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1、焊接结构生产项目二项目二 典型结构焊接应力与变形的控制典型结构焊接应力与变形的控制项目二项目二 典型结构焊接应力与变形的控制典型结构焊接应力与变形的控制项目简介项目简介在本项目中我们通过完成几个任务，主要介绍内容有：焊接应力与变形及其产生的原因；典型结构中焊接应力分布的一般规律；焊接过程中如何降低或消除焊接应力；预防焊接变形的方法和焊后矫正焊接残余变形的措施；焊接结构的脆性断裂和疲劳破坏。项目二项目二 典型结构焊接应力与变形的控制典型结构焊接应力与变形的控制任务任务1典型结构焊接应力与变形任务任务2焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制任务任务3焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制任务任务4焊接
2、结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂任务任务5焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏 任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形【任务目标任务目标】了解焊接应力与变形的基本概念，熟悉焊接应力与变形了解焊接应力与变形的基本概念，熟悉焊接应力与变形的影响因素，掌握焊接应力与变形产生的原因，为控制焊接的影响因素，掌握焊接应力与变形产生的原因，为控制焊接结构中的焊接应力与变形提供理论依据。结构中的焊接应力与变形提供理论依据。在焊接结构的制造过程中，焊接结构中不可避免地会产生焊接应力与变形，这是焊接生产所特有的问题。焊接应力与变形会直接影响焊接结构的生产质量和使用性能，其中应力的存在可能导致焊接
3、裂纹、脆性断裂和疲劳破坏，焊接变形则影响焊接结构的加工精度。因此，我们应该了解焊接应力与变形的基本知识，尤其是熟悉典型焊接结构中的应力与变形，以便采取有效措施来控制这些焊接问题，从而提高焊接结构的生产质量，保证焊接结构的使用安全性。【任务分析任务分析】任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形（1）应力）应力1.应力与变形的基本概念工作应力工作应力l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。内应力内应力l物体在没有受到外力作用的情况下而形成的，且在物体内自身构成一个平衡力系的的应力称为内应力。【相关知识相关知识】任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊
4、接应力与变形（2）变形弹性变形和塑性变形 自由变形与非自由变形 当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，物体不能恢复原状的这种变形称为塑性变形。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。如果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。（1）焊接应力任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形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。按作用时间分为：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
5、，它随时间而变化；待焊件冷却后，残留于焊件中的内应力称为焊接残余应力。2.焊接应力与变形（2）焊接变形任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与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。任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形平截面假定：平截面假定：假定构件在焊前所取的横截面焊后仍保持为平面，即构件变形时截面本身并不变形。金属性能不变的假定：金属性能不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些物理性能如线胀系数()、比容（C）、热导率()等均不随温度的变化而变化。应力应变关系的假设：应力应变关系的
6、假设：材料呈理想弹-塑性状态，即材料屈服后不发生强化。金属屈服强度的假定：金属屈服强度的假定：在500以下，下屈服强度与常温下相同，不随温度变化，500至600之间，下屈服强度迅速下降；600以上时呈全塑性状态。3.研究焊接应力与变形的基本假定任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形4.构件中焊接应力与变形产生的原因产生的原因焊件的受热不均匀焊缝金属的收缩金属组织的变化焊件的刚性和拘束其他影响因素（1）平板对接直焊缝中的残余应力纵向应力x 图图2-7 焊缝各截面中的焊缝各截面中的x分布分布不同长度焊缝纵截面上纵向残余不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力应力x的分布的分布5.典型焊接
7、结构中的残余应力分布任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形 垂直于焊缝的横向应力y的分部情况比较复杂。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y来表示；另一个是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的，用y来表示。任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形横向应力y 任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形图a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b，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y
8、,如图c。纵向收缩引起的y的分布任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形80mm厚板V形坡口多层焊焊缝残余应力的分布残余应力z厚板对接焊缝中的残余应力 厚板接头焊缝中除了纵向残余应力和横向残余应力外，还存在厚度方向上的残余应力z。（2）焊接粱柱中的残余应力 任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形焊接梁柱的纵向残余应力分布（3）拘束条件下焊接的残余应力 (a)拘束状态下焊件 (b)拘束横向残余应力 (c)焊接横向残余应力 (d)合成横向残余应力任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形拘束状态下对接接头的横向残余应力的分布（4）封闭焊缝中的残余应力
