焊接结构生产电子教案--第二单元(课堂PPT)

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• 物体由于外力的作用在其单位截面上出现 的内力称为工作应力。
• 物体在无外力作用的情况下而存在于内部 的应力称为内应力。
• 内应力的分类： • 根据内应力产生的原因不同，可分为热应
力、装配应力、相变应力、焊接应力等。 • 还可以根据内应力所涉及的范围，将其分
为宏观内应力、微观内应力和超微观内应 力。
• 当外力或其它因素去除后变形仍然存在， 物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性 变形。
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自由变形和非自由变形
• 以图2-1中的一根金属杆为例， • 当温度为T0时长度为L0，均匀加热， • 温度上升至T时，若金属杆不受阻，杆的长
度会增加至L， • 其长度的改变ΔLT＝L－L0， • ΔLT就是自由变形，如图2-l a所示。
• 主要因素包括焊件受热不均匀、焊缝金属 的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘 束的影响等，其中最根本的原因是焊件受 热不均匀。
• 此外，焊缝在焊接结构中的位置、装配焊 接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向 等对焊接应力与变形也有一定的影响。
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1．焊件的不均匀受热
• 为了便于了解焊件在不均匀受热时如何产 生应力与变形，
• 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在 于焊件中的内应力。
• 由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。 • 焊接加热及冷却过程中产生的应力与变形，称为
焊接瞬时应力和焊接瞬时变形； • 焊接过程结束后，残留在焊接结构中的应力与变
形，称为焊接残余应力和焊接残余变形。
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能力知识点2 研究焊接应力与变形的几个假定
温度。
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（4）焊接温度场假定
• 通常将焊接过程中的某一瞬间，焊接接头 中各点的温度分布称为温度场。
• 在焊接热源作用下构件上各点的温度在不 断地变化，
• 可以认为达到某一极限热状态时， • 温度场不再改变，这时的温度场称为极限
温度场。
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能力知识点3 焊接应力 与变形产生的原因
• 焊接应力和变形是由多种因素交互作用而 热时的应
力与变形
a）自由状态 b）自由延伸限制收缩状态 c）限制延伸自由收缩状态 d）限制延伸限制收缩状态
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（2）受约束的杆件在均匀加热时的 应力与变形
• 根据前面对非自由变形情况的讨论， • 受约束杆件的变形属于非自由变形， • 既存在外观变形，也存在内部变形。
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在结构内部产生了焊接应力与变形。 • 焊接应力是形成各种焊接裂纹的重要因素， • 焊接残余应力和变形在一定条件下还会严重
影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性、 加工精度和尺寸稳定性等。
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能力知识点1 应力和变形基础知识
• 1．应力 • 物体在受外力作用后，以及在物理、化学或
物理化学变化过程中，如温度、金相组织或 化学成分等变化时，其内部会产生内力。 • 作用在物体单位截面上的内力叫做应力。 • 根据引起内力的原因不同，应力分为工作应 力和内应力。
• 首先对均匀加热时产生应力与变形的情况 进行讨论。
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（1）不受约束的 杆件在均匀加热时的应力与变形
• 根据前面对变形知识的讨论， • 不受约束的杆件在均匀加热与冷却时， • 其变形属于自由变形， • 因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力， • 冷却后也不会有任何残余应力和残余变形， • 如图2-3 a所示。
（1）平截面假定 • 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持
平面。 • 即构件只发生伸长、缩短、弯曲， • 构件变形时其横截面只发生平移或偏转，永
远保持平面。
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（2）金属性能不变的假定
• 假定在焊接过程中材料的某些热物理性质， 如：
• 线膨胀系数(α)、热容(c)、热导率(λ)等 • 均不随温度的变化而变化。
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2．变形
• 定义：物体在外力或温度等因素的作用下， 其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物 体的变形。
• 分类： • 按照物体变形的性质不同，变形可以分为
弹性变形和塑性变形。 • 按拘束条件不同，物体的变形还可分为自
由变形和非自由变形。
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弹性变形和塑性变形
• 当使物体产生变形的外力或其它因素去除 后，变形也随之消失，即物体恢复原状， 这样的变形称为弹性变形。
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• 外观变形：能够表现出来的这部分变形，用 ΔLe表示，
• 外观变形率εe可用下式表示： εe=ΔLe/ L0
• 内部变形：未表现出的变形，用ΔL表示。 ΔL=ΔLT-ΔLe
• 同样，内部变形率ε用下式表示： ε=ΔL/L0
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3．焊接应力与焊接变形
• 焊接残余应力和变形直接影响结构的制造质量和 使用性能，严重时会导致构件的失效甚至报废。
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（3）金属屈服点假定
• 低碳钢屈服点与 温度的关系，如 图2-2中实线所示，
• 为了讨论问题的 方便，
• 可以将它简化为 图2-2中虚线所示。
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低碳钢的屈服强度 与温度关系的假定
• 即在500℃以下，屈服点与常温相同，不随 温度的变化而变化；
• 在500~600℃之间，屈服点呈线性下降； • 600℃以上时屈服点为零，呈全塑性状态。 • 我们把材料屈服点为零时的温度称为塑性
当加热温度较低时
• 加热时：当加热没有达到材料屈服点温度 时（T<Ts），材料的变形为弹性变形，加 热过程中杆件内部存在压应力的作用。
• 冷却后：当温度恢复到原始温度时，杆件 自由收缩到原来的长度，压应力全部消失， 不存在残余变形和残余应力。
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图2-1 金属杆件的变形
• a)自由变形 • b)非自由变形
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• 单位长度的变形量称为变形率，
• 自由变形率用εT表示，其数学表达式为：
•
εT＝ΔLT/L0＝α(T－T0)
• 式中 α-金属的线膨胀系数，它的数值随材 料及温度而变化。
• 非自由变形：如果金属杆在温度变化过程 中的伸长受到阻碍，则变形量不能完全表 现出来，就是非自由变形，见图2-lb。
第二单元 焊接应力与变形
• 学习目标： • 了解有关应力与变形的相关知识; • 掌握焊接应力与变形产生的原因; • 熟悉焊接应力与变形的危害; • 掌握预防及控制焊接应力与变形的措施。
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综合知识模块一 焊接应力与变形的产生
• 焊接时一般采用集中热源在局部加热， • 因此造成焊件上温度分布不均匀，最终导致