焊接变形与焊接应力
- 格式：doc
- 大小：53.00 KB
- 文档页数：27
第十二章焊接变形与焊接应力
第一节焊接应力与焊接变形产生的原因
一、应力与变形概述
假设有一钢制杆件,在其两端施加大小为P的拉力,这时,杆件将因拉力P的作用而伸长△ι=ι1-ι,即产生变形,如图9-1(a)所示;同时、杆件内将出现抵抗变形,与外力P相平衡的内力N,如图9-1(b)所示。若沿任一横截面m-m处假想地将杆件分为两段,建立任意一段的平衡方程,就可以求得内力N与外力P大小相等,方向相反。通常用应力的大小,即物体单位截面上所出现内力的大小来表示外力作用的大小。应力常用σ表示,单位为MPa。
材料相同而截面积不同的物体,作用同样大小的外力,所产生的变形量也不相同。截面积越小的物体变形越大;截面积越大的物体变形越小。这是因为,当施加同样大小的外力时,截面积越小的物体其单位截面上所产生的内力越大,即应力越大;而截面积越大的物体其单位截面上所产生的内力越小,即应力越小。也就是说,变形的大小是由外力所引起的应力的大小来决定的,作用的外力越大,所引起的应力越大,变形也就越大。
但是,应力并不都是由外力引起的。比如温度应力就是在没有外力作用的条件下,由不均匀的加热或冷却过程造成的,因此,温度应力是内应力。
二、均匀加热与冷却条件下的应力与变形
假设有一钢制杆件搁在支点上,设想其两端有三种不同的约束状态,来分析讨论三种情况下对杆件进行均匀加热与冷却时的应力与变形:
第一种情况,杆件两端无任何约束,如图9-12所示。加热时,杆件必然由于受热膨胀而变粗伸长,如图虚线所示。所变化的量取决于加热温度的高低,温度越高,变形越大。在冷却过程中,杆件必将由于冷却收缩而趋于恢复到原来的尺寸。由于在受热膨胀和冷却收缩过程中,杆件的变形均未受到任何约束,最后当温度完全恢复到原来的温度状态时,该杆件必将完全恢复到原来的尺寸(如图中实线所示),没有任何应力和变形产生。
第二种情况,杆件两端的刚性约束只限制杆件的伸长变形,对其收缩变形没有约束作用。当对杆件进行加热时,同样由于受热膨胀,杆件要伸长。但由于两端约束的限制,杆件的伸长变形不能自由进行,相当于在其两端施加了压力。于是,杆件将产生压缩变形,同时,杆件中将有压应力产生。加热时的情况如图9-3(a)所示,图中用表示压应力。
(a)
(b)
图9-3 杆件两端刚性约束之一
现在再来讨论该杆件在冷却时的应力与变形情况,也就是说,当温度完全恢复到原来的状态后,杆件能否恢复到原来的尺寸,有没有应力产生。众所周知,变形可分为弹性变形与塑性变形两种,如果在加热过程中,杆件由于两端约束的限制而产生的压缩变形在弹性变形的范围内,那么当温度完全恢复到原来的状态后,杆件仍能恢复到原来的尺寸,杆件内没有应力存在。但是,如果压缩变形超出了弹性变形的范围,则杆件在冷却后必然变短,不能恢复原来的尺寸,这是因为随着原始温度状态的恢复,压缩变形中弹性变形部分消失了,而其塑性变形却保留了下来。这时杆件中也没有应力存在,如图9-3(b)所示。总之,在这种约束情况下,杆件在冷却后有可能缩短,但不会有应力产生。杆件是否缩短,取决于在加热过程是否有压缩塑性变形产生。
再来看比较复杂的第三种情况:杆件两端的刚性约束不但限制杆件的伸长,而且也限制杆件的收缩,使两者都不能自由进行。加热时杆件的伸长变形由于两端约束的限制不能自由进行,于是杆件将产生压缩变形,同时杆件内产生压应力,如图9-4(a)所示。这与第二种
