焊接应力与变形

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3.2 焊接应力与变形机理分析
3.2.1 焊接应力与变形的基本概念
提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过程热循环中 的热变形与热应力循环 的分析，使我们深刻理解焊接应 力与变形的产生过程及残余应力与变形的产生机理。
方法：利用应力、应变循环图直观分析。
基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。
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3.2.3 材料屈服限的变化 （1）低碳钢应力应变曲线示意图
σ
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ε
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（2） 材料屈服限的变化
• 提示：材料的机械性能随温度的变化而变化，当温度变化 幅度较大时，其性能变化幅度也是十分惊人的！
• 低碳钢屈服限随加热温度的变化关系
σ
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500
600 T
塑性温度600
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三种基本变形的图解
△LT
L0
△Le △L
可见， △L=| △ L T － △Le|
又有, △L= △Le － △ L T 即, △Le = △ L T + △L
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考虑到拉压关系 应力分析的重要公式
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三种变形的应变形式
• 只要将公式 △Le = △ L T + △L
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3.1 内应力与变形的基本知识
Welding Stress and Deformation
3.1.1 焊接应力的基本知识
（1）内应力的概念
内应力定义— 指在无外力作用下平衡于物体内部的应力。 内应力特点— 拉压共存；拉压平衡；在应力分 布图上至少有3块面 积。 内应力别名— 初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。 内应力举例—铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力
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收缩变形——纵向、横向
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角变形
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波浪变形——失稳变形
弯曲变形
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扭曲变形
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错边变形
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（3）焊接变形的几点说明
a. 区别伪波浪变形与真正波浪变形的本质不同； b. 注意焊接错边与装配错边的本质不同； c. 注意分析各种变形的产生原因及相互关系。 解释与提示： 伪波浪变形的本质是：角变形的连续 表象； 真正波浪变形本质是：薄板受压失稳 行为；
ε＝εe －εT
这两个公式一定要牢记！
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3.2.2 试件内部的应力
提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束—等效于外 力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。
计算方法： 在弹性范围内 σ＝ E ·ε ＝ E（ εe － ε T ） 超出弹性范围 则有 σ＝ σs
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受
铆钉
拉
区
工件
x
x
受 压
内应力
区
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中心区域受拉 两边区域受压
x y
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内应力是一种普遍存在的现象
内应力作用的可能结果：
① 菜板为什么会裂？ ② 熟好的西瓜为什么容易裂开？ ③ 腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？ ④ 钢筋混凝土预制构件中有无内应力？ ⑤ 铸件、焊件为什么会开裂？
（4）刚性拘束板条
① Tmax<100℃
T,ε
T
εT
t1
1
σ
t2 t t
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②内部应变小于屈服应变，Tmax<200
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T
p
T
t1 t2
t3 t4
s
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③200<Tmax<500
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T p
