-焊接应力-PPT精选

图3-106 焊接箱形梁的不同形式
(2)尽量避免焊缝的密集与交叉非常重要
图3-107 避免焊缝交 叉的措施与最优焊 接顺序 图3-108 轴承的加固形式
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(3)采用压形板来提高平板的刚性和稳 定性，也可以减小焊接量和减小变形
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图3-109 两种隔舱板的形式 a）压形板 b）拼焊板
2020/5/10 d)经不同循环次数作用后内应力峰值的变化
（2）加热方法
一方面材料的屈服极限会因温度的升高而降低 另一方面，高温时材料的蠕变速度加快，蠕变引起应力松弛。
2020/5/10图3-121 钢的弹性模量和屈服极限与温度的关系
表3-2 不同材料消除焊接残余应力的回火温度
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（二）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
加热中心杆，温度均匀 化后，热应力消失。
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6.2 焊接应力与变形的形成过程
3.2.1简单杆件的应力与变形
• 自由变形、外观变形和内部 变形
• 自由变形：
• ⊿LT=α·L0(T1-T0) • εT=⊿LT /L0 = α·(T1-T0)
(4)改变接头设计
图3-110 减小联系焊缝的变形
a）用断续角焊缝焊接面板与槽钢顶面时变形相对严重 b）用塞焊连接则变形较小
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（5）预变形法（反变形法）
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图3-111 几种反变形的措施
预变形法举例二
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图3-112 薄壳结构支座焊接的反变形
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图3-133 通过加强冷却来减小焊接变形的方法
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a）直接水冷 b）采用铜冷却块
（3）合理安排装配焊接的顺序
方案一
焊接次3序12 挠度f1 f2 f3
方案二
焊接次1序 23 挠度f1 f2 f3
方案三
焊接次序 2 1 3 挠度 f1 f2 f3 f1 f3
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∣εp∣= ∣εe -εT ∣- εs；
对于低碳钢，假定杆件中的
应力σ达到σs后就不再升高
—即将低碳钢视为理想弹塑性体
图32-0520低/5/10碳钢的应力-应变曲线
3.2.2不均匀温度场作用下的应力与变形
• 研究的前提条件：平面假设原理 • ㈠长板条中心加热（对称加热）
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图3-6 长板条中心加热示意图
f Pf e L2 8E I
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平面上的封闭环焊缝导致失稳变形
图3-86 平面封闭环焊缝引起的马鞍形变形（计算结果）
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角变形产生的波浪变形
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图3-87 角变形引起的波浪变形
扭曲变形(螺旋形变形)举例
图3-91 工字形梁的扭曲变形 a）焊前 b）焊后
6.2.3焊接引起的应力与变形
• 焊接时发生焊接应力和变形的原因是焊件受 到不均匀加热，同时因加热引起的热变形和 组织变形（相变）受到焊件本身刚度的约束 。
• 焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态 或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和试件完 全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或 剩余的应力变形。
• 焊接残余应力和残余变形会在某种程度上影 响焊接结构的承载能力和服役寿命。
截取板条的单位长度研究
温度低，无塑性变形,应力平衡：
图3-7 长板条中心 加热时的变形
B/ 2
B/2
Y ..dx E(e T) dx
B/ 2
B/2
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B/2
E [e f(x)]dx0 B/2
温度高，产生塑性变形，残余应力：
当加热温度高，板中心将发生塑性变形，如果已知塑性区压缩变形的分布规律为: p fp(x)
图3-54 角变形引起的不圆度
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图3-55 不等厚板搭接接头的角变形
3. 纵向收缩引起的挠曲变形
弯矩为 M： Ff e
弯矩M的作用使构件终端的横截 面发生转角φ和挠度f。转角φ可如 下计算：
Pf e L
EI
图3-60焊缝在结构中的位置不对称所引起的焊接变形
构件的挠度f可由下式获得：
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图3-92 由纵向焊接错边引起的 箱形构件的扭曲变形
