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)力與變形學習目的：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。焊件局部因為溫度升高而膨脹，又因為溫度升高，局部材料的強度降低，由于受到接頭周圍金屬的限制而不能自由膨脹，當壓應(yīng)力大于材料的屈服強度時，產(chǎn)生壓縮塑性變形。當焊縫冷卻后收縮，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，且峰值一般都達到屈服強度，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重的應(yīng)力。對于某些焊接構(gòu)件不允許或不能進行整體消除應(yīng)力熱處理，可以對其進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)嚴格控制。3機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?？v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?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?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)習思考題復(fù)習思考題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？