第五章--焊接应力与变形

0第五章 焊接应力与变形焊接过程中产生的焊接应力和变形，引起工艺缺陷，将影响结构的承载能力，造成各类损伤与破坏，了解焊接应力和变形，可以大大减少焊接应力与变形的危害。第一节 焊接应力和变形的基本原理一、焊接温度场和影响因素1焊接温度场焊接时必须利用高度集中的热源，且焊接时的温度场也是非常不均匀和不稳定的。焊接熔池中的局部最高温度可达金属的气化温度。母材和填充金属均被熔化，在加热冷却过程中，金属发生显微组织的转变。温度场通过热应变，通过随金属的相变、应变决定焊接残余应力。焊接温度场是指在焊接热源的作用下，焊接部位不同点的温度分布。温度场沿热源移动方向温度场分布不对称，热源前面温度场等温线密集，温度下降快，热源后面等温线稀疏，温度下降较慢。2影响温度场的因素（1）热源的性质及焊接工艺影响1热源的性质不同，温度场的分布也不同。同样的焊接热源，焊接工艺参数不同，温度场的分布也不同。（2）材料热物理性质影响被焊金属材料的热导率、比热容、传热系数等对焊接温度场的影响较大。热导率对加热到某一温度以上的范围大小有决定性影响；当热导率 小时，用于焊接有很小的热输入 qw就足够；当热导率 大时，则需要较大的热输入 qw。因此，奥氏体 CrNi 钢（ 小） ，可以用较小的单位长度焊缝的热输入焊接；而铝和铜（ 大） ，需要较高的单位长度焊缝上的热输入。焊件的几何尺寸不同也会影响焊接温度场，如焊件大小厚度都会影响温度场分布。二、温度对材料的物理及力学性能的影响对于焊接残余应力和变形分析，除已知材料密度 以外，还需要以下材料热力学性能特征值与温度的关系：热膨胀系数 ，弹性模量 ，泊松比 ，屈服极限 s，这些力学性能参数随温度的变化而变化。对于钢的屈服极限 s 在 0500时，金属材料的 s 基本是一个常数，当温度升到 500以上时，s 发生陡降，当温度达到 600时，金属处于塑性，s 较小，接近 0。2综上所述，由于焊接温度场比较复杂，受到多种因素的影响，且温度对材料的物理力学性能的影响复杂，因此，焊接残余应力及变形也是比较复杂的。三、金属杆件在温度变化时产生的应力和变形从焊接过程及温度场可以发现，焊接温度是个不均匀的加热过程，比较复杂。为了更好地理解应力、变形的基本概念，以一根金属杆件在加热过程中的四种状态来进行讨论。a） b）3c） d）图 5-1 金属杆件在不同状态下的应力和变形四、不均匀加热及焊接过程引起的应力和变形图 5-2 钢板不均匀加热的变形a) 受热时 b) 冷却后焊接应力和变形与上述不均匀温度场引起的应力和变形的基本规律是一致的。但是前者更为复杂，其复杂性首先表现在焊接时的温度变化范围，比前面分析的情况要大得多。在焊缝上最高温度可达到材料的沸腾点，而离开热源温度急剧下降直至室温。金属在高温下性能如前所述发生变化。焊接应力变形的复杂性还表现在它的温度场分布上，前面也已分析的温度场的复杂性。4图 5-3 为钢板中间对接时的应力与变形情况。假设钢板也是由许多能自由伸缩的小板条组成。在焊接过程中，由于钢板经受了不均匀加热，其加热温度为中间高两边低，那么小板条的理论伸长情况应如图 5-3a 中虚线所示，而实际上由于假想小板条是互为一体并相牵制的，因此实际伸长情况就如图中实线所示。图 5-3b 中可以看出，钢板的边缘被拉伸了L，这样，在边缘上就出现了拉伸应力。钢板中间被“压缩”了，可见钢板中间焊缝区，不仅产生了压应力，而且还产生了压缩塑性变形。图 5-3 钢板中间对接时的应力与变形a）加热时 b）冷却后冷却时，由于钢板中间在加热时产生压缩变形，所以最后的钢板长度要比原来短。从理论上来说，钢板中间缩短的长度应如图 5-3b 中虚线的形状。但事实上由于中间部分的收缩受到两边的牵制，所以实际的收缩变形应如图中实线所示。这样，冷却后钢板总长缩短了L 1，在钢板的边缘出现压应力，在钢板中间，因没能完全收缩，则出现拉伸应力。这就是焊接过程引起应力与变形的实际情况。五、材料的物理和力学性能对焊接残余应力与变形的影响材料因素对于焊接残余应力与焊接变形的影响，主要熔化温度 Tm、热膨胀率 、弹性模量 E、屈服极限 s 来作出比较性评定,评定时先不考虑 、E、s 与温度的相关性。熔化温度 Tm 对焊接残余应力和焊接变形的影响是同向的，即较高的熔化温度引起较高的应力和较大的变形。