6.4.2 影响焊接残余变形的因素
1. 焊缝在结构中的位置
a.产生纵向缩短和横向缩短 b.产生弯曲变形
2. 焊接结构的刚性
拘束度大，刚性大，越不容易变形
3. 焊缝的长度和坡口形式
4. 焊接结构的装配及焊接顺序
5. 焊接线能量
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**焊缝长度较短时， σx﹤σs焊缝越短纵向应力
σx的数值就越小。（对于低碳钢适用）
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图3-18不同焊缝长度σx值的变化
不同尺寸、不同截面上纵向残余应力 σx的分布（对于低碳钢适用）
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不同材料上纵向残余应力在横截面上的分布
图3-19 焊缝纵向应力沿板材横向上的分布 a)低碳钢 b)铝合金
图3-113 减小T型接头的角变形
2. 焊后调控焊接残余应力与变形的措施
（1）机械方法
图3-114 用压力机校正工字梁的挠曲变形
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锤击法的优点是节省能源、降低成本、提高效率， 缺点是劳动强度大，并且工件表面质量差。
图3-115 锤击法调节中厚板多层焊时的残余应力在厚度（z向）上的分布
㈡长板条单侧加热（非对称加热）
图3-8 板条一侧不对称受热时的应力和变形
2020/5/10b)和c)两种情况为不平衡力矩，不能发生
板条截面上应力及力矩平衡方程
内应力
ε ε σ = E· ε=E ( e － T)
内应力平衡：
Y
B
0
dx
0
力矩平衡：
M
B
0
x dx
0
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图3-9板条单边加热到不同温度时的应力与变形
（4）角变形 表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移
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图3-50 角变形
（5）波浪变形 （6）错边变形
图3-51 波浪变形
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图3-52 错边变形 a）长度方向的错边 b）厚度方向的错边
（7）螺旋形变形
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图3-53 螺旋形变形
焊接变形带来的影响：影响外形和承载能力
图3-131 防止薄板波浪变形的辅助措施 a）采用压铁b）用角钢临时增加近缝区刚性
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（2）减小焊缝的热输入
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图3-132 防止非对称截面挠曲变形的焊接
直接水冷（图3-133a）） 采用铜冷却块（图3-133b））来限制焊接热场
源自文库限制和缩小 焊接热场来 减小焊接变 形
3.5.3 焊接残余应力与变形的调整与控制
1. 调控焊接应力与变形的焊前措施
（1）合理地选择焊缝的形状和尺寸
应遵循的原则是： 尽可能使焊缝长度 最短；尽可能使板 厚小；尽可能使焊 脚尺寸小；断续焊 缝和连续焊缝相比， 优先采用断续焊缝； 角焊缝与对接焊缝 相比，优先采用角 焊缝以及复杂结构 最好采用分部组合 焊接。 2020/5/10
焊接基础
6 焊接应力与变形
焊接基础
一. 焊接应力与变形的概念
6 焊接应力与变形
在物体受到外力作用发生变形的同时，在内部会出现一种抵抗变形的力， 这种力叫内力。 在单位截面积上的内力叫应力。
焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力。 按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。 物体在受到外力的作用时，会出现形状、尺寸的变化，这就称为物体 的变形。 焊接变形是焊件由焊接而产生的变形（尺寸和形状的改变）。 焊后焊件残留的变形称为焊接残余变形。
图3-124 气体火焰局部加热矫形
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图3-126 火焰成形的三种方法
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图3-127 火焰成形的典型实例
3 .随焊调控焊接应力与变形的措施
（1）刚性固定法
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图3-129 刚性固定法焊接法兰盘
图3-130 采用焊接夹具防止波浪变形
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焊接次序1 2 3
挠度f1
f2
f' 3
图3-134 带盖板的双槽钢焊接梁的焊接顺序
（4）预拉伸法 (预置应力法)
图3-135 施加预拉伸载荷的几种方案
图3-136 常温下预拉伸的纵向应力场 a）平板 b）筒体
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（5）焊时温差拉伸法
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图3-137温差拉伸专用夹具
随焊温差拉伸的效果
则残余应力为：E[e' fp(x)]
残余应力和变形的平衡条件可表达为：
