1、焊接结构学第二章 焊接应力与变形 焊接结构实例水轮机转轮结构水轮机转轮结构水轮机转轮的焊接加工水轮机转轮的焊接加工水轮机转轮叶片的焊接部位水轮机转轮叶片的焊接部位焊接结构的杰作举例焊接结构的杰作举例-巴顿桥巴顿桥(乌克兰基辅乌克兰基辅)特点：跨度大，全焊结构，无铆钉、无螺栓特点：跨度大，全焊结构，无铆钉、无螺栓 2-1 内应力及变形的基本概念 一、内应力及产生原因 按分布范围分为：第一类内应力（宏观，工程中主要研究对象）第二类内应力（晶粒尺寸）第三类内应力（晶格尺寸）内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力 温度应力（热应力）产生条件：受热不均匀 温度均匀结果：应力残留或消失举例：框架结构的热
2、应力平衡特点残余应力 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二、自由变形、外观变形和内部变形 自由变形：LT=L0(T1-T0)T=LT/L0=(T1-T0)外观变形：Lee=Le/L0 内部变形：L=(LT Le)=L/L0低碳钢应力应变关系 =E=E(e T)三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力 研究的前提条件：平面假设原理 长板条中心加热截取板条的单位长度研究dxYBB.2/2/dxEBBTe2/2/)(0)(2/2/dxxfEBBe温度低，无塑性变形,应力平衡：温度高，产生塑性变形，残余应力：2222)(YBBpeBBdxEdx222222)(BCeCCpeC
3、BedxEdxxfEdxE0)()(22BBpeedxxfECBE非对称加热（一侧加热）b)和c)两种情况为不平衡力矩，不能发生内应力平衡条件为：截面有转动，所以e 非常数，是x的线性函数BxBeeBee)(000)()(Y000BeBTeBdxxfEdxEdx0)()(M000BeBTeBdxxfxExdxEdxx20eBeemBceeB01板条平均伸长率为：板条曲率为：结论：当s时产生残余应力和残余变形（如图27）；当s时不产生残余应力和残余变形；四、焊接引起的内应力及变形焊接应力与变形的特殊性金属高温性能随温度变化对于低碳钢CTCTcCTcsss600,0600500,0500,CTCT
4、cCTcsss600,0600500,0500,典型焊接温度场平面假设的适用条件：焊接速度快材料导热慢（钢）受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程)(.1TesE弹性状态，无残余应力CETECTsTeMAXs100)(500,.2有塑性变形及残余应力CTMAXs600,.3残余应力等于材料屈服极限焊接应力应变的演变过程焊接热应变循环近缝区的两种情况a)无相变；b)有相变（焊缝）金属在高温时的延性和断裂脆性温度区热裂纹产生 条件热应变脆化焊接瞬态应力变形研究的新发展有限元法和计算机技术的应用取代简单计算22 焊接残余变形焊接残余变形的分类：分七类纵向收缩变形 横向收缩变形挠曲变形角变形 波浪变
5、形：薄板易发生错边变形：长度方向和厚度方向螺旋形变形焊接变形影响结构尺寸的准确、美观可能降低结构承载能力（附加弯曲应力）焊接变形可能降低结构承载能力举例二二、纵向收缩变形以及它引起的挠曲变形dFPpFpf假想力FdFLFELPLpFpf纵向收缩量假想力作用在塑性变形区上线能量对焊接纵向变形的影响:多层焊与单层焊细长构件纵向收缩量的经验公式估算:单层焊的纵向收缩量为焊缝截面积，取值见表其中HHFkFLFkL1211多层焊的纵向收缩量为多层焊层数其中nnkFLFkkLsH ,851212两面角焊缝丁字接头 再乘以系数1.151.40钢制构件的挠度估算单道焊缝引起的挠度:距离为焊缝到构件中性轴的见表