9、 任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形圆形键块封闭焊缝的残余应力（5）环形焊缝中的残余应力 圆筒环焊缝的纵向残余应力分布任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形6.典型结构中的焊接残余变形焊接残余变形在焊接结构中的分布是很复杂的。通常，按照变形的外观形态来分以下为五种基本变形形式：收缩变形收缩变形角变形角变形弯曲变形弯曲变形波浪变形波浪变形扭曲变形扭曲变形（1）收缩变形任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形 焊后，焊件尺寸缩短的现象称为收缩变形，它分为纵向收缩变形和横向收缩变形。焊接收
10、缩变形 （2）角变形 焊后，构件的平面围绕焊缝产生的角位移。中厚板堆焊、搭接焊、对接焊及T形接头焊接时，都可能产生角变形。任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形焊接角变形示意图（3）弯曲变形任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形焊接弯曲变形示意图弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀而引起的。（4）波浪变形任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形 波浪变形是一种失稳变形，在焊接薄板结构时，离焊缝较远的区域会产生焊接残余压应力，当此压应力超过了失稳的临界应力值，薄板就会出现波浪变形。焊接波
11、浪变形示意图 （5）扭曲变形任务任务1 典型结构焊接应力与变形典型结构焊接应力与变形扭曲变形的原因主要是焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。工形梁产生的扭曲变形主要是角变形沿焊缝长度逐渐增大的结果。工形梁的扭曲变形任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制【任务目标任务目标】了解焊接残余应力对焊接结构的影响，熟悉掌握减小焊接残余应力了解焊接残余应力对焊接结构的影响，熟悉掌握减小焊接残余应力的结构设计和生产工艺措施，熟练掌握消除焊接残余应力的基本方法，的结构设计和生产工艺措施，熟练掌握消除焊接残余应力的基本方法，以达到控制焊接残余应力、保证焊接结构质量的最终目的。以达到控制焊接残余应力、
12、保证焊接结构质量的最终目的。在焊接结构生产过程中，由于受焊件加热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚性拘束等众多因素的影响，焊接结构不可避免地会产生各种焊接残余应力。焊接残余应力不仅会直接导致各种焊接残余变形，影响到焊接结构的形状尺寸精度，而且还会降低焊接结构的抗拉强度、疲劳强度、刚度及受压件的稳定性等，严重影响焊接结构的力学性能和安全使用性能。因此，为了保证焊接结构具有良好的使用性能，必须采取措施对焊接过程中的焊接残余应力进行控制。有些重要的结构，焊后还必须采取有效的措施来彻底消除焊接残余应力，从而不断的提高焊接产品的质量。【任务分析任务分析】任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残
13、余应力的控制1.焊接残余应力对焊接结构的影响1对焊接结构强度的影响明显降低脆性材料结构的静载强度。2对构件加工尺寸精度的影响产生变形，降低加工精度。3对受压件稳定性的影响会导致梁结构的局部或整体的失稳。4对结构刚度的影响 降低结构的刚度。【相关知识相关知识】任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制2.控制焊接残余应力的途径和思路（1）从设计和工艺两个方面来减小焊接残余应力。（2）合理选择焊后处理工艺方法来消除焊接残余应力。【工作过程工作过程】任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制1.减小焊接残余应力的措施（2 2）工艺措施工艺措施（1 1）设计措施设计措施在设计阶段就应考虑采
14、取合适的办法来减少焊接残余应力。结构设计时，严格遵守限制焊接残余应力的设计原则，并结合构件的使用要求从而确定合理的设计措施进行焊接应力控制。合理选择装配顺序和焊接顺序，以调整残余应力分布；缩小焊接区与结构整体之间的温差；加热“减应区“，减小焊接应力；降低接头的拘束度；锤击焊缝，释放焊接残余应力。（1）热处理法2.消除焊接残余应力的方法任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制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。整体热处理 一般可消除6090的焊接残余应力，在生产中应用比较广泛。局部热处理（2）机械拉伸法任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制采用不同
15、方式在构件上施加一定的拉应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松弛焊接残余应力的目的。（3）温差拉伸法其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。任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制（4）锤击焊缝任务任务2 焊接残余应力的控制焊接残余应力的控制焊后用锤子锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接残余应力的作用。（5）振动法又称振动时效或振动消除应力法(VSR)。它是利用由偏心轮和
16、变速电动机组成的激振器，使结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力。任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制【工作过程工作过程】1.预防焊接残余变形的措施预防焊接残余变形可以从设计和工艺两方面来解决。设计上如果考虑比较周到，注意减少焊接残余变形，往往比单从工艺来解决问题方便得多。相反，如果设计考虑不周，则往往给生产带来许多额外的工序，大大延长生产周期，提高产品成本。因此，我们要首先考虑设计措施，然后还要采取必要工艺措施来控制焊接变形。（1）设计措施 尽量选用对称的构件截面和焊缝位置；任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制各种对称截面和对称焊缝位置示意图 合理选择焊缝长度和焊缝
