焊接應(yīng)力與變形

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1、焊接應(yīng)力與變形焊接應(yīng)力與變形學(xué)習(xí)目的：了解焊接應(yīng)力與焊接變形產(chǎn)生的原因，掌握控制和消除焊接應(yīng)力與焊接變形的方法。第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形概述第一節(jié)焊接應(yīng)力與變形概述一、焊接應(yīng)力與變形的概念在焊接過程中，焊接應(yīng)力和與焊接變形的產(chǎn)生是不可避免的。焊接過程結(jié)束，焊件冷卻后殘留在焊件上的內(nèi)應(yīng)力為焊接應(yīng)力也叫焊接殘應(yīng)力。焊接過程中焊接產(chǎn)生了不同程度的變形，焊接過程結(jié)束，焊接冷卻后殘留在焊件上的變形為焊接殘余變形。焊接殘余應(yīng)力是造成裂紋的直接原因，使承載能力和使用壽命降低。二、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因物體在某些外界條件下（如應(yīng)力、溫長等）的影響下，其形狀和尺寸可能發(fā)生變化。焊接是一種局部不均勻加熱的工藝過程，

2、加熱溫度高，加熱冷卻速度快。焊件局部因?yàn)闇囟壬叨蛎?，又因?yàn)闇囟壬撸植坎牧系膹?qiáng)度降低，由于受到接頭周圍金屬的限制而不能自由膨脹，當(dāng)壓應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時，產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)焊縫冷卻后收縮，由于受到接頭周圍金屬而限制而不能自由的收縮而受到拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力即焊接殘余應(yīng)力?？傊附訒r的局部不均勻加熱與冷卻是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形的主要原因。第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力一、焊接殘余應(yīng)力的分類1按焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因分類（1）溫度應(yīng)力（又稱熱應(yīng)力）：它是由于金屬受熱不均勻，各處變形不一致且相互約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接過程中溫度的應(yīng)力是不斷變化的，且峰值一般都達(dá)到屈服強(qiáng)度，因此產(chǎn)

3、生塑性變形，焊接結(jié)束并冷卻后產(chǎn)生殘余應(yīng)力保存下來。（2）組織應(yīng)力：焊接過程中，引起局部金屬組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，隨著金屬組織的轉(zhuǎn)變，其體積發(fā)生變化，而局部體積的變化受到皺紋金屬的約束，同時，由于焊接過和中是不均勻的加熱與冷卻，因此組織的轉(zhuǎn)變也是不均勻的，結(jié)果產(chǎn)生了應(yīng)力。（3）拘束應(yīng)力：焊件結(jié)構(gòu)往往是在拘束條件下焊接的，造成拘束狀態(tài)的因素有結(jié)構(gòu)的剛度、自重、焊縫的位置以及夾持卡具的松緊程度等。這種在拘束條件下的焊接，由于受到外界或自身剛度的限制，不能自由變形就產(chǎn)生了拘束應(yīng)力。（4）氫致應(yīng)力：焊縫局部產(chǎn)生顯微缺陷，擴(kuò)散氫向顯微缺陷處聚集，局部氫的壓力增大，產(chǎn)生氫致應(yīng)力。氫致應(yīng)力是導(dǎo)致焊接冷裂紋的重要原因。

4、2 按照焊接殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中的作用方向分類（1）單向應(yīng)力：應(yīng)力在焊件中只沿一個方向產(chǎn)生的應(yīng)力。（2）雙向應(yīng)力：焊接應(yīng)力存在于焊件中的一個平面不同方向上（也稱平面應(yīng)力）。3體積應(yīng)力：焊接應(yīng)力在焊件中沿空間三個方向上發(fā)生。二、控制焊接殘余應(yīng)力的工藝措施 控制焊接殘余應(yīng)力應(yīng)從設(shè)計和工藝兩個方面考慮。（1）設(shè)計方面：在保證有足夠強(qiáng)度的前提下，盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，選擇合理的接頭形式，將焊縫布置在構(gòu)件最大應(yīng)力區(qū)之外。（2）工藝方面：1）選擇合理的組焊順序 施焊時，要考慮焊縫盡可能的收縮，以減小結(jié)構(gòu)的拘束度，從面降低焊接殘余應(yīng)力，其原則是：減小拘束，盡量使每條焊縫能自由的收縮；多種焊縫焊接時，應(yīng)先焊收

