第四节 焊接应力及变形.ppt

第四节焊接应力与变形,内应力及变形的一些基本概念焊接残余变形及预防、矫正措施内应力的调节及消除措施,内应力及变形的一些基本概念,一、内应力及其产生原因1、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。2、内应力的分类（1）内应力按其作用力的范围分宏观内应力：它在较大的范围内平衡，这个范围大小可以与物体尺寸相比；微观内应力：它的平衡范围大小可以与晶粒尺寸来比量；超微观内应力：平衡范围更小，其大小可与晶格尺寸来比量。,（2）内应力按其产生原因分温度应力(热应力)：是内于构件受热不均匀引起的内应力。图21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。如果温度应力不高(低于材料的屈服极限)，在框架里不产生塑性变形，那么，当框架的温度均匀化以后，热应力亦随之消失。热应力广泛地出现在各种温度不均匀的工程结构中，飞行器等。残余应力：如果不均匀温度场所造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，就产生新的内应力。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，和图2-1的应力相反。,二、变形：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、温度等)的影响下，形状和尺寸可能发生变化，这种变化都有一定的规律性。（一）自由变形：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22中的一种金属杆件为例：T0-T1，L0-L1（二）外观变形和内部变形1、外观变形：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(见图22b)，我们把能够表现出来的这部分变形，称之为外观变形2、内部变形：未表现出来的那部分变形，我们称之为内部变形。(压缩变形),返回,返回,返回2-2a,返回图2-2b,返回图2-3,焊接残余变形及预防、矫正措施一、焊接残余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：（一）纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩如图220中的L。（二）横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩，如图220中的B。（三）挠曲变形：构件焊后发生挠曲，如图221。挠曲可由焊缝的纵向收缩引起(图2-21a）和由焊缝横向收缩引起(图22lb)。（四）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2-22（五）波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图223。这种变形在薄板焊接时最容易发生。（六）错边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致可能引起长度方向上的错边（图224a）和厚度方向上的错边（图224b）。（七）螺旋形变形：焊后在结构上出现的扭曲，如图2-25所示。上述几种类型的变形，在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、预防焊接变形的措施焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决。设计上如果考虑得比较周到，注意减少焊接变形，往往比单纯从工艺上来解决问题方便得多。相反地，如果设计考虑不周，则往往给生产带来许多额外的工序，大大延长生产周期，提高产品成本。因此，除了要研究工艺措施外，还必须重视设计措施。(一)设计措施1、在保证结构的承载能力和焊接质量的条件下，设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸、合理的坡口形式和尺寸。（尽量减少填充金属，减少热输入）片面地加大焊缝尺寸的错误倾向，对控制焊接变形不利。角焊缝在许多情况下往往受力不大。例如在相当多的结构上筋板与腹板间的焊缝，并不承受很大的应力，没有必要采用大尺寸的焊缝。但并不是说焊缝越小越好，这里有一个工艺上的可能性问题。