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YCF（中职）焊接结构与制造第2章教学课件第第2 2章章 焊接应力与变形及其控制焊接应力与变形及其控制2.2.1 1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生2.22.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制2.32.3 焊接残余变形及其控制焊接残余变形及其控制2.2.4 4 焊接结构强度的基本知识焊接结构强度的基本知识复习思考题复习思考题下一页返回第第2 2章章 焊接应力与变形及其控制焊接应力与变形及其控制 焊接结构生产中，由于受到局部高温加热而造成焊件上不同区域温度分布不平衡，从而使其产生不均匀受热膨胀，高温区的膨胀会受到低温区的束缚和制约而产生一定的塑性变形，并最终导致焊件在焊后产生残余应力和残余变形。这种在焊接结构生产过程中产生的焊接变形和应力不仅影响到焊接结构的加工精度，而且还会影响到焊接结构的使用性能。本章重点介绍焊接应力与变形产生的主要原因;焊接应力分布的一般规律;焊接过程中如何消除和降低焊接应力;预防焊接变形的方法和焊后矫正焊接残余变形的措施。上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生2.1.1 2.1.1 内应力及产生原因内应力及产生原因 物体所受的力分为外力和内力，内力是平衡于物体内部的作用力。而物体单位截面上所受的内力称为应力。根据引起内力的原因不同，应力分为工作应力和内应力。(1)工作应力。物体由于受到外力的作用而在其内部单位截面上出现的内力称为工作应力。工作应力的特点是因物体受到外力的作用而存在。所以，没有外力就不会有工作应力。(2)内应力。物体在没有受到外力作用的情况下而平衡于内部的应力称为内应力。内应力的产生原因很多。如物体内部成分不均匀、金相组织及温度的变化不均匀等。内应力存在于许多工程结构中，如焊接结构、铸造结构、铆接结构等。内应力按其分布范围可分为宏观内应力和微观内应力。宏观内应力的分布范围较大，内应力在这一较大范围内平衡，该范围一般与结构尺寸相当。微观内应力存在和平衡于相当于原子大小的范围内。上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 内应力按其产生的原因不同又可分为热应力、相变应力和残余应力等几种。热应力又称为温度应力，它是在物体受到不均匀加热和冷却过程中产生的，其大小与加热温度的高低、温度分布的不均匀程度、材料的热物理性能及工件本身的刚度等有关。热应力比较广泛地出现在各种温度不均匀的工程结构中，如化工反应容器、热交换器、飞行器等;相变应力是金属相变时，由于不同组织的比容不同而引起的，如奥氏体分解为珠光体或奥氏体转变为马氏体时都会引起体积膨胀，而体积膨胀受到周围材料的拘束作用，结果就会产生应力;残余应力是由于物体受热不均匀引起的应力达到材料的屈服点，材料即发生局部塑性变形，当温度均匀化后，物体中仍然会残余一部分应力，这种应力是温度均匀后残存在物体中的，所以称为残余应力。焊接应力属于内应力。它是由于焊接的不均匀加热和冷却而引起并存在于焊件中。焊接应力按其作用时间不同口1一分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时存在于焊件中的内应力称为焊接瞬时应力，它是随时间而变化的;待焊件冷却后，残留于焊件中的内应力称为焊接残余应力。上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生2.1.2 2.1.2 变形变形 物体在某些外界条件(外力或温度等因索)的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。按物体变形的性质可分为弹性变形和塑性变形;按变形的拘束条件分为自由变形和非自由变形。1.弹性变形与塑性变形 物体在外力或其他因索作用下发生变形，当外力或其他因索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。当外力或其他因索去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状的这种变形称为塑性变形。2.自由变形与非自由变形 物体的变形不受外界任何阻碍自由地进行，这种变形称为自由变形。自由变形只与材料性质及温差有关，而与物体原长无关。如果上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 金属杆件在均匀加热时变形局部受阻，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(或可见变形)，把末表现出来的那部分变形称为内部变形。