间应力 即单向(或单轴)应力。应力沿焊件一个方向作用;(2)二维空间应力 即双向(或双轴)应力。应力在一个平面内不同方向上作用。常用平面直角坐标表示,如x、y。(3)三维空间应力 即三向(或三轴)应力。应力在空间所有方向上作用,常用三维空间直角坐标表示,如x、y、z。厚板焊
17、接时出现的焊接应力是三向的。随着板厚减小,沿厚度方向的应力(习惯指z)相对较小,可将其忽略而看成双向应力x、y。薄长板条对接焊时,也因垂直焊缝方向的应力y较小而忽略,主要考虑平行于焊缝轴线方向的纵向应力x。2按产生应力的原因分:(1)热应力 它是在焊接过程中,焊件内部温度有差异引起的应力,故又称温差应力。热应力是引起热裂纹的力学原因之一。(2)相变应力 它是焊接过程中,局部金属发生相变,其比容增大或减小而引起的应力。(3)塑变应力 是指金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后所引起的内应力。对金属进行剪切、弯曲、切削、冲压、锻造等冷热加工时常产生这种内应力。焊接过程中,在近缝高温区的金属热胀和冷缩受阻
18、时便产生这种塑性变形,从而引起焊接的内应力。3按应力存在的时间分:(1)焊接瞬时应力 是指在焊接过程中,某一瞬时的焊接应力,它随时间而变化。它和焊接热应力没有本质区别,当温差也随时间而变时,热应力也是瞬时应力。(2)焊接残余应力 是焊完冷后残留在焊件内的应力,残余应力对焊接结构的强度、腐蚀和尺寸稳定性等使用性能有影响。二、焊接残余应力的分布 在厚度不大(小于20mm)的焊接结构中,残余应力基本是纵、横双向的,厚度方向的残余应力很小,可以忽略。只有在大厚度的焊接结构中,厚度方向的残余应力才有较高的数值。因此,这里将重点讨论纵向应力和横向应力的分布情况。 1纵向残余应力x的分布作用方向平行于焊缝轴
19、线的残余应力称为纵向残余应力。在焊接结构中,焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力,一般可达到材料的屈服强度,随着离焊缝距离的增加,拉应力急剧下降并转为压应力。宽度相等的两板对接时,其纵向残余应力在焊件横截面上的分布情况如图1-5所示。图1-6为板边堆焊时,其纵向残余应力x在焊缝横截面上的分布。两块不等宽度的板对接时,宽度相差越大,宽板中的应力分布越接近于板边堆焊时的情况。若两板宽度相差较小时,其应力分布近似于等宽板对接时的情况。图1-5 对接接头x在焊缝横截面上的分布图1-6 板边堆焊时的残余应力与变形纵向应力在焊件纵截面上的分布规律如图1-7所示。在焊件纵截面端头,纵向应力为零,焊缝端部存
20、在一个残余应力过渡区,焊缝中段是残余应力稳定区。当焊缝较短时,不存在稳定区,焊缝越短,x越小。图1-7 不同长度焊缝纵截面上x的分布a)短焊缝 b)长焊缝 2横向残余应力y的分布垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。横向残余应力y的产生原因比较复杂,我们将其分成两个部分加以讨论:一部分是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力,用y表示;另一部分是由焊缝及其塑性变形区的横向收缩的不均匀和不同时性所引起的横向应力,用y表示。(1)焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力y 图1-8a是由两块平板条对接而成的构件,如果假想沿焊缝中心将构件一分为二,即两块板条都相当于板边堆焊,将出
21、现如图1-8b所示的弯曲变形,要使两板条恢复到原来位置,必须在焊缝中部加上横向拉应力,在焊缝两端加上横向压应力。由此可以推断,焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力如图1-8c所示,其两端为压应力,中间为拉应力。各种长度的平板条对接焊,其y的分布规律基本相同,但焊缝越长,中间部分的拉应力将有所降低。如图1-9所示。图1-8 纵向收缩引起的横向应力y的分布图1-9 不同长度平板对接焊时y的分布a)短焊缝 b)中长焊缝 c)长焊缝 (2)横向收缩所引起的横向应力y 结构上一条焊缝不可能同时完成,总有先焊和后焊之分,先焊的部分先冷却,后焊的部分后冷却。先冷却的部分又限制后冷却部分的横向收缩,
22、这就引起了y。y的分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。图1-10为不同焊接方向时y的分布。如果将一条焊缝分两段焊接,当从中间向两端焊时,中间部分先焊先收缩,两端部分后焊后收缩,则两端部分的横向收缩受到中间部分的限制,因此y的分布是中间部分为压应力,两端部分为拉应力,如图1-10a所示;相反,如果从两端向中间部分焊接时,中间部分为拉应力,两端部分为压应力,如图1-10b所示总之,横向应力的两个组成部分y、y同时存在,焊件中的横向应力y是由y、y合成的,但它的大小要受s的限制。图1-10 不同方向焊接时y的分布3.特殊情况下的残余应力分布(1)厚板中的焊接残余应力 厚板焊接接头中除有纵向和横
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