（机械工程专业论文）机车蒙皮组焊中机械动力柔性化工艺设计研讨.pdf

摘要 摘要 基于国内机车蒙皮组焊中机械动力柔性化工艺现状，对金属内应力和应变进行理论 分析，对在焊接应力和温度场作用下的板材自由变形、外观变形和内部变形的型式试验 分析，存在侧墙骨架网格密度不均、侧柱刚度不够、蒙皮选材不当、拉伸工艺不合理、 技术参数不准确等问题。本文以新开发并装备1 2 v 2 8 0 z j 型柴油机的d f 8 b 型大功率内 燃机车为代表车型，研讨蒙皮组焊新旧工艺，分析薄钢板蒙皮产生波浪变形的原因及影 响因素，从减少焊缝长度，精良侧墙组装工序入手进行有限元分析，改进传统型机车侧 墙蒙皮组焊工艺，剖析机车侧墙焊缝周边区域应力和形态变化的新特点，设计新型机车 侧墙骨架可变位组焊胎、机车侧墙上弦梁和侧柱反变形工装、长大薄钢板蒙皮吊装工具 等，还对机车蒙皮涨拉伸装备、电加热方式选择和技术参数确定、等离子磁力切割设备、 拉伸装置涨拉热传导机构及液压程控工作台等硬件进行设计剖析。预应力新工艺将组装 顺序改为侧墙骨架未组对蒙皮之前，先与车体底架与隔墙组焊成一体，从而通过机车蒙 皮组焊机械动力柔性化工装制备，达到预期的效率和效果，填补了国内该项目空白。 关键词：蒙皮；预应力；焊接；内燃机车车体 大连交通人学t 程硕十学何论文 a b s tr a c t b a s e do nt h ep r e s e n ts t a t u so fm e c h a n i c a lp o w e rf l e x i b i l i t yi nd o m e s t i cl o c o m o t i v es k i n w e l d i n gt e c h n o l o g y ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rm e t a li n n e r s t r e s sa n ds t a i na n dt y p et e s ta n a l y s i s f o rs h e e tf r e e ，v i s u a la n di n n e rd e f o r m a t i o nh a v eb e e nc a r r i e do u t a sar e s u l t ，i ti sf o u n dt h e r e e x i s t e dp r i m a r yp r o b l e m ss u c ha su n e v e nm e s hd e n s i t yo fs i d e - w a l ls k e l e t o n ，i n s u f f i c i e n t r i g i d i t yo fl a t e r a lc o l u m n , i n a p p r o p r i a t es e l e c t i o no fs k i nm a t e r i a l ，u n r e a s o n a b l et e n s i o n t e c h n o l o g ya n di n a c c u r a t ep a r a m e t e r s ，e t c t h i sa r t i c l et a k e st h en e wd e v e l o p e dd f 8 bh i g h p o w e rd i e s e ll o c o m o t i v ee q u i p p e dw i t h12 v 2 8 0 z jd i e s e le n g i n ea sat y p i c a lt y p e ，d e s c r i b e s o l da n dn e ww e l d i n gt e c h n o l o g ys e p a r a t e l y ，a n a l y z e st h er e a s o n sa n di n f l u e n c ef a c t o r so f w a v et r a n s f o r m a t i o na p p e a r e df r o mt h i ns t e e lp l a t es k i n o nt h ep u r p o s eo fr e d u c i n gw e l d l e n g t ha n dp r o v i n gs i d ew a l la s s e m b l yp r o c e d u r e s ，w eh a v em a d ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， i m p r o v e dt r a d i t i o n a ll o c o m o t i v es i d ew a l ls k i nw e l d i n gp r o c e s s ，a n a l y z e dn e wc h a r a c t e r i s t i c s o fs t r e s sa n ds h a p ec h a n g e sa r o u n ds i d ew a l lw e l