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一、焊接应力与变形的基本知识
一、焊接应力与变形的基本知识 19Ww3P vQ;
1.焊接变形 {6*#3m Kk
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，这种变化称为物体的变形。 nPFwPk8=M
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。 rrqQCn9
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ΔLT=L- L0，ΔLT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ΔLe表示；而未表现出的变形称为内部变形，用ΔL表示。在数值上，ΔL=ΔLT-ΔLe，见图1-lb。 =']3(6*
单位长度的变形量称为变形率，自由变形率用εT表示，其数学表达式为： ; s|w{ .<:
εT=ΔLT/L0=α(T-T0) （1-1） XNehPZYS
式中 α——金属的线膨胀系数，它的数值随材料及温度而变化。 AjkW0FB:1
外观变形率εe，可用下式表示： Ps 4 ZFX
εe=ΔLe/ L0 （1-2） W*N$'%
同样，内部变形率ε用下式表示： "= 1;0uy]
ε=ΔL/L0 （1-3） IkPN?N
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图1-1 金属杆件的变形 /U&Opo {aO
a)自由变形 b)非自由变形 ~Wo)?q8UY,
2.应力 %w7u]-tR
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。 9RN-suE[
物体单位截面积上的内力叫做应力。 CHrFM@CM
根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。 {M-YHX>*;g
3.焊接应力与焊接变形 $hivlI-7Ko
焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。 qlL`jWJ
二、研究焊接应力与变形的基本假定 ~0beuK&p
金属在焊接过程中，其物理性能和力学性能都会发生变化，给焊接应力的认识和确定带来了很大的困难，为了后面分析问题方便，对金属材料焊接应力与变形作以下假定： 0 stc9_O
（1）平截面假定 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即构件只发生伸长、缩短、弯曲，其横截面只发生平移或偏转，永远保持平面。 =-IbS}3
（2）金属性质不变的假定 假定在焊接过程中材料的某些热物理性质，如线膨胀系数(α)、热容(c)、热导率(λ)等均不随温度而变化。 (p2K36,9m
（3）金属屈服强度假定 低碳钢屈服强度与温度的实际关系如图1-2实线所示，为了讨论问题的方便，我们将它简化为图中虚线所示。即在500℃以下，屈服强度与常温下相同，不随温度而变化；500℃至600℃之间，屈服强度迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态，即屈服强度为零。我们把材料的屈服强度为零时的温度称为塑性温度。 l c+g &f
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图1-2 低碳钢的屈服强度与温度的关系 JpXlBEio%
（4）焊接温度场假定 通常将焊接过程中的某一瞬间，焊接接头中各点的温度分布称为温度场。在焊接热源作用下构件上各点的温度在不断地变化，可以认为达到某一极限热状态时，温度场不再改变，这时的温度场称为极限温度场。 &5yV xL:
三、焊接应力与变形产生的原因 Dfmjw
产生焊接应力与变形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受热不均匀，其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致。另外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响，下面着重介绍几个主要因素。 'uBu6G
1.焊件的不均匀受热 ]s<[D$ <,
焊件的焊接是一个局部的加热过程，焊件上的温度分布极不均匀，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。 4h|c<-`>t
(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。 !| ^|,"A)
(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。 Tp/6 ,EE
如果加热温度较低（T<Ts），材料处于弹性范围内，则在加热过程中杆件的变形全部为弹性变形，杆件内部存在压应力的作用。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，既不存在残余变形也不存在残余应力。我们把压应力达到屈服强度бs时的温度称为屈服点温度Ts（对于低碳钢来说，就是加热到600℃）。 0X6YdW_2X
如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T>Ts），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（T>600℃）。当温度恢复到原始温度时，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。 o#3 ly-ht
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。 cr7 }^ s
(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δ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。 'j#*6xD
加热时，如果板条的高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。 5-:?&|JK;
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。 }bb;~
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图1-3 钢板条中心加热和冷却时的应力与变形 rDd oOb]B
a) 原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却以后 \j$&DCv
(4)长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形 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。 x+\`gK5
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，即钢板中部为压应力，钢板两侧为拉应力。 )HEa< ^kJl
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图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形 (^ J I%>
a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形 4VHn \
d)假设各板条的收缩 e)冷却以后的变形 ,<.V7(|t)
由上述讨论可知：  yEQ#nFp
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。 }H53~@WP>
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。 hWjc<9
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。 ?4Y GT
4）焊接过程中及焊接结束后，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。 `>o{P/ HN
2.焊缝金属的收缩 JtE M,tK
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。 AI2)g1m
3.金属组织的变化 r `=I
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。 &u."A3(
4.焊件的刚性和拘束 ]h`&&Bqt
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。 |
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发表于 2010-8-24 11:09
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