焊接结构教学笔记-哈工大

讨和研究。取一单位长度的低碳顿棒，其两端被固定不能仲缩，将该棒均匀加热，然后冷却。为了便于分机把加热和冷却过程中的温度都看成是时间的线性函数。下面分三种俏况进行分抓 1．15I＜L

捧中的应力。＝2(q—s?)，图2—11中水平坐标代表时间(f)，垂直坐标代表温度(y)。和e．在绝对拘束的情况下‘‘与水平轴重合。 随着 图z41 受拘束低联钢挥在加热和冷却时间的推玖在o—ft间，温度上升， 压缩内部、 过程中的应力与变倒eI＜e．变形不断增加，压应力不t9f上升。秽l—f2间，温度降低，压缩内部变形不断减少，压应力不断下降。到f：时应力恢复为零。 2．1‘1＞L，7．，：＜500、

图2—12中，在。一f，间压缩内部变形不断增加，压应力不断上升，到f：时12I，应力达到屈服极限。对于低碳钢来说其弹性模量E＝2M10。k8f／cm z，线膨胀系数。开始出现压缩理性变形cf，随着温度的升高，压应力不变，但压缩塑性变形不断上升。到f2时温度到达最高低压缩塑性变形最大。从f8开始温度下降。由于捧中已产生了eP 2的压缩塑性变形，因此在冷却时它的端面并不U2’点作为起点，而是以2点为起点来收缩。从f 2一fI间压应力不断降低，又因棒的两端固定不能自由收纸故从[：开始出现拉应力。在时温度阵列原始状态，残余应力的大小取决于加热时的最高温度y。．：。对于低碳钢当2000c即可达到。 3．7m．，＞6000c

团3—13在。问压缩内部变形增加，压应力上升，到f，时压应力到达?”出现压缩塑性变形。在f，一fI问压缩塑性变形不断增加，应力保持不变，到入时温度达到500℃，低碳钢的屈服极限开始迅速下降。在12一fo间压应力降低。到七时温度达到600℃，此时屈服极限可视为零，压应力消失，内部变形全部为压缩塑性交形．Jl—J4间压缩塑性交形继续增加，到f，时达到最高温度Y。。：。由于此时已产生压缩塑性交形ep‘，在冷却时穆的端面格不以4’为起点而以4为起点收缩。但收缩时又受到约柬故产生拉伸塑性变形。在f4一fl间虽然樟的长度与原始状态相比承受了压缩塑性变形，但压缩量随着温度的下降不29t减少，因此这个阶段实际上是塑性拉伸过程．到fI时温度又回到600。c，材料的屈服极限从军开始上升，棒的端面以5点为起点收缩，因受到阻力而产生拉应力。ll—f e间拉应力不断增加，到f。时拉应力又到达。。。对于低碳钢f。的温度为5006c，这是因为温度从6000c降到500。c所产生的内部变形‘正好相当于‘，。从f e起‘＞c。，出现拉伸塑性交形。dI—f，间捡应力为，．保持不变，拉伸塑性变形不断增加，直至J，温度恢复到原始状态。 实际上棒所受到的拘束不是绝对的，在加热冷却过程中外观变形并不等于军，、偏离水平轴。在以上的分析中，没有考虑相变所引起的体积变化。这个问题将在下一节中讨论。

(三)焊接应力变形的演变过程

在分析研究焊接残余应力和变形时，取金属处于塑性状态的区域最宽的横截面(对低碳钢来说，亦即600℃等温线最宽处的横截面)作为起点，来逐步求得各区域的压缩塑性变形，最后求出焊件冷却后的残余应力和残余变形。图2—14为一低碳钢长板条沿中心线焊接一条纵向焊缝时，在横截面上纵向应力的演变过程示意图。图中截面I取于塑性温度区最宽处。该截面到热源的距离是p J：(。一焊接连度，j，一时间)。截面到热源的眨离各为。铁面D／离热