da r e a , d e s i g n e da d j u s t a b l ew e l d i n gf i x t u r e f o rn e wl o c o m o t i v es i d ew a l ls k e l e t o n ，l o c o m o t i v es i d ew a l lu p p e rc h o r da n dl a t e r a lc o l u m n a n t i - d e f o r m a t i o nt o o l i n g ，a n dl i f t i n gt o o l sf o rl o n g & l a r g et h i ns t e e lp l a t es k i n i na d d i t i o n ， w eh a v ed e s i g n e da n da n a l y z e dl o c o m o t i v es k i nt e n s i o ne q u i p m e n t ，e l e c t r i ch e a t i n gm e t h o d s s e l e c t i o na n dp a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，p l a s m am a g n e t i c c u t t i n ge q u i p m e n t ，t e n s i o nh e a t t r a n s f e r r i n gm e c h a n i s ma n dh y d r a u l i cp r o g r a m - c o n t r o l l e ds t a t i o n t h en e wp r e - s t r e s s t e c h n o l o g yc h a n g et h ea s s e m b l ys e q u e n c ei n t o ：b e f o r es k i n n i n gt h es i d ew a l ls k e l e t o n ，w e l d t h ec a r b o d yu n d e r - f r a m ea n dp a r t i t i o nw a l lt o g e t h e rs o a st om a n u f a c t u r eb yu s i n gt h e l o c o m o t i v es k i nw e l d i n gm e c h a n i c a lp o w e rf l e x i b l et o o l i n gi no r d e rt oa c h i e v et h ed e s i r e d e f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s sa n df i l l e dag a pi nt h i sp r o j e c t k e yw o r d s ：s k i n ；p r o - s t r e s s ；w e l d i n g ；d i e s e ll o c o m o t i v ec a r b o d y n 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有彳 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 计 彰尹 日期： og 年f 2 月哆日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董交通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 导师签名： 日期：0 年眵月7 弓日 电话： 邮编： 膏抽 乞 ， 巩竹月 7 ， 钮 切 签 年 者 g 作 9 文论 ： 位 期 学 日 绪论 绪论 随着我国加入w t o ，全球经济一体化，“国内市场国际化，国际市场国内化 的 特征日渐突出，给企业带来了新的挑战和机遇。对于机车车辆工业而言，则面临着必须 迅速与世界水平接轨的严峻挑战，尤其进入新世纪，国内铁路跨越式发展，通过技术引 进、消化吸收和自主创新，轨道交通运输装备技术档次和质量水平迅速提高。一方面， 要求机车车辆工业必须迅速与世界水平接轨。目前，“铁路己成为国民经济发展的瓶颈， 严重制约了国民经济的发展。为了全面建设小康社会，铁路必须快速发展，而铁路能否 实现快速发展，在很大程度上取决于机车车辆工业”i lj 。铁道部中长期发展规划纲要对 机车车辆工业提出了新的更高的要求，要求机车车辆工业必须迅速与世界先进水平接 轨。铁路所需的机车车辆的采购市场是面向全世界的。另一方面，国内机车车辆企业制 造能力严重过剩。就内燃机车制造企业为例，国内共有五家，即大连机车车辆有限公司、 戚墅堰机车车辆有限公司、资阳内燃机车厂、北京二七轨道有限公司、四方机车车辆有 限公司。