焊接变形是由焊接而引起焊件的尺寸改变。其中焊接过程中的变形称为焊接瞬时变形;焊后残存于焊件中的变形称为焊接残余变形。2.1.32.1.3焊接应力与变形的产生原因焊接应力与变形的产生原因 由于焊接一般为局部加热，同时热源又移动，因此距热源不同点处的温度不同。在整个加热和冷却过程中构件上各处的温度是变化的，这种温度变化的过程又叫焊接热过程。由于焊接热过程相当复杂，致使影响焊接应力与变形的因索很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性的影响等，其中最根本的原因是焊件受热不均匀。上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 为了便于了解焊接应力与变形产生的根本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。1.均匀加热时引起应力与变形的原因 (1)不受约束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时其变形属于自由变形。在均匀加热与冷却时在杆件中不会产生任何内应力，也不会有任何残余应力和残余变形。(2)受约束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，受约束的杆件均匀加热时其变形属于非自由变形，即存在外观变形。如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，则根据虎克定律，应力和应变的关系为:上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，这时压缩应力将全部消失。当加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，则杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，其内部变形率将超过材料屈服点时的内部变形率。此时的内部变形率由弹性变形和塑性变形两部分组成。当温度恢复到初始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。如果杆件不能自由收缩，则不存在外观的残余变形，但杆件中会产生残余拉应力。从上述的讨论中发现，均匀加热与冷却的杆件中是否产生残余应力与残余变形，取决于所加热的最高温度和杆件的外部约束条件。如低碳钢材料的杆件，在绝对刚性(即不能自由伸缩)的条件下，当温度升高至700时，杆件中的压缩塑性变形在自由冷却后就被保留下来，如果在冷却时受到约束，则必然会产生拉应变和拉伸应力。上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 2.2.不均匀加热时引起的应力与变形不均匀加热时引起的应力与变形 (1)长板条中心加热引起的应力与变形。如图2-1所示的长为1，宽为13、厚为刀的长板条，材料为低碳钢，在其中间沿长度方向上用电阻丝进行加热，则在板条宽度方向上出现中间高、两侧低的不均匀温度场，而沿板条长度方向和厚度方向的温度分布可视为均匀。现从板条中切出一单位长度的小段来分析加热与冷却时的应力与变形情况。假设该板条为若干个互不相连的窄板条组成，则每个小板条都将按其自身被加热的温度自由变形，这样，加热时单位长度的板条端面出现如图2-1 (a)所示的自由变形。实际上组成板条的若干小窄条是彼此相连的整体，端面必须保持为平面，因此板条受热时其端面只能向外平移，出现外观变形，如图2-1 (b)所示。自由变形率曲线与上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 外观变形率的差为内部变形率。图中平移线以上的内部变形为负值，即产生压缩变形，相应产生压应力;平移线以下的内部变形为正值，即产生拉伸变形，相应产生拉应力。也就是说，在加热时，板条中间的高温区产生压应力，而两侧的低温区产生拉应力。由于这些应力都属于内应力，故3个区域的应力相互平衡。如果加热温度不高，变形在弹性范围内，则温度恢复到原始温度后，板条恢复原始尺寸，不存在残余应力和残余变形。如果板条中间加热温度比较高，此时产生的内应力超过材料的屈服点，则在中心区产生压缩塑性变形，如图2-1 (c)所示。当切断电源，板条冷却，由于加热时产生了压缩塑性变形，因此温度恢复到原始温度时，变形和应力不能完全消失。如果组成板条的小窄条互不相连，冷却后板条中心区端面将出现凹陷。实际上，由于板条是一个整体，中心区的收缩受两侧金属的限制，端面将保持为平面整体缩短，因此产生了残余变形，并且板条中心区出现残余拉应力，两侧出现残余压应力。上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 (2)长板条一侧加热引起的应力与变形如图2-2所示，板条一侧用电阻钟加热则在长板条中产生相对于截面中心不对称的温度场。