焊接內(nèi)應(yīng)力及調(diào)控措施課件.ppt

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1、焊接內(nèi)應(yīng)力及調(diào)控措施吉林大學(xué)李桂中1、導(dǎo)論圖1a）氣焊和b）電弧焊溫度場(chǎng)的分布（板厚為5mm）焊接的熱效應(yīng)導(dǎo)致焊件內(nèi)產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力，不同焊接工藝在焊接部位產(chǎn)生不同形狀的溫度場(chǎng)。該溫度場(chǎng)的溫度變化區(qū)間為從金屬的熔點(diǎn)（鋼為1500℃）至室溫（約為20℃）。圖1為氣焊和電弧焊溫度場(chǎng)的分布情況。焊接熱過(guò)程中，溫度場(chǎng)是動(dòng)態(tài)變化的。等溫線(xiàn)也是逐漸擴(kuò)展的。工件上某一點(diǎn)處的溫度也是隨時(shí)改變著的。習(xí)慣上把該點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律稱(chēng)為該點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)（如圖2所示）。不同時(shí)間、不同位置、有不同的溫度！必將產(chǎn)生不同的熱變形，甚至膨脹和收縮也不同步。這種不

2、均勻、不同時(shí)、不同步的熱變形，就會(huì)導(dǎo)致工件內(nèi)部的相互拘束，因此就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力及熱塑性變形的產(chǎn)生。最終還會(huì)導(dǎo)致殘余應(yīng)力和殘余變形。Tt圖2工件上某一點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線(xiàn)焊接溫度場(chǎng)的整體描述：T=f（x，y，z，t）即焊接溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的函數(shù)。溫度場(chǎng)的整體描述橫看成嶺縱呈峰；遠(yuǎn)近溫升各不同；等溫環(huán)線(xiàn)有疏密；最終回歸熱平衡。圖3自由延伸—自由收縮圖3屬于自由狀態(tài)，即鋼棒加熱時(shí)能自由延伸；冷卻時(shí)又可自由收縮，最終恢復(fù)到原始長(zhǎng)度。在整個(gè)過(guò)程中不存在變形阻力，更不會(huì)產(chǎn)生任何塑性變形。因此鋼棒內(nèi)在熱循環(huán)過(guò)程中不存在任何內(nèi)應(yīng)力。一組小試件均勻加熱和冷

3、卻的變形循環(huán)與分析（1）無(wú)拘束條件圖4自由延伸—限制收縮圖4屬于自由延伸—限制收縮狀態(tài)，即鋼棒在加熱過(guò)程中可自由延伸；而在冷卻時(shí)其收縮卻受到剛性限制，這樣冷卻后在鋼棒內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于該材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致鋼棒斷裂。（2）自由延伸-限制收縮圖5限制延伸—自由收縮圖5屬于限制延伸—自由收縮狀態(tài)下，鋼棒受熱時(shí)不能自由延伸而產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著加熱溫度的提高，屈服極限隨之下降，并導(dǎo)致“鍛粗”，即產(chǎn)生壓縮塑性變形。在冷卻時(shí)卻對(duì)鋼棒的收縮沒(méi)有限制，已產(chǎn)生的“鍛粗”部位不能恢復(fù)原態(tài)，故鋼棒最終將變短，但不存在殘余應(yīng)力。（3）限制延伸-自由

4、收縮（3）（3）限制膨脹特征：εe≡0，ε≡－εT自由收縮特征：εe≡εTT,εT,εe,εT,εT,εe,εa）TMAX＜TS=100℃b)TMAX=300℃－

5、εmax

6、＜εs,εp=0

7、εmax

8、＞εs無(wú)殘余應(yīng)力與殘余變形！

9、εpmax

10、=2εs－t0t1t2100200300有殘余變形，無(wú)殘余應(yīng)力！t0t1t2t3t4圖6限制延伸—限制收縮圖6屬于限制延伸—限制收縮狀態(tài)，即加熱時(shí)鋼棒的延伸受到限制，產(chǎn)生壓應(yīng)力，隨著溫度的增加，鋼棒的屈服極限下降，直至產(chǎn)生“鍛粗”，壓應(yīng)力隨之減小。在冷卻時(shí)，鋼棒收縮受到限制，導(dǎo)致在鋼棒內(nèi)產(chǎn)生較大

11、的拉應(yīng)力。甚至產(chǎn)生較大的拉伸塑性變形！（4）限制延伸-限制收縮（2）剛性拘束特征：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無(wú)殘余應(yīng)力與殘余變形！

16、εpmax

17、=2εs－t0t1t2+100200300有殘余應(yīng)力，無(wú)殘余變形！2、拉伸試驗(yàn)與溫度的關(guān)系圖7表示了碳鋼在不同溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的特征曲線(xiàn)變化趨勢(shì)。圖7材料特性值與溫度的關(guān)系（1碳鋼2低合金鋼）3.焊接內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生及分布3.1典型鋼棒內(nèi)應(yīng)力的分析將一鋼棒固定在剛性結(jié)構(gòu)

18、上后加熱（如圖8所示），由于鋼棒的延伸受到限制，則在鋼棒內(nèi)將產(chǎn)生壓應(yīng)力。圖8固定鋼棒所產(chǎn)生的壓應(yīng)力鋼棒：材料S235（Re=235N/㎜2）長(zhǎng)度=100㎜Δt=60℃/80℃/100℃/120℃t=60℃σ=151N/㎜2t=80℃σ=201N/㎜2t=100℃σ=252N/㎜2t=120℃σ=302N/㎜2圖9為一端固定的鋼棒。將鋼棒加熱到1500℃（理論上），隨著溫度的升高，鋼棒的抗變形能力下降，出現(xiàn)延伸及墩粗。當(dāng)冷卻到室溫時(shí)，鋼棒縮短了≈2%，該2%即為鑄造時(shí)所考慮的收縮量。圖9一端固定的鋼棒0.001圖10二端固定的鋼棒圖10

19、為二端固定的鋼棒。加熱及冷卻過(guò)程如上述一樣，當(dāng)冷卻至室溫時(shí)，鋼棒將被拉長(zhǎng)大約2%（其中一部分為塑性的，一部分為彈性的）。由彈性部分導(dǎo)致了殘余應(yīng)力,即拉應(yīng)力。根據(jù)平衡原理，在固定鋼棒的剛性結(jié)構(gòu)中也有應(yīng)力存在。3.2焊件內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生和分布平板側(cè)面堆焊和平板對(duì)接焊縫焊接過(guò)程中的溫度分布如圖11所示。圖11側(cè)面堆焊和平板對(duì)接焊溫度分布圖從圖7可分析到鋼的屈服極限在0~500℃時(shí)，金屬基本是一個(gè)常數(shù)，當(dāng)溫度升至500℃以上時(shí)，發(fā)生陡降，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，接近于零。說(shuō)明此時(shí)金屬幾乎處于完全塑性狀態(tài)，在很小的外力作用下即可以產(chǎn)生塑性變形。3.2

20、.1縱向應(yīng)力產(chǎn)生的原因金屬在加熱時(shí)的伸長(zhǎng)量與溫度成正比（自由狀態(tài)下）。我們假設(shè)被焊鋼板是由無(wú)數(shù)可以自由伸縮的小板條組成，在焊接過(guò)程中，它們由于各自受熱情況不同，將按溫度分布情況伸長(zhǎng)；同時(shí)在冷卻時(shí)，各小板條又將收縮回原處，