1、钢材-船体骨材，加筋板架，舱段，分段合拢焊接变形与残余应力焊接焊接第第8 8讲讲 焊接应力与变形焊接应力与变形第第8 8讲讲 焊接应力与变形焊接应力与变形授课内容授课内容：l 几个基本概念几个基本概念l 焊接应力与变形焊接应力与变形l 典型焊接变形典型焊接变形基本概念基本概念 一、内应力及产生原因一、内应力及产生原因 当物体受到不均匀作用当物体受到不均匀作用(如如局部加热或加压局部加热或加压)就会产生应力，如果作用取消后物体内部还有就会产生应力，如果作用取消后物体内部还有应力的话，把这种没有外力作用平衡于物体内应力的话，把这种没有外力作用平衡于物体内部的应力，称作内应力。部的应力，称作内应力。
2、这种应力存在许多工程结构中，如铆接结这种应力存在许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。构、铸造结构、焊接结构等。内应力按分布范围分为：内应力按分布范围分为：第一类内应力第一类内应力（宏观，工程中主要研究（宏观，工程中主要研究对象）对象）第二类内应力（晶粒尺寸）第二类内应力（晶粒尺寸）第三类内应力（晶格尺寸）第三类内应力（晶格尺寸）基本概念基本概念 内应力按产生原因分类：内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力温度应力及残余应力温度应力（热应力）温度应力（热应力）产生条件：产生条件：受热不均匀受热不均匀温度均匀结果：应力残留或消失温度均匀结果：应力残留或消失基本概念基本概念 举例举例
3、 残余应力l产生原因：不均匀加热产生原因：不均匀加热l产生条件：产生条件：局部区域产生塑性变形或相变局部区域产生塑性变形或相变基本概念自由变形：变形没受到外界阻碍而自由进行 LT=L0(T1-T0)T=LT/L0=(T1-T0)外观变形：能够表现出来变形 Lee=Le/L0内部变形：未表现出来变形 L=(LT Le)=L/L0低碳钢应力应变关系=E=E(e T)焊接变形1)伸长受阻但可自由收缩2)伸长受阻自由收缩-变形率，变形率，e-外观变形率外观变形率，T-自由变形率自由变形率结论：1)当s时，杆件可以恢复到原来的长度，则杆件中不存在应力；2)当s时产生残余变形研究的前提条件：研究的前提条件
4、：平面假设原理平面假设原理 假设一个长度比宽度大得多的板条，假设一个长度比宽度大得多的板条，当构件受纵向应力或弯矩作用而变形时，当构件受纵向应力或弯矩作用而变形时，在构件中的平截面始终保持是平面。在构件中的平截面始终保持是平面。不均匀温度场作用下的变形和应力不均匀温度场作用下的变形和应力长板条中心加热长板条中心加热不均匀温度场作用下的变形和应力不均匀温度场作用下的变形和应力假设这个金属板条是由若干假设这个金属板条是由若干互不相连的互不相连的小窄条小窄条组成，则组成，则每根小窄条都可以按着自己每根小窄条都可以按着自己被加热到的温度自由变形。被加热到的温度自由变形。实际上，组成板条的小窄条实际上，
5、组成板条的小窄条之间是互相牵连和约束的整之间是互相牵连和约束的整体，截面必须保持平面。由体，截面必须保持平面。由于温度场在板条上的分布是于温度场在板条上的分布是对称的，故端面只作平移。对称的，故端面只作平移。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)(BCeCCpeCBedxEdxxfEdxE0)()(22BBpeedxxfECBE不均匀温度场作用下的变形和应力不均匀温度场作用下的变形和应力在板条中心对称加热时，板条中产生温在板
6、条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心受压，两边受拉。度应力，中心受压，两边受拉。温度恢复到原始状态时温度恢复到原始状态时当s时，产生，产生残余应力和塑性变形残余应力和塑性变形，中中心受拉，两边受压心受拉，两边受压。非对称加热（一侧加热）板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。(二二)长板条一侧加热长板条一侧加热结论：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；非对称加热（一侧加热）金属高温性能随温度变化金属高温性能随温度变化对于低碳钢：对于低碳钢：CTCTcCTcsss600,0600500,0500,焊接应力与变
7、形焊接应力与变形受拘束体在热循环中应力与变形)(.1TesE弹性状态，无残余应力CETECTssTeMAXs100)(500,.2-线膨胀系数线膨胀系数有塑性变形及残余应力受拘束体在热循环中应力与变形CTMAXs600,.3残余应力等于材料屈服极限%72.0600102.15TLL船用低碳钢的船用低碳钢的延伸率延伸率20%,20%,故不可能产生故不可能产生断裂。断裂。典型焊接温度场典型焊接温度场平面假设的适用条件：平面假设的适用条件：焊接速度快焊接速度快材料导热慢材料导热慢(钢钢)焊接温度场焊接温度场在AB和AB区域中金属完全处于弹性状态，内应力正比于内部应变值。在DD区域内，金属的温度超过6
