文档介绍：第一章焊接应力与变形
焊接时,由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀,最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是引起脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂和失稳破坏的主要原因。另外,焊接变形也使结构的形状和尺寸精度难以达到技术要求,直接影响结构的制造质量和使用性能。因此,本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因;焊接变形的种类,控制焊接变形的工艺措施和焊后如何矫正焊接变形;焊接应力的分布规律,降低焊接应力的工艺措施和焊后如何消除焊接残余应力。
第一节焊接应力与变形的产生
一、焊接应力与变形的基本知识
物体在外力或温度等因素的作用下,其形状和尺寸发生变化,这种变化称为物体的变形。
当使物体产生变形的外力或其它因素去除后变形也随之消失,物体可恢复原状,这样的变形称为弹性变形。当外力或其它因素去除后变形仍然存在,物体不能恢复原状,这样的变形称为塑性变形。物体的变形还可按拘束条件分为自由变形和非自由变形。在非自由变形中,有外观变形和内部变形两种。
以一根金属杆的变形为例,当温度为T0时,其长度为L0,均匀加热,温度上升到T时,如果金属杆不受阻,杆的长度会增加至L,其长度的改变ΔLT=L- L0,ΔLT就是自由变形,见图1-la。如果金属杆件的伸长受阻,则变形量不能完全表现出来,就是非自由变形。其中,把能表现出来的这部分变形称为外观变形,用ΔLe表示;而未表现出的变形称为内部变形,用ΔL表示。在数值上,ΔL=ΔLT-ΔLe,见图1-lb。
单位长度的变形量称为变形率,自由变形率用εT表示,其数学表达式为:
εT=ΔLT/L0=α(T-T0) (1-1)
式中α——金属的线膨胀系数,它的数值随材料及温度而变化。
外观变形率εe,可用下式表示:
εe=ΔLe/ L0 (1-2)
同样,内部变形率ε用下式表示:
ε=ΔL/L0 (1-3)
图1-1 金属杆件的变形
a)自由变形 b)非自由变形
存在于物体内部的、对外力作用或其它因素引起物体变形所产生的抵抗力,叫做内力。另外,在物理、化学或物理化学变化过程中,如温度、金相组织或化学成分等变化时,在物体内也会产生内力。
物体单位截面积上的内力叫做应力。
根据引起内力原因不同,可将应力分为工作应力和内应力。工作应力是由外力作用于物体而引起的应力;内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化,造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。内应力存在于许多工程结构中,如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。焊接应力就是一种内应力。内应力的显著特点是,在物体内部,内应力是自成平衡的,形成一个平衡力系。
焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后,存在于焊件中的内应力。由焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。
二、研究焊接应力与变形的基本假定
金属在焊接过程中,其物理性能和力学性能都会发生变化,给焊接应力的认识和确定带来了很大的困难,为了后面分析问题方便,对金属材料焊接应力与变形作以下假定:
(1)平截面假定假定构件在焊前所取的截面,焊后仍保持平面。即构件只发生伸长、缩短、弯曲,其横截面只发生平移或偏转,永远保持平面。
(2)金属性质不变的假定假定在焊接过程中材料的某些热物理性质,如线膨胀系数(α)、热容(c)、热导率(λ)等均不随温度而变化。
(3)金属屈服强度假定低碳钢屈服强度与温度的实际关系如图1-2实线所示,为了讨论问题的方便,我们将它简化为图中虚线所示。即在500℃以下,屈服强度与常温下相同,不随温度而变化;500℃至600℃之间,屈服强度迅速下降;600℃以上时呈全塑性状态,即屈服强度为零。我们把材料的屈服强度为零时的温度称为塑性温度。
图1-2 低碳钢的屈服强度与温度的关系
(4)焊接温度场假定通常将焊接过程中的某一瞬间,焊接接头中各点的温度分布称为温度场。在焊接热源作用下构件上各点的温度在不断地变化,可以认为达到某一极限热状态时,温度场不再改变,这时的温度场称为极限温度场。
三、焊接应力与变形产生的原因
产生焊接应力与变形的因素很多,其中最根本的原因是焊件受热不均匀,其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性不同所致。另外,焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定的影响,下面着重介绍几个主要因素。
焊件的焊接是一个局部的加热过程,焊件上的温度分布极不均匀,为了便于了解不均匀受热时应力与变形的产生,下面对不同条件下的应力与变形进行讨论。
(1)不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形根据前面对变形知识的讨论,不受约束的杆件在均匀加热与冷却时,其变形属于自由变形,因此在