因为焊接尺寸太小的焊缝，冷却速度过大，容易产生一系列焊接缺陷，如裂纹、热影响区硬度过高等等。,2、尽可能减少不必要的焊缝在焊接结构中应该力求焊缝数量少，避免不必要的焊缝。在设计焊接结构时，常常需要采用筋板来提高板结构的稳定性和刚性。但是为了减轻重量采用薄板，不适当地大量采用筋板，反而不经济。因为这样做不但增加了装配和焊接工作量，而且因焊接变形大，增加校正工时。（1）如果适当加厚壁板，从而减少了筋板，即使结构的重量稍重一些，还是比较经济的（2）合理地选择筋扳的形状，适当地按排筋板的位置，也可以减少焊缝，提高筋扳加固的效果。例如图268b，采用槽钢来加固轴承比图268a的辐射形筋板具有更好的效果，同时需要的焊缝也比后者少。（3）采用压型来提高平板的刚性和稳定性，可减少焊接量，从而减少变形例如：货轮的隔舱壁，采用压型板来代替用丁字形筋板和平板焊接起来的隔舱壁，焊接量大大减少，并省去了焊后的校正工作。（图2-69）3、合理地安排焊缝的位置在设计时，安排焊缝尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这对减少梁、柱等一类结构的挠曲变形有良好的效果（1）焊缝对称于中性轴，可使焊缝所引起的挠曲变形互相抵消。（2）焊缝接近断面中性轴，可以减小焊缝所引起的挠曲。例如：图270a中的焊缝集中在断面中性铀以上，中性轴缝对称于中性轴，图270c中的两条焊缝在截面的中性轴上，因此图270b和c的挠曲变形小于图270a图270d的短筋板焊缝集中在断面中性袖以上，而图270e的长筋板焊缝对称于中性轴，故变形较前者为小。,(二)工艺措施着重于介绍具体结构生产中预防变形的工艺措施。1、反变形法这是生产中最常用的方法，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的要求。图2-71（1）塑性反变形；（2）弹性反变形；（3）下料预制反变形2、刚性固定法这个方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。用这种方法来预防构件的挠曲变形，只能在一定程度上减小这种变形，效果远不及反变形。但是利用这种方法来防止角变形和波浪变形，还是比较好的。（1）“背靠背”焊接：刚性增大，形成对称（见图275）（2）采用夹具：夹具的位置尽量靠近焊缝一方面可以防止工件的移动，另一方面可以使夹具均匀可靠地导热，限制工件的高温区宽度，从而降低焊后的变形。为了使压力均匀可以把压条做成带挠度的，见图276，或者采用琴键式多点加压夹具。当薄板面积较大时，可以来用压铁，分别放在焊缝两侧，见图277，这种方法在船厂比较普遍采用。也可在焊缝两例点固角钢，见图278。3、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CO2半自动焊来代替气焊和手工电孤焊，不但效率高，而且可以减少薄板结构的变形。在车辆生产中已广泛应用。真空电子束焊的焊缝很窄，变形极小，可以用来焊接精度要求高的机械加工件，在精加工后直接进行焊接，焊后仍获得较高的尺寸精度。例如齿轮的焊接，4、选择合理的装配焊接顺序（图2-80）,三、矫正焊接变形的方法（一）机械矫正法：延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属达到消除焊接变形的目的。1、压力机（图2-88）2、锤击法：这种方法比较简单，经常用来矫正不太厚的板结构，劳动强度大，表面质量不好，是锤击法的缺点。3、辗压法：当薄板结构的焊缝比较规则时(例如直焊缝或圆周焊缝)，采用辗压法消除焊接变形效率高，质量好，具有很大的优越性。这个方法是利用圆盘形辊轮来辗压焊缝及其两侧，使之伸长来达到消除变形的目的，见图289。(二)火焰加热矫正法本法是利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。火焰加热法采用一般的气焊焊矩，不需要专门的设备，方法简便，比较机动，可以在船舶等巨型结构上进行矫正，因此在生产上广为应用。火焰矫正的效果好坏，关健在于正确地选择加热位置和加热范围。火焰局部加热不但可以用来矫正变形，使构件平直，也可以反过来利用它来把平直的钢板弯曲成各种曲面，这种方法在生产上称为水火弯板或火焰成形，用这种方法成形各种曲面（图294)，具有设备简单，生产率高，成本低质量好的优点，已在国内外许多船厂推广。