内燃机车的年制造能力为1 0 0 0 台左右，而实际上每年路内外需要的机车8 0 0 台左右，能力过剩，要想使企业能够生存和发展下去，就必须寻求更广阔的市场，参与 国际竞争已成为必须，这就要求我们必须在世界的坐标系中去审视我们产品的差距，迅 速与世界水平接轨。 大功率内燃机车是基于国情和国防而研发的产品，2 0 0 8 年7 月，国家铁路首台新型 大功率交流内燃机车在大连机辆公司成功下线，采用美国e m d 公司1 6 v 2 6 5 h 柴油机为 核心动力，就目前而言，国内机车制造水平与世界先进水平有较大差距，这种差距除表 现在耐久可靠性差以外，外观质量较差也是一个重要方面，尤其是内燃机车车体侧墙蒙 皮不平更是突出。以大连机车车辆有限公司制造的内燃机车为例，主要原因就是车体侧 墙蒙皮组焊工艺落后所致，表现在：传统型机车侧墙蒙皮每侧采用2 6 块钢板拼接，钢 板数量多，焊缝长且纵横交错，焊后应力变形复杂；整个侧墙蒙皮产生的凸凹不平，目 前延用传统的火烤水激法校平，依靠锤击打修和增加刮腻子厚度的措施补救，即使采用 这些措施后，仍有一些部位达不到产品设计的平面度小于2 r n n v m 2 要求；同时火烤钢板 破坏氧化皮，降底钢板使用寿命，水激钢板加快锈蚀，增加除锈工作量，腻子加厚引起 漆层不均匀，产生“龟裂”，影响生产效率，加大原材料成本。因此，内燃机车侧墙蒙 皮质量己严重制约整车质量的提高，影响与世界接轨的步伐。摆脱旧的传统工艺束缚， 寻找一种新的工艺，使内燃机车侧墙蒙皮制造水平提升一个档次，赶上国际水平，迫在 眉睫，意义重大。 大连交通人学t 程硕+ 学何论文 第一章课题研究现状 1 1 国内外研究情况 “早在上世纪七、八十年代，欧美、日本等发达国家针对机车、客车车体侧墙不平 问题进行深入研究，并成功地运用胀拉蒙皮产生预收缩量消除焊接应力的原理，广泛地 实施蒙皮预拉伸工艺，提高铁路机车、客车的外观质量，取得了较好的效果”1 2 j 。近年 来，国内铁路机车、客车制造企业也纷纷开始研究蒙皮预应力焊接技术。长春客车轨道 有限公司、唐山机车车辆有限公司、四方机车车辆有限公司等单位分别在铁路客车车体 制造上应用这项技术，均取得一定成效，侧墙平面度得到改善。内燃机车由于车体系整 体承载结构，与客车车体有较大不同，特别是在车体内增加了隔墙，并要安装柴油机， 增加了应用难度，蒙皮预应力焊接的应用尚属空白。 “综合国内外侧墙蒙皮预应力焊接工艺来看，基本原理是相同的，都是在侧墙蒙皮 两端施加拉力，在蒙皮产生预拉伸变形的状态下完成其与侧墙的焊接。但按具体工艺方 法可分为两种： 一种是车下蒙皮预拉伸工艺，即在侧墙组焊平台上完成预拉紧，如图1 1 ，先把蒙 皮铺在侧墙组焊平台上，然后将活动端向外拉，拉伸到需要的长度后，用压紧装置把蒙 皮压紧，将蒙皮组焊到侧墙骨架上，组成侧墙。国内铁路客车制造较多应用这种工艺方 法。 卜液压泵站2 一焊缝压紧小车3 一组焊平台4 一工件5 一油缸6 一夹紧装置7 一拉伸活动小车 图1 1 车下蒙皮预拉伸工艺示意图 另一种是车上蒙皮预拉伸工艺，即在车体骨架组焊完成后进行蒙皮预拉紧及组焊， 如图1 2 ，侧墙骨架与车体骨架预先组焊一体，进行车体总组成时现场安装侧墙蒙皮， 2 第一章课题研究现状 把蒙皮的两端央紧后采用液压装置向两侧拉伸，同时把蒙皮进行电加热，拉伸到需要的 长度后，利用压紧装置把蒙皮压紧，将蒙皮组焊到车体骨架上” 2 1 。 2 34 5 67 8 卜电控操作系统2 一导柱机构3 一拉伸机构4 一平衡机构 5 - i 件6 一风动压紧机构7 一热传导机构8 一提升机构 图1 2 车上蒙皮预拉伸工艺示意图 目前介绍国外铁路机车车辆车体蒙皮应用预应力焊接的资料非常少，国内铁路客车 制造应用这项技术积累了一定的经验，在总体取得明显效果的情况下，仍存在一些影响 蒙皮平面度的因素，归纳起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 侧墙焊缝偏离中性层，焊接变形不对称 侧墙钢结构为板梁组合焊接结构，大部分焊缝集中偏向侧墙蒙皮一侧，为非对称结 构，这就导致侧墙组成后焊接变形使得侧墙蒙皮向车内产生内凹。 ( 2 ) 侧墙骨架网格密度设计不合理 如果侧墙骨架密度设计过稀，侧墙蒙皮自由面积过大，会造成侧墙整体及局部刚度、 强度不足，由于侧墙蒙皮焊后主要承受压应力，容易造成侧墙蒙皮失稳变形，形成较大 的内凹变形。如果侧墙骨架网格设计过于密集，则骨架与蒙皮的焊缝就会增加很多，焊 后会形成明显的小范围的凹凸不平，调平措施不当就会形成疙瘩包，严重影响钢结构外 观质量。 ( 3 ) 侧墙刚度小 如果侧墙刚度设计过小，如梁柱断面偏小、板厚较薄，则抵抗变形的能力则会明显 不足，焊后收缩变形较大，对侧墙蒙皮压应力增加，也是造成不平的原因之一。 ( 4 ) 侧墙蒙皮厚度偏薄 大连交通大学t 程硕十学俯论文 随着铁道交通的发展，车体轻量化已成为必然，侧墙蒙皮由过去的3 m m 、2 5 m m ， 减至现在的2 m m ，这使得侧墙蒙皮的整体刚度和局部刚度都有一定的降低，在同等设 计结构和工艺条件下，势必造成侧墙蒙皮变形量比过去有所增加。 ( 5 ) 侧墙蒙皮胀拉工艺存在不足 胀拉后的侧墙蒙皮存在一定的内应力，经过调修或运用内应力释放或重新分布，也 会使侧墙蒙皮产生不平。而且，第二块胀拉的侧墙蒙皮对第一块侧墙蒙皮产生压应力作 用，会使第一块侧墙蒙皮产生松弛效应，所以往往第一块侧墙蒙皮不如第二块平整。