文档介绍：焊接内应力及调控措施
吉林大学李桂中
1、导论
图1 a)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****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。
T
t
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-自由收缩
(3)
(3)限制膨胀特征:εe ≡ 0, ε≡-εT
自由收缩特征: εe ≡εT
T, εT ,εe,ε
T, εT ,εe,ε
a)TMAX<TS= 100℃ b) TMAX= 300 ℃
-
|εmax|< εs ,εp= 0 |εmax|>εs
无残余应力与残余变形! |ε p max| = 2 εs
-
t0 t1 t2
100
200
300
有残余变形,无残余应力!
t0 t1 t2 t3 t4
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≡-εT
T, εT ,εe,ε
T, εT ,εe,ε
a)TMAX<TS= 100℃ b) TMAX= 300 ℃
-
|εmax|< εs ,εp= 0 |εmax|>εs
无残余应力与残余变形! |ε p max| = 2 εs
-
t0 t1 t2
+
100
200
300
有残余应力,无残余变形!