焊接应力与变形

焊接变形
ε ε 低碳钢应力应变关系 ε-变形率， εe-外观变形率，
σ= E·ε=E ( e － T)
εT-自由变形率
1)伸长受阻但可自由收缩 2)伸长受阻自由收缩
结论：
1)当ε﹤εs时，杆件可以 恢复到原来的长度，则 杆件中不存在应力；
2)当ε﹥εs时产生残余
变形
不均匀温度场作用下的变形和应力
s 0,T 600C
受拘束体在热循环中应力与变形
1. s E(e T )
弹性状态， 无残余应力
受拘束体在热循环中应力与变形
2. s ,TMAX 500C E(e T ) Ts s 100C
E
α-线膨胀系数
有塑性变形 及残余应力
残余应力等于材料屈服极限
3. s ,TMAX 600C
横向应力产生的原因
2) 由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力
焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位 的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力， 而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用， 因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果， 在焊缝的最末段也将产生压应力。 上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。
不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：M=P•Z 构件的挠度可由下式求得： f ML2 PZL2
8EI 8EI
式中：P-不对称纵向焊缝形成的偏心力 Z-塑性区中心到截面中性轴距离 L-构件长度；I-构件截面惯性矩
(四)横向收缩引起的挠曲变形
横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横 向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯 曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。
焊接结构中经常会出现多轴应力状态
焊接应力的不利影响
1.降低承载能力 2.引起焊接裂纹，甚至脆断 3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹 4.引起变形
焊接变形
焊接变形的分类：分七类
㈠纵向收缩变形 ㈡横向收缩变形
(三)角变形
产生原因：横向收
E
' e
dx
B
C
C
2
2
2
B
2
＝E ‘e (B C) E
[
’ e
f p (x)]dx
0
B 2
不均匀温度场作用下的变形和应力
➢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。 ➢温度恢复到原始状态时 当ε<εs时，内应力消失 当ε>εs时，产生残余应力和塑性变形，中 心受拉，两边受压。
2. 横向焊接应力
1)焊缝纵向收缩时,钢板有相对弯曲的趋向,中部—拉应力;两端—压 应力
2）后焊焊缝收缩 受限—横向拉应力; 先焊焊缝--压应力, 远端--拉应力
横向应力产生的原因
1) 由纵向收缩变形引起的横向应力
单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起挠曲 变形。 两块板对接焊时， 相当于两块板进行对 称的单边堆焊，其挠 曲变形方向相反，由 于相互制约，将在焊 缝中部产生横向拉应 力，在焊缝两端出现 横向压应力。
焊接残余变形---焊接冷却后引起的产生的变形。
焊接应力的分类：纵向、横向和厚度方向
具备条件：
1、不均匀温度场 2、变形受到约束 3、塑性变形
1. 纵向焊接应力
纵向 -- 施焊方向
拉
l
l ---自由伸长量 l ---共同伸长量
l
l
l l
压
l
加热中间板块, 中间板块伸长。由于变形协调，中间变形受到
约束．共同伸长 l ，中间受压，两端受拉。 冷却 ：中间回缩，中间受拉， 两端受压。
拉压平衡，残留在构件中。
1. 纵向焊接应力
冷却收缩时 ：焊缝附近产生拉应力 焊缝远处产生压应力
纵向应力产生的原理
纵向应力产生的原因
自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比， 假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成。 在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布 情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样 就不会出现内应力。
这种应力存在许多工程结构中，如铆接结 构、铸造结构、焊接结构等。
基本概念
内应力按分布范围分为：
第一类内应力（宏观，工程中主要研究 对象） 第二类内应力（晶粒尺寸） 第三类内应力（晶格尺寸）
基本概念
内应力按产生原因分类： 温度应力及残余应力
㈠温度应力（热应力）
➢产生条件：受热不均匀 ➢温度均匀结果：应力残留或消失
第8讲 焊接应力与变形
钢材-焊→接 船体
骨材，加筋板架，舱段，分段合拢