此 外，侧墙骨架与侧墙蒙皮组装时贴合不严密，也会造成焊后侧墙蒙皮不平。 ( 6 ) 侧墙蒙皮预拉伸前的平面度难以保证 纵切的蒙皮需要开卷、剪切、滚平，由于辊板机精度不高，蒙皮展开后有较大的波 浪变形，有的镰刀状侧向弯曲也比较大，同时由于加工硬化，这些变形在侧墙蒙皮胀拉 组装后也难以完全清除。 ( 7 ) 焊接参数不合理 主要表现为：焊缝尺寸不符合图纸要求，如焊角过大，分段焊焊缝过长和间距偏小， 焊接电流过大等。这都会使得焊接变形量大大增加，使侧墙蒙皮产生不平现象。 内燃机车与铁路客车车体的结构尽管有较大差别，但客车应用这项技术所积累的经 验为内燃机车的应用奠定了良好的基础，我们有充足的信心做好这个课题的研究。 1 2 课题的主要研究内容 针对传统内燃机车车体焊接工艺落后，难以解决由于薄板蒙皮水平及焊接变形造 成机车车体外观质量差的难题。为使机车外观质量跃上新台阶，分析和研究机车蒙皮应 力变形的原因和规律，探讨如何将预应力焊接工艺应用于车体制造中，以提高大功率机 车质量。为保证车体蒙皮预应力焊接技术成熟可靠，由于内燃机车车体骨架结构近似， 前期应用于公司自主研发并装备1 2 v 2 8 0 z j 型柴油机的d f 8 b 内燃机车试制。大连机辆公 司是国内内燃机车的龙头和骨干企业，欲借鉴国内铁路客车的研制经验，帅先研制内燃 机车蒙皮预应力焊接工艺。 为了能够成功研制蒙皮预应力焊接工艺，在对应力及变形的基本理论进行研究的基 础上，同时对现有蒙皮焊接工艺进行深入分析，并借鉴国内铁路客车的研制经验，确定 了内燃机车( 以东风8 b 型内燃机车为例，也将运用于技术引进的e m d 内燃机车) 蒙皮预 应力焊接工艺的主要内容和关键技术： ( 1 ) 侧墙蒙皮采用每侧由两块条形板对接，代替原2 6 块蒙皮拼接，以减少焊缝长度， 最大限度降低变形量。科学地确定条形板的尺寸，并保证长度方向的平行度。 4 第一章课题研究现状 ( 2 ) 采用车上蒙皮预拉伸工艺，采取先将侧墙骨架固定在车体底架上，顶棚和机车 内部隔墙分别与侧墙骨架组焊好后，再实施蒙皮拉伸工艺，避免分步拉伸后组焊造成焊 接应力破坏。 ( 3 ) 设计制造专用的热胀拉伸装置，运用电加热、液压拉伸，以产生预收缩量，趁 热施焊，冷却后的收缩量依靠拉伸量抵消，以达到板面平整。 ( 4 ) 侧墙蒙皮所设计的窗孔，采用等离子切割机，配以靠模完成切割，利用等离子 切割技术热影响较小、变形小的优点，确保拉伸钢板的平面度不被破坏。 ( 5 ) 蒙皮预应力焊接工艺最终技术指标是使侧墙蒙皮平面度达到设计要求小于 2 m m m 2 。 本章小结 基于机车车辆工业蒙皮预应力工艺在国内外研究的现状和运用经验，通过对传统型 机车蒙皮平面度影响因素和外观表现的分析，确定了大功率机车预应力焊接工艺主要内 容和关键技术。 人连交通人学i ：群硕十学位论文 第二章焊接应力与变形的基本理论 2 1 内应力及变形 “内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。这种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 【3 j 。 2 1 1 内应力及产生原因 内应力按其产生原因可分为温度应力和残余应力等几种，事实上温度应力与装备应 力有关，当温度正常后仅是装配约束保留的应力。 ( 1 ) 温度应力( 热应力) “温度应力是由于构件受热不均匀引起的。举简单例子说明。如图2 1 ，是一个金属 框架，如果只让框架的中心杆件受热，而两侧杆件的温度保持不变，则前者由于温度上 升而伸长，但是这种伸长的趋势受到两侧杆件的阻碍，不能自由地进行，因此中心杆件 就受到压缩，产生压应力。而两侧杆件在阻碍中心杆件膨胀的同时受到中心杆件的反作 用而产生拉应力。这种应力是在没有外力作用下出现的，且拉应力与压应力在框架中互 相平衡，就构成了内应力。因为这是由于不均匀温度造成的，所以称之为温度应力或热 应力。如果温度应力不高( 低于材料的屈服极限) ，在框架罩不产生塑性变形，当框架的 温度均匀化以后，热应力亦随之消失。热应力比较广泛地出现在各种温度不均匀的工程 结构中 【3 】，为机车蒙皮预应力焊接工艺确立了理论基础。 图2 1 金属框架 ( 2 ) 残余应力 “如果不均匀温度场所形成的内应力达到材料的屈服限，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，就生产新的内应力。这种内应力是温度均匀后残 存在物体中的，故称之为残余应力。如果中心杆件加热产生的压应力达到材料的屈服限， 杆件中将出现压缩塑性变形。当杆件温度恢复到原始状态时，若任其自由收缩，那么它 6 第二章焊接戍力与虑变的基本理论 的长度必然要比原来的短。这个差值就是中心杆件的压缩塑性变形量。实际上框架两侧 杆件阻碍着中心杆件自由收缩，使它受到拉应力。而两侧杆件本身，则由于中心杆件的 反作用而产生压应力。这样，就在框架中形成了一个新的内应力体系，即残余应力”【4 1 。 2 1 2 自由变形、外观变形和内部变形 “物体在某些外界条件( 如应力、温度) 的影响下，其形状和尺寸可能发生变化，这 种变化都有一定的规律性。 当某一金属物体的温度有了改变，或发生了相变，它的尺寸和形状就要发生变化， 如果这种变化没有受到外界的任何阻碍而自由地进行，这种变形称之为自由变形。