第1章__焊接应力与变形(修改后)

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(三)焊接结构产生应力和变形的原因
1)杆件的不均匀受热. 根本原因——焊接过程的加热和冷却受到周围冷金属的拘 束，不能自由膨胀和收缩。 2）焊缝金属的收缩 3）金属组织的变化 4）焊件的刚性和拘束 刚性是指焊件抵抗变形的能力。是焊件本身的性 能，与焊件材质 焊件截面形状和尺寸等有关。 拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。是一种 外部条件。 刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小， 焊接应力越大，反之相反。
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第1章 焊接结构中的应力与变形
§1.1 焊接应力与变形概述 §1.2 焊接残余应力 §1.3 焊接残余变形
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§ 1.1 焊接应力与变形概述
一、应力和变形的基本概念 (一) 应力及应力的产生
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• 按分布范围不同分类： • 第一类内应力：也称宏观内应力，其平衡 范围很大；焊接中涉及的是此类。 • 第二类内应力：也称微观内应力，其平衡 范围比前者小得多，相当于晶粒尺寸； • 第三类内应力：也称超微观内应力，其平 衡范围更小，相当于晶格尺寸。
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(36) • 由上述讨论可知： • 对构件进行不均匀加热，在加热的过程中，只要温度高于 材料屈服点温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后勤 工作构件必然有残余应力和残余变形。 • 通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向 相反。 • 加热时，焊缝及附近区域产生压缩塑性变形，冷却时压缩 塑性变形区要收缩。如是这种收缩能充分进行，则焊接残 余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行， 则焊接残余变形小而焊接残余应力大。 • 焊接过程和焊接结束后,焊件中的应力分布都是不均匀的., 焊接结束后,焊缝及其附近区域的残余应力都通常是拉应 力.
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二、构件中焊接应力与变形的产生
（一）均匀加热时应力与变形的产生 1、不受约束的杆件在均匀加热时的应力和变形
不受约束的杆件在均匀加热时的应力和变形：变形 属于自由变形，杆件加热过程中不会产生内应力，冷 却后无残余应力和残余变形 。即
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二、焊接残余应力的分布
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图1-5 对接接头纵向残余应力 图1-6 板边堆焊时的 在焊缝横截面上的分布情况 纵向残余应力与变形
图1-7 不同长度焊缝纵截面上 纵向残余应力σ χ 的分布 a)短焊缝 b) 长焊缝
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根据应力与焊 缝的相对位臵 根据应力产生 作用的时间
向与焊缝平行 1.纵向应力：应力作用方 向与焊缝垂直 2.横向应力：应力作用方
现的应力 1.瞬时应力：焊接过程出 应力 2.残余应力：焊后留下的
均匀加热引起的应力 1.温度应力：由于焊件不 根据应力 变形受到拘束引起的应 力 2.拘束应力：由于焊件热 形成原因 3.组织应力：由于接头金 属组织转变时体积变化 受阻
在拘束状态下焊接的残余应力
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6、相变应力
产生的原因：不同的组织肯有不同的密度和不同 的晶格类型，从而具有不同的比体积。 如果相变的温度高于金属的塑性温度TP （材料屈服强度为零时的温度），则由于体积处 于完全塑性状态，比体积的变化完全转化为材料 的塑性状态，故不会影响焊后的残余应力分布。
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半无限体上移动点热源前 方和后方的温度分布，准 稳定状态，移动坐标系
半无限体上的移动点热源周围的温 度场，a),b)x、y轴线上的温度， c),d)表面和横截面上的等温线
图1-1 半无限大体温度场
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Байду номын сангаас
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• 低碳钢焊接温度场
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α＋ ＋Ｆｅ３Ｃ
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图1-4 钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形 a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形 d)假设各板条的收缩 e)冷却后的变形
s降低为零，压应力消失。此时变 当温度达600ºC时，
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s 逐惭升高，此时 当温度冷却至600ºC时，性能开始恢复， 杆端以4点为起点收缩，由于收缩受阻，杆内会产生拉
伸变形和拉应力。 当温度冷却至500ºC时，材料完全恢复弹性，拉伸塑变增 加，而拉应力达到屈服点，则不再增加。 小结：杆件均匀受热，若升温时产生塑变，则会形成 残余变形。 完全约束杆件：在不高的温度下产生压缩塑变，则 变形会在冷却后被保留下来。若冷却时受约束，则会 产生拉应变和拉应力。
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三种变形及其关系 自由变形
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外观变形
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(二 )杆件在加热、冷却过程中的应力、应 变演变假设
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(20) 未表现出来的变形即为内部变形,其变形率为:
L b LT sh T L0 L0
若加热温度较高，杆件的压缩变形量增大，当压缩变形率 超过材料的屈服变形率时，此时的变形率由弹性变形 率εe和塑性变形率εp组成。 当 t t1 时，杆件发生塑变，出现压应力，当升高至t2 时，压应力达材料屈服点，开始出现塑变；在t3时， 塑变量最大。随后随温度降低，开始从2点开始发生收 缩。在t4时，杆件比初始长度缩短，这部分长度正好 等于压缩塑性变形量。
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3）平截面假定：假定构件在焊前所截取的截面焊接后仍 不变，即构件只发生伸长、缩短、弯曲，其横截面只 发生平移或偏转，截面本身并不变形。 4）金属性质不变的假定：假定在焊接过程中，材料的某些 热物理性质不随温度而变化，如线膨胀系数（α）、热容 （C）、热导率（λ）等
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