焊接变形与残余应力
第8讲 焊接应力与变形
授课内容： 几个基本概念 焊接应力与变形 典型焊接变形
基本概念
一、内应力及产生原因 当物体受到不均匀作用(如局部加热或加压)
就会产生应力，如果作用取消后物体内部还有 应力的话，把这种没有外力作用平衡于物体内 部的应力，称作内应力。
焊接应力应变的演变过程
截面I塑性温度最宽处
截面II最高温度为600℃
截面III离热源稍远处 截面IV温度恢复到常温
焊接应力应变的演变过程
在截面I处，横向温度高于600℃范围内自由变形 全部为塑性变形，应力为零，横向温度在600℃至 100℃范围内，出现压缩弹性变形和部分塑性变形， 较远处出现拉应力。
截取板条的单位长度研究
温度低，无塑性变形，应力平衡：
B/2
Y ..dx B / 2
B/2
E [ e f (x)]dx 0 B / 2
温度高，产生塑性变形，残余应力：
B
B
2
2
Y dx E (‘e p )dx
B
B
2
2
C
C
B
2
2
2
＝E
‘edx＋E
[
’ e
f p (x)]dx
如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度 高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其 对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应 力，低温部分产生拉应力。
当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性 变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部 分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸， 产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。
(五)错边变形
纵向热源加热沿横向或厚度方向不对称， 导致长度方向错边和厚度方向错边。
(六)螺旋变形
焊接纵向焊缝时，沿纵向产生不同的角 变形，可能导致螺旋变形。
(七)波浪变形
焊接薄板时，在纵向和横向焊缝作用下， 薄板内部将产生压应力，当薄板某处的压 应力与薄板的刚度(EI)之间关系超过临界值 时，薄板将失稳，形成波浪变形。
非对称加热（一侧加热）
(二)长板条一侧加热
板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。
非对称加热（一侧加热）
结论：
当ε﹥εs时产
生残余应力和 残余变形（如 图2－7）；
当ε﹤εs时不
产生残余应力 和残余变形；
焊接应力与变形
金属高温性能随温度变化 对于低碳钢：
s c,T 500C
s c0,T 500600C
(七)波浪变形
产生原因：受压部位失稳
焊接变形的影响
焊接变形影响结构尺寸的准确、美观 可能降低结构承载能力（附加弯曲应力）
焊接变形的影响
焊接变形可能降低结构承载能力 举例二
问题
什么是内应力？什么是温度应力？什么 是残余应力？ 焊接应力的分类和形成原因？
应力分布状态
3. 厚度方向焊接应力
焊厚钢板,冷却时,外围先冷固,内层收缩 受限,焊缝中部受拉,四周受压.
应力分布状态
当板材较厚，不能按照平 面应力假设考虑时，厚度 方向的内应力也起作用， 这就产生了三轴应力状态， 如图16。
多轴应力状态下，材料的屈服极限不 再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得 的结果，甚至可能发生不出现明显屈 服就断裂的情况。其断裂强度至少要 超过标准屈服极限的二倍。
L • T
L 1.2 10 5 600 0.72%
船用低碳钢的 延伸率>20%, 故不可能产生 断裂。
典型焊接温度场
平面假设的适用条件： ①焊接速度快
②材料导热慢(钢)
焊接温度场
在AB和A'B'区域中金 属完全处于弹性状态， 内应力正比于内部应 变值。在DD'区域内， 金属的温度超过600℃， σs可视为零，不产生 应力。在DC和D'C'区 域，温度从600℃降至 500℃，屈服极限迅速 从零上升到室温时的 数值。因此在这两个 区域里内应力的大小 是随σs的增加而增加 的。
研究的前提条件：平面假设原理 假设一个长度比宽度大得多的板条，
当构件受纵向应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。
不均匀温度场作用下的变形和应力
㈠长板条中心加热
➢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。 ➢实际上，组成板条的小窄条 之间是互相牵连和约束的整 体，截面必须保持平面。由 于温度场在板条上的分布是 对称的，故端面只作平移。
焊接热应变循环
近缝区的两种情况：a)无相变；b)有相变
金属在高温时的延性和断裂
产生裂纹三个因素
① / T大小
②脆性温度区ΔTB ③金属塑性δmin
1-临界条件 2-不产生裂纹 3-产生裂纹
焊接瞬态应力变形研究的新发展
有限元法和计算机技术的应用取代简单计算
焊接应力的分类和形成原因
焊接残余应力---由于焊接时产生不均匀温度场，导致焊件不 均匀胀缩，冷却后引起的内部残存应力。
举例
残余应力
产生原因：不均匀加热 产生条件：局部区域产生塑性变形或相变