以图 2 2 a 中的一根金属杆件为例，当温度为t 0 时，其长度为l o ，当温度由t o 升至t 。时，如 果不受阻碍，其长度由l 0 增长至l ，这段长度的改变就是自由变形，其大小可用下列公 式来表示： l f = q l o ( t l t o ) ( 2 1 ) 式中：a 一金属的热膨胀系数，它的数值随材料而异，在不同的温度情况下，数值也有 一定程度的变化。 而自由变形率即单位长度上的自由变形量，用，来表示： l t 8t = = ( t l t o ) ( 2 2 ) l o 当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地 表现出来( 图2 2 b ) ，把能够表现出来的这部分变形，称之为外观变形，用a l e 来表 示，其变形率则为ee ，可用下式来表达： l 。 。= _ ( 2 3 ) l o 而未表现出来的那部分变形，我们称之为内部变形。它们的数值是自由变形和外观 变形之差，因为是受压故为负值，可用下列公式表示： l = ( l 广l 。) = l c - l t ( 2 4 ) 同样内部变形率用下列公式来表示： l = ( 2 5 ) l o 7 火连交通火学t 程硕十学位论文 应力和应变之间的关系可以从材料试验的应力一应变图中得知。以低碳钢为例，当 应变在弹性范围以内时，应力与应变是直线关系，可以用虎克定律来表示： 0 = e = e ( 。一t )( 2 6 ) 对于低碳钢一类材料，应力一应变曲线可以简化为图2 3 中o s t 线，即当试棒中的 应力达到材料的屈服限0s 后不再升高。如果内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变 形率( i 1l s ) ，说明杆件中受n d , 于0s 的应力( 0i = ee ) 。当杆件温度从t 。恢复 到t 。时，如果允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度，杆件中也不存在应力。 假如使杆件温度升的较高，达到t 。( t ： t 。) ，便杆件中的内部变形率大于金属屈服时的 变形率，即i ：i s 。 图2 2 变形量 肜訇r i o b 1 1 - - _ 一 图2 3 低碳钢的o e 变化曲线 在这种情况下，杆件中不但产生达到屈服极限的应力，还产生压缩塑性变形，其数 值为i epl = i e ti es ，在杆件温度由t 2 恢复到t o 的过程中，若允许其自由收 缩，最后杆件比原来长度缩短，杆件中也不存 在内应力【5 1 。 2 1 3 长板条在不均匀温度场的变形和应力 “对于一个金属长板条受不均匀温度场作用时，其变形和应力情况除两端以外，要 根据材料力学中的平面假设原理( 即当构件受纵向力或弯矩作用而变形时，在构件 中的平截面始终保持是平面) 来进行分析。 ( 1 ) 在长板条中心加热 8 第二：章焊接应力与变形的基本理论 图2 4 所示的厚度为6m m 的长板条，在其中间沿长度方向上用电阻丝进行间接加热， 则在板条的横截面上将出现一个中间高两边低的不均匀温度场。 而沿板条长度方向的温度分布可视为均匀的。关于这个板条的变形和应力的情况， 可以从板条中切出一单位长度的小段来进行分析。 假设这个金属板条是由若干互不相连的小窄条组成，则每根小窄条都可以按着自己 被加热到的温度自由变形，其结果使单位长度板条端面出现图2 5 a 所示的曲面，e ，= q 。平行线以下为正值，产生拉应力。在这种情况下，板条中间受压两侧受拉。这三个 区域的应力相互平衡，即平行线以上的面积和平行线以下的面积相等，见图2 5 b 。如果 已知温度分布是x 的函数t ：f ( x ) ，则应力的平衡条件可以用数学方程式来表达。其平衡 条件1 为： y = f 6 d x = f 乏e ( 。一，) g d x ( 2 7 )- j 一且j 一垃、o 7 - - e 6 庄【。一】d x = o 因为温度场对称于中心轴，故e = c o n s t ，截面只作平移，外观应变ee 可以从方程 式( 2 2 ) 求出。代入( 2 7 ) 则可求出各点的内应力值。 由上述可知，加在板条上的不均匀温度场，将使板条产生内应力和变形。如果上述 温度场在金属板条中所引起的内应力。小于金属的屈服极限os ，当加热电源断开以后， 板条逐渐冷却，恢复到原来的温度，此时板条亦将恢复到原来的长度，应力和变形均将 消失。 如果加在板条上的不均匀温度场使板条中心部分受热较高，则在板条中心“c 区 内产生较大的内部变形，使“c 区中的内部变形率e 大于金属屈服限时的变形率s 。 这种情况可以从图2 5 c 中看出。则在“c 区中将产生塑性变形。塑性变形区的宽度c 的大小和塑性变形的分布可按式( 2 2 ) 稍加修正来求得。内应力在一手一 和争手 区中为o = e ( 。一，) ，一 区中o = e e 。一qf ( 手) = 一o 。此时把加热电源断开， 让板条渐渐冷却。由于在板条“c 区中产生压缩塑性变形，当板条温度恢复到原始温 度后，应力和变形就不能象上述那样消失。如果允许其自由收缩，板条“c 区的长度 将比原来短，其缩短量等于温度场存在时所产生的压缩塑性变形量。