(a)加热时
(b)冷却时
图9-4 杆件两端刚性约束之二
情况在加热时所产生的应力与变形是完全相同的。所不同的是当杆件完全恢复到原来的温度状态以后,杆件所产生的应力与变形情况。如果加热时产生的压缩变形属于弹性变形,那么冷却后杆件既不产生变形,也不产生应力。如果压缩变形中有塑性变形,则杆件冷却后必然要变短,但由于两端刚性约束的限制,将本已变短的杆件“拉”长,使之在冷却过程中始终保持原来的尺寸。显然,冷却后杆件虽无变形产生,但却有拉应力产生,如图9-4(b)所示(图中用表示拉应力)。极端的情况是,如果冷却后所产生的拉应力大于杆件材料的强度极限,杆件将被拉断。
三、焊接应力与焊接变形产生的原因
上面分析讨论了在均匀加热与冷却条件下,杆件的应力与变形的各种不同情况。但是,在实际焊接过程中,这样的理想条件是不存在的。焊接热过程有着热源温度高、热源连续移动、温度场的温度梯度大;焊件的加热和冷却速度快,不均匀等几个特点,因此,焊件的焊接应力和焊接变形都是在不均匀的热作用条件下产生的。虽然其基本规律与上面讨论的情况相同,但是影响焊接应力与焊接变形的因素更多,情况更为复杂。下面具体地分析一下焊接应力与焊接变形产生的原因。
(一)纵向焊接应力与焊接变形的产生原因
设有一平板对接接头用电弧焊方法进行焊接。在电弧加热的过程中,焊件中,越靠近焊缝的金属温度越高,远离焊缝,则温度迅速降低,其温度分布如图9-5所示。假想地将焊件分割成许多互不相连的小板条,则各板条由于受热必然要膨胀伸长;而各个板条的加热温度不同,所以伸长量也不一样,位于焊缝上的板条伸长量最大,远离焊缝的板条伸长量逐渐减小。由于各板条互不相连,各自可以进行自由变形,所以在加热过程中将形成如图9-5(a)所示。
(a)
(b)
图9-5 纵向焊接应力
的阶梯形端面。然而,实际焊件是由这些假想的板条所组成的整体,不同区域、处于不同温度状态的金属在变形过程中必然相互制约;焊缝附近温度较高,伸长较大的部分受两侧温度较低、伸长较小的金属的限制而被压缩并产生压应力;两侧金属则由于受到焊缝附近温度较高,伸长较大的金属的作用而被拉伸并产生拉应力;因此,焊件端面只能向前平移到介于最大伸长和最小伸长之间的某个aa
位置,如图9-5(a)中虚线所示。
我们知道,金属的强度是随温度的变化而变化的,对于碳钢来说,当加热温度超过700℃时,其屈服极限几乎为零,对变形没有任何抗力。因此,焊缝及焊缝附近加热温度超过700℃的金属,由于其伸长受到两侧金属的阻碍而产生的压缩变形全部为塑性变形,其它部分金属的变形,超过弹性变形范围的为塑性变形,其余为弹性变形。这种塑性变形的产生,正是造成焊件在冷却后产生焊接残余应力与焊接残余变形的原因。
在冷却过程中,焊件中应力与变形情况正好与上面相反。这些假想的板条在冷却时都要产生收缩变形,如果允许自由收缩的话,由于焊缝及其附近区域的金属在加热过程中伸长受到阻碍而产生了压缩塑性变形,所以在冷却时,这个区域的板条将比焊缝两侧其它区域的板条收缩的更短。但实际上这是不可能的。各板条紧密相连,在变形时互相限制,最后使焊件的端面平移到介于收缩量最大和收缩量最小的假想板条间的某个位置,造成了焊件的纵向收缩变形;同时在焊件中造成如力图9-5(b)所示的内应力状态,中间焊缝附近由于被拉伸而产生拉压力,两侧金属由于被压缩而产生压应力。这时焊件已经恢复到了原始的温度状态,所以这种应力就是焊接残余应力,这种变形就是焊接残余变形。