8、00，s可视为零，不产生应力。在DC和DC区域，温度从600降至500，屈服极限迅速从零上升到室温时的数值。因此在这两个区域里内应力的大小是随s的增加而增加的。焊接应力应变的演变过程焊接应力应变的演变过程截面截面I塑性温度最宽处塑性温度最宽处截面截面II最高温度为最高温度为600截面截面III离热源稍远处离热源稍远处截面截面IV温度恢复到常温温度恢复到常温 在在截面截面I I处，横向温度高于处，横向温度高于600600范围内自由变形范围内自由变形全部为塑性变形，全部为塑性变形，应力为零应力为零，横向温度在，横向温度在600600至至100100范围内，出现范围内，出现压缩弹性变形和部分塑性变形
9、压缩弹性变形和部分塑性变形，较远处出现拉应力。较远处出现拉应力。在截面在截面II II处，焊缝中心温度高达处，焊缝中心温度高达600600，故该处，故该处拉应力为零，两侧随温度的降低拉应力为零，两侧随温度的降低拉应力逐渐增大拉应力逐渐增大，在远处出现压应力，压应力达到屈服极限后，产生在远处出现压应力，压应力达到屈服极限后，产生压缩塑性变形压缩塑性变形。在截面在截面IIIIII处，温度进一步下降，材料进一步受到处，温度进一步下降，材料进一步受到拉伸，拉应力达到拉伸，拉应力达到s s。在压应力区，又有一部分材。在压应力区，又有一部分材料屈服，压缩塑性变形区稍扩大。料屈服，压缩塑性变形区稍扩大。在截
10、面在截面IVIV处，温度恢复至常温，处，温度恢复至常温，焊缝中心形成拉焊缝中心形成拉伸变形，两侧产生压缩塑性变形伸变形，两侧产生压缩塑性变形。焊接应力应变的演变过程焊接应力应变的演变过程焊接热应变循环焊接热应变循环近缝区的两种情况：a)无相变；b)有相变金属在高温时的延性和断裂金属在高温时的延性和断裂产生裂纹三个因素产生裂纹三个因素 大小大小脆性温度区脆性温度区TB金属塑性金属塑性minmin1 1-临界条件临界条件2-2-不产生裂纹不产生裂纹3-3-产生裂纹产生裂纹T/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焊接应力的分类和形成原因焊接应力的分类和形成原因 焊接残余
11、应力焊接残余应力-由于焊接时产生不均匀温度场，导致焊件不由于焊接时产生不均匀温度场，导致焊件不 均匀胀缩，冷却后引起的内部残存应力。均匀胀缩，冷却后引起的内部残存应力。焊接残余变形焊接残余变形-焊接冷却后引起的产生的变形。焊接冷却后引起的产生的变形。具备条件：具备条件：2 2、变形受到约束、变形受到约束3 3、塑性变形、塑性变形1 1、不均匀温度场、不均匀温度场焊接应力的分类：纵向、横向和厚度方向焊接应力的分类：纵向、横向和厚度方向1.1.纵向焊接应力纵向焊接应力lllll-自由伸长量自由伸长量l-共同伸长量共同伸长量压压拉拉加热中间板块加热中间板块,中间板块伸长。由于变形协调，中间变形受到中
12、间板块伸长。由于变形协调，中间变形受到约束共同伸长，中间受压，两端受拉。约束共同伸长，中间受压，两端受拉。冷却冷却 ：中间回缩，中间受拉，：中间回缩，中间受拉，两端受压。两端受压。拉压平衡，残留在构件中。拉压平衡，残留在构件中。lll纵向纵向 -施焊方向施焊方向冷却收缩时冷却收缩时 ：焊缝附近产生拉应力：焊缝附近产生拉应力 焊缝远处产生压应力焊缝远处产生压应力1.1.纵向焊接应力纵向焊接应力纵向应力产生的原理纵向应力产生的原理l 自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成。假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩
13、的小板条组成。在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样就不会出现内应力。就不会出现内应力。l 如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应力，低温部分产生拉应力。力，低温部分产生拉应力。l 当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性当焊件冷却
14、时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸，分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸，产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。纵向应力产生的原因纵向应力产生的原因1)1)焊缝纵向收缩时焊缝纵向收缩时,钢板有相对弯曲的趋向钢板有相对弯曲的趋向,中部中部拉应力拉应力;两端两端压应力压应力2.2.横向焊接应力横向焊接应力2 2）后焊焊缝收缩）后焊焊缝收缩受限受限横向拉应力横向拉应力;先焊焊缝先焊焊缝-压应力压应力,远端远端-拉应力拉应