源其远，温度恢复到原始状态。这些截面上的温度和应力不仅代表不同空间位置的各截面的温度和应力，而且由于焊接温度场是一个以热源为中心的等速移动温度场， 它们也代表同一截面在焊接热源经过时间z：、f：、入f‘后备瞬间的温度和应力。连续分析这些截面的温度和应力就可以研究焊接应力与变形的演变过程。截面取得越密超多就越能反映实际过程。下面将对以上几个截面分别加以分析。截面I的内应力分布与图2—g相似。在焊缝及其两侧产生压缩塑性变形。经过一段时间(f：一fI)后，温度演变到截面E的分布状态。此队因为在Jl时已存在压缩塑性变形，故在分析f：瞬间的内应力时，不能将e’＝ey曲线直接用在截面B上作为自由变形曲线，而必须把已产生的压缩塑性变形虽从中扣阮作出真正的自由变形分布曲线。然后再根据内应力平衡条件求出q和应力分布。由于高温区的温度下降的幅度较大，而外观变形q相对地变化不大，这部分材料的收缩因受阻碍而拉仲，原来的压缩塑性变形量有所减少。因焊缝中心的温度此时仍高达5006c，故该处的报应力为零。其两侧随温度的降低拉应力增大。再远处，则出现压应力。压应力达到屈服点后，产生压缩塑性变形，故压缩塑性变形区有所扩大。图中高温区内的虚线到其下方曲线之间的距离代炭从截面I的温度降至600。c这个阶段中的拉仲塑性变形量。再经过一段时间(J2一f2)，温度演变到强而皿的分布状态。进行内应力分析时，应同样从该截面的oy中扣除‘：瞬时已存在的压缩塑性变形量。由于高温区的温度进一步下降，材料进一步受到拉伸，拉应力达到，’，原来的压缩塑性变形量进一步减少。在压应力区，由于又有一部分材腮屈服，故压缩塑性变形区稍有扩九用同样方法可分析f4瞬时截面上的内应力分布。此时因温度已恢复到原始状态故所得为残余应力。这里应该指出，在上述应力和应变分折中没有考虑相变的体积变化对焊接应力和变形的影响。这是因为低碳钥的相交温度高于600、，在相变时金属处于塑性状态(。．＝o)，这部分金员不参与内应力的平衡，因此对以后的应力和变形不产生影响。当然，对相变温度低于塑性温度的树队它对残余应力和变形的影酶是不忽视的。这一点将在后面论述。 (四)焊接热应变循环

在研究焊接应力变形时，虽然可以不考虑在塑性温度以上的应变发展过路但是并不能认为在塑性温度以上的变化无关紧要。在焊接过程中焊缓和近缝区金属经受了焊接热循环。与此同时，由于焊接热场的角度不均匀性所产生的田时应力使金屈经受热塑性应变。下面将分析焊接近缝区的两种箔况：离焊缝稍远，最商温度低于材料的相变温度(因2—15。)和最高温度高于相变温度(图2—156)。

第’种情况：在。一f，间自由变形2r大于外观变形e”金属在此阶段受压，压应力逐渐升高。在f：时到达，’，出现压缩塑性变形。到f2时金属到达塑性温度n，。‘o。到4I时，内部变形达到最大值。相。时压缩塑性应变量达到最大倪即开始出现拉伸塑性应变，格自由变形曲线向下平移与外观变形曲线相交。这两条线之间的距离代表拉伸应变量。f4时，金属开始恢复弹性，随着温度的降低拉应力不断增加。至f5拉应力达到，．，保持oI不变，但拉伸塑性变形继续增加直到温度场到达原始均匀状态。

第二种情况：o—fl—f s与第一种怕况相同。至f：时温度到达A、开始相变，比容纳小，塑性变形方向可能逆转。分析塑性放变量时，可将自由变形曲线向下平移与外观变形曲线相交。随着相变的进行，拉伸塑性应变不断增加。至f‘时温度到达A、，相变结束，拉伸塑性应变开始减小，塑性交形方向