此时板条端面就形 成了一个中心凹的曲面。实际上板条是一个整体，“c ”区的收缩受到两侧金属的限制， 截面保持为平面，因此出现了新的变形和应力。板条中心部分受拉，两侧受压，这个新 的平衡应力系就是残余应力。塑性区压缩变形的分布规律e 尹f p ( x ) ，则残余应力： 9 大连交通人学l ：稗硕十学位论文 o = e f p ( x ) ( 2 8 ) 式中e 。为残余外观应变量。残余应力和变形也可用数学方程式来表达。 平衡条件： y = 庄。6 ，出= 6 乓( - ，弦 = e 6 _ ，出+ e 8 丘【l ，一f ( 工) la x + 6 譬s - ，出 ( 2 9 ) = e 8 ，( 曰一c ) + e 6 一无( 工) l a x = o 由于1 3 的分布对称于中心轴，故截面同样只作平移，7e = c o n s t ，可从式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 中求出残余应变和应力。 图2 4 长板中心受热 1 0 一 一 b 2 一b 2 一 b ) x x x c ，! 一掣 c ) 图2 5 板条中心加热的应力与变形 第二章焊接应力与变形的基本理论 根据上述两种情况分析，可以归纳如下：在板条中心对称加热时，板条中产生温度 应力，中心受压，两边受拉。同时平板端面向外平移( 伸长) 。如果此时不产生塑性变形， 即i ei 。，当温度恢复到原始状态时，还会出现由于不均匀 塑性变形引起的残余应力，其符号与温度应力大致相反，同时板条端面向内平移( 缩短) ， 即为残余变形”埋1 。 ( 2 ) 非对称加热( 一侧加热) “在图2 6 中所示长板条一侧用电阻丝间接加热，则在长板条中产生对断面中心不 对称的不均匀温度场，它将使板条产生变形和应力。它们也符合内应力平衡和平面假设 原则，此板条端面亦有一个位移。位移大小受内应力必须平衡这一条件所制约，因而不 是任意的。图2 6 b 、c 所示情况，它们只能产生两个符号相反，而不作用在同一直线上 的矢量力，这样就构成了不平衡力矩，因此是不可能的。图2 6 d 的情况，形成了三个 正负相间的应力区，只有在这种条件下内应力才可能平衡。在这种情况下，板条的外观 变形不仅有端面平移，还有角位移。板条沿长度上就出现了弯曲变形( 图2 6 e ) 。如果己 知温度按t = f ( x ) 分布，则板条的应力与变形可用数学方程式来表达。 y = ；0 5 d x = e 5 r ( ，- - 8r ) d x = e 5 肛，一吖( x ) k = 0 ( 2 1 0 ) m = i ；o x s d x = 6r ( ，一，) x d x = e 6 艮 ( 。一a f ( x ) ) k = 0 ( 2 11 ) 崮甾 l -曼 一i d ) 图2 6 板条一侧受热的应力和变形 由于截面有转动，因此。并非常数，而是x 的线性函数： 大连交通大学t 程硕十学位论文 一b ，。+ ( 柏一枷) x = 2 o o j 一2 0 占 将式( 2 1 1 ) 代入( 式2 1 2 ) ，式( 2 1 2 ) 解联立方程即可求出。， 应力的公布。从图2 6 中不难看出板条的平均伸长率为： ： 兰：2 墨业 板条的曲率为： ( 2 1 2 ) 。，进一步求出内 ( 2 1 3 ) c ：上：兰业= 曼业( 2 1 4 ) p b 如果在加热时板条中的内部变形率小于金属屈服限时的变形率e 。，则当温度恢复到 原始温度时，板条中不存在残余应力，也不出现残余变形。如果在加热时，板条中的内 部变形率e 大于金属屈服时的变形率e 。，则板条中将出现压缩塑性变形。冷却时，板条 恢复到原始温度，其中将出现残余应力。板条也产生残余弯曲变形和收缩变形，但方向 与加热时相反( 见图2 7 ) 。变形位置则由平衡条件来决定1 。 b 【 。矽 。- - - j 图2 7 长板条残余应力和变形 2 2 焊接残余应力 “焊接应力与一般不均匀温度场引起的应力的基本规律是一致的，但更为复杂，主 要表现在焊接时的温度变化范围大，在焊缝上最高温度可高达材料的沸腾点，而离开热 源则温度急剧下降至室温 口1 。 在厚度不大( 6 1 5 - - - , 2 0 m m ) 的常规焊接结构中，残余应力是双轴的。厚度方向上的 应力很小，只有在大厚度焊接结构中，厚度方向上的应力才比较大。把焊缝方向的应力 称为纵向应力，用ox 来表示。垂直于焊缝方向的应力称为横向应力，用oy 来表示3 。 2 2 1 纵向应力ox “在低碳钢结构中，焊缝及其附近区域中的纵向应力是拉应力，值一般达到材料的 屈服极限。图2 8 为中心有一条焊缝的长板条，在板条中段ox 的分布是均匀的，但在 1 2 b 口 第二章焊接应力与变形的基本理论 长板条的两端，情况就不同。因为端面沪0 是自由边界，在它的表面没有应力，0 x - - o 。 紧靠端面再取几个截面i i 和i i i i ，其内应力分布也不同于中段，焊缝上的0 x 小于 0s 。随着截面离开端面的距离的增加，0x 逐渐趋近于0s 值，图中用垂直于板条平面 的距离来表示焊缝上0x 的大小。在板条的端部存在一个内应力的过渡区，在这个过渡 区域里，0x 比较低，越接近端面0x 越低。到端面处0 x = o 。