与分析中心加热一样，取出单位长度的一小段进行分析，假设板条由许多互不相连的窄条组成，则各窄条在加热时将产生如图2-2 (c)中曲线所不的自由伸长。实际上，板条是一整体，其端面有一个位移，那么就形成了如图2-2(b)所示的应力区。应力分布情况是高温区及远离高温区为压应力，中间部分为拉应力，最终会出现弯曲变形，如图2-2 (d)所示。如果加热温度不高，如高温区的内部应变小于材料屈服时的应变，则冷却后板条变形和应力都会消失，板条恢复原状。但当加热温度比较高，如高温区的内部应变大于材料屈服点时的应变，如图2-2(e)所示，则高温区在加热时产生压缩塑性变形，冷却后导致板条端面产生如图2-2 (f)所示的残余变形，整个板条最终产生与加热时相反的残余弯曲变形，如图2-2 (g)所示。同时在高温区和远离高温区产生残余拉应力，中间部分出现残余压应力。上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 3.焊接应力与变形的产生 前面讨论的是长板条中心加热和一侧加热引起的应力与变形，两种情况沿板条宽度方向温度分布不均匀，但沿板条长度方向和厚度方向温度分布都视为均匀。然而，焊接过程的加热是移动的热源，不是沿板条长度方向同时加热的，而且热量在焊件内的传播速度低于焊接速度，因此，沿板条长度方向上各个截面的温度都是不同的。另外，焊接过程的温度变化范围比较大，焊接处的最高温度可达到材料的沸点，而离开焊接处的温度又急剧下降直至室温。由于金属在高温下的性能随温度而变化，如低碳钢焊接区的温度超过600 0C，此时材料丧失弹性，处于全塑性状态，高温区的金属虽然受到约束，但基本上不会产生应力，这个区域的金属可认为不参加内应力的平衡。设有一低碳钢平板条，沿中心线堆焊一条焊缝，现分析其应力与变形。在焊接过程中板条上产生了温度场，取平板一侧的热板条冷却后处于塑性状态区域最宽的横截面，对低碳钢600等温线最宽处的横截面作为研究的起点，该截面上的温度场分布如图2-3 (a)所示。按上一页 下一页返回2.1 2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生 长板条中心加热时变形和应力分析的基本方法，可以找出该截面附近板条的自由变形和外观变形。根据假定自由变形曲线可用温度曲线表不。若板条各纵向纤维间互不相连，则这些纵向纤维均将产生与自由变形曲线相似的变形，但由于各纤维之间的相互约束，板条端部仍保持平直，所以中部产生达到屈服点的拉应力和拉伸塑性变形，而靠近两侧产生压缩应力，两者相互平衡，如图2-3所示。上一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 前面已经讨论过内应力的一般概念，以及焊接应力的产生过程。本节将讨论焊接后残存在结构中的应力(即焊接残余应力)的分布情况、它的影响以及消除和降低焊接残余应力的措施。讨论时将以低碳钢和低合金钢等材料制成的结构中的焊接残余应力为典型。2.2.12.2.1焊接残余应力的分布焊接残余应力的分布 在厚度不大 的常规焊接结构中度方向上的应力很小。只有在大厚度的焊接结构中，残余应力基本上是双轴的，厚厚度方向的应力才比较大。为了便于分析，把焊缝方向的应力称为纵向应力用 表示。垂直于焊缝方向的应力称为横向应力，用 来表示。厚度方向的应力，用 来表示。下面分别加以讨论。下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 1.纵向应力 在低碳钢结构中，焊缝及其附近区域中的纵向应力是拉应力，数值一般达到材料的屈服极限。这点在前面已经分析过，分析的对象是长板条和细长构件。现在进一步研究 沿整条焊缝上的分布。图2-4所示为中心有一条焊缝的长板条，在板条中段 的分布情况是和前面的分析一致，但在长板条的四端，情况就不相同。因为端面O-O是自由边界，在它的表面没有应力，。紧靠端面再取几个截面，其内应力的分布也不同于中段，焊缝上的 小于 。随着截面离开端面的距离的增加，逐渐趋近于 值。图中用垂直于板条平面的距离来表不焊缝上 的大小。在板条的端部存在一个内应力的过渡区，在这个过渡区域里，比较低，越接近端面，越低。到端处，。在板条的中段有一个内应力的稳定区。但当板条比较短时，就不存在稳定区，焊缝上的纵向应力小于 ，板条越短，就越低。图2-5所示是不同焊缝长度(板条长度)时，焊缝上 的分布情况。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 随着铝和钦的广泛应用，对这些金属焊接接头中民的分布情况，近来开始有了一些试验研究。试验结果表明，虽然应力分布总的规律和低碳钢相似，但钦材焊缝中的纵向应力较低。一般仅为0.5 0.8。铝材焊缝中的也较低，仅为0.6 0.8。