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1、焊接培训教材焊接培训教材焊接残余应力与焊接残余应力与变形变形 张明录一二三四目录 焊接残余应力分类焊接残余变形分类控制焊接残余变形的措施焊接变形的矫正温度应力温度应力：由于温度变化或不均匀加热而在由于温度变化或不均匀加热而在物物 体体中产生的中产生的应力（热应力）。应力（热应力）。 组织组织应力应力：由于由于温度变化而引起的组织变化所温度变化而引起的组织变化所产生的产生的应力（相变应力）。应力（相变应力）。拘束拘束应力：应力：由于焊件热变形受到拘束作用而产由于焊件热变形受到拘束作用而产生的内部抗力生的内部抗力。1.1.根据应力形成原因：根据应力形成原因： 一.焊接应力的分类(1)(1)温度应力
2、温度应力产生条件：产生条件：受热不均匀受热不均匀温度均匀结果：温度均匀结果：应力残留或消失应力残留或消失( (如如果温度应力不高，即低于材料的屈服果温度应力不高，即低于材料的屈服极限，极限， ，即温度应力在弹性范，即温度应力在弹性范围内时，在框架中不产生塑性变形，围内时，在框架中不产生塑性变形，当框架的温度均匀化后，热应力随之当框架的温度均匀化后，热应力随之消失消失) )。sT温度应力：温度应力：由于构件受热不均匀引起的内应力。由于构件受热不均匀引起的内应力。(2)(2)组织应力组织应力 材料在凝固冷却过程中，材料在凝固冷却过程中，由于组织转变，带来体积由于组织转变，带来体积尺寸变化，产生的应
3、力。尺寸变化，产生的应力。PPM组织应力组织应力：组织转变组织转变产生原因：产生原因：加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形加热膨胀受拘束产生温度应力（压应力）压缩屈服变形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形冷却收宿受拘束产生残余应力（拉应力）拉伸屈服变形金属框架的温度应力与残余应力演示(3)(3)残余应力残余应力残余应力：残余应力：温度恢复到原始状态后，温度恢复到原始状态后，残存在物体内部的应力。残存在物体内部的应力。产生原因：产生原因：不均匀加热不均匀加热产生条件：产生条件：局部区域产生塑性变形或局部区域产生塑性变形或相变相变任何原因引起的任何原因引起的伸长伸长变形受
4、阻时变形受阻时，该，该伸长部分受伸长部分受压应压应力，力，阻碍构件阻碍构件伸长伸长的其它部分则受的其它部分则受拉应力。拉应力。任何原因引起的任何原因引起的收缩收缩变形受阻时，则收缩部分受变形受阻时，则收缩部分受拉应拉应力，力，而阻碍而阻碍收缩收缩的构件的其它部分则受的构件的其它部分则受压应力。压应力。焊接变形焊接变形焊接过程瞬态热变形焊后残余变形面内变形面外变形纵向收缩横向收缩回转变形角变形波浪变形扭曲变形弯曲变形8面内位移面外位移相变组织变形收缩变形弯曲变形角变形波浪变形错边变形扭曲变形焊接焊接残余变形残余变形 焊接残余变形：焊接后残存于结构中的变形。二.焊接残余变形的分类10 焊后沿焊缝长
5、度方向长度方向的收缩和垂直垂直于于焊缝焊缝方方向向的收缩。1.1.收缩收缩变形变形收缩变形：纵向收缩变形纵向收缩变形横向横向收缩变形收缩变形1） 纵向收缩变形纵向收缩变形：纵向收缩变形： 焊后焊后沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向发生的收缩变形。发生的收缩变形。横向缩短纵向缩短压缩压缩塑性变形：塑性变形： 焊缝近缝区焊缝近缝区金属在高温下的自由变形受到阻碍，金属在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形。产生了压缩塑性变形。收缩变形：收缩变形： 焊缝区焊缝区液态金属在冷却过程中形成固态焊缝，液态金属在冷却过程中形成固态焊缝，产生收缩变形。产生收缩变形。这两个区域统称为收缩变形区（1） 纵向收缩变
6、形产生的原因纵向收缩变形产生的原因2 2）横向收缩变形 焊后在焊后在垂直于焊缝方向垂直于焊缝方向发生的发生的收缩变形。收缩变形。横向收缩变形：横向收缩变形：横向缩短纵向缩短（1）横向）横向收缩变形产生的原因收缩变形产生的原因横向收缩横向收缩变形和纵变形和纵向向收缩收缩变形的原因基本一致。变形的原因基本一致。 随着焊件随着焊件厚度厚度增加增加，焊接层数的增加，焊接层数的增加，横向收缩越来横向收缩越来越明显。越明显。1）纵向）纵向收缩引起的弯曲变形收缩引起的弯曲变形(1)(1)产生原因产生原因 焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称 Ff是个偏心力。是