5、縮量大的焊縫；長焊縫宜從中間向兩頭施焊，避免從兩頭向中間施焊。2）選擇合理的焊接參數(shù) 需要嚴(yán)格控制焊接殘余應(yīng)力的構(gòu)件，焊接時盡可能地選用較小的焊接電流和較快的速度，減小焊接熱輸入，以減少焊接的受熱范圍。對于多道施焊焊縫，采用小的焊接參數(shù)進(jìn)行多層多道施焊，并控制道間溫度。3）采用反變形法 就是通過預(yù)先留出焊縫能夠自由收縮的余量，使焊縫能夠在一定程度上收縮，從面降低焊接殘余應(yīng)力。1）采用加熱“減應(yīng)區(qū)”法焊接前，選擇構(gòu)件的適當(dāng)部位加熱，使其伸長，在焊后冷卻時，加熱區(qū)的收縮與焊縫的收縮方向相同時，使焊縫能自由收縮，從而降低內(nèi)應(yīng)力。2）采用錘擊方法每焊完一道焊縫，在焊縫冷卻時同時錘擊焊縫，使焊縫得到一定

6、的延伸，可以減小焊接殘余應(yīng)力。3）減小氫的措施及消氫處理盡量選擇氫型堿性焊接材料，焊接材料洪干后使用，同時，對焊接區(qū)域及其采取預(yù)熱、打磨、等措施，去除水分、油、鐵銹等焊接有害物。三、消除焊接殘余應(yīng)力的辦法 對于下例情況應(yīng)考慮消除焊接殘余應(yīng)力處理：（1）要求承受低溫或動載有發(fā)生脆斷危險的結(jié)構(gòu)；（2）板厚超過一定的厚度。（3）要求精密加工的結(jié)構(gòu)；（4）有可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破壞的結(jié)構(gòu)；1高溫回火熱處理是將焊件的整件或需要消除應(yīng)力的局部加熱到一定的溫度，在這個溫度下，金屬不會發(fā)生相變，屈服強(qiáng)度降低，在殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生一定的塑性變形，從而消除焊接殘余應(yīng)力，然后再緩慢冷卻下來。要注意均勻加熱和冷卻，以免

7、升溫和降溫過快引起嚴(yán)重的應(yīng)力。對于某些焊接構(gòu)件不允許或不能進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理，可以對其進(jìn)行局部消除焊接殘余應(yīng)力處理。局部消除焊接殘余應(yīng)力熱處理的加熱方式有感應(yīng)加熱和遠(yuǎn)紅外線加熱方法。2整體拉伸消除焊接殘余應(yīng)力焊后對接頭進(jìn)行整體拉伸，使接頭受壓應(yīng)力處產(chǎn)生一定塑性變形，與壓縮殘余變形相互抵消，結(jié)果壓縮殘余變形減小，殘余應(yīng)力也得以減小。但整體拉伸幅度應(yīng)嚴(yán)格控制。3機(jī)械振動消除焊接殘余應(yīng)力就是通過在焊件上安裝由偏心輪和變速馬達(dá)組成的振蕩器帶動焊件振動，使焊件殘余應(yīng)力釋放，從而降低焊接殘余應(yīng)力或使應(yīng)力重新分布。第三節(jié) 焊接殘余變形第三節(jié) 焊接殘余變形一、焊接殘余變形的分類1縱向和橫向收縮變形a)縱向

