焊接残余应力课件
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焊接残余应力讲义张思功0317焊接应力:钢材焊接时在焊件上产生局部高温的不均匀温度场,焊接中心处可达1600o C以上,高温部分钢材要求较大的膨胀伸长但受到邻近钢材的约束,从而在焊件内引起较高的温度应力,并在焊接过程中随时间和温度而不断变化,称为焊接应力。
焊接残余应力:焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形,因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力,称为焊接残余应力。
当局部受热温度较低时,温度应力和变形将在弹性范围以内,并随温度的升降而按比例增减。
钢板完全冷却后,应力和变形恢复到零,不产生残余应力(假定原始钢板无残余应力)或残余变形。
当局部受热温度较高,达到100~150o C(Q235钢)或150~200o C(低合金结构钢)时,钢板中央部分热胀受抑制引起的温度压应力将达到钢材屈服强度;温度再升高时则进入塑性受压状态,即继续压缩时钢材只发生压缩变形(塑性变形)而应力保持受压不变。
(屈服时,应力不增加但应变会继续增加。
)在厚度不大的焊接结构中,残余应力基本上是双轴的,即只有纵向和横向残余应力,如图1所示的和,而厚度方向温度大致均匀,残余应力很小。
只在厚度大的焊接结构中,厚度方向的应力才达到较高的数值。
图1 焊接残余应力1.纵向焊接残余应力焊接结构中的焊缝(求其是组合构件中的纵向焊缝)沿纵向(焊缝长度方向)收缩时,将产生纵向焊接残余应力。
2.横向焊接残余应力焊接结构的横向(垂直于焊缝长度方向)焊接残余应力是由焊缝及其附近塑性变形区纵向收缩所引起的,以及因焊缝全长的不同时(有先后顺序)焊接引起的横向收缩不同时性所引起的合成的。
以钢板对接焊缝为例,焊缝纵向收缩使两侧钢板趋向于形成相反方向的弯曲变形,但实际上焊缝将两侧钢板连成整体不能分开,因而就产生中部受拉两端受压的自相平衡的横向焊接残余应力,如图2(b)所示.横向收缩不同时性引起的横向焊接残余应力与焊接方向和顺序有关。
每一段焊缝冷却时的横向收缩使其本身横向受拉(注意这一段焊缝是最后焊接的部位),而对邻近先焊的已冷却凝固部分为横向偏心受压(这一段是指中间焊缝部位),因应力自相平衡,更远处的另一端焊缝则受拉应力,如图2(c)所示。
焊接残余应力
焊接残余应力是影响焊接结构或焊接部件疲劳强度、弯曲强度、脆性断裂强度和抗腐蚀性等性能的重要因素。
同时,残余应力还会严重影响结构的机加工质量和尺寸的稳定性。
因此,在前面学习内应力和焊接应力产生原因的基础上,将介绍焊接后残存在焊接结构中的应力分布情况,以及降低和消除焊接应力的措施。
一、焊接残余应力的分布
在焊件厚度不大(一般小于20mm)的常规焊接结构中,残余应力基本是纵、横双向的,如图2-5所示。
厚度方向的残余应力很小,只有在大厚度的焊接结构中,厚度方向的残余应力才有较高数值。
为了便于分析,通常将平行于焊缝轴线方向的应力称为纵向残余应力,用бx表示。
将垂直于焊缝轴线方向的残余应力称为横向残余应力,用бy表示。
厚度方向的应力残余应力,用бz表示。
下面分别加以讨论。
图2-5板材的空间坐标位置
(一)非拘束状态下焊接残余应力的分布
1.纵向残余应力бx的分布
在低碳钢和普通低合金钢焊接结构中,焊缝及其附近的压缩塑性变形区内的纵向应力бx为拉应力,其数值一般达到材料的屈服点(焊件尺寸过小时除外),稍离开焊缝区,拉伸应力迅速陡降,继而出现残余压应力。
如图2-6所示为中心有一条焊缝的低碳钢长板条在不同横截面上的纵向应力бx的分布情况。
从图中可以看出,焊缝及其附近为拉应力,并达到材料的屈服极限,而远离焊缝区为压应力。
在长条板中部(Ⅲ-Ⅲ截面所在的区域),纵向残余应力的大小基本保持不变,一般称该区域为稳定区。
在焊缝两端O-O截面,、因为边界条件与中部有所
不同,拘束度和热循环特性也不尽相同,使纵向残余应力由恒定逐渐降至零
而出现过渡区。
另外,纵向应力在过渡区分布不同于中段,且бx小于材料的屈服限бs。
图2-6焊缝横截面纵向应力的分布
随着焊缝长度的缩短,稳定区降逐渐减小,直至消失。
如图2-7所示为不同焊缝长度的纵向应力бx的分布情况示意图。
由图可以发现,当焊板较短时,不存在稳定区,并且焊板越短,短焊缝中的纵向应力比长焊缝中的纵向应力要小。
由此可见,在实际焊接结构中,如果将长焊缝适当分段进行焊接,将会减小焊件中的残余应力。
圆筒环焊缝所引起的纵向(对圆筒体就是环向应力)应力的分布规律如图2-8所示。
在焊缝及其附近区域为拉伸应力,远离焊缝则为压缩应力。
它与平板直缝有所不同,其数值取决于圆筒直径、厚度以及焊接压缩塑性变形区的宽度。
环缝上的бX随圆筒直径的增大而增加,而随塑性变形区的扩大而降低。
直径增大,бx的分布逐渐与焊接平板接近。
的关系
图2-7 不同长度焊缝中纵向应力的分布及长度与σ
x
T型焊接接头纵向应力的分布,如图2-9所示。
显然,其应力分布与焊件的尺寸有关。
图(a)为水平板厚度与立板高度h之比较小时的分布情况;图(b)为水平板厚度与立板高度h之比较大时的分布情况。
当T型接头平板厚度s与立板高度h之比越大时,其残余应力的分布越和前面介绍的中心堆焊的长条板的情况相似。
2.横向残余应力бy的分布
横向残余应力的产生及其影响比较复杂,一般认为,沿焊缝中心线的横向残余应力主要由两个方面所引起:一是由于焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力,用б`y表示;另一个是由焊缝及其附近塑性变形区横向收缩的不同时性所引起的,用б“y表示。
换言之,横向残余应力бy是由б‘y 和б”y叠加而成。
现以对接接头焊缝中的横向残余应力为例,分析说明残余应力的产生和分布规律。