7、个偏心力。弯曲变形截面截面中心中心2.2.弯曲变形弯曲变形2）横向）横向收缩引起的弯曲变形收缩引起的弯曲变形(1)(1)产生原因产生原因 焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称焊缝在构件中的位置相对于其截面中性轴不对称 Ff是个偏心力。是个偏心力。弯曲变形截面截面中心中心（2 2）控制弯曲变形）控制弯曲变形的措施的措施 焊缝设计时，尽可能使焊缝对称于焊件截面的中轴线或靠近中轴线。采用反变形或较小的焊缝尺寸。3）横向）横向收缩引起收缩引起的旁弯变形的旁弯变形(1)(1)产生原因产生原因 横向焊缝在焊接过程中若出现焊接方向错误，横向焊缝在焊接过程中若出现焊接方向错误，会是焊件产生旁弯。会是焊件
8、产生旁弯。（2 2）控制旁弯变形）控制旁弯变形的措施的措施标明次序，正确采取焊接顺序 焊后构件的焊后构件的平面围绕焊缝平面围绕焊缝产生的角位移产生的角位移称为角变形，也称称为角变形，也称回转回转变形变形。用用 代表角变形的大小。代表角变形的大小。 3.角变形 平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区域金属的阻碍受挤压，（压缩塑性变形）。域金属的阻碍受挤压，（压缩塑性变形）。 焊接面压缩塑性变形焊接面压缩塑性变形背面背面 角变形。角变形。1 1）堆焊时产生的角变形）堆焊时产生的角变形平板堆焊角变形的形成过程(1) 角变形产生原因角变形产生原因焊接热
9、量在厚度方向上的不均匀分布，焊接热量在厚度方向上的不均匀分布，同同时也时也取决于焊接的取决于焊接的刚度。刚度。焊接层数和焊接焊接层数和焊接线能量与板厚的线能量与板厚的影响。影响。 焊前先将焊件预制大小相同、方向相反的变形，以抵消焊后发生的变形。23（A）反变形法（2 2）控制角变形）控制角变形的措施的措施焊前 焊后 此法对防止弯曲变形的效果不如反变形法，但对角变形和波浪变形效果较好。24（B）刚性固定法用装焊夹具，将焊接件相互位置固定，限制焊接变形。工件工件压板压板25 角变形沿着焊缝长度方向逐渐增大，使构件变形扭角变形沿着焊缝长度方向逐渐增大，使构件变形扭转转, ,焊后在结构上出现的扭曲变形
10、，也称螺旋焊后在结构上出现的扭曲变形，也称螺旋形变形。形变形。 4.扭曲变形（1）扭曲变形的产生原因）扭曲变形的产生原因焊接角变形沿长度方向上的分布不均匀、焊缝长度方向上焊接角变形沿长度方向上的分布不均匀、焊缝长度方向上的错边、的错边、焊接顺序不对称或焊接方向错误，引起焊接顺序不对称或焊接方向错误，引起的扭曲的扭曲变变形。形。 凡是影响角变形的因素均会凡是影响角变形的因素均会导致导致扭曲变形。扭曲变形。27合理的装配焊接顺序（2 2）控制扭曲变形）控制扭曲变形的措施的措施42134321中间向两端焊610943221158765872341分段退步焊13425 5. . 波浪变形 构件焊后呈现
11、出翘曲形状称为波浪变形， 也称失稳变形。 薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临界数值时，将出现波浪变形而丧失承载能力，这种现象称之为失稳。 (1)(1)波浪变形产生原因 薄焊后存在于平板中的内应力，一般情况下在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的区域为压应力。在压应力的作用下，如果 ，薄板可能失稳，产生波浪变形。 焊接角变形也可产生类似的波浪形变形焊接角变形也可产生类似的波浪形变形cr压应力板焊接对热胀冷缩最为板焊接对热胀冷缩最为敏感敏感(2) 防止防止波浪波浪变形的变形的措施措施提高临界应力，增加板厚和减小板宽。施加预拉应力施加预拉应力最有效的方法最有效的方法 用装焊夹具，将焊接件的相互位