造成这种情况的原因，对钦来说是因为它的膨胀系数和弹性模数较低。对铝来说，可能是由于它的热导率较高，使热场的等温线接近于正圆形，与沿焊缝同时加热的模型相差悬殊，因而平截面变形假设与实际出人较大。在焊接过程中材料受热膨胀，实际上受到的限制比平截面假设时要小，因此压缩塑性变形降低，从而残余应力降低。圆筒环缝所引起的纵向应力的分布与平板不同，圆筒环缝的纵向应力分布如图2-6所示。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 实验证明，当圆筒直径与厚度之比较大时，ax的分布和平板上的情况相似。对低碳钢来说ax达到as，但当直径比较小时，民就有所降低。理论分析结果表明，由于圆筒环缝的半径在焊后缩小，焊缝在长度上的收缩比平板上的焊缝具有更大的自由度，因此纵向应力比平板小。应力的大小，取决于圆筒的半径、壁厚以及塑性变形区的宽度。后者与焊接线能量和材质有关。当壁厚不变时，ax随着半径的减小而降低，随着宽度的减小而增加。2.横向应力ay 垂直于焊缝的横向应力ay的分布情况比较复杂。它可分为两个组成部分，其中一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩所引起的，用。来表示ay另一个是由于焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的时间差异所引起的，用ay来表示。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 (1)焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力 。图2一7(a)所示是由两块平板条对接而成的构件，如果假想沿焊缝中心将构件一分为二，即两块板条都相当于板边堆焊，它们将分别向外侧弯曲，如图2-7 (b)所示，焊缝上必然存在着两端部分为压应力，中心部分为拉应力的横向内应力。，如图2-7 (c)所示。压应力的最大值比拉应力大得多，如图2-8所示，从图中可以得出对长焊缝来说中心部分的拉应力将有所降低，逐渐趋近于零。(2)横向收缩所引起的横向应力 焊接结构上一条焊缝不可能同时完成，总有先焊和后焊之分，先焊的部分先冷却，后焊的部分后冷却。先冷却的部分又限制后冷却部分的横向收缩，这种限制与反限制构成了横向 。可见 分布与焊接方向、分段方法及焊接顺序等有关。如果将一条焊缝分两段焊接，当从中间向两端焊时，中间部分先焊先收缩，两端部分后焊后收缩，则两端部分的横向收缩受到中间部分的限制，因此焊缝应力的分布是中间部分为压应力，两端部分为拉应力，如图2-9（a）所示;相反，如果从两端开始向中间焊，焊接结构往往是在受拘束的情况下进行焊接的。如两块板对接焊，边缘焊前在其横向加以刚性约束，见图2一9(b)。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 在炼油化工设备中，经常会遇到接管、入孔法铸、镶块等封闭焊缝的焊接，这些焊缝是在较大的拘束情况下焊接的，因此其焊接残余应力与自由状态下焊接相比有较大的差别。图2-10所示为一直径为1 m、厚度为12 mm的圆形镶块封闭焊缝的残余应力分布。ax为切向应力，ay为径向应力。从图中曲线可以看出，径向应力均为拉应力，切向应力在焊缝附近最大，为拉应力，由焊缝向外侧逐渐下降为压应力。由焊缝向中心达到一均匀值。在镶块中部有一个均匀双轴应力场，切向应力和径向应力相等，其数值与镶块直径d和圆盘外径D之比值有关。d/D越小，拘束度越大，镶块中的内应力也越大。由此可见，结构的刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。2.2.22.2.2焊接残余应力对焊接结构的影响焊接残余应力对焊接结构的影响 1.对结构强度的影响 用塑性好的材料制造焊接结构，其内应力分布如图2-11所示。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 在外载荷F的作用下，构件横截面上产生工作应力，随着外力的增加，压应力逐渐减小而转变成拉应力，拉应力相互叠加则继续增大，当达到屈服点后不再增大，并产生塑性变形，直到整个截面应力均匀，这时外力的大小可用图中所示的ABCD所包围的面积来表不。如果构件无残余应力，要使整个截面都达到as，所需的外力P=asXF，由于内应力平衡，面积efg等于面积Aae和面积gbB之和，则面积ABCD和面积aADCBbgfea相等，即总承载能力不变。可见，只要材料有足够的延性，能进行塑性变形，内应力的存在并不影响构件的承载能力，也就是焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 由于材料不能进行塑性变形，即材料处于脆性状态，随着外力的增加，在构件上不可能产生均匀的应力，应力峰值不断增加，一直到达材料的强度极限ab，发生局部破坏最后导致整个构件断裂。