单位容积熔化热对焊接残余应力与变形的影响也与熔化温度相同。就 Tm 而论，铝合金较能适应焊接，而钛合金的适应性则相对较差。热膨胀系数 对焊接应力与变形也产生同向影响且特别明显，但在出现具有反向影响的相变应变时，其作用也会受到一定限制。就 而论，钛合金较能适应焊接而铝合金相对较差。弹性模量 E（包括较少变化的泊松比 ）增大时焊接残余应力随之增大，而焊接变形随之减小，不稳定现象（翘曲）尤其可因弹性模量较大而受到抑制。就此而论，焊接铝材时残余应力会较低，但变形较大；而焊接钢、钛和铜等则残余应力较高，变形较小。屈服极限（包括硬化系数）对焊接残余应力与焊接变形的影响与弹性模量相同。较高的屈服极限会引起较高的残余应力，且峰值应力与平均应力均高。焊接结构贮存的变形能也会因此而增大，从而可能促使脆性断裂。此外，由于塑性应变较小且塑性区范围不大，因而变形（包括焊接熔池前方坡口面的位移）得以减小。上述现象也同样适用于高温下屈服极限增大（例如采用高温钢时）的情形，不过这种情况下高温产生裂纹的可能性也会随之增大，为避免这种情况则须增大材料的高温塑性（即可锻性）。铸铁不适合于用作焊接结构材料，因为它不具备高温塑性。5第二节 焊接残余变形一、 焊接变形的分类焊接残余变形是焊接后残存于结构中的变形。大致可分下列七类：1纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩，如图 5-4。2横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩，如图 5-4。图 5-4 纵向和横向收缩变形3弯曲变形：构件焊后发生弯曲，如图 5-5。弯曲可由焊缝的纵向收缩引起和由焊缝横向收缩引起。弯曲变形常见于焊接梁、柱、管道等焊件，对这类焊接结构的生产造成较大的危害。弯曲变形的大小以挠度f 的数值来度量，f 是焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离，挠度越大，弯曲变形越大。图 5-5 构件的弯曲变形4角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移，常图 5-6 几种角变形65波浪变形：波浪变形如图 5-7，容易在薄板焊接结构中产生。造成波浪变形的原因有两种：一种是由于薄板结构焊接时的纵向和横向的压应力使薄板失去稳定而造成波浪形的变形，另一种原因是角焊缝的横向收缩引起的角变形造成。图 5-7 焊接波浪变形6错边变形：错边变形通常有长度方向与厚度方向的错边，如图 5-8。引起错边变形的主要原因有：装配不良；组成焊件的两零件在装夹时夹紧程度不一致；组成焊件的两零件的刚度不同或它们的热物理性质不同；以及电弧偏离坡口中心等。图 5-8 焊接错边变形a）长度方向的错边 b）厚度方向的错边7螺旋变形：焊后在结构上出现的扭曲，如图 5-9，产生螺旋变形的原因很多，装配质量不好，即在装配之后焊接之前的焊件位置和尺寸不符合图样的要求；构件的零部件形状不正确，而强行装配；焊件在焊接时位置搁置不当；焊接顺序及方向不当，造成整体焊缝在纵向和横向的应力和变形。图 5-9 焊接螺旋变形上述几种类型的变形，焊接结构生产中往往并不是单独出现的，而是同时出现，互相影响的。二、焊接变形的危害焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题，焊接变形对设备制造和使用有以下几方面危害：1增加制造成本，浪费工时。在生产中为了保证焊后需要进行机加工的工件尺寸，片面多放余量，加大毛坯的尺寸，这样增加了材料消耗和机械加工工时。有时工件出现了变形，就需要花许多工时去矫正，比较复杂的变形，矫正的工作量比7焊接工作还要大，有时变形大，甚至造成废品。2降低产品质量和性能部件在焊接组装时产生变形，使整个装配质量降低。例如，园形压力容器由于各段的椭圆问题，在组装环缝将出现错边，这种错边，在外载的作用下产生应力集中，附加应力，安全系数降低，为了减少错边，在安装时进行矫形或强制装配，将使材料塑性降低或内应力增加，这些都使产品质量降低。当然，焊接变形也使产品外形不美观，产品的承载能力降低等。