過(guò)程裝備制造chapter 2 焊接變形與應(yīng)力

1、Chapter 2 焊接變形與應(yīng)力Stress and reform of welding,本章重點(diǎn)：1.桿件的均勻加熱、冷卻過(guò)程的變形與應(yīng)力 2.長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力 3.焊接殘余變形 4.預(yù)防和矯正殘余變形的方法 5.焊接殘余應(yīng)力 6.

2、焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施本章難點(diǎn)：1.桿件的均勻加熱、冷卻過(guò)程的變形與應(yīng)力 2.長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形與應(yīng)力 3.焊接殘余變形 4.焊接殘余應(yīng)力,3.1 焊接應(yīng)力與變形的基本概念,1.按應(yīng)力的 分布范圍2.根據(jù)結(jié)構(gòu)中 的空間位置,,焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類 1,焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因及分類 2,3.根

3、據(jù)應(yīng)力與焊 縫的相對(duì)位置4.根據(jù)應(yīng)力產(chǎn)生 、作用的時(shí)間5.根據(jù)應(yīng)力 形成原因,焊接變形產(chǎn)生原因及分類 1,1.自由變形：當(dāng)金屬物體溫度發(fā)生變化，或發(fā)生了相變，其尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變化沒(méi)有受到外界的阻礙而自由的進(jìn)行。單位長(zhǎng)度的自由變形量：,焊接變形產(chǎn)生原因及分類 2,2.外觀變形：當(dāng)金屬物在溫度變化過(guò)程中受到阻礙，不能完全的自由變形，把能表現(xiàn)出來(lái)的這部分變形，稱為外觀變形。3.內(nèi)部變形：

4、把未表現(xiàn)出來(lái)的那部分變形，稱為內(nèi)部變形 ；,焊接殘余變形的基本類型,縱向橫向收縮變形,角變形、彎曲變形和波浪變形,桿件的均勻加熱和冷卻過(guò)程中的變形和應(yīng)力,簡(jiǎn)化假定： 1. 金屬材料的性參數(shù) 是與溫度變化無(wú)關(guān)的參數(shù) 2. 金屬的相變溫度很高，不考慮組織應(yīng)力 3. 材料屈服極限與溫度變化

5、關(guān)系,不同拘束條件下桿件均勻加熱、冷卻時(shí)的變形和應(yīng)力,1.桿件在無(wú)拘束條件下桿件均勻加熱、冷卻時(shí)的變形和應(yīng)力,2.桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由變形的變形和應(yīng)力,2.桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由變形的變形和應(yīng)力,2.桿件在拘束條件為均勻加熱、冷卻時(shí)皆不能自由變形的變形和應(yīng)力,3.桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力,3.桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和

6、應(yīng)力,3.桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力,3.長(zhǎng)板條（長(zhǎng)寬比>>4~5）在不均勻溫度場(chǎng)作用下變形和應(yīng)力,假定：1.單向應(yīng)力2.線熱源，厚度方向上溫度是均勻的3.截面保持平面,長(zhǎng)板條在中心加熱引起的縱向收縮變形和應(yīng)力,長(zhǎng)板條非對(duì)稱加熱引起的變形和應(yīng)力,長(zhǎng)板條冷卻后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形,殘余應(yīng)力的分布是：焊縫及近焊縫區(qū)域受到拉應(yīng)力，常達(dá)以后隨遠(yuǎn)離焊縫依次是壓應(yīng)力，拉應(yīng)力，形成三個(gè)正負(fù)相間

7、的應(yīng)力分布區(qū)。,4.焊接殘余變形,縱向收縮變形及產(chǎn)生的彎曲變形,縱向收縮變形結(jié)論,縱向收縮量的計(jì)算,1.單層焊的縱向收縮量： F—構(gòu)件截面積 L—構(gòu)件長(zhǎng)度 --焊縫截面積2.多層焊的收縮量：,縱向引起彎曲變形結(jié)論,橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形,對(duì)接接頭橫向變形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),丁字接頭及搭接接頭橫向收縮,,橫向收縮變形結(jié)論,橫向引起彎曲變形,橫向引起彎曲變形與焊縫到焊件形心的距離成正比,角變形,1.焊縫橫向收

8、縮引起的彎曲角變形 2.焊縫金屬收縮引起的傾斜角變形,對(duì)接接頭角變形,,丁字接頭和搭接接頭的角變形,,波浪變形,原因：薄板在承受壓應(yīng)力，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達(dá)到-臨界應(yīng)力，薄板將出現(xiàn)波浪變形失去承載能力，稱之為失穩(wěn)。,錯(cuò)邊變形,原因：主要是焊接過(guò)程中對(duì)接邊的熱量不平衡，裝配不善會(huì)造成錯(cuò)邊,5.預(yù)防和矯正焊接殘余變形的方法,1.合理設(shè)計(jì)：1.選用對(duì)稱截面的結(jié)構(gòu)，焊縫布置對(duì)稱，在設(shè)計(jì)時(shí)，安排焊縫盡可能使焊縫對(duì)稱于截面的中性軸,1.合理設(shè)