B
B
C
C
B
2
2
2
2
2
YdxE(‘e p)dx＝ E ‘ ed＋ xE [’ efp(x)d ] xE 'edx
B
B
2
2
B 2
C 2
C 2
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B 2
＝ E‘ e(BC)E [’ efp(x)d ] x0 B 2
图3-138 Tp为150℃时的焊接温度场 图3-139 温差拉伸作用下的焊缝纵向残余应力
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（6）随焊激冷 （又称为逆焊接加热处理 ）
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图3-140 随焊激冷法的原理
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图3-141几种随焊激冷方案
图3-142 柔性随焊激冷器
图3-143 常规焊与随焊激冷焊接的温度场
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2．横向残余应力的分布
（1）纵向收缩的影响--σy′
2020/5/10 图3-22 由纵向收缩所引起的横向应力的分布
焊缝较长时，中心部分拉应力σy′有所下降
图3-23 不同长度焊缝上的横向应力的比较
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（2）横向收缩的影响--σy′′
图3-24 不同焊接方向对横向应力分布的影响
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1.引起焊接应力与变形的机理及影响因素
2020/图5/103-10 引起焊接应力与变形的主要因素及其内在联系
6.3焊接残余应力
这一节讨论焊接残余应力的分布、影响。
6.3.1 焊接残余应力的分布
• 一般焊接结构制造所用材料的厚度相对于长和宽都很小 ，在板厚小于20mm的薄板和中厚板制造的焊接结构中 ，厚度方向上的焊接应力很小，残余应力基本上是双轴 的，即为平面应力状态。只有在大型结构厚截面焊缝中 ，在厚度方向上才有较大的残余应力。
a)焊后状态 b）只锤击最后一道焊缝 c）逐层锤击
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对于薄板并具有规则的焊缝时，可采用碾压的方法
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3-116 碾压矫形
过载拉伸法
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图3-119 机械加载降低内应力
机械振动法
图3-120 振动循环次数与消除应力的效果 初始应力分布b)试件截面 c)经过6.2×106次循环后的内应力分布
• 外观变形： • ⊿Le
• εe =⊿Le /L0
• 内部变形：
• ⊿L =－(⊿LT － ⊿ Le) • ε =⊿L /L0
ε ε • 内应力σ 2020/5/10 = E· ε=E ( e － T)
图3-4 金属杆件的受热变形
a）自由变形量b）外观变形量
杆件的温度、变形与内应力演变规律
• T1温度下∣ε1∣﹤εs，则只存在弹性变形； • T2温度下∣ε2∣﹥εs，则只存在塑性变形，
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
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举例
过程：加热-承受压应力-屈服（250℃）-应力降低 、压应变继续增加；750 ℃开始冷却拉应力应变上 升-室温-残余应力和相变应力。
图3-1 2020/5/10 加热和冷却产生内应力的实验及温度曲线
局部加热消除应力
经验公 :B式 5 R
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图3-123 局部热处理的加热区宽度 a)环焊缝 b)长构件对接焊缝
翘曲变形的矫正方法举例
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图3-125 薄板结构点状加热矫形
温差拉伸法
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图3-128 温差拉伸法
角变形规律的工程应用---火焰成形
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• 应力通常表示方法：
• 将；沿焊缝方向上的残余应力称为纵向应力，以σx表示 • 将表垂示；直于焊缝方向上的残余应力称为横向应力，以σy • 对厚度方向上的残余应力以σz表示。
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1、纵向残余应力的分布σx
图3-17 平板对接时焊缝上纵向应力沿焊缝长度方向上的分布 （***此图对于低碳钢适用，焊缝足够长）
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图3-25 横向应力沿板宽方向的分布
3.4 焊接残余变形
3.4.1 焊接残余变形的分类
• （1）纵向收缩变形 • （2）横向收缩变形
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图3-48 纵向和横向收缩变形
（3）挠曲变形 :
挠曲可以由纵向收缩、横向收缩、角变形引起
图3-49 挠曲变形 a）2020由/5/1纵0 向收缩引起的挠曲变形 b）由横向收缩引起的挠曲变形