焊接内应力及调控措施课件.ppt

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1、焊接内应力及调控措施吉林大学李桂中1、导论图1a）气焊和b）电弧焊温度场的分布（板厚为5mm）焊接的热效应导致焊件内产生焊接内应力，不同焊接工艺在焊接部位产生不同形状的温度场。该温度场的温度变化区间为从金属的熔点（钢为1500℃）至室温（约为20℃）。图1为气焊和电弧焊温度场的分布情况。焊接热过程中，温度场是动态变化的。等温线也是逐渐扩展的。工件上某一点处的温度也是随时改变着的。习惯上把该点温度随时间的变化规律称为该点的焊接热循环曲线（如图2所示）。不同时间、不同位置、有不同的温度！必将产生不同的热变形，甚至膨胀和收缩也不同步。这种不

2、均匀、不同时、不同步的热变形，就会导致工件内部的相互拘束，因此就会导致内应力及热塑性变形的产生。最终还会导致残余应力和残余变形。Tt图2工件上某一点处的热循环曲线焊接温度场的整体描述：T=f（x，y，z，t）即焊接温度场是时间和空间的函数。温度场的整体描述横看成岭纵呈峰；远近温升各不同；等温环线有疏密；最终回归热平衡。图3自由延伸—自由收缩图3属于自由状态，即钢棒加热时能自由延伸；冷却时又可自由收缩，最终恢复到原始长度。在整个过程中不存在变形阻力，更不会产生任何塑性变形。因此钢棒内在热循环过程中不存在任何内应力。一组小试件均匀加热和冷

3、却的变形循环与分析（1）无拘束条件图4自由延伸—限制收缩图4属于自由延伸—限制收缩状态，即钢棒在加热过程中可自由延伸；而在冷却时其收缩却受到刚性限制，这样冷却后在钢棒内将产生拉应力，当拉应力大于该材料的抗拉强度时，导致钢棒断裂。（2）自由延伸-限制收缩图5限制延伸—自由收缩图5属于限制延伸—自由收缩状态下，钢棒受热时不能自由延伸而产生压应力，随着加热温度的提高，屈服极限随之下降，并导致“锻粗”，即产生压缩塑性变形。在冷却时却对钢棒的收缩没有限制，已产生的“锻粗”部位不能恢复原态，故钢棒最终将变短，但不存在残余应力。（3）限制延伸-自由

4、收缩（3）（3）限制膨胀特征：εe≡0，ε≡－εT自由收缩特征：εe≡εTT,εT,εe,εT,εT,εe,εa）TMAX＜TS=100℃b)TMAX=300℃－

5、εmax

6、＜εs,εp=0

7、εmax

8、＞εs无残余应力与残余变形！

9、εpmax

10、=2εs－t0t1t2100200300有残余变形，无残余应力！t0t1t2t3t4图6限制延伸—限制收缩图6属于限制延伸—限制收缩状态，即加热时钢棒的延伸受到限制，产生压应力，随着温度的增加，钢棒的屈服极限下降，直至产生“锻粗”，压应力随之减小。在冷却时，钢棒收缩受到限制，导致在钢棒内产生较大

11、的拉应力。甚至产生较大的拉伸塑性变形！（4）限制延伸-限制收缩（2）刚性拘束特征：εe≡0，ε≡－εTT,εT,εe,εT,εT,εe,εa）TMAX＜TS=100℃b)TMAX=300℃－

12、εmax

13、＜εs,εp=0

14、εmax

15、＞εs无残余应力与残余变形！

16、εpmax

17、=2εs－t0t1t2+100200300有残余应力，无残余变形！2、拉伸试验与温度的关系图7表示了碳钢在不同温度下进行拉伸试验的特征曲线变化趋势。图7材料特性值与温度的关系（1碳钢2低合金钢）3.焊接内应力的产生及分布3.1典型钢棒内应力的分析将一钢棒固定在刚性结构

18、上后加热（如图8所示），由于钢棒的延伸受到限制，则在钢棒内将产生压应力。图8固定钢棒所产生的压应力钢棒：材料S235（Re=235N/㎜2）长度=100㎜Δt=60℃/80℃/100℃/120℃t=60℃σ=151N/㎜2t=80℃σ=201N/㎜2t=100℃σ=252N/㎜2t=120℃σ=302N/㎜2图9为一端固定的钢棒。将钢棒加热到1500℃（理论上），随着温度的升高，钢棒的抗变形能力下降，出现延伸及墩粗。当冷却到室温时，钢棒缩短了≈2%，该2%即为铸造时所考虑的收缩量。图9一端固定的钢棒0.001图10二端固定的钢棒图10

19、为二端固定的钢棒。加热及冷却过程如上述一样，当冷却至室温时，钢棒将被拉长大约2%（其中一部分为塑性的，一部分为弹性的）。由弹性部分导致了残余应力,即拉应力。根据平衡原理，在固定钢棒的刚性结构中也有应力存在。3.2焊件内应力的产生和分布平板侧面堆焊和平板对接焊缝焊接过程中的温度分布如图11所示。图11侧面堆焊和平板对接焊温度分布图从图7可分析到钢的屈服极限在0~500℃时，金属基本是一个常数，当温度升至500℃以上时，发生陡降，当温度达到600℃时，接近于零。说明此时金属几乎处于完全塑性状态，在很小的外力作用下即可以产生塑性变形。3.2

20、.1纵向应力产生的原因金属在加热时的伸长量与温度成正比（自由状态下）。我们假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成，在焊接过程中，它们由于各自受热情况不同，将按温度分布情况伸长；同时在冷却时，各小板条又将收缩回原处，