焊接残余变形

6
1 180 K=6 2
6 180
3
6
150
K=6 150
4
6
题2图
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题3图
4. 横向收缩引起的挠曲变形 横向焊缝的中心与构件中心不重合时，焊缝的横向收缩也会引 起结构的挠曲变形
F----构件截面积，L----构件长度 因此，△L取决于F、L、∫fp εp · dF、 fp的大小：方法、焊接参数 εp的大小：材料性质
影响纵向收缩的因素：
1)规范： q / v↑, ∫fp↑,→Pf↑, △L 2)焊接方法： 不同的焊接方法，热源集中度不同，则HAZ大小不同， 也即 Fp不同 3)材料性质： α,λ↑, → ∫fp ↑, △L↑ α不锈钢＞α低碳钢 λ铝＞λ低碳钢
2.角焊缝
丁字接头和搭接接头角焊缝的横向收缩，其实质与堆焊类似，其数值 取决于加热该构件的那部分热量及板厚 线能量应取输入到横板上的热量：
q 2δ H • v 2δ H + δ V
δH──横板厚度 δV──立板厚度
立板越厚，横板上的热量越小，横向变形也越小。
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1 M2 = ρ E⋅I
ε =
E I---构件抗弯刚度
∆B2 l
f
δ2
h
L-△B2
则 ：P =
= ∫ σ ⋅ dF
F2
∆ B2 ⋅ E ∆ B2 ⋅ E ⋅ F2 ⋅ dF = l l F2
∫
h δ M 2 = Pf ( − 1 ) 2 2 1 F ⋅ ∆ B2 h δ 1 ∆B2 ⋅ S 2 ( − )= 则： = 2 ρ I ⋅l 2 2 I ⋅l l ∆ B1 ⋅ S1 φ1 = = ρ I S1 = h1 ⋅ δ 1 ⋅ e 1 l f0 = ⋅ϕ ⋅ 2 2 f = 5 ⋅ φ ⋅ l + 4 ⋅ φ ⋅ l + 3φl + 2φ l + φl φ = φ1 + φ 2
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ε = 则 ：P = M
∆ B l
f
2
=
2
F
∫σ
2
⋅ dF ⋅ dF = ∆ B
2
F
∫
2
∆ B
⋅ E
l = P (
⋅ E ⋅ F l
2
δ1 h − ) 2 f 2 2 F2 ⋅∆ B 2 h 1 δ1 ∆ B 2 ⋅ S = ( − ) = 则 ： I ⋅l I ⋅l ρ 2 2 l ∆ B1 ⋅ S1 = φ1 = I ρ S 1 = h1 ⋅ δ 1 ⋅ e l 1 ⋅ϕ ⋅ 2 2 f = 5 ⋅φ ⋅ l + 4 ⋅φ ⋅ l + 3φ l + 2φ l + φ l f0 = φ = φ1 + φ
加热时 ─ 焊接面高温，产生压缩塑变; 背面低温，甚至产生拉伸变形。 冷却后，产生弯曲变形，即角变形.
2) 影响因素：其大小与横向收缩力及其作区偏离板件形心的距离有关.
a. 压缩塑变区大小---横向收缩力的大小：与板宽度上的温度分布有关，高温区越 宽，变形量越大。 b. 压缩塑变区的分布---塑变区中心到梁的中性轴的距离：与厚度上的温度分布有 关。 c. δ── 影响抗弯刚度.
计算实例：(p22) 已知条件： FH 、F、L、 k1 ──低碳钢，埋弧焊 计算式：
L ⋅ FH ⋅ k1 ∆L = F
注意：a.工字形构件纵向收缩量相当于一对带有双面角焊缝
的丁字构件的纵向收缩量。 b.双面角焊缝的丁字接头，用单面角焊缝的面积乘1.15 ～1.40倍。
L ⋅ FH ⋅ k1 ∆L = ⋅ 15 ⋅ 2 = 3 .16 mm F
挠度的估计：单道焊缝:
k1⋅ ⋅ FH ⋅ e ⋅ L2 f = 8I
乘以系数k2 ,
多道焊缝:
k1 ⋅ k 2⋅ FH ⋅ e ⋅ L2 f = 8I
双面角焊缝：乘以系数1.15 ～1.40
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垂直的平面内变形。 ──非对称结构、焊缝不在 构件中性线上时发生。
4.角 变 形：
──焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。 ──厚度方向的非均匀热分布造成紧靠焊缝线的变形。
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5.波浪变形：焊后构件呈波浪形。
──当板件较薄时，热压缩应力造成失稳。
6.错边： 长度方向 厚度方向
7.扭转(螺旋形变形)：焊后结构上出现的扭曲
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二、纵向收缩
1 . 纵向收缩量分析
k1 ⋅k2 ⋅ F ⋅ L H F
式中：a)k1表示焊接方法和材料对△L的影响(表2-1) k2表示材料强度和焊接层数的影响 k2＝1+85·εs·n 对低碳钢：εs＝σs /E＝1.2×10-3 k2＝1+0.1n b)FH表示焊接规范(q/v)的影响，多层焊时，FH用单层焊时 的焊缝面积计算。
3. 对接 (1)形成原因
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3. 对接 (1)影响因素 a.焊缝金属量──q / v b.根部间隙：↑，△B↑ c.接头设计：单V比双V型的△B大 d.拘束度 ↑ ，△B↓， 点固焊、装夹刚度 e.多层(道)焊：──焊缝层数、道数，每层、每道的线能 量等， (2)△B的估计： 经验公式 △B＝0.18 FH / δ(mm) FH－焊缝截面积
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4)预热: 两方面作用: a)To提高，相当于 q/v↑, →fp↑, △L↑; b)To↑↑, 工件温度趋于均匀化，εp↓, →∫fp ↓,→Pf↓, △L↓. 铸件补焊：如经高温预热，可使变形减小，防止裂纹的产生。 5)工艺措施： A.多层焊 B.间断焊
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3.纵向焊缝引起的挠度
当压缩塑变区对构件中心不对称时，相当于Pf不对称于构件中心， 势必在构件中引起一个力矩，使构件弯曲－挠曲.