9、計(jì),2.合理的選擇焊縫的尺寸和形式：在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下，盡量采用較小的焊縫尺寸3.盡可能減少焊縫的數(shù)量：用型鋼代替鋼板，用斷續(xù)焊代替連續(xù)焊,2.工藝措施,1. 正確的確定裝配、焊接順序不正確的裝配次序：工字構(gòu)件，先丁字，然后在裝另一塊蓋板，焊后仍有較大的撓度丁字 工字 正確應(yīng)該是，先點(diǎn)固成工字，然后焊接，注意次序,2.工藝措施,2.選擇適當(dāng)?shù)氖┖复涡蚝头较?原則：,,反變形法,定

10、義：構(gòu)件在焊前預(yù)制成與變形方向相反的變形，這種方法可以防止彎曲變形，和角變形。,剛性固定法,在無(wú)反變形的情況下，將構(gòu)件加以固定來(lái)限制焊接變形，（在焊法蘭盤(pán)上），防止角變形和波浪變形較好,合理的選擇焊接的方法和焊接規(guī)范,選擇線能量較低的焊接方法，采用多層焊代替單層焊,矯正殘余變形的方法,1.機(jī)械矯正法：將變形的構(gòu)件中的尺寸較短的部分通過(guò)機(jī)械力作用，使之產(chǎn)生塑性延展變形，而恢復(fù)和達(dá)到形狀的要求，可以利用螺旋、氣動(dòng)、液壓的器具來(lái)加外力,矯正殘

11、余變形的方法,2.火焰矯正法：利用火焰加熱時(shí)產(chǎn)生的局部壓縮變形使較長(zhǎng)部分在冷卻后縮短來(lái)消除變形（不適用于具有晶間腐蝕傾向的不銹鋼和淬硬傾向較大的鋼材）,6.焊接殘余應(yīng)力,焊接殘余應(yīng)力分布,,1.縱向應(yīng)力 的分布,1.縱向應(yīng)力 的分布,橫向應(yīng)力的分布,,橫向應(yīng)力的分布,,橫向應(yīng)力的分布,厚板中的殘余應(yīng)力分布,封閉焊縫中的殘余應(yīng)力分布,組織應(yīng)力[相變應(yīng)力],焊接殘余應(yīng)力的影響,1. 對(duì)靜載強(qiáng)度的影響 2. 對(duì)機(jī)

12、械加工精度的影響原因：焊件在不經(jīng)過(guò)焊后消應(yīng)力處理，內(nèi)部存在著相互平衡的應(yīng)力，當(dāng)進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，如切削掉焊件的一部分承受殘余應(yīng)力金屬，則焊件會(huì)重新變形（二次變形）以使殘余應(yīng)力重新分布來(lái)保持平衡，焊件不斷的切削，就會(huì)不斷的變形，加工精度難以保證,,焊接殘余應(yīng)力的影響,3 對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響（研究不夠充分）4 對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響原因：拉應(yīng)力和介質(zhì)、腐蝕共同作用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象，拉應(yīng)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的時(shí)間越早。5 對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影

13、響 結(jié)論：在靜載下，焊件經(jīng)過(guò)一次加載，卸載后，以后再次加載，只要其大小不超過(guò)前一次，殘余應(yīng)力不再起作用，外載也不影響焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布,,7.焊接殘余應(yīng)力的調(diào)節(jié)及消除措施,1.調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力的措施 1.1設(shè)計(jì)措施:設(shè)計(jì)上減小焊接應(yīng)力的核心是正確布置焊縫，以避免應(yīng)力疊加,設(shè)計(jì)原則,,工藝措施,工藝原則,,消除殘余應(yīng)力的措施,,注：振動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)，從應(yīng)力消除效果看，振動(dòng)法比用同樣大小的靜載拉伸效果好，且具有設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)廉，處理成本低，

14、時(shí)間短，無(wú)高溫回火的金屬氧化問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。,8.焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定,1.應(yīng)力測(cè)定方法的分類按其對(duì)結(jié)構(gòu)的是否破壞來(lái)分 按測(cè)試原理分,,,應(yīng)力釋放法,原理：利用構(gòu)件在機(jī)加工后應(yīng)力部分釋放，回產(chǎn)生變形來(lái)重新分布應(yīng)力來(lái)達(dá)到平衡，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來(lái)求出應(yīng)力。屬于此法的有切條法，車削法，刨削法，套孔法，小孔法。,應(yīng)力釋放法,1.切條法：將待測(cè)焊件劃分幾個(gè)區(qū)域，在各區(qū)待測(cè)點(diǎn)上貼應(yīng)變片或加工機(jī)械引申計(jì)的標(biāo)距孔然后測(cè)原始讀數(shù)，然后切斷，然后在讀數(shù)

15、根據(jù) 可以算出應(yīng)力。,,應(yīng)力釋放法,2.車削法：此法多用于測(cè)圓柱零件堆焊后的殘余應(yīng)力分布,應(yīng)力釋放法,3.小孔法：是應(yīng)力破壞性最小的一種，原理是：在應(yīng)力場(chǎng)中鉆一個(gè)小孔，應(yīng)力平衡受到破壞，鉆孔周圍的應(yīng)力重新調(diào)整，測(cè)得孔附近的應(yīng)變片的變化，可用彈性力學(xué)推算小孔處的應(yīng)力。,應(yīng)力釋放法,4.套孔法：采用套料鉆或管形電火花加工環(huán)形孔來(lái)釋放應(yīng)力，在孔內(nèi)預(yù)先貼上應(yīng)變片，可以算出表面殘余應(yīng)力，切削深度為[0.6~0.8]D，破壞性不大。,