又逆转，出现压缩。至fI时压缩塑性应变量又开始减少，转为拉伸。至fl时温度到达Ah，开始相变，比容增九塑性交形方向可能转为压纸直至fr时温度到达A ru相变结兔又出现拉伸塑性变形。至fl金屈开始恢复弹

性。由上述分析可以看出，对近路区来队加热时一般为压缩；冷却时为拉伸。在相变时可能出现应变和应力方向的反复。对于焊缝金屑来认并不存在加热阶段。在冷却过程中除相变时，都受到拉伸。在整个热循环中，金属的性能有大幅度变化见图2—16。当温度接近团相线6咏品粒间的低熔点物质开始熔化金届的延性陡降。当温度接近掖相线l时，液相所占比例已足够九金届的变形能力迅速上升。在这里存金属在高温时的延性和断裂在一个低延性的脆性温度区A7e，其上限温度为严”，下限温度为7h在焊接的冷却过程中，通过这个温度区时金屈受到拉伸，故仲应变随着温度的下降不断增加。拉伸应变随温度的变化[各＝—子?—十向以用一条通过7。的线来表示。通过这个温度区时是否发生断乳即开裂，取决于三个因恭拉伸应变对于温度的变化率oe／e7(即线的斜率)、腕性温度区A75的大小和在这个区间里金属的延性6m』n。当焊接冷却时的9‘／ay大于某一临界值(o e／9y)．(团中的线1)队则发生断裂，即产生裂纹(团中的线3)，当6‘／oy＜(8c／87)，时，则不产生裂纹(固中的线2)。66／3y越大，AyI越大，6min越小，则越容易产生裂纹。后两因素与村料的成分和组织等有先前者与焊缝的拘束度和车届的热物理性能等有关d此外，在通过较低的温度区域时，耍消耗金属的一部分延性。有试验证明，金属在200一300‘c的塑性交形对金属在宝温及低温下的延性有较大影响，使其发生延性耗竭。这个现象在低陨钢，特别是沸腾钢中表现更为明显，称之为热应变脆化。在焊接过程中，如果近缝区中存在着几何不连续性(即应力集中)，则焊接理性应变量在这里成倍地加大，将加剧这一过程。所有这些问题都与焊接时的应力和变形过程密切相夫。 (五)焊接瞬态应力变形研究的新发展

随着新材料、新结构和新焊接工艺的不断发展，有越来越多的焊接应力变形和强度问题需要研究。但是在简单假设基础上建立起来的一些焊接应力变形理论巳不能完满解释复杂现象和解决疑难的问题。有限无法和电子计算技术为解决复杂的焊接应力变形问题提供有力的工具。有限元法把复杂的结构看成内许多用单的单元体的集合。先把它化英为零，分成许多单元体进行单元分机然后又积零为整，综合起来进行整体分析。利用这种方法有可能把更多因素考虑进去使问题的解决更接近实际情况。电子计算技术使过去几乎无法完成的大量运算工作有可能在顿时间内完成。十多年来在利用有限元法解决焊接应力变形问题方面已取得不少可容的成果。例如离强钢的焊接相交应力、大厚板的焊接残余应力的分布以及大型乎板饼焊过程中的瞬态应力和变形产生过程等等。下面介绍一个用有限元法分析高强钢焊接过程个的焊接应力的实例。在这个实例中考虑了相交引起的体积变化。图2—17为有限元网格。闭2—18为儿及07在不同时间在y轴j：的分布情况。因中曲线上的数字代表电弧经过后的时间(秒)。图2—19为有限元计算结果与实测结果的对比。

一、爆接残余变形购分类和研究螺接残余变形的意义

焊接残余变形是焊接后残存于结构中的变形。大致可分下列七纪 (一)纵向收缩变派构件焊后在焊缝方向发生收缩如图2—20中的AL。

(二)横向收缩变贩构件好后在垂直焊经方向发生收缩，如图2—20中的AD。 三挠曲变汛构件焊后发生挠曲，如图2—21。挠曲可由焊维的纵向收缩引起(图2—21。)和由焊缝投向收缩引起(图2—2l 6)。