可见焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。2.对构件加工尺寸精度的影响 有些焊接结构焊后需要进行机械加工，机械加工总要将部分材料从工件上切除掉，如果该工件在切削加工前存在残余应力，则切削加工使工件中内应力的平衡被破坏，引起内应力的重新分布使工件变形。当切削加工结束后松开加压板，工件会产生上挠变形，所以应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 3.对梁柱结构稳定性的影响 图2-12所示是T形梁、工字梁和箱形梁纵向残余应力的分布情况。对于此类结构可以将其腹板和翼板分别看做是板边堆焊或板中心堆焊加以分析，一般情况下焊缝及其附近区域中总是存在有较高的纵向拉应力，而在腹板的中部则会产生纵向压应力。这种压应力的存在，往往会导致梁结构的局部或整体的失稳，对于稳定性的要求是十分不利的。焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸精度以及对结构稳定性的影响外，还对结构的刚度、疲劳强度及应力腐蚀开裂有不同程度的影响。因此，为了保证焊接结构具有良好的使用性能，必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力，有些重要的结构，焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制2.2.32.2.3减小焊接残余应力的措施减小焊接残余应力的措施 减小焊接残余应力，即在焊接结构制造过程中采取一些适当的措施以减小焊接残余应力。合理制定减小和改善焊接应力的设计方案，制造过程中再采取一些必要的工艺措施，以使焊接应力降低到最低程度。1.设计措施 设计上减小焊接应力的核心是正确、合理地布置焊缝，可从以下几个方面考虑。(1)在保证结构强度的前提下尽量减小焊缝数量与截面尺寸。(2)将焊缝尽量布置在最大工作应力区外，防止残余应力与外加载荷产生的应力相叠加，影响结构的承载能力。(3)尽量防止焊缝密集、交叉。如图2-13所示的框架，为了防止腹板失稳布置了很多肋板，如果按图2-13(a)所示来布置，由于焊缝密集，不仅施工不便，而且残余应力的分布范围很大。如果按图2-13(b)所示来布置，残余应力的分布将明显改善。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 (4)采用局部降低刚度的方法，使焊缝能比较自由的收缩。图2-14所示为几种局部降低刚度减小残余应力的实例，在焊接镶块时用机加工法开槽可减小刚度，焊接环形封闭焊缝时使内板预制变形，这样焊缝收缩时有较大的自由度，从而减小了焊接残余应力。(5)采用合理的接头形式，尽量避免采用应力集中较严重的接头，如搭接接头。2.工艺措施 (1)合理地选择装配顺序。结构的装配顺序对残余应力的影响较大。结构在装配中刚度应逐渐增加，并且尽量使焊缝能在刚度较小的情况下焊接，使其有较大的收缩余地。在安装焊接顺序时，尽量先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝。图2一15所示带盖板的双工字钢结构件，应先焊盖板的对接焊缝1，后焊盖板和工字钢之间的角焊缝2，使对接焊缝1能自由收缩，从而减小内应力。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 根据构件的受力情况，先焊工作时受力大的焊缝，如在工地焊接梁的接头时，应预先留出一段翼角焊缝最后焊接，先焊受力最大的翼缘对接焊缝1，然后焊接腹板对接焊缝2，最后再焊接翼缘角焊缝3，如图2-16所示。这样可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。翼缘角焊缝最后焊接则可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以在焊接翼板对接焊缝时采取反变形措施，防止发生角变形。(2)缩小焊接区与结构整体之间的温差。前面讲过，引起焊接应力与变形的根本原因是焊件受热不均匀，焊件沿各个方向温度梯度越大，引起的焊接应力与变形越大，可以通过预热法和冷焊法来减小焊接区与焊件整体的温差。预热法与冷焊法的实质相同，但预热法是预先将焊件的局部或整体加热到一定温度的方法，而冷焊法则是通过采用小焊接线能量等方法以减小焊接区的温度差。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 在焊接某些构件时，采用局部加热的方法使焊接处在焊前产生一个与焊后收缩方向相反的变形。这样在焊缝区冷却收缩时，加热区也同时冷却收缩，使焊缝的收缩方向与其一致，这样焊缝收缩阻力变小，从而获得降低焊接残余应力的效果。