在板条的中段有一个内应 力的稳定区。但当板条比较短时，就不存在稳定区，焊缝上的纵向应力0x 小于0s 。板 条越短，0x 就越低。 图2 8 焊缝各截面中0 ，的分布 ，芦 i i i i i i i i i - i h 不同焊缝长度( 不同板条长度) 时，焊缝上0 x 的分布情况，见图2 9 。焊缝长度与 焊缝中0x 的数值见图2 1 0 引。 召一 图2 9 不同长度焊缝中0 。的分布 大连交通火学t 稃硕+ 学位论文 图2 1 0 不l 司焊缝长度0 。的变化 2 2 2 横向应力0y “垂直于焊缝的横向应力0 ，的分布情况比较复杂。它可分为两个组成部分，其中一 个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引进的，用07 ，来表示：另一个是由焊 缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的，用0 川，来表示之。图2 1 1 a 是一个由两块平板条对接起来的构件，其纵向应力0 。的分布是焊缝及其附近的塑性变形 区为拉应力，两侧为压应力。先分析0 ，：如果沿焊缝中心将构件一分为二，则两块板条 都相当于一侧有一条焊缝，它们将分别向外侧弯曲，如图2 1 1 b 。必须在两端部分加上 压力，中心部分加上拉力，才能使两板条恢复到原来的位置。可以推断，焊缝上必然存 在着两端部分的压应力，中心部分为拉应力的横向内应力o ，( 图2 1 l b 、c ) 。 a ) b ) c ) 图2 1 1 纵向应力0 。引起的横向应力0 7 ，的分布 压应力的最大值比拉应力大得多。焊缝长度对07 ，的影响见图2 1 2 。由图中可以看 出，对长焊缝来说，中心部分的拉应力将有所降低，逐渐趋近于零。 1 4 第二章焊接应力与变形的基本理论 图2 1 2 不同尺寸平板对焊时的0 ，的分布 现在来分析横向应力的另一个组成部分0 ，。由于焊缝不是同时完成的，各部分有 先焊和后焊之分。先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却。先冷却的部分又限制后冷却 部分的横向收缩，这种限制和反限制就构成了横向0 ，。可见0 川，的分布与焊接方向、 分段方法以及焊接顺序有关。例如把一条焊缝分成两段焊接，当从中间向两端焊时，中 心部位先焊的先收缩，两端部分后焊后收缩，则两端焊缝的收缩受到中心部分的限制。 因此0 ，的分布是中心部分是压应力，两端部分是拉应力( 图2 1 3 a ) 。相反地，如果从 两端向中心部分焊接，则中心部分是拉应力，两端部分为压应力( 图2 1 3 b ) 。直通焊的0 ，尾部是拉应力，中段是压应力，起焊段由于必须满足平衡条件的原因仍为拉应力，焊接 应力分布情况与图2 1 3 a 相似。采用分段退焊和分段跳焊法，0 ，的分布将出现多次交 替的拉应力和压应力区。值得注意的是分段跳焊法的0 川，峰值较其他焊接顺序高。 - - - - - - 一 0 ，v 一 一 7 3 s 、：= ：= 二二二夕勺! ：弋 图2 1 3 不同焊接方向时0 川。的分布 横向应力的两个组成部分0 ，和0 ，是同时存在的，最终的横向应力0 ，是它们两者 的合成。横向应力在与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊缝截面上的相似，但是离开 焊缝距离越大，应力值就越低，到边缘上q = o 。从图2 1 4 中可以看出，离开焊缝0 ，就 速衰减引。 大连交通大学t 程r l 硕十学位论文 0 inm 以一 一 4 i lm,j 0 il ii i i 图2 1 4 横向应力沿板宽上的分布 2 3 焊接残余变形 2 3 1 焊接残余变形的分类 “焊接残余变形是焊后残存于结构中的变形，大致可分为下列七类。 ( 1 ) 纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩，如图2 1 5 中的l 。 钢制细长构件，如梁、柱等结构的纵向收缩量可以通过公式来作初步估计。 单层焊的纵向收缩量砸1 ： ：苎出：生( 2 1 5 ) ， 式中：f h - 焊缝截面积m m 2 ；f - 构件截面积m m 2 ； l 一纵向收缩量n l i n ；l _ 构件长度。 k ，为系数，与焊接方法和材料有关。 ( 2 ) 横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩，如图2 1 5 中的b 。 ( 3 ) 挠曲变形：构件焊后发生挠曲，如图2 1 6 所示。 ( 4 ) 角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移，常见的角变形见图2 1 7 。 ( 5 ) 波浪变形：焊后呈波浪形。如图2 1 8 。这种变形在薄板焊接时最容易发生。 ( 6 ) 错边变形：在焊接过程中，两焊接件的膨胀不一致，可能引进错边，如图2 1 9 。 。壅蓁一 。珏三三| ： 图2 1 5 纵向和横向收缩变形 1 6 丽几 l ! - 一 嬲粼麓剧腻硼螫m 醚 日廿 第二二章焊接应力与变形的基本理论 l 图2 1 6 挠曲变形 掣可一嗡 图2 1 7 角变形 图2 1 8 波浪变形 ( 7 ) 螺旋变形：焊后在结构上出现扭曲，如图2 2 0 。 