6、ekcmILeFkfH1,-2)(8121多层焊和双面角焊缝引起的挠度:)(8212cmILeFkkfH三、横向收缩变形及其产生的挠曲变形堆焊及角焊缝横向收缩变形与线能量和板厚的关系 图236横向收缩在焊缝长度方向上的分布 图237对接接头留有间隙的平板对接焊的横向变形不留间隙的平板对接焊的横向变形沿焊缝纵向热变形对横向变形的影响四、角变形产生原因：横向收缩在厚度方向上的不均匀分布堆焊对接接头对接焊层数与角变形的关系对接多层焊防止角变形方法丁字接头的角变形五、波浪变形产生原因：受压部位失稳螺旋形变形八、预防焊接变形的措施设计措施1.合理选择焊缝尺寸和形式开坡口的好处:减小变形节省人力物力减小焊
7、接变形措施:坡口选取设计措施之二2.减少不必要的焊缝设计措施之三3.合理安排焊缝位置焊缝尽量对称于中性轴或靠近中性轴工艺措施1.反变形法2.刚性固定法3.合理选择焊接方法和焊接规范4.选择合理的装配焊接次序方案一方案二方案三321213fff挠度焊接次序213321fff挠度焊接次序31321312fffff挠度焊接次序九、矫正焊接变形的方法机械矫正法火焰加热矫正法焊接角变形的利用火焰成型(水火弯板)2-3 焊接残余应力一、焊接残余应力的分布纵向残余应力x横向应力y厚板中的残余应力电渣焊低碳钢多层焊拘束状态下的焊接内应力封闭焊缝引起的内应力相变应力二、焊接残余应力的影响内应力对静载强度的影响塑
8、性材料在平面应力状态：无影响脆性材料或脆性状态承载能力下降塑性脆性力学状态的判断内应力对机械加工精度和尺寸稳定性的影响内应力对受压杆件稳定性的影响内应力对刚度的影响三、焊接过程中调节内应力的措施采用合理的焊接顺序和方向先焊受力大的焊缝，使之最终受压应力作用拼板时先焊短缝，再焊直通长缝适当采用反变形法随焊锤击或碾压焊缝在结构适当部位加热使之伸长四、焊后消除焊接内应力的方法整体高温回火局部高温回火机械拉伸法（过载法）温差拉伸法振动法五、焊接残余应力的测定焊接残余应力的测定应力释放法1.切条法切条（切块）法举例切条（切块）法举例切条（块）法的应用场合及优缺点切条（块）法的应用场合及优缺点 a.适合平
9、面应力测量（薄件），对厚件不合适；适合平面应力测量（薄件），对厚件不合适；b.适合大尺寸构件应力测量；适合大尺寸构件应力测量；c.适合宏观应力即第一类残余应力测量；适合宏观应力即第一类残余应力测量；d.切条（块）越小则测试精度越高；切条（块）越小则测试精度越高；e.测试精度较高，数据比较可靠；测试精度较高，数据比较可靠；f.测试过程简单易行，不需要昂贵仪器设备；测试过程简单易行，不需要昂贵仪器设备；g.误差来源：标距孔加工精度、应变片精度及粘贴质量、误差来源：标距孔加工精度、应变片精度及粘贴质量、仪器误差，机械切割震动；仪器误差，机械切割震动；h.，破坏性大，属于完全破坏性测试方法；，破坏性大
10、，属于完全破坏性测试方法；i.测试周期长测试周期长j.测试部位面积过大。测试部位面积过大。2.套孔法3.小孔法4.逐层铣削法5.压痕法小孔（盲孔）法的应用场合及优缺点小孔（盲孔）法的应用场合及优缺点 a.适合表面二维应力测量（适合表面二维应力测量（4mm厚件），厚件），对对4mm薄件不合适；薄件不合适；b.适合最小长或宽尺寸适合最小长或宽尺寸10mm构件的应力测量；构件的应力测量；c.适合宏观应力即第一类残余应力测量；适合宏观应力即第一类残余应力测量；d.打孔直径应打孔直径应1mm；e.测试精度高，数据可靠，目前应用最广泛；测试精度高，数据可靠，目前应用最广泛；f.测试过程简单易行，不需要昂贵