1、火焰成形基本上采用线状加热，按照工艺方法的不同可分为三种：(1)不用水冷的火焰加热，简称空冷，见图295a(2)采用正面跟踪水冷的火焰加热方法，简称正冷，见图295b。(3)采用背面跟踪水冷的火焰加热浇简称背冷，见图295c。2、三种线状加热方法的特点：(1)角变形效果以背冷最大，空冷次之，正冷最小。(2)横向收缩效果以背冷最大，正冷次之，空冷最小。,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回图2-37,返回,返回,返回,返回图2-45,返回图2-46，图2-49,返回,返回图2-52,返回图2-53,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,内应力的调节及消除措施和测定方法一、在焊接过程中调节内应力的措施(一)采用合理的焊接顺序和方向1、尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝。例：图2128中带盖板的双工字钢构件，应先焊盖板的对接焊缝1，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝2，使对接焊缝1能自由收缩，从而减少内应力。2、先焊工作时受力较大的焊缝例：在工地焊接梁的接头时，应预先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝1，然后焊接腹板对接焊缝2，最后再焊接翼缘角焊缝3，见图2129。3、拼板时应先焊错开的短焊缝，然后再焊直通长焊缝，不能采用十字形焊缝例：见图2130。如图采用相反的次序，即先焊焊缝3，再焊焊缝1和2，则由于短缝的横向收缩受到限制将产生很大的拉应力。在焊接交叉(不论是丁字交叉或十字交叉)焊缝时，应该特别注意交叉处的焊缝质量。如果在接近纵向焊缝的横向焊缝处有缺陷(如末焊透等)，则这些缺陷正好位于纵焊缝的拉伸应力场中，见图2131，造成复杂的三轴应力状态。此外，缺陷尖端部位的金属，在焊接过程中不但经受了一次焊接热循环，而且由于应变集中的原因，同时又受到了一次比其它没有缺陷地区大得多的挤压和拉伸塑性变形的过程，消耗了材料的塑性对强度大为不利。这里往往是脆性断裂的根源。,(二)反变形法在焊接封闭焊缝或其它刚性较大、自由度较小的焊缝，可以采用反变形法来增加焊缝的自由度，见图2132。(三)锤击或辗压焊缝每焊一道焊缝用带小圆孤面的风枪或小手锤锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力。锤击应保持均匀、适度，避免锤击过分产生裂纹。采用辗压法，亦可有效地降低内应力。,(四)减应力法（在结构适当部位加热使之伸长）加热区的伸长带动焊接部位，使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形。在冷却时，加热区的收缩和焊缝的收缩方向相同，使焊缝能自由地收缩，从而降低内应力。其过程见图2133。利用这个原理可以焊接一些刚性比较大的焊缝，获得降低内应力的效果。例如图2-134a所示的大皮带轮或齿轮的某一轮幅需要焊缝，为了减少内应力，则在需焊缝的轮幅两侧轮缘上进行加热，使轮幅向外产生变形。图2-134b，焊缝在轮缘上，则应在焊经两侧的轮幅上进行加热，使轮缘焊缝产生反变形，然后进行焊接，都可取得良好的降低焊接应力的效果。,二、焊后消除焊接内应力的方法1、整体高温回火2、局部高温回火3、机械拉伸4、温差拉伸5、振动法前两种方法在降低内应力的同时还可以改善焊接接头的性能，提高其塑性。,返回,(一)整体高温回火这个方法是将整个焊接构件：加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度、材料的成分和组织，也和应力状态、保温时间有关。1、对于同一种材料，回火温度越高，时间越长，应力也就消除得越彻底。图2135为低碳钢A3在500、550、600、650，经过不同的时间保温后的内应力消除效果。2、热强性好的材料消除内应力所需要的回火温度比热强性差的高。3、在同样的回火温度和时间下，单轴拉伸应力的消除比双轴和三轴的效果好。4、回火保温时间目前生产中按厚度来确定，厚度越大，保温时间越长。一般12min/mm注意：对于不同膨胀系数的金属组成的焊接结构，例如奥氏体钢和马氏体钢、奥氏体钢和珠光体钢，虽然回火处理后可以消除焊接应力，但又将产生由于不同膨胀系数而引起的新的内应力。返回,(二)局部高温回火处理1、消除应力的效果不如整体处理，它只能降低应力降值，而不能完全消除。