在补焊一些机床床身或箱体的铸造缺陷时，经常采用加热减小应力法。采用这种方法一般焊前局部加热温度较高，通常为600 800，并且加热范围较大。图2-17所示为焊补轮辐时采用加热减小应力法加热区的位置，焊前在轮辐两侧的轮缘上同时加热，使焊缝处在焊接时可以较自由地膨胀，压缩塑性变形量减小。焊后冷却过程中，焊缝区金属与加热区的收缩方向相同，可以取得减小焊接残余应力的效果。(3)降低接头局部的拘束度。焊接封闭焊缝时，由于周围板的拘束度较大，拘束应力与残余应力叠加而使局部区域形成高应力区，因而易产生裂纹。如图2-18所示的封闭焊缝，焊接前采用反变形的措施减小接头局部区域的拘束度，可使焊缝冷却时较自由地收缩，达到减小残余应力的目的。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 (4)锤击焊缝。锤击焊缝可以使焊缝得到延展，从而降低峰值拉应力。锤击可以在500以上的热态下进行，也可以在300以下的冷态下进行，应保持均匀、适度，避免锤击过度而产生裂纹。一般来说，可以从设计和工艺两方面着手，设计时考虑周到，往往比单从工艺上解决问题方便得多。因此设计焊接结构时，在不影响结构使用性能的前提下，应尽量考虑采用合理的焊接接头。2.2.42.2.4消除焊接残余应力的方法消除焊接残余应力的方法 虽然在结构设计时考虑了残余应力的问题，在工艺上也采取了一定的措施来防止或减小焊接残余应力，但由于焊接应力的复杂性，结构焊接完以后仍然可能存在较大的残余应力。另外，有些结构在装配过程中还可能产生新的残余内应力，这些焊接残余应力及装配应力都会影响结构的使用性能，特!l是对重要的焊接结构，应设法焊后采取措施消除残余应力，以保证结构使用的安全性。消除残余应力的方法有热处理法、机械拉伸法、温差拉伸法、振动法等。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 1.热处理法减小温度差 热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余应力的目的，同时热处理还可改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法有整体高温回火和局部高温回火两种。(1)整体高温luI火。整体高温luI火是将构件加热到一定的温度，并在该温度下保持一定的时间，然后空冷或随炉冷却。整体高温回火的方法分为整体炉内热处理与整体腔内热处理。整体炉内热处理是将构件整体放人炉内热处理，并注意构件支撑牢固，防止构件与火焰直接接触，以免过分氧化。构件人炉后应缓慢升高温度，防止产生过大的热应力。对于容器类的焊接结构，可采用整体腔内热处理，就是将容器外部用绝缘材料保温，内部引人热源加热的一种热处理方法。对尺寸较大的容器可采用高速喷嘴喷出燃气在容器内加热。对尺寸较小的容器，可用内置电热兀件(如电阻加热器)进行加热。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 整体高温回火消除残余应力的效果取决于温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围等。一般对碳钢及中、低合金钢，加热温度为580 680;铸铁为600 650。保温时间根据板厚确定，一般按每毫米板厚1 2 min计算，但最短不小于30 min，最长不超过3 h。应该指出，对于不同膨胀系数的金属组成的焊接结构，例如，奥氏体钢和马氏体钢、奥氏体钢和珠光体钢，虽然回火处理后可以消除焊接应力，但又将产生由于不同膨胀系数而引起的新的内应力。(2)局部高温回火。局部高温回火就是对构件焊缝周围的局部区域进行加热，其消除应力的效果不如整体高温回火，只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。对于一些大型筒形容器的组合环缝和一些重要管道等，常采用局部高温回火来降低结构的残余应力。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 局部热处理的加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热和远红外加热等。消除残余应力的效果与加热区的范围、温度分布有关。为了取得较好地降低残余应力效果，应该保证有足够的加热宽度。2.机械拉伸法 机械拉伸法又叫过载法。前面已经讨论过，通过对构件进行加载拉伸，拉应力区(在焊缝及其附近的纵向应力一般为as)在外加载荷的作用下产生拉伸塑性变形。它的方向与焊接时产生的压缩塑性变形相反。因为焊接残余内应力正是由于局部压缩塑性变形引起的，外加载荷应力越高，压缩塑性变形就抵消得越多，内应力就消除得越彻底。当拉伸应力为as时，经过加载卸载，消除的内应力相当于外加载荷产生的内应力，当外加载荷使截面全部屈服时，则内应力可以全部消除。