第十三 章焊接应力与变形(用最后一节,即变形)
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焊接应力与变形【能力目标】能够掌握焊接应力与变形的概念,应力和变形产生的原因、分布规律及防止措施,并能对简单的焊接变形进行矫正。
了解焊接结构脆性断裂和疲劳破坏的原因。
【内容提示】结构件在焊接时,由于局部加热而造成温度分布不均匀,进而造成不均匀分布的塑性变形,最终导致焊件在焊后产生残余应力和残余变形。
本章主要介绍应力和变形的基本慨念及其产生的原因;焊接应力的分布规律;降低和消除焊接残余应力的方法;焊接变形的种类和控制焊接变形的措施;以及焊接结构的疲劳强度和脆性断裂的有关知识。
第一节焊接应力与变形的产生一、焊接应力与变形的基本概念(一)内应力与焊接应力内应力是指结构上在没有外力作用的情况下,平衡于物体内部的应力。
其主要特点是内应力在物体内部构成一平衡力系。
内应力是由于物体内部成分不均匀、金相组织及温度变化等因素造成物体内部的不均匀性变化而引起的应力。
这种应力存在于许多工程结构中,如轧制、铸造和锻造等热加工的金属结构,以及通过剪切、弯曲、磨削和其他冷加工成型获得的金属零件。
根据内应力所涉及的范围,,可以将其分为宏观内应力、微观内应力和超微观内应力。
宏观内应力的分布范围较大,内应力在一较大范围内平衡,该范围一般与结构尺寸相当,并相对于工件轴线有明显的方向性;微观内应力在一个或几个晶粒范围内平衡,它相对于工件轴线没有明显的方向性。
这种内应力主要由金相组织的变化所引起的。
超微观应力是在更微小的范围内平衡,其范围大小可用晶格尺寸来衡量。
在焊接结构中,关注更多的还是宏观内应力。
内应力还可按其产生的原因分为温度应力、装配应力和残余应力温度应力又称为热应力或温差应力。
它是由于构件受热不均匀而存在温度差异,各处的膨胀变形或收缩变形不一致,互相约束而产生的内应力。
装配应力多发生在结构装配或安装过程中,如多个构件通过压力结合,紧固连接螺栓等。
而残余应力是由于构件受热不均匀所造成的应力达到材料的屈服限,使局部区域产生塑性变形,当温度恢复到原始均匀状态后,构件中仍然残存的部分内应力。
焊接应力与焊接变形焊接应力与焊接变形2012-02-21 21:59一、焊接应力在没有外力的情况下,物体内部存在的应力称为内应力,内应力在物体内部自相平衡,即物体内部各方向的内应力总和等于零,内应力对于任何一点的力矩总和等于零。
常见的内应力有以下几种:1、热应力:又称温度应力。
它是在不均匀加热及冷却过程中所产生的应力,它与加热温度和加热不均匀程度、焊件的钢度以及焊件材料的热物理性能等因素有关。
2、相变应力:金属发生相变时,由于体积发生变化而引起的应力。
3、装配应力:在装配和安装过程中产生的应力。
例如:紧固螺栓、热套结构等均匀有内应力产生。
4、残余应力:当构件上承受局部荷载或经受不均匀加热时,都会在局部地区产生塑性应变。
当局部外载撤去后或热源离去,构件温度恢复到原始的均匀状态时,由于构件内部发生了不能恢复的塑性变形,因而产生了内应力,即残余应力。
残留下来的变形即残余变形。
焊接过程中焊件的热应力是随时间而变化的瞬时应力,焊后残余下来,即为残余应力。
按照焊接应力在空间的方向可以分为单项应力、双向应力和三项应力。
薄板对接时,可以认为是双向应力。
大厚度焊件的焊缝,三个焊缝的交叉处以及存在裂缝、加渣等缺陷通常出现三向应力,三相应力使材料的塑性降低、容易导致脆性断裂,它是一种最危险的应力状态。
二、焊接变形1、焊接变形发生的原因钢材的焊接通常采用熔化焊方法,把焊接局部连接处加热至溶化状态形成熔池,待其冷却结晶后形成焊缝,使原来分开的钢材连接成整体。
由于焊接加热时还焊接接头局部加热不均匀,金属冷却后沿焊缝纵向收缩时受到焊件低温部分的阻碍,使焊缝及其附近区域受拉应力,远离焊缝区域受压应力。
因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行,膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形,焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来,焊接变形因此产生。
2、焊接变形的主要形式:焊接变形主要有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和破浪变形五种基本形式。
焊接应力和变形.教学目的:了解应力和变形的概念、产生原因;了解焊接变形的种类;掌握预防和减小焊接应力和变形的措施。
教学重点:预防和减小焊接应力和变形的措施教学难点:应力和变形的概念、产生原因教学课时:16课时第一节应力和变形的概念一、变形钢结构构件或节点在焊接过程中,局部区域受到很强的高温作用,在此不均匀的加热和冷却过程中产生的变形称为焊接变形。
二、应力焊接后冷却时,焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩,由此约束而产生的应力称为焊接应力。
三、应力形成两块钢板上施焊时,产生不均匀的温度场,焊缝附近温度高达1600 C,其邻近区域温度较低,且冷却很快。
冷却时钢材收缩,冷却慢的区域收缩受到限制,从而产生拉应力,冷却快的区域受到压应力。
四、焊接应力的分类1.根据焊接应力在空间的位置单向应力、双向应力、三向应力。
2.根据焊接应力发生和互相平衡所在的范围大小第一类应力、第二类应力、第三类应力。
3.根据焊接应力在焊缝中的方向不同纵向应力、横向应力、厚度方向应力第二节焊接应力和变形的产生原因焊件进行局部的、不均匀的加热是产生焊接应力和变形的原因。
一、金属棒的均匀加热和冷却金属棒在均匀加热时,产生过压缩塑性变形,则冷却后必定产生缩短变形。
二、纵向焊接应力和变形焊接时,在电弧热的作用下,使金属局部达到熔化温度,但离电弧较远处的金属温度则较低,这样焊件就出现了不均匀的膨胀。
沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。
三、横向焊接应力和变形焊件在于海峰轴线垂直的方向上,焊缝及热影响区金属在加热过程中也受到压应力,发生压缩塑性变形,在冷却后则存在着残余应力和变形,称为横向焊接应力和变形。
四、影响焊接应力和变形的因素影响焊接应力和变形的因素主要包括以下几点:焊接规范、焊缝尺寸、焊缝在结构中位置的布置、焊缝分段和焊接方向、焊接程序、焊接结构的刚性以及层数。
第三节焊接变形的种类一、纵向变形指平行于焊缝方向的变形。
多层焊比单层焊的变形量小。
二、横向变形指垂直于焊缝方向的变形。