11、仪器设备；测试过程简单易行，不需要昂贵仪器设备；g.误差来源：标距孔加工精度和位置精度，误差来源：标距孔加工精度和位置精度，应变片制作精度、应变片制作精度、粘贴质量、粘贴质量、粘贴位置和角度误差，仪器误差；粘贴位置和角度误差，仪器误差；h.破坏性小，属于部分破坏性测试方法；破坏性小，属于部分破坏性测试方法；i.测试周期长；测试周期长；j.测试面积大；测试面积大；k.对高强度、高硬度材料打孔困难。对高强度、高硬度材料打孔困难。6.激光全息散斑干涉法激光全息散斑干涉法：一次全息图激光全息散斑干涉法：反映应变场的干涉云纹图激光全息散斑干涉法：测试结果激光全息测量法激光全息测量法的应用场合及优缺点的应
12、用场合及优缺点 a.适合表面二维应力测量（适合表面二维应力测量（3mm厚件），厚件），对对3mm薄件不合适；薄件不合适；b.适合最小长或宽尺寸适合最小长或宽尺寸10mm构件的应力测量；构件的应力测量；c.适合宏观应力即第一类残余应力测量；适合宏观应力即第一类残余应力测量；d.打孔直径小，打孔直径小，12mm，测试面积小，测试面积小；e.测试精度很高（误差约测试精度很高（误差约5%），数据十分可靠，），数据十分可靠，目前最精确可靠的方法；目前最精确可靠的方法；f.测试过程简单易行，分析过程计算机完成，快捷方便；测试过程简单易行，分析过程计算机完成，快捷方便；g.消除盲孔（小孔）法的诸多误差来源：
13、消除盲孔（小孔）法的诸多误差来源：无需打标距孔，无需粘贴应变片，无需人工测量；无需打标距孔，无需粘贴应变片，无需人工测量；h.属于部分破坏性测试方法；属于部分破坏性测试方法；i.对高强度、高硬度材料打孔困难；对高强度、高硬度材料打孔困难；j.需要昂贵仪器设备需要昂贵仪器设备。无损测试方法1）x射线衍射法X射线衍射法测量应力特点射线衍射法测量应力特点a.完全无损测量完全无损测量b.可以测量宏观应力和微观应力可以测量宏观应力和微观应力c.测量过程最方便快捷测量过程最方便快捷d.适合几微米至几十微米的表层二维应力测量适合几微米至几十微米的表层二维应力测量e.测试原理先进测试原理先进f.对于碳钢等成分
14、简单材料测量精度较高对于碳钢等成分简单材料测量精度较高g.测量结果重复性较差测量结果重复性较差h.对于很多有色金属或多组元金属测试精度很低对于很多有色金属或多组元金属测试精度很低i.对于待测工件的表面状况要求高对于待测工件的表面状况要求高j.测试仪器设备昂贵测试仪器设备昂贵k.对人体有少量辐射，需采取屏蔽措施对人体有少量辐射，需采取屏蔽措施2）中子衍射法）中子衍射法处于研究阶段，处于研究阶段，适合无损测量构适合无损测量构件深层残余应力件深层残余应力3）电磁测量法）电磁测量法尚处于研究阶段尚处于研究阶段优点是测试方便优点是测试方便缺点是测试区大、缺点是测试区大、精度有待提高、精度有待提高、组织性能变化难排除组织性能变化难排除只能测试铁磁性材料只能测试铁磁性材料4）超声波测量法）超声波测量法测量原理：测量原理：应力水平不同导致超声波传播速度的差异应力水平不同导致超声波传播速度的差异适用范围：测量大尺寸构件内部的三维平均应力适用范围：测量大尺寸构件内部的三维平均应力 目前尚处于实验室研究阶段，精度低目前尚处于实验室研究阶段，精度低