(二)横向焊接应力与焊接变形的产生原因
仍以平板对接接头的焊接为例,来说明横向焊接应力与焊缝变形的产生原因。
1.由纵向变形引起的横向应力与变形
平板对接接头在焊接过程中,由于焊接热源的加热作用,焊件将会产生伸长变形。这时,如果假想地将焊件沿焊缝中心分成两半,离焊缝近的金属由于加热温度较高伸长量较大,而离焊缝远的金属由于加热温度较低伸长量较小,焊件的两部分将变成如图9-6(a)
(a)(b)
图9-6 加热时的应力与变形
中虚线所示的状态。但实际上焊件是由这两部分组成的整体,两个部分在变形过程中必然互相限制,于是在焊件中造成了如图9-6(b)所示的应力状态:靠近焊缝两端部分的金属由于受到中间部分金属的拉伸而产生拉应力,中间部分的金属则由于受到两端部分金属的压缩而产生压应力。
(a)(b)
图9-7 冷却时的应力与变形
从前面分析纵向焊接应力与焊接变形的成因已经知道,靠近焊缝的金属由于在加热过程中产生了压缩塑性变形,所以,当假想地将焊件分成两半后,焊件冷却后将变成如图9-7(a)中虚线所示的形状。但实际上由于它们之间的相互限制,造成焊件在冷却后中间受拉应力,两端受压应力的焊接残余应力状态如图9-7(b)所示,同时焊件产生了横向收缩残余变形
2.由焊缝冷却先后不同引起的横向应力与变形
在焊接一条焊缝时,总有先焊后焊之分。先焊的部分先冷却,后焊的部分后冷却,因此,先冷却的部分将限制后冷却部分的收缩变形。为了说明这个问题,现举下面例子:
图9-8 焊缝冷却造成的应力与变形
对接接头在装配时,按图9-8所示的顺序进行点焊。由于1、2两点首先点焊,所以当点焊3点时,已经冷却的1,2两点将对3点的收缩造成约束,使该点承受拉应力,2点承受压应力。这时,三个焊点的应力状态就象以2为支点的杠杆系统,所以1点也将承受拉应力,否则,拉应力与压应力就不能平衡。在这种横向应力的作用下,焊件将产生横向收缩。
上面所分析的情况,实际上就是焊接直接焊缝时由于冷却先后不同所造成的横向应力与变形情况。显然,当焊接顺序改变时,这种横向应力状态也将发生变化。图9-9是几种不同
图9-9 各种不同焊接顺序所造成的横向压力
焊接顺序条件下由于冷却先后不同所造成的横向应力状态。在各种条件下都有横向收缩变形产生。
将以上两种原因所造成的横向应力及横向变形进行合成,就构成了焊件总的横向应力及横向变形。
第二节焊接变形及其控制
一、焊接变形的分类
按焊接变形的表现形式,可以将其大致分为以下七类:
(一)纵向收缩变形
焊后,焊件沿焊缝长度方向产生的收缩,如图9-10中的△L。
(二)横向收缩变形
焊后,焊件在垂直于焊缝长度方向上所产生的收缩,如图9-10中的△B。
(三)弯曲变形
如图9-11所示,平直的T型梁在焊接后产生了挠度?
以上三种变形的产生原因,已在前面一节进行了详细的分析,这里不再重复。
图9-10 纵向收缩与横向收缩
图9-11 弯曲变形
(四)角变形
如图9-12所示,焊前,接头两侧的钢板位于同一平面内;焊后产生了以焊缝为顶点的夹角。在上一节讨论焊接应力与焊接变形的产生原因时,都是假设应力与变形在厚度方向上是均匀的,但实际上,焊接面由于加热温度较高,冷却时所产生的收缩变形比较大,而背面的收缩变形则比较小。角变形正是由厚度方向上不均匀的横向收缩变形引起的。
(五)波浪变形
图9-12 角变形图9-13 波浪变形