12、置固定，可用以防 止焊后变形。6.6.错边变形 焊接过程中，焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一致两焊接件的热膨胀不一致，引，引起起长度方向长度方向和和厚度方向上厚度方向上的位移，称错边变形。的位移，称错边变形。 填充量增加应力集中加大有效截面减小装配不良引起的错边变形。 (1)(1)错边变形错边变形产生原因产生原因33焊接引起的错边变形。 焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不合理。两种材料热膨胀的差异。 (2)(2)控制控制焊接变形的措施焊接变形的措施 将焊接处热量迅速散走，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接变形的目的。 喷水法散热散热垫法散热水浸法散热357 7）散热法散热法36 等离子弧
13、焊 、氩弧焊、 CO2保护焊、手工电弧焊、气焊，在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下，应尽量采用小的焊接热输入。三.选择合理的焊接方法选择合理的焊接方法，可有效的减少焊接变形。37 利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相互抵消。 焊接变形的矫正有： 机械矫正法机械矫正法、火焰矫正法、散热法、火焰矫正法、散热法、锤、锤击法。击法。四.焊接变形的矫正机械矫正有：油压机、千斤顶、辗压机和专用矫正机。1.1.机械机械矫正法矫正法三三点弯曲矫形点弯曲矫形 辗辗压压矫形矫形391 1）机械矫正）机械矫正注意事项注意事项 机械矫正法，只适用于机械矫正法，只适用于结构简单的中、小型焊结构简单的中、
14、小型焊件，对件，对高强度钢高强度钢应慎用。应慎用。40 用火焰对局部进行加热，使之产生压缩塑性变形，冷却时该处金属发生收缩，利用收缩产生的变形去抵消焊接引起的残余变形。 火焰矫正法一般使用的是氧-乙炔火焰，不需专门设备，操作灵活、简单方便，可以在大型结构上进行校正，但效率较低但效率较低 。2.2.火焰火焰矫正法矫正法（1）加热位置（2）加热温度（3）加热区的形状411 1）火焰加热）火焰加热的三要素的三要素42 加热位置是成败的关键因素，加热位置不正确，不仅起不到矫正作用，反而是变形更为严重。因此，所选的加热位置必须使产生的变形方向与焊接残余变形方向相反，起到抵消变形的作用。（1）加热位置加热
15、位置加热位置加热线加热线43颜色温度颜色温度颜色温度深褐红色 550580樱红色770800暗黄色10501150褐红色580650淡樱红色880830亮黄色11501250暗樱红色 650730亮樱红色830960白黄色12501300深樱红色 730770桔黄色9601050 结构钢火焰矫正加热温度一般为650700之间。一般用眼睛观察加热部位的颜色来判断加热的大致温度（可用试温笔）。（2）加热温度 在构件表面加热一个圆点，冷却后可获得均匀的径向收缩效果。常以梅花状均匀分布，点直径15mm，点间距50100mm，每加热完一个点后，立即锻打加热点及周围区域，（锻打时，用木锤背面须设垫板），可
16、浇水冷却。44（3）加热区的形状A）点状加热薄板波浪变形的矫平45 火焰沿直线方向移动，连续加热金属表面，形成一条加热线即条状加热。 薄板校平不作横向摆动加热，需扩大面积时，从中间向两侧平行的增加加热线，线距视变形程度而定，变形量大宜密些。B）条状加热 火焰移动过程中横向摆动，就形成带状加热。 带状加热的横向收缩大于纵向收缩量，带状加热多用于校正厚板、变形量较大或刚性较大的构件。46B）带状加热47 加热区呈三角状，可获得三角底部边横向收缩大于顶端横向收缩的效果。用于刚性大和变形量大的焊件。D）三角形加热48塑性好材料都能用火焰矫正，如低碳钢、低合金钢（16Mn等），不仅可以用火焰矫正，而且还
17、可以浇水急冷。用水冷却的目的是限制膨胀范围，增加对加热区的挤压作用（可立即看到效果）。浇水要在颜色变化到失去红色时才可浇水失去红色时才可浇水。2 2）火焰）火焰矫正注意事项矫正注意事项49矫正前仔细观察和分析变形情况，弄清变形原因， 确定加热位置。如T形梁焊后会产生角变形、弯曲变形和旁弯变形。 合理的矫正顺序应是：先矫正角变形、再矫正旁弯变形、 最后矫正上拱或下拱变形。加热温度不宜超过800，否则会引起加热区过热过热，尤其是较薄板加热。50火焰矫正时，要考虑对下道工序的影响（焊接或精加工）。火焰加热位置通常都远离焊缝，矫正后焊缝处的焊接残余应力状态基本保持不变。 加热火焰一般用中性焰，与气焊一样注意操作安全。谢谢 谢谢