焊接变形产生的原因及预防措施资料.docVIP

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 1.焊接变形 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 2.应力 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。 3.焊接应力与焊接变形 　 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