T
t1
t2
t3
t4 t5
s
s
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④500<Tmax<600
氢压所致的内应力。
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④ 按应力状态分为： 单向应力—又称线应力，存在于窄板条结构； 双向应力—又称平面应力，存在于薄板结构； 三向应力—又称体积应力，存在于厚板结构。
三向应力的符号表示：σx , σy , σz 。 σx ——纵向应力，即平行焊缝方向的内应力； σy ——横向应力，即垂直焊缝方向的内应力； σz ——板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。
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（3）当温升 T ＞ ＞ TS时， 内部变形|ε | ＞ ＞ εs ； 这时，材料内部产生的塑性变形一旦达到：
|εp | ＞ εs 的状态，那么，冷却终了时，试件中不但 会产生达到σs 的拉应力，还会产生新的拉伸塑性变形ε’p ！
这就是所谓的热塑性变形循环！
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因此，加热循环结束后，试件也没有任何残余变形。 试件最终恢复原始状态，所以，其内部也没有残余应力！
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（2）当温升 T ＞ TS时，内部变形ε＞ εs ； 材料内部就会产生塑性变形，
即|εp | ≠0；(假设< εs ) 材料处于弹—塑性状态。 因此，在冷却过程中： 若允许试件来自百度文库由收缩，热循环结束后，试件就会产生 尺寸缩短|εp |的 残余变形！ 若不允许试件自由收缩，那么，冷却过程就会产生拉 应力，最终，就会产生残余拉应力！
t2 t3 t4
t5
s s
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非刚性约束
T
p
T
t1 t2
t3 t4 t5
t6
s
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3.2.6 长板条中心加热试件分析
• 分析前提——平面变形假设 表述：试件上处在同一平面的点，在整个热变形过程中始 终保持在同一平面上！
• 加热条件：长板条中心加热 1) TMAX ≤ TS 2) TMAX ＞ TS
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3.1.2 焊接变形的基本知识
（1）焊接变形的概念 —焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状的改变。
（2）焊接变形的分类：
① 按产生时序分为：
瞬时变形—即指焊接过程中工件的动态变形； 残余变形—焊后，残留于工件中的变形。
瞬时变形是一个过程； 残余变形是最终结果。
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约3%的膨胀
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热胀冷缩 不均匀
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例:高速钢
莱氏体钢，含有大量合金元素
过冷奥氏体转变为淬火马氏体，由于前者比容小，后者比容大，钢 从收缩状态逆转为膨胀状态，
组织应力：金属内外层相变引起的比容变化不同时性产生的内应力 热应 力：大型刀具的表面和中心以及厚薄不同处因加热和冷却速度
终恢复到原始状态。所以，单元体内部也没有任何残余应 力！
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(1) TMAX ≤ TS 的最高温度状态
T
＋
|εmax |≤ εs
－
εT εe
实际状态 平面变形
假想状态
各自独立
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冷却终了：
由于TMAX ≤ TS ，故内部变形ε≤ εs ； 单元体内部没有塑性变形，即εp ＝0； 单元体内每个小窄条处于完全弹性状态。 因此，加热循环结束后，单元体没有任何残余变形，最
① 绝对刚性拘束，等价 εe ≡ 0 ！ 因此， ε ≡ －εT = －α·Τ
② 达到TS时, 试件中对应的应力值为－σs ！ ① 低碳钢的相关材料常数：
②
α＝12×10－6/℃， E=2×105 N / mm2
③
σs =240N / mm2
④ 代入具体参数可得： －σs＝E·ε＝－ E·α·Τs
整理后，得 Τｓ ＝ σs /（ E · α） ＝ 240/(2×105×12×10-6） ＝ 100 ℃
不一致形成温度差，导致体积膨胀与收缩不同而产生的内应力 附加应力：刀具表面和内部组织结构不均匀以及工具内部弹性变形
不一致形成的内应力。 当以上三种应力之和大于材料的破断抗力时，则形成淬火裂纹。
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（3）内应力分类
① 按分布范围分：
• 宏观内应力：平衡范围整个结构 第一类内应力 √ • 微观内应力：平衡范围晶粒之间 第二类内应力 • 超微观内应力：平衡范围晶格之间 第三类内应力
两边同除以试件 的原始长度L0，即得到各自的应变形式：
εe ＝ εT ＋ε 其中， △ L T ＝ L0·α·Τ
△ Le 可测量
可计算
因而， △L 可间接计算得到
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三种变形的分析结论： 外观变形在数值上等于自由变形与内部变形的代
数和。 它的应变表达式为：
εe ＝ εT ＋ε
它的等价形式为：