(四)角变形：焊后构件的平面目绕焊缝产生的角位执常见的角变形见图2—22。 (五)波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图2—23。这种变形在薄板焊接时最容易发生。

(六)锗边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一玖可能引起长度方向上的错边(图2—24。)和厚度方向上的错边(图2—246)。

(七)螺旋形变肠焊后在结构焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题。工件上出现丁变形，就需要花许多工时去矫正。比较复杂的变形，矫正的工作量可能比焊接工作量还要大。有时变形太k，甚至无法矫正，造成废品。在生产中有时还发生这样的情况．为了保证焊接后需要进行机械加工的工件尺4，片面地多放余量，加大毛坯的尺寸。这样做增加了材料消耗和创，械加工工时。焊接变形不但影响结构的尺寸的准确和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，起事故。例如图2—26中所示的团球容器的焊接角变形，将在结构上引起附加的弯曲应力，曾经因此造成多起中等强度钢容器的破坏。当然造成这些事故的原因是多方面的，但焊所示的两块厚度不同钢板的搭接接A，角焊级的角变形引起薄板的弯曲，而厚板仍基本保持乎直。这样在加栽晚焊绕I所承受的裁荷比焊缝2大得多，位焊缝1超载而破杯上述种种，说明掌握焊接变形的规律积控制焊接变形具有十分重要的现实意义。下面我们将对焊接变形产生的原Bl影响变形的因素，以及预防和消除变形的措施，分别加以分析。 二、纵向收缩变形以及它所引起的挠曲变形

在前一节里，已经分析了焊接残余应力和变形的形成过程。在焊接时焊缝及其附近的金属由于在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形，这个区域称之为塑性变形区。该区域内的塑性变形分布如图2—28所示，它的存在使构件相当于受到一个外加压力Pf的作用而缩短和(或)弯曲。假想压力Pf的数值可由下式表达：

构件在假想外加压力Pf的作用下产生纵向收缩AL， 如图2—29，其数值可用下式表泡F——构件的截面积，Ff——塑性交形区面积，5——构件材料的弹性模L——构件的长度(焊缀贯穿全长)，ef——理性应变。AL取决于构件的长度、截面积和压缩塑性交形JP，2fdF。后者与焊接参量、焊接方法、焊接顺序以及材料的热物理参量有关。在诸工艺因素中焊接线能量是主要的。在一般情况下，它与焊接线能量成正比。对于结定尺寸的构件来说，由于tr的分布变化较小，压缩变形可近似地用塑性变形区面积FP来衡量。下面将分析影响纵向变形的若干因执同样截面的焊缝可以一次焊戊，也可以分几层焊成，多层焊每次所用的线能量比单层熄时小很多。因此，每层焊绽所产生的塑性变形区的面积Ff比单层焊时小，但多层焊所引起的总变形量并不练于各层焊经的总和。因为各层所产生的塑性交形区而积是相互重叠的。图2—30 d为单层和双层对接接头的塑性区。单层焊时的塑性变形区面积为JBcD，而双层焊别，第一层所产生的塑性区为J，B 6c，Di，第二层所产生的为J2B2G：D3c它们都小于碑层焊的塑性区面积JBcD。两个面积有相当一部分是相互重叠No图2—30 5为单层和双层角焊缝所产生的塑性变形区的对比。从上述分析中可以看出多层焊所引起的纵向收缩比单层焊小。分的层数越多，每层所用的线能量就越小，变形也就越小。 焊接时工件的原始温度是不同的。在一放情况下，工件原始温度的提高， 图2—50 单层和双层焊的焊绕塑性变形区对比相当于加大线能量，使焊接塑性变形区大，焊后纵向收缩变形也增大。反之，原始温度下降，相当于减少线能量，收缩变形降低。但是当预热温度过高时，亦可能出现相反的结果。因为随着预热温度的增加，塑