第三讲焊接结构及其生产设备

1、焊接结构（第三讲） 第第 1 章章 焊接结构中的应力与变形焊接结构中的应力与变形 Stress and deformation of welding Structure第二讲第二讲 焊接残余变形焊接残余变形 1. 回顾上节课介绍的重点内容回顾上节课介绍的重点内容2. 焊接应力变形的演变过程焊接应力变形的演变过程 3. 焊接应变的热循环焊接应变的热循环4. 焊接残余变形的基本概念焊接残余变形的基本概念本节内容：本节内容： 焊接残余应力移动热源准稳态温度场的塑性区移动热源准稳态温度场的塑性区焊接过程中各个区域金属变形示意图 焊接残余应力产生的原因主要是由于焊件被焊接完成以后，焊接结构件沿焊缝方向和

2、垂直于焊缝方向的收缩，以及由于焊接所导致的派生变形（角变形和屈曲变形等）所引起的焊接件内部的平衡应力。 杆件加热时的三种变形：杆件加热时的三种变形：自由变形、外观变形和内部变形自由变形：LT=L0(T1-T0) T=LT /L0 = (T1-T0) 外观变形（实际变形）：Lee =Le /L0内部变形：L =(LT Le) =L /L0内应力内应力 = E =E (e T) 图图3-4 金属杆件的受热变形金属杆件的受热变形a）自由变形量）自由变形量b）外观变形量）外观变形量 1. 回顾回顾 内容内容3) 金属屈服点假定金属屈服点假定 低碳钢低碳钢屈服点屈服点随温度变化如图中随温度变化如图中实线

3、实线2；简化假定为图中简化假定为图中虚线虚线所示的关系。所示的关系。 即在即在500以下时为一条水平线，同常温以下时为一条水平线，同常温屈服点，而屈服点，而600以上呈完全塑性状态，以上呈完全塑性状态，即屈服点为零。即屈服点为零。4) 应力应变关系的假设应力应变关系的假设 材料呈理想弹材料呈理想弹-塑性状态，即材料屈服后不塑性状态，即材料屈服后不发生强化。发生强化。有关力学和物理性能的假定有关力学和物理性能的假定ss1) 平截面假定平截面假定 假定杆件在焊前所取的横截面焊后仍保持为假定杆件在焊前所取的横截面焊后仍保持为平面平面。2) 金属性能假定金属性能假定 材料的某些材料的某些物理性能物理性

4、能不随温度的变化而变化，如不随温度的变化而变化，如线胀系数线胀系数 ()、比热容、比热容(c)、热导率、热导率()等。等。 1. 回顾回顾 内容内容受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程-教材P121）max500;|osTC受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力ttTT01t2t TT 1. 回顾回顾 内容内容 2）max500; |osTC受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力0Tt1t2t 3t4ts2psrsTTT 1. 回顾回顾 内容内容3）soCT|;600max受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力s01t2t3t4tts 5t6t7t4psTs500600Co50

5、0Co600T 1. 回顾回顾 内容内容低碳钢杆件的应力与变形的低碳钢杆件的应力与变形的总结：总结： 构件构件均匀加热均匀加热时，如在时，如在升温过程升温过程中只产生中只产生弹性变形弹性变形，那么在，那么在自自由冷却由冷却时，此变形将归零。时，此变形将归零。 完全约束的杆件完全约束的杆件，在，在不高的温度不高的温度(低碳钢加热不超过低碳钢加热不超过100)，应，应变超过屈服应变时即产生变超过屈服应变时即产生压缩塑性变形压缩塑性变形，该变形在自由冷却后，该变形在自由冷却后将被保留下来。如果在将被保留下来。如果在冷却时受约束冷却时受约束，则必然会产生，则必然会产生拉拉应变和应变和拉应力拉应力。 完

6、全约束的杆件完全约束的杆件，即使加热温度较高（低碳钢加热温度超过，即使加热温度较高（低碳钢加热温度超过600）应变超过屈服应变时，产生的）应变超过屈服应变时，产生的拉伸塑性变形拉伸塑性变形足以使它在足以使它在冷却时产生的拉应力达到材料的冷却时产生的拉应力达到材料的拉伸屈服点拉伸屈服点。 1. 回顾回顾 内容内容2 焊接引起的应力与变形 焊接时发生焊接应力和变形的原因是焊件受到不均匀加热，同时因加热引起的热变形和组织变形（相变）受到焊件本身刚度的约束。 焊接过程中焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和试件完全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或剩余的应力变形。 应

7、力通常表示方法（配以图示） 将沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以x表示； 将垂直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以y表示； 对厚度方向上的残余应力以z表示。2.1 引起焊接应力与变形的机理及影响因素 图图 引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系2.2 焊接应力与变形的演变过程(*）图图 薄板中心堆焊时横截面上的纵向应力变形演变过程薄板中心堆焊时横截面上的纵向应力变形演变过程3.焊接热应变循环 图图 低碳钢焊接近缝区的热循环与热应变循环示意图低碳钢焊接近缝区的热循环与热应变循环示意图a)离焊缝较远、最高温度低于相变温度离焊缝较远、最高温度低于相变

8、温度b)离焊缝较近、最高温度高于相变温度离焊缝较近、最高温度高于相变温度在热循环过程中，材料性能的变化在热循环过程中，材料性能的变化 (焊接热裂纹形成条件)金属降温通过金属降温通过TB时是否发生开裂，时是否发生开裂，取决于三个因素：拉伸应变随温度取决于三个因素：拉伸应变随温度的变化率的变化率 （即通过（即通过TU点的射线的点的射线的斜率）的大小、脆性温度区间斜率）的大小、脆性温度区间TB的大小和金属处在这个区间内时所的大小和金属处在这个区间内时所具有的最小延性具有的最小延性min。 T316-3,)(中射线图产生裂纹cTT216-3,)(中射线不产生裂纹，图cTT图图 金属在高温时的延性和断裂

9、金属在高温时的延性和断裂116-3)(中射线为临界值，图cT在焊接冷却过程中，特别是在在焊接冷却过程中，特别是在200300范围内的塑性变形会消耗金属的范围内的塑性变形会消耗金属的一部分延性，对金属在室温和低温下的一部分延性，对金属在室温和低温下的延性有较大的影响，使其发生延性耗竭。延性有较大的影响，使其发生延性耗竭。这种现象在低碳钢，特别是沸腾钢中表这种现象在低碳钢，特别是沸腾钢中表现得更为明显，这被称之为热应变脆化。现得更为明显，这被称之为热应变脆化。 4 焊接残余变形 4.1焊接残余变形的分类 （1）纵向收缩变形）纵向收缩变形 （2）横向收缩变形）横向收缩变形 图图3-48 纵向和横向收缩变形纵向和横向收缩变形（3）挠曲变形）挠曲变形 :挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起 图图3-49 挠曲变形挠曲变形a）由纵向收缩引起的挠曲变形）由纵向收缩引起的挠曲变形 b）由横向收缩引起的挠曲变形）由横向收缩引起的挠曲变形（4）角变形）角变形 表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移 图图3-50 角变形角变形 （5）波浪变形）波浪变形 （6）错边变形）错边变形 图图3-51 波浪变形波浪变形图图