8、收縮：焊件在焊后沿焊縫長度方向上的收縮。縱向收縮變形隨焊縫長度、焊縫熔敷金屬截面積的增加而增加。b)橫向收縮：焊件在焊后沿焊縫寬度方向上的收縮。橫向收縮變形隨焊接熱輸入、焊縫寬度、焊腳尺寸的增加而增加。2角變形是焊接時，由于焊縫區(qū)沿厚度方向產(chǎn)生的橫向收縮不均勻引起的彎曲變形。角變形的大小與焊接方法、焊接道數(shù)及坡口形式有關(guān)。3彎曲變形是結(jié)構(gòu)上焊縫分布不時稱，焊縫收縮引起的變形，用撓度f 表示。撓度是指焊件的中心軸線偏離原中心軸線的最大距離。4扭曲變形是焊件的施焊順序不合理、組裝不良或縱向有錯邊，焊接時角變形量長度方向不均勻，焊縫的縱向和橫向收縮沒有限一定的規(guī)律，引起的變形。5波浪變形由于結(jié)構(gòu)件的

9、剛性較小，在焊縫的縱向和橫向收縮共同作用下造成較大的壓應(yīng)力而引起波浪變形。二、控制焊接殘余變形的工藝措施1設(shè)計方面在保證構(gòu)件有足夠承載能力的前提下，盡量減少焊縫尺寸，焊縫的數(shù)量，合理安排焊縫的位置，焊縫盡可能對稱分布避免局部焊縫過分集中。2工藝方面選擇合理的組裝焊接順序a)大型復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，在條件允許的情況下，分成若干個分別焊接，然后將各單元總體拼裝成整體后再進(jìn)行整體焊接。b)對稱結(jié)構(gòu)上的對稱焊縫，這樣可以使兩側(cè)產(chǎn)生的焊接變形相互抵消。c)非對稱布置的焊縫。3反變形法 焊前使焊件具有一個與焊后變形方向相反、大小相當(dāng)?shù)淖冃?，以便恰好能抵消焊接后產(chǎn)生的變形。這種方法的關(guān)鍵在于反變形量大小的設(shè)置，

10、反變形量的大小應(yīng)依據(jù)在自由狀態(tài)下施焊測得的焊接變形，并結(jié)合彈性變形作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。4剛性固定法 焊前對焊件要用外加剛性拘束，使其在不能自由變形的條件下焊接，強(qiáng)制焊接在焊接時不能自由變形，這樣可減小焊接變形。應(yīng)指出，當(dāng)外加剛性拘束去除后，由于殘余應(yīng)力的作用，焊件上會殘留一定的變形，但比起自由變形來小得多，另外采用剛性固定法，使焊接接頭中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，對于一些焊后容易裂的材料應(yīng)慎用。5選擇合理的焊接方法、焊接參數(shù)和坡口形式 盡量采用熱切量集中、焊接變形小的焊接方法施焊。盡量采用小的焊接熱切輸入，既能減小焊接變形，又能減小焊接變力。三、矯正焊接殘余變形的方法1 機(jī)械矯正：通過施加外力，使焊件產(chǎn)生

11、新的變形，以抵消已經(jīng)發(fā)生的的焊接殘余變形。2火焰矯正：用火焰對局部加熱，使其產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后該區(qū)域金屬發(fā)生收縮，利用此收縮產(chǎn)生的變形來抵消因焊接產(chǎn)生的殘余變形。（1）加熱位置所選擇的加熱位置必須使它產(chǎn)生的變形與焊接殘余變形的方向相反，起到抵消焊接殘余變形的目地。（2）加熱形狀1）點(diǎn)狀加熱：適用于薄板變形的矯正；2）條狀加熱：用于矯正變形量大、剛度大的構(gòu)件；3）三角加熱：多用于矯正彎曲變形的構(gòu)件；（3）加熱區(qū)溫度 火焰矯正式時，加熱溫度一般在 600-800C 之間。復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題1焊接應(yīng)罰與變形產(chǎn)生的原因是什么？2焊接殘余應(yīng)力的種類有哪些？3控制焊接殘余應(yīng)力的工藝措施有哪些？4消除焊接殘余應(yīng)力的工藝措施有哪些？5選擇合理的組焊順序的原則是什么？6什么是焊接變形？變形的種類有哪些？7控制焊接變形的工藝措施有哪些？8消除焊接變形的工藝措施有哪些？