焊接应力与变形
本章内 容
3.1 内应力与变形的基本知识 3.2 焊接应力与变形机理分析 3.3 焊接残余应力 3.4 焊接残余变形 3.5 焊接残余应力与变形的测量和调控
焊接残余应力及残余变形的概念、 焊接应力及变形的形成过程、 焊接残余应力的分布、影响、控制及消除措施、 焊接残余变形的形式、影响、控制及消除措施
即在绝对刚性拘束下， 只要温度升高100℃， 低碳钢小试件便达到屈 服状态！
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3.2.4 典型拘束状态的表征
• 绝对自由拘束： εe ≡ ε T ，ε≡ 0 • 绝对刚性拘束： ε≡ －ε T ，εe ≡ 0 • 弹性拘束： εe ≠ε T ， ε≠ 0
——上述几种拘束状态的表征，在以后的应力分析中会 经常提到！
（3） TP与TS
• TP ——指金属在升温过程中达到σs为0时所对 对应临 界温度。
• TS——指金属在升温过程中，内部应力达到σs时所对 对应临界温度。
• 举例：对于低碳钢TP＝600℃； • TS的讨论：
——分析低碳钢小试件在不同拘束条件的TS ＝？℃
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低碳钢在绝对刚性拘束时的TS
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（2）产生原因
① 不均匀塑性变形：冷轧、冷弯
② 不均匀温度场：焊接
③ 不均匀相变：如奥氏体－马氏体转变
钢中膨胀系数由大到小的顺序为：
奥氏体>铁素体>珠光体>上、下贝氏体>马氏体；
比容变化相反：
马氏体>铁素体>珠光体>奥氏体>碳化物
→奥氏体－马氏体转变→体积？ ④ 不均匀化学反应
——它们都是构件 刚性不足 的表现形式。 装配错边是机械装配精度不足所为；
——是铆工的责任！
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d) 焊接错边的本质原因是： 焊接件坡口两侧母材热变形不一致或受热状态不同所
致。具体原因可能是： 1）电弧偏吹； 2）异质接头； 3）不等厚接头； 4）散热条件不同； 5）拘束条件不同。
② 按焊接变形的形貌分为： 纵向收缩ᅀL—工件在焊缝方向的尺寸缩短行为； 横向收缩ᅀB—在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为； 角变形β —工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移； 波浪变形—薄板工件在板平面上产生的凸凹不平； 弯曲变形—工件轴线产生的挠曲变形； 扭曲变形—工件整体产生的螺旋变形； 焊接错边—工件的坡口两侧母材产生局部不平。
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（4）各种变形的相互联系
• 纵向收缩 • 横向收缩
是两种基本变形形式，是二维收缩的结果！
• 角变形的本质是：横向收缩在厚度方向上的不等量分布所 致。
• 扭曲变形的本质是：角变形在焊缝长度方向上的不等量分 布与不对称焊接所致。
• 弯曲变形可能是：纵向收缩和/或横向收缩造成的。即把 焊缝的偏心收缩产生的偏心力矩理解为偏心压缩！
T
p
T
t1
t2 t3 t4 t5
t6
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s
s
s
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⑤Tmax>600
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T
p
T
t1
t2 t3 t4 t5 t6
t7
s
s
s
s
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• 当杆件所受拘束不是刚性拘束，如在膨胀过程中可以部分自由变 形，或在收缩过程中可以自由收缩等，在这种条件下杆件内部的 应力、变形？
T
T
p
t1
② 按应力变化与时间的关系分：
• 瞬时应力：应力随时间变化 √ • 残余应力：应力不随时间变化 √
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③ 按产生原因分为:
热应力(又称温度应力)—由于焊件经受了不协调的热变形所致。 相变应力—由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的
比容变化所致。 拘束应力—由于工件自身或外加夹具的拘束作用产生的内应力。 凝缩应力—因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。 氢致集中应力—因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成
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拘束条件不同时，同样加热到400℃，冷却后有什 么变化？
在任意时刻， T e
杆件的内部应变 T e 0 杆件内应力为0。
T,
T
T
t
t
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3.2.5 刚性拘束板条残余变形与残余应力 （1）当温升T≤ TS时，内部变形ε≤ εs ；
材料内部没有塑性变形，即εp ＝0； 材料处于完全弹性状态。
基本符号： △ L T
△Le
△L
应变表示： ε T
εe
ε
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三种基本变形的定义
自由变形 —在温度变化时试件的变形不受任何限制，能够充分表现
出来的变形 外观变形 —由于某种拘束作用的限制，使得试件的热变形不能充分
表现出来，把其中表现出来的部分变形称为外观变形 内部变形 —未表现出来的那部分就称为内部变形