但局部处理可以改善焊接接头的机械性能。处理的对象只限于比较简单的焊接接头。2、局部高温回火处理的方法：电阻、红外、火焰和感应加热(对厚大件，可采用工频感应加热)。3、消除应力的效果与温度分布有关，而温度分布又与加热区的范围有关。应该保证足够的加热宽度。每侧宽度B=3,且100mm返回,(三)机械拉伸法(过载法)因为焊接残余内应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，内应力也就消除的越彻底。从图2137中可以比较清楚地看到加载前、加载后和卸载后的应力分布情况。当拉伸应力为s时，经过加载卸载，消除的内应力相当于外载荷产生的平均应力。当外载荷和截面全面屈服时，内应力可以全部消除。机械拉伸消除内应力对一些焊接容器特别有意义。它可以通过液压试验来解决。液压试验根据不同的具体结构，采用一定的过载系数。液压试验的介质一般为此也可以用其它介质。这里应该指出的是液压试验介质的温度最好能高于容器材料的脆性断裂临界温度，以免在加载时发生脆断。这种事故国内外都曾发生过。对应力腐蚀敏感的材料，要慎重选择试验介质。在试验时采用声发射监测是防止试验中脆断的有益措施。返回,(四)温差拉伸法(又称低温消除应力法)基本原理：机械拉伸法相同，是利用拉伸来抵消焊接时所产生的压缩塑性变形的。不同之处：机械拉伸法利用外力来进行拉伸，而温差拉伸法则是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。具体做法：在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧乙炔焰矩加热,在焰矩后面一定距离用一个带有排孔的水管喷头冷却。焰矩和喷水管以相同速度向前移动(见图2138)。这样就造成了一个两侧温度高(其峰值约为200)，焊缝区温度低(约为100)的温度场。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，起了相当于如图2139所示千斤顶的作用。利用温差拉伸这个方法如果规范选择恰当，可以取得较好的消除应力效果。返回,(五)振动法从内应力的消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸好。第一种观点：认为在变载荷下材料的s有所降低，因此内应力在变载荷下比较容易消除。另一种观点：是变载荷增加了金属中原子的振动能量，其效果与回火加热相当，使原子较易克服障碍，产生应力松弛。但后一种意见缺乏充分的理论依据，因为原子的振动的频率比外加的机械振动频率大几个数量级。据报道，用振动法来消除碳钢、不锈钢以及某些锆合金结构中的内应力可取得较好的效果。优点：设备简单而价廉，处理成本低，时间比较短，没有高温回火时的金属氧化问题。但是这种方法也存在些问题有待进一步研究。例如，如何在比较复杂的结构中根据需要使内应力均匀地降低，如何控制振动使它既能消除内应力，又不致于降低结构的疲劳强度等。返回,三、焊接残余应力的测定常用的残余应力测试方法，拉其原理可分为：应力释放法和x射线法两种。（一）应力释放法本法应用最广，历史最长，按其具体的差异可分为：1、非破坏法：（1）套孔法：深度=（0.6-0.8d孔）采用套料钻孔加工环形孔来释放应力。如果在环形孔内部预先贴上应变片或加工标距孔，则可测出释放后的应变量算出内应力。（2）小孔法（盲孔法）：23深度=（0.8-1.0d孔）原理：在应力场中钻一小孔，应力的平衡受到破坏，则钻孔周围的应力将重新调整。测得孔附近的应变变化，就可以用弹性力学来推算出小孔处的应力。具体步骤：在离钻孔中心一定距离处粘贴几个应变片，应变片之间保持一定角度。然后钻孔测出各片的应变,五、焊接残余应力的测定（一）应力释放法2、破坏型：（1）切条法：将需要测定内应力的构件先划分为几个区域，在各区的待测点上贴上应变片或者加工机械引伸计所需的标距孔，然后测定它们的原始读数。对接接头，在靠近测定点处将构件沿垂直于焊缝方向切断，然后在各测点间切出几个梳状切口，使内应力得以释放。再测出释放应力后各应变片或各对标距孔的读数，求出应变量。（2）逐层铣削法原理：当具有内应力的物体被铣削一层后，则该物体将产生一定的变形。根据变形量的大小，可以推算出被铣削层内的应力。这样逐层往下铣削，每铣削一层，测一次变形，根据每次铣削所得的变形差值，就可以算出各层在铣削前的内应力。注意：这样算出的内应力还不是原始内应力。因为这样算得的