图2-19(a)所示显不焊后残余应力的分布情况。加载后，构件中的应力在2-19(a)所示曲线上叠加，原来已达到屈服点的峰值应力不再增加，如图2-19 (b)所示材料发生拉伸塑性变形，卸载后应力峰值大为降低，如图2-19 (c)所示上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 机械拉伸消除内应力对一些焊接容器特别f有意义。它可以通过液压试验来解决。液压试验根据不同的具体结构，采用一定的过载系数。液压试验的介质一般为水，也可以是其他介质。介质的温度最好能高于容器材料的脆性断裂临界温度，以免在加载时发生脆断。对应力腐蚀的材料，要慎重选择试验介质。试验时要采用声发射监测防止试验中的脆断。3.温差拉伸法 温差拉伸法又叫低温消除应力法。基本原理与机械拉伸法相同，都是利用拉伸来抵消焊接时产生的压缩塑性变形。不同的是机械拉伸法利用外力来进行拉伸，而温差拉伸法是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。具体方法为:在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧一乙炔炬加热，在焰炬后面一定距离用一个带有排孔的水管喷头冷却。焰炬和喷水管以相同速度向前移动，如图2-20所示。这样就造成了一个两侧温度高，焊缝区温度低的温度场。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，引起了相当于千斤顶的作用。利用温度差拉伸法如果规范选择恰当，可以取得较好的消除应力效果。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 4.振动法 试验证明，当变载荷达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中的内应力逐渐降低。由试验结果可以看出，从内应力的消除效果看，振动法比用同样大小的静载荷拉伸好。内应力在变载荷下降低的原理有两种不同的意见，一种为在变载荷下材料的as有所降低，因此内应力在变载荷下比较容易消除。另一种为变载荷增加了金属中原子的振动能量，其效果与回火加热相同，使原子较易克服障碍，产生应力松弛。但第二种看法缺乏充分的理论依据，因为原子振动的频率比外加的机械振动频率大几个数量级。用振动法来消除碳钢、不锈钢以及某些高合金结构钢的内应力可取得较好的效果。这种方法优点是设备简单廉价，处理成本低，时间比较短，不存在高温回火时金属氧化问题。但振动法也存在一些缺点有待改善。例如，如何在比较复杂的结构中根据需要使内应力均匀地降低;如何控制振动使它既能消除内应力，又不降低结构的疲劳强度等。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制2.2.52.2.5焊接残余应力的测定焊接残余应力的测定 对于焊接残余应力值，尤其是对一些复杂部位的残余应力值，很难用理论分析计算的方法确定，而用实际测量的方法是弄清残余应力分布的一种重要手段。目前，测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类，即机械方法和物理方法。也可以分为破坏性方法(如裁条法、钻孔法等)和非破坏性测试法(如X光衍射法、超声波法等)。1.机械方法 机械方法是利用机械加工把试件切开或切去一部分，测定由此释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力，所以又称为应力释放法。(1)裁条法。裁条法是利用铣削或刨销把工件裁成1518 mm的板条，裁条前在板上贴上应变片或者钻出测量长度的标距孔，并记录原始读数。然后将板条切开，待应力释放后再测出应变值或标距孔的距离，根据公式:上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 计算出残余应力。当板条缩短时，即 ，表不此处的残余应力为拉应力。反之，为压应力。此种方法和与之效果相同的局部裁条法(可减少加工量)都可以获得较准确的结果，但试件将全部破坏，而且加工量较大。(2)套孔法。套孔法是用套料钻加工环形孔使残余应力得到释放的方法。钻孔前在孔心处粘贴应变片或打出标距孔，如图2-21所示，钻孔后重新测量。已知主应力方向时，可按应力方向相互垂直粘贴应变片，测出其应变，再代人公式算出主应力:上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 如果不知主应力的方向，可按图粘贴三片应变片，按下式算出主应力和主方向:上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 (3)小孔法。