15、力1)1)由纵向收缩变形引起的横向应力由纵向收缩变形引起的横向应力w两块板对接焊时，两块板对接焊时，相当于两块板进行对相当于两块板进行对称的单边堆焊，其挠称的单边堆焊，其挠曲变形方向相反，由曲变形方向相反，由于相互制约，将在于相互制约，将在焊焊缝中部产生横向拉应缝中部产生横向拉应力力，在，在焊缝两端出现焊缝两端出现横向压应力横向压应力。w单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起挠曲挠曲变形变形。横向应力产生的原因横向应力产生的原因2)2)由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力 焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将
16、对焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位后冷却部位的横向收缩变形产生制约的横向收缩变形产生制约，并由此使，并由此使后冷却部位产生拉应力后冷却部位产生拉应力，而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用，而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用，因此使因此使先冷却部位产生压应力先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果，。此外，由于应力平衡的结果，在焊缝的最末段也将产生压应力。在焊缝的最末段也将产生压应力。上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。横向应力产生的原因应力分布状态3.3.厚度方向焊接
17、应力厚度方向焊接应力 焊厚钢板焊厚钢板,冷却时冷却时,外围先冷固外围先冷固,内层内层收缩受限收缩受限,焊缝中部受拉焊缝中部受拉,四周受压四周受压.当板材较厚，不能按照平当板材较厚，不能按照平面应力假设考虑时，厚度面应力假设考虑时，厚度方向的内应力也起作用，方向的内应力也起作用，这就产生了三轴应力状态，这就产生了三轴应力状态，如图如图1616。多轴应力状态下，材料的屈服极限不多轴应力状态下，材料的屈服极限不再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得的结果，甚至可能发生不出现明显屈的结果，甚至可能发生不出现明显屈服就断裂的情况。其断裂强度至少要服就断裂的情况。其断裂强度至少要
18、超过标准屈服极限的二倍。超过标准屈服极限的二倍。焊接结构中经常会出现多轴应力状态焊接结构中经常会出现多轴应力状态应力分布状态1.1.降低承载能力降低承载能力2.2.引起焊接裂纹，甚至脆断引起焊接裂纹，甚至脆断3.3.在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹4.4.引起变形引起变形焊接应力的不利影响焊接应力的不利影响焊接变形焊接变形焊接变形的分类：分七类焊接变形的分类：分七类纵向收缩变形 横向收缩变形(三三)角变形l产生原因：横向收缩变形，沿厚度方向分产生原因：横向收缩变形，沿厚度方向分布不均匀。布不均匀。不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：不对称纵向焊缝形成的弯曲力矩：M=PZ构
19、件的挠度可由下式求得：构件的挠度可由下式求得：EIPZLEIMLf8822式中：式中：P-不对称纵向焊缝形成的偏心力不对称纵向焊缝形成的偏心力Z-塑性区中心到截面中性轴距离塑性区中心到截面中性轴距离L-构件长度；构件长度；I-构件截面惯性矩构件截面惯性矩(四四)纵向收缩引起的挠曲变形纵向收缩引起的挠曲变形横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横横向焊缝在结构上分布不对称，每一条横向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯向收缩都将使结构弯曲一个角度，而该弯曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。曲角变形将使结构下挠形成弯曲变形。(四四)横向收缩引起的挠曲变形横向收缩引起的挠曲变形(五五)错边变形错边变形l纵向
20、热源加热沿横向或厚度方向不对称，纵向热源加热沿横向或厚度方向不对称，导致导致长度方向错边长度方向错边和和厚度方向错边厚度方向错边。(六六)螺旋变形螺旋变形l焊接纵向焊缝时，沿纵向产生不同的角变形，可能导致螺旋变形。l焊接薄板时，在纵向和横向焊缝作用下，薄板内部将产生压应力，当薄板某处的压应力与薄板的刚度(EI)之间关系超过临界值时，薄板将失稳，形成波浪变形。(七七)波浪变形波浪变形产生原因：受压部位失稳(七七)波浪变形波浪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）焊接变形的影响焊接变形的影响焊接变形可能降低结构承载能力举例二焊接变形的影响焊接变形的影响什么是内应力？什么是温度应力？什么什么是内应力？什么是温度应力？什么是残余应力？是残余应力？焊接应力的分类和形成原因？焊接应力的分类和形成原因？问题问题