M ⋅L f = = 8⋅ E ⋅ I 8⋅ E ⋅ I
筋板对称中心时，总挠度：
f = 5 ⋅ φ ⋅ l + 4 ⋅ φ ⋅ l + 3φl + 2φl + φl
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四、角变形
1. 堆焊 1)原因： 厚度方向温度分布不均匀──横向塑性变形不均匀→角变形
2
2
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a.
筋板与翼板间的焊缝引起挠曲变形
L=1 δ1
分析方法：△B2→弯曲(工字梁)→f→Φ→ρ
△B2 引起的弯曲看作为一假想力矩M2的作用。 l 在M2 的作用下，构件弯曲曲率为：
单层焊
2.纵向收缩量的估计
多层焊
精确计算：εp 的计算←温度场、物理、机械性能 工程计算：近似估计─数量级的估计
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1)对接：
采用下列经验公式 单层焊 多层焊
△L:
k1 ⋅ F ⋅ L H F
第三节 焊接残余变形
一、焊接残余变形的分类
1.纵向变形：──焊后沿焊接方向发生收缩。 2.横向变形：──焊后垂直于焊接方向发生收缩。
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3.挠曲变形： ──在穿过焊缝线并与板件
2
p f ⋅ e ⋅ L2
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影响挠度的因素 1) Pf ：所有影响△L的因素均影响Pf。 2) e· I： 对于组合件，可以通过不同的焊接顺序改变每条焊缝焊接 时中间组合件的刚度(E·I)，和焊缝偏心距 e来降低或消除构件 的挠度。
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例：装焊顺序对工字形构件挠度的影响： 工字形构件结构特征：焊缝对称于中性轴. (1) 装焊顺序：⊥→I
P ⋅ e⊥ ⋅ L2 f12 = 8 ⋅ E ⋅ I⊥ f 34 P ⋅ eΙ ⋅ L2 = 8 ⋅ E ⋅ IΙ
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练习一：
1. 低碳钢钢板用自动焊焊接时，焊件长3,000mm，其它尺寸如图，求纵向 收缩△L。
20 20 1000
2. 一低碳钢焊接T型梁，长L=1,800mm，用手工电弧焊焊接，求梁中最大 挠度fM=?，试讨论fM与△L的相对大小。 3. 有一长为5,000mm的低碳钢焊接梁，截面各部分尺寸及焊接顺序如图 （焊1、2焊缝时，3、4焊缝不加点固焊），试计算其最大挠度（中点gt;> I⊥ , 故
e⊥ / I⊥＞ eI / II
即：f 12＞f 34，
焊后有较大的挠度。
(2) 焊前先点固成 I 字形截面，则近似地有： f 1.2 = f 3.4
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2)丁字接头：
双面角焊缝的丁字接头，类似于多层焊，其塑性变形区重叠计算时 仍沿用单道对接焊的计算公式，焊缝面积FH为一条角焊缝的截面积，两 条角焊缝所造成的塑变区的扩大则在系数1.15～1.40中考虑。
b. 筋板与腹板间的焊缝引起的挠曲:
l ∆ B1 ⋅ S 1 = ρ I S 1 = h1 ⋅ δ 1 ⋅ e △B1─ 筋板与腹板间焊缝引起腹板的横向收缩;
类似分析可得：
φ1 =
e ─ 筋板与腹板间焊缝的中心到工字型构件中性轴的距离.
1 l f1 = ⋅ ϕ1 ⋅ 2 2
单个筋板引起的挠度：
1 l ⋅ϕ ⋅ 2 2 φ = φ1 + φ 2 f0 =
三、横向变形 1.堆焊
1)原因：a) 沿厚度方向温度分布不均匀; b) 沿焊缝方向温度分布不均匀. 2)影响因素： q / v↑: 压缩区大，△B↑; δ ↑: 厚度方向温差大 板的刚度大: △B↓
3)分布特点：沿长度方向不均匀.
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对于长为l的圆弧，曲率半径为ρ时，圆心角为：
l ∆B2 ⋅ S 2 φ2 = = ρ I 1 l f 2 = ⋅ϕ2 ⋅ 2 2
φ
φ
ρ
ρ h1
1 2φ
φ
φ
f
f
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假设εp是由于外力Pf作用的结果，那么，在 塑变区Fp内, dF 面积上作用一微力dPf, dPf使局部 区域的应变为εp。 dPf / dF=σ=E·εp 则: d Pf =E·∫εp · dF Pf =E ∫fp εp · dF 塑变区面积
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