在残余应力场中钻孔，部分应力则被释放，孔周围的应力将重新分布，达到平衡状态，如果测出孔周围区域钻孔前后应变的变化，根据弹性力学公式，则可以算出该处原来的应力分布。图2-22所示为应变片的布置情况，三个应变片互成450，并与孔中心等距离。钻孔后测出每一应变片的应变值，用下列公式可算出主应力和主方向:上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 式中的K1和K2是与应变片尺寸，应变片距孔中心的距离、孔的直径、被测材料的物理性能有关的系数，可由下式计算:(2)盲孔法。盲孔法与小孔法测残余应力的原理相同，但这种方法对结构只有很轻微的破坏，对于一般构件，盲孔不需修补，对结构的使用性能几乎没有影响。对于重要结构(如压力容器等)可在应变测量后用电动手砂轮将其磨平。由于盲孔法对构件的破坏性比较小，所以小孔法在生产实践中已被盲孔法所取代。盲孔法的测试过程与小孔法相同，钻孔直径较小，一般为23 mm，孔深与直径相同时应变片的应变值即趋于稳定。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 残余应力的计算公式与小孔法相同，式中K1和K2两个系数可由试验法标定得出。一般情况下，残余应力的方向是可以预先估计出来的，最大主应力的方向应与焊缝方向一致，即纵向残余应力就是最大主应力，a1与x轴重合，这样最大主应力的计算公式则简化为:在简单拉伸条件下，横向应力 ，这样由上式可以得出:上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 用标定法确定系数K,和K:时，标定试件与应变片的粘贴部位如图2-23所示。图2-23 (a)所示为标定试件孔径，应与实测盲孔的孔径相同，s为应变片中心与圆孔中心的距离，应等于图2-22所示中的(r1十r2)/2。试件在万能材料试验机上加载，当孔深固定时，改变载荷数量，记录应变值的变化，根据上式，可以算出K1和K2值。试验应该按此程序进行:在加载过程中，不断变化孔深，记录应变值的变化情况，分别计算出K1和K2值，直到K1和K2值趋于稳定。影响盲孔法测量精度的主要因索是钻孔位置的偏斜和钻削时引起的附加变形等。孔径越小要求相对位置的精度应越高。现在一般采用专门生产的应变仪，三个电阻应变片的位置由应变仪本身来保证。钻孔时可采用专门制造的磁力测钻台，用测钻台上的目镜对准应变仪的中心，则可以保证钻孔位置的准确性。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 盲孔法所需仪器设备较简单，除钻孔设备外只需配备应变仪即可进行现场测量。(5)逐层铣削法。逐层铣削法是一种完全破坏的方法。当具有残余应力的工件被铣去一层时，部分应力释放后残余应力重新分布，试件要发生变形，如果在非铣削面粘贴应变片，则可以测出每铣削一层厚对面的应变值，根据这些数值则可以推算出在不同铣削层上的残余应力。2.物理方法 (1)X光衍射法。X光衍射法的基本原理是当内应力存在时，晶体的晶格就会变形，在X射线的照射下，表面有规律排列的晶面反射X射线。如果满足以下条件:上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 式中d晶面间的距离;r X射线的波长。则X射线在反射角方向上因干涉而加强，用X射线衍射仪的接收日沿分布环移动记录反射束的强度，则可求出衍射角0，从而算出晶面之间的距离d。不同的d值将代表不同的内应力水平，X光衍射法原理如图2-24所示。X光衍射法是一种非破坏性测试方法，它对被测表面的要求较高，为了防止机械加工引起的局部塑性变形的影响，表面应进行电解抛光处理，处理时常用饱和食盐水溶液作为电解液。X光衍射法已在实际生产中获得应用，目前我国已生产出可用于现场的轻便型X射线残余应力测试仪。此种方法的缺点是只能测量表层的残余应力，而且设备较为昂贵。上一页 下一页返回2.2 2.2 焊接残余应力及其控制焊接残余应力及其控制 (2)超声波法。超声波法是根据金属的密度在应力作用下发生微小变化，而使得超声波在穿越时其速度或衰减程度发生变化的原理来测量残余应力的。它采用试验标定的方法，确定某种材料应力对超声波衰减程度的影响，作出应力与衰减程度的相关曲线，再和构件中推算出的残余应力水平进行比较。此种方法目前在国外已有商品设备出售，国内在生产中尚末实际采用。(3)磁性法。磁性法是一种非破坏性测试方法。当铁磁材料中存在弹性变形时，它的磁导率将发生变化，如果能测出某一小范围内材料在不同方向上磁导率的变化，就可以估计出该处残余应力的数值和分布情况。磁性法测残余应力已在实际生产中获得应用，目前已有仪器出售。但由于该方法测量精度不高，标定试验机稀少和标定困难，测量时由于探头与被测体的祸合情况变化较大，使得测量误差较大。上一页返回2.3 2.3 焊接残余变形及其控制焊接残余变形及其控制 焊接结束后残存于焊接结构中的变形与残