三、焊接残余变形的预测计算1经验公式预计法焊接过程是一个复杂的热弹塑性过程，焊接应力和变形将受到焊接工艺，拘束条件，焊接构件的尺寸等诸多因素的影响，人们根据工作经验及大量的实验总结出了各种不同条件下计算焊接变形的近似计算公式，比如对于横向收缩，由于其产生的过程比较复杂，因此有许多关于横向收缩变形的经验公式。2解析法焊接不均匀温度场造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生残余应力及变形，利用热传导理论，热弹塑性理论，材料力学对一些简单结构的焊接变形进行理论分析得到了大量有关焊接变形和焊接应力的解析解，在这些预计焊接变形的解析方法中，往往有许多假设，如构件平截面的假定，单轴应力的假定，线热源面热源假定。对于金属性能如温度膨胀系数，导热系数，屈服极限 s 与温度的关系，也进行了各种简化假设。用解析法预计纵向焊接变形，横向焊接变形，结构总变形等。3有限元方法有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值方法，是工程方法和数学方法相结合的产物，可以求解许多过去用解析方法无法求解的问题，有限元法的发展借助于两个重要工具，在理论上采用矩阵方法，在实际计算中采用了计算机，其基础是结构离散和分布插值。有限元方法一经提出，便获得了迅速的发展，由弹性力学平面问题扩展到空间问题和板壳问题，由平衡问题扩展到稳定问题和动力问题，由弹性问题扩展到弹塑性、粘弹性、热弹塑性问题，由固体力学扩展到流体力学、渗流、温度场、电场及其他场。随着计算机向高参数，大容量的扩展以及有限元技术的发展，给焊接温度场、动态初应变过程及其随后产生的残余应力和残余变形的数值分析提供了广阔的前景，由于焊接过程是一个极其复杂的热弹塑性力学过程，材料的物理力学参数是温度的函数，其温度场，应力及应变之间的关系是非线性关系，必须用非线性理论进行分析计算，国内外许多学者对焊接热弹塑性有限元进行了大量研究。4固有应变法焊接残余应力和变形产生根源是由局部高温产生塑性变形，将高温产生的压缩塑性应变作为一个参数。找出塑性应变和残余应力的关系，借助有限元法，来分析焊接残余应力及变形。这种压缩塑性应变称固有应变，对于焊接来说，固有应变是塑性应变，温度应变和相变应变作用的结果，焊接构件经过一次焊接热循环后，温度应变为零，固有应变就是塑性应变与相变应变残余量之和，由于压缩塑性变形和相变都发生在焊缝及近焊缝区，因此，认为固有应变仅存在于焊缝及其附近。固有应变是产生焊接应力与变形的根源。5相似分析法对于一些大型复杂焊接结构为了分析焊接组装所产生的残余应力及变形规律，往往采用缩小的模型进行8实验，相反，对于一些几何尺寸很小的焊接结构，则要采用放大的模型分析其物理现象，跟数值模拟一样，这种物理模型可预计结构的焊接变形。四、焊接变形的测量1焊接过程中的测量由前述明显可知，为了克服计算上的困难，理论模型和数值求解均包含了很大程度的简化，其方法只是使主要特征近似。因而，重要的是要通过实验来检查所做的简化，检查数学求解反映实际的程度。在很多情况下，由于要求的时间短，人们也更情愿进行试验测量而不采用计算，虽然这样获得的结果的推广价值和普遍意义较低。要求测量的主要是在焊接接头的高温区，这是焊接时产生最大应变的部位。高温区各点相对构件冷区或甚至构件外部参考点位移的测量已得到解决，并在各不同场合得到应用。图5.15 给出了焊缝横向和纵向位移的测量情况，以及与平板和圆筒垂直的竖向位移的测量情况（内环随测量仪器转动） 。测量仪器可以是机械的，光学的、电感的、电容的，或基于电阻作用等。图 5-10 焊接过程中变形的测量2焊接后的测量实际上常采用长度和角度测量技术，不需要任何与焊接相关的特殊匹配，即可测量焊后冷却状态的变形，如图 5-11 给出了应用的实例。采用卷尺很容易确定横向和纵向收缩。对弯曲和角收缩的测量，可在测量板上用拉线的方法进行（由于线的下垂，测量要在水平面上进行） ，或对构件采用直角尺测量（如图 5-11a，5-11b，5-11c） 。还可以连续测量挠度，以确定弯曲和角变形后构件的轮廓（如图 5-11d，5-11e） 。对于竖直延伸的构件，如柱，支座，缶壁，可用吊垂线的办法测量倾斜和偏差，吊线的重物要浸入液体中，以防止摆动。9图 5-11 焊后