图2 1 9 错边变形图2 2 0 螺旋变形 上述几种变形，在焊接结构生产中往往不是单独出现的，而是同时出现，互相影响 的”【7 1 。焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题。工件变形需要花许多工时去矫正。 复杂的变形矫正比焊接工作量还要大。有时变形太大，甚至无法矫正，造成废品。 2 3 2 预防焊接变形的措施 ( 1 ) 设计措施 合理地选择焊缝的尺寸和形式。“焊缝尺寸直接关系到焊接工作量和焊接变形 大小。焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊接变形也大。因此在保证结构的承载能力的 条件下，设计时应尽量采用较小的焊缝尺寸”阳1 。在薄板结构中，采用接触点焊可以减 少焊接变形。以图2 2 1 的薄板结构为例，如果采用接触焊来代替熔化焊，则可以省去 焊后校正变形工序。 大连交通大学丁稃硕十学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。一 一t t n ， i l j 1j i “t f ，ji jp i f1 ip 。 i 图2 2 1 采用接触点焊的薄板结构 尽可能减少不必要的焊缝 在焊接结构中应力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝。 合理地安排焊缝位置在设计时，要求焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊 缝接近中性轴。 ( 2 ) 工艺措施 反变形法 这是一种最常用的方法，事先估计好结构变形的大小和方向，然后在装配时给予一 个相反方向的变形与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计要求。 在焊接梁、柱等细长构件时，如果焊缝不对称，焊后构件往往发生较大的挠曲变形。 预防这种变形，采用外力将构件紧压在具有足够刚度的夹具或平台上，使它产生一个反 变形，然后焊接，见图2 2 2 。 a r - - 出迄如件士酬姒 = _ 一r = 妻肇连o ，二，- ，- - - 咎兰宝要；一 p ，一一 | |i ii li ll | 夹 a a i i ll i r一一 l i 目亡 只产勺 l a 图2 2 2 焊接梁柱结构的反变形 刚性固定法 “刚性固定法是在没有反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形。利用这 种方法来防止角变形和波浪变形，效果还是较好的。焊接薄板时，在焊缝两侧用夹具紧 压固定，见图2 2 3 ，可以防止波浪变形。 1 8 霉，、，i ， = 一 ，。，矽。， ! | |一一。厶 第二章焊接廊力与变形的基本理论 加压前 图2 2 3 采用焊接夹具防止薄板的波浪变形 加压后 合理地选择焊接方法和规范 选用线能量较低的焊接方法，可以有效地防止焊接变形。例如采用c 0 ：半自动焊来 代替手工电弧焊，不但效率高，而且可以减少薄板结构的变形。 选择合理的装配焊接顺序 通过以下例子来说明装配焊接顺序对焊接构件变形的影响。如图2 2 4 所示的焊接 梁，是由两根槽钢、若干隔板和盖板组成。槽钢与盖板间用角焊缝l 来连接，隔板与盖 板及槽钢间分别用角焊缝2 和3 来连接。构件可用三种不同的装配焊接顺序进行生产。 槽 图2 2 4 带盖板的双槽钢焊接梁实例 第一方案先把隔板与槽钢装配在一起，然后焊接角焊缝3 ，由于焊缝3 的大部分在 槽钢中性轴以下，焊缝的横向收缩产生上挠度f 。再将盖板与槽钢加隔板装配起来，焊 接焊缝1 ，由于焊缝1 位于构件断面中性轴以下，焊缝1 的纵向收缩引起上挠度f l 。最 后焊接焊缝2 ，由于焊缝2 也是位于断面中性轴之下，焊缝2 的横向收缩引起上挠度f 2 。 最终产生上挠变形，其数值为( f 。+ f 。+ f 。) 。 第二方案先将槽钢与盖板装配在一起，焊接焊缝1 ，由于焊缝1 在构件断面中性轴 以下，它的纵向收缩引起构件产生上挠度f 。再装配隔板，焊接焊缝2 ，焊缝2 的横向 收缩引起上挠度f 2 。最后焊接焊缝3 ，此时由于槽钢与盖板已形成一个整体，其中性轴 1 9 大连交通人学下程硕十学位论文 从槽钢本身的中心向下移，使焊缝3 之大部分处于中性轴以上，因此焊缝3 的横向收缩 引起构件下挠，其数值为f 3 。焊后构件的最终挠度为( f 1 + f 2 一f 7 3 ) 。 第三方案先将隔板与盖板装配起来，焊接焊缝2 。盖板在自由状态焊接，只能产生 横向收缩和角变形。若采用压板将盖板紧压在平台上，角变形是可以控制的。此时由于 盖板没有和槽钢连接，因此它的收缩并不引起挠度，即f 2 = 0 。在此基础上装配槽钢，焊 接焊缝l ，引起上挠度f 1 。再装配隔板焊接焊缝3 ，引起下挠度f 7 3 。构件的最终挠度 为( f 1 一f 3 ) 。 把上面三个方案作比较，可以清楚地看出不同的装配焊接顺序，得出完全不同的结 果。第一方案的挠曲变形量大，第三方案最小，第二方案介于两者之间。第三方案之所 以挠曲变形最小，关键在于把焊缝2 的焊接按排在盖板与槽钢焊接之前，这样就使焊缝 2