焊接应力变形.docVIP

焊接应力与变形 关于应力变形的一些基本概念 两物体或一物体的两部分相互作用时，物体内有相互作用力，力除以横截面积，即单位面积的力称为应力σ，显然，同一受力物体，截面积不同的地方，其应力大小不同。受力物体会发生变形，但的体积基本不变，单位长变形为应变ε。应力σ＜σs时，变形或应变ε是弹性的，σ／ε= E，称为弹性模量，∴σ= E·ε；应力σ达到或超过σs时，会发生塑性变形或塑性应变εp，总的内应变εN =εs＋εp 。 焊接应力及变形的基本原理与研究方法： 火焰成形、火焰矫形与焊接应力变形的原理基本相通，其中火焰成形的情况最简单，火焰矫形次之，焊接时加热温度更高，还有填充金属，焊接应力变形的情况更复杂一些。如果利用人们已经知道的常识，忽略一些影响相对较小，比较微观的变化因素，只对成形、矫形、应力变形，做简单的事实求是的定性分析，问题就简单多了。我们先分析平板火焰成形情况。 火焰成形是利用高温火焰，对较大较薄平板（如图1 a））中的一点进行快速加热。如放大图1 b）c）所示，我们把受热点简化为一个的单元立方体。单元体受热要膨胀，它的长、宽增加,厚度增加1,其中：;1，体积要增大。即线膨胀量与其线长度和温差成正比，比例系数称为线膨胀系数。厚度增量1也可同样计算。但受 图1 平板火焰“点加热”应力变形分析 热单元体四周受到冷金属的重重拘束包围无法自由膨胀。固体在受力时，会发生变形：受拉伸会伸长变细，受压缩会缩短墩粗，固体的体积基本不变，不会因为受力而增大或减小。从受热单元体分离出一个金属纤维abcdefgh，其长宽方向的受热膨胀趋势，因为受到相邻冷金属的阻碍顶压无法增长，变成内部压缩弹性变形，顶压应力为：，就像金属棒在长度方向受到顶压会被墩粗一样，受热单元体在长度方向的金属纤维abcdefgh会被墩粗，宽度方向也一样。长、宽方向的受顶压力各自引起的增厚： 因为受热单元体的厚度方向，是自由表面，没有阻碍。因此，它的体积增大，主要表现为厚度方向的增加（包括厚度方向的温升膨胀1和长宽方向因膨胀受阻而造成的挤压增厚2、3两个部分）。当单元体受热不多，温升不大时，其应力变形都是弹性的。热源撤走降温后，温升变形和弹性应力变形自然会消失，一切又恢复原始状态。 单元体受顶压的压缩应力变形是其受热升温造成的。知道受热体材料的线膨胀系数α、弹性模量E、温升ΔT，就能根据对金属纤维abcdefgh的受力分析可知内应力算出。也能算出内应力达到σs时所需要的加热温度ΔTs。计算结果表明，这个温度并不高，常见的钢、铝材料只需一百度左右的局部温升，其挤压应力就达到材料的屈服极限了。超过这个温度，金属纤维abcdefg就会有原子移位，产生位错，发生滑移塑性流变，产生塑性变形。这正是受热区金属会增厚的原因。 金属的弹性极限和屈服极限与温度有关。碳钢被加热到600～700℃以后，其弹性极限和屈服极限几乎下降为零，如图2所示。这时的温度称为力学熔化温度或力学熔点。超过力学熔点，在外力作用下引起的变形几乎全部成为塑性变形。 一般情况下，火焰成形和火焰矫形的加热温度都能达到，甚至超过这个温度，重点加热区的热膨胀都变成了加热区的塑性增厚变形，仔细观察测量即可知道，这不仅是理性分析的结果，也是客观现实的真实写照。已经增厚的加热区，此时仍然具有较高的温度和冷却收缩能力。随后，常辅之以喷水冷却，使金属表面尽快恢复弹性，已经增厚的受热区，冷却受缩时就产生弹性收缩力，此力也会拉动相邻金属产生内应力，并产生人们需要的火焰成形变形。 火焰成形是采用不同的焰道轨迹形状和适宜的冷却方法（空冷、正面水冷、背面水冷），将原本平整的钢板，加工成船板所需要的各种形貌（单曲率面、帆形双曲率面、马鞍形双曲率面等）。这和原本落后的地炉加热钢板，人工锤击成形的方法相比，轻松、简单、效率高，当时，这种加工工艺曾是日本的一项重大发明，大大促进了日本造船工业的发展。 火焰矫形是加热焊接结构中变形凸起的地方，使之产生与焊接变形相反的变形，达到矫形的目的。生产上不少人称火焰矫形为“打鼓”，即用焰道收缩“打消鼓起处”，矫正焊接变形。 焊接应力变形虽较复杂，也可用粗浅的知识和普通道理，简单地定性分析焊接应力变形的成因和规律。焊接温度场如图3所示。 焊接时，焊丝、焊条等填充金属在空中受热自由膨胀，并瞬间熔化，落入熔池；熔池区母材受热也瞬间熔化，很难向四周冷金属的方向膨胀，但能向熔池和表面方向自由膨胀；受热熔池区将热量传向四周，形成热塑性状态的热影响区，热影响区也无法向四周冷金属方向膨胀，只能向阻力很小的熔池及其表面方向膨胀。由此可见，焊缝金属及热影响区热膨 胀是半自由的：其热膨胀基本上都变成了这个区域的厚度增加。这个增厚区域还具有很高的温度，有很强的冷却收缩能力。在随后冷却的初期，该区域仍处于