焊接應力和變形

[拼音]:hanjie yingli he bianxing

[英文]:welding stress and distortion

焊接過程中焊件中產生的內應力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的區域性塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時,焊件中的這種應力和變形稱為瞬態焊接應力和變形;焊接溫度場消失後的應力和變形稱為殘餘焊接應力和變形。在沒有外力作用的條件下,焊接應力在焊件內部是平衡的。焊接應力和變形在一定條件下會影響焊件的功能和外觀,因此是設計和製造中必須考慮的問題。

焊接殘餘應力

焊接殘餘應力的主要研究內容包括應力的分佈、影響以及消除和調整的方法。

焊接殘餘應力的分佈

在厚度不大的焊件中,焊接殘餘應力基本上是平面應力,厚度方向的應力很小。在自由狀態下焊接的平板,沿焊縫方向的縱向殘餘應力σX在焊縫及其附近一般為拉應力,在遠離焊縫處則為壓應力。對於低碳鋼和強度不高的低合金結構鋼(屈服強度小於 400兆帕),焊縫上的殘餘應力σX可達到材料的屈服強度σS(圖1)。垂直於焊縫方向的橫向殘餘應力σy的分佈與焊接順序和方向有關,後焊的區段一般為拉應力,但平板對接焊時焊縫兩端的σy經常為壓應力(圖2)。厚板焊縫厚度方向的殘餘應力σz與焊接方法有關。電渣焊縫中σz為拉應力。多層焊縫則σz較低。σz在厚度上的分佈是中心部位最高,逐漸向表面過渡到零。σX和σy在焊縫厚度上的分佈也是不均勻的。電渣焊縫中心部位σX和σy的數值大於表層。 多層焊縫則與此相反,表層應力大於中心部位(圖3)。在拘束狀態下進行焊接(如封閉焊縫)時,則可能在比自由狀態下大得多的範圍內出現較高的拉應力σX和σy,因而是更為危險的內應力。

焊接應力和變形

焊接應力和變形

焊接應力和變形

由於焊接殘餘應力受多種因素的影響,在實際工作中常常需要通過實驗測定殘餘應力的大小和分佈。

焊接殘餘應力的影響

焊接殘餘應力對焊件有6個方面的影響。

(1)對強度的影響:如果在高殘餘拉應力區中存在嚴重的缺陷,而焊件又在低於脆性轉變溫度下工作,則焊接殘餘應力將使靜載強度降低。在迴圈應力作用下,如果在應力集中處存在著殘餘拉應力,則焊接殘餘拉應力將使焊件的疲勞強度降低。焊件的疲勞強度除與殘餘應力的大小有關外,還與焊件的應力集中係數、應力迴圈特徵係數 σ

焊接應力和變形

焊接應力和變形

和迴圈應力的最大值σ

焊接應力和變形

有關。其影響隨應力集中係數的降低而減弱,隨σ

焊接應力和變形

焊接應力和變形

的降低而加劇(例如對交變疲勞強度的影響大於脈衝疲勞),隨σ

焊接應力和變形

的增加而減弱。當σ

焊接應力和變形

接近於屈服強度時,殘餘應力的影響逐漸消失。

(2)對剛度的影響:焊接殘餘應力與外載引起的應力相疊加,可能使焊件區域性提前屈服產生塑性變形。焊件的剛度會因此而降低。

(3)對受壓焊件穩定性的影響:焊接杆件受壓時,焊接殘餘應力與外載所引起的應力相疊加,可能使杆件區域性屈服或使杆件區域性失穩,杆件的整體穩定性將因此而降低。殘餘應力對穩定性的影響取決於杆件的幾何形狀和內應力分佈。殘餘應力對非封閉截面(如工字形截面)杆件的影響比封閉截面(如箱形截面)的影響大。

(4)對加工精度的影響:焊接殘餘應力的存在對焊件的加工精度有不同程度的影響。焊件的剛度越小,加工量越大,對精度的影響也越大。

(5)對尺寸穩定性的影響:焊接殘餘應力隨時間發生一定的變化,焊件的尺寸也隨之變化。焊件的尺寸穩定性又受到殘餘應力穩定性的影響。

(6)對耐腐蝕性的影響:焊接殘餘應力和載荷應力一樣也能導致應力腐蝕開裂。

焊接殘餘應力的消除和調整

為了消除和減小焊接殘餘應力,應採取合理的焊接順序,先焊接收縮量大的焊縫。焊接時適當降低焊件的剛度,並在焊件的適當部位區域性加熱,使焊縫能比較自由地收縮,以減小殘餘應力。熱處理(高溫回火)是消除焊接殘餘應力的常用方法。整體消除應力的熱處理效果一般比區域性熱處理好。焊接殘餘應力也可採用機械拉伸法(預載法)來消除或調整,例如對壓力容器可以採用水壓試驗,也可以在焊縫兩側區域性加熱到200℃,造成一個溫度場,使焊縫區得到拉伸,以減小殘餘應力。

焊接變形

焊接過程中引起的焊件變形直接影響焊件的效能和使用,因此需要採用不同的焊接工藝來控制和預防焊件的變形,並對產生焊接變形的構件進行矯正。

變形的種類

焊接應力和變形

焊接變形有7種形式(圖4)。

(1)縱向收縮變形:沿焊縫長度方向的收縮。

(2)橫向收縮變形:垂直於焊縫方向的橫向收縮。

(3)角變形:繞焊縫軸線的角位移。

(4)撓曲變形:構件中性軸上下不對稱的收縮引起的彎曲變形。

(5)失穩變形:薄壁結構在焊接殘餘壓應力的作用下,區域性失穩而產生波浪形;

(6)錯邊變形:焊接邊緣在焊接過程中,因膨脹不一致而產生的厚度方向的錯邊。

(7)扭曲變形:由於裝配不良、施焊程式不合理而使焊縫的縱向、橫向收縮沒有規律所引起的變形。

焊接變形的預防和控制

焊接變形的大小與焊縫的尺寸、數量和佈置有關。首先從設計上合理地確定焊縫的數量、坡口的形狀和尺寸,並恰當地安排焊縫的位置,對於減少變形十分重要。在工藝上採用高能量密度的焊接方法和小線能量的工藝參量,例如多層焊對減少焊縫的縱、橫向收縮以及由此引起的撓曲和失穩變形是有利的。但多層焊對角變形不利。採用合理的裝配、焊接順序、反變形和剛性固定可以減少焊接變形。

焊接變形的矯正

焊接變形常採用機械方法矯正。對於由長而規則的對接焊縫引起的薄板殼結構的變形,用鋼輪輾壓焊縫及其兩側,可獲得良好的矯正效果。利用區域性加熱產生壓縮塑性變形使較長的焊件在冷卻後收縮的火焰矯正法,具有機動性強、裝置簡單的優點,得到廣泛採用。

參考書目

田錫唐主編:《焊接結構》,機械工業出版社,北京,1982。

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