17、数量；尽量减小焊缝的截面尺寸 角接时不同的接头形式任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制（2）工艺措施任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制留余量法留余量法合理选择装配焊接顺序合理选择装配焊接顺序热平衡法热平衡法合理地选择焊接方法和规范合理地选择焊接方法和规范反变形法反变形法散热法散热法刚性固定法刚性固定法 留余量法留余量法 反变形法反变形法 在下料时，考虑到收缩变形而将下料零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形，焊后残余变形抵消了预变形量。任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制 合理选择装配
18、焊接顺序合理选择装配焊接顺序 任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制 散热法散热法 即通过不同的方式迅速带走焊缝结构的易变形区及其附近的热量，减小焊缝及其附近的受热区，达到减小焊接变形的目的。热平衡法热平衡法 在与焊缝的位置上采用气体火焰与焊接同步加热，以防止变形。热平衡法防止箱形梁焊接变形 刚性固定法刚性固定法 焊接时，将焊件固定在具有足够刚性的基体上，使焊件在焊接时不能移动。任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制 合理地选择焊接方法和规范合理地选择焊接方法和规范如选用线能量较低的焊接方法，可以有效地防止焊接变形。任务任务3
19、 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制2.矫正焊接残余变形的方法矫正的实质是使构件产生新的变形，以抵消焊接残余变形。但矫正过程往往会增加构件的内应力，因此矫正变形之前，最好先消除焊接残余应力，以免矫正变形时内应力叠加增大，使构件发生局部破裂。机械矫正法锤击矫正法焰加热矫正法常用的矫正常用的矫正方法方法任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制（1）机械矫正法机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸，使其恢复到所要求的形状。机械法矫正焊接变形应注意以下事项：对冷裂倾向较大的高强度钢采用此法应慎重，因为机械法矫正易产生冷作硬化。对重要焊件和合金钢焊件，矫正后应仔细检查矫正处有无裂纹。矫
20、正波浪变形时，可沿焊缝进行锻打或用碾压设备碾压焊缝。任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制（2）锤击矫正法 该法用锤击来延展焊缝及其周围压缩塑性变形区域的金属，达到消除焊接变形的目的。这种方法比较简单，经常用来矫正不太厚的板结构。但它的缺点就是劳动强度大，表面质量不好。（3）火焰加热矫正法利用火焰局部加热，在高温处，产生局部压缩塑性变形，冷却后收缩，抵消了焊后在该部位的伸长变形，达到矫正变形之目的。火焰加热可使用普通的气焊焊炬，不需要专用的设备，操作方便，工艺灵活，适应性强，可以在压力容器、船舶、工字梁、箱形梁等焊接结构上进行各类变形矫正，因此在生产上应用比较广泛。工字梁弯曲变形的三
21、角形和带状加热矫任务任务3 焊接残余变形的控制焊接残余变形的控制任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂1.金属材料断裂的基本概念（1）断裂概念断裂是指金属材料受力后局部变形量超过一定限度时，原子间的结合力受到破坏，从而萌生微裂纹，继而发生扩展使金属断开的破坏形式。断裂可分为脆性断裂和韧性断裂。任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂解理断裂机制l是指晶体金属材料沿某些特定结晶学截面发生的断裂。解理断裂是一种拉应力引起的脆性穿晶断裂，通常是严格地沿着一定晶面分离，这个晶面叫做解理断裂面。但有时断裂也可沿着晶体的滑移面或孪晶面分离开
22、裂。（2）断裂机制剪切断裂机制l这种断裂机制是在切应力的作用下，沿滑移面滑移分离而形成的断裂现象，它主要包括两种类型：一是纯剪切或滑断；二是微孔洞聚集断裂。（3）影响金属断裂的因素 任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂金属断裂的影响因素主要有：温度、应力状态和加载速度。在一定温度、应力状态和加载速度下金属材料呈韧性断裂破坏，而在另外一些条件下，金属材料又呈脆性断裂破坏。温度的影响任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂材料的脆性断裂在很大程度上决定于温度。通常金属在高温时，具有良好的变形能力，但当温度降低时，其变形能力就减小，金属的这种低温脆化的现象称为“低温脆性”。对具体
23、的金属材料结构而言，工作温度越低，则发生脆性断裂的倾向性就越大。抗拉强度和屈服强度与温度关系示意图温度和断裂性质的关系示意图 加载速度的影响任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂提高加载速度（即增大应变速率）能促进材料脆性断裂破坏，其作用相当于降低材料的工作温度，或提高了韧性-脆性转变温度。应力状态的影响任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂物体受外载时，在不同截面上产生不同的正应力和切应力。一般，在裂纹尖端或结构上其他应力集中缺陷处，容易出现三向拉应力状态，导致断裂。除了上述三大因素之外，还有金属材料的晶粒度、显除了上述三大因素之外，还有金属材料的晶粒度、显微组织及化学成
24、分等对金属结构的断裂破坏也有较大影响。微组织及化学成分等对金属结构的断裂破坏也有较大影响。（1）焊接结构脆断的特征任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂2.焊接结构的脆性断裂 在没有显著塑性变形的情况下发生的，具有突然破坏的性质。一旦发生脆断破坏，瞬时扩展到结构的整体，事故难以预防。结构断裂的名义应力较低，是一种低应力下的破坏。又称为低应力脆性破坏。断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，微观上多为晶界断裂和解理断裂。多数脆断是在环境温度较低时发生，故称为低温脆断。破坏总从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。（2）影响焊接结构脆性断裂的因素任务任务4 焊接结构的脆
25、性断裂焊接结构的脆性断裂 材料状态的影响主要是母材和焊缝金属晶粒度，母材和焊缝金属化学成分等对材料韧性的影响。焊接结构设计的影响焊接结构刚度大，整体性强，对应力集中的敏感性高，不合理的结构设计等产生不利的应力状态。焊接制造工艺的影响冷热加工后，其材质可能发生变化，焊接可能产生缺陷，焊后产生残余应力和变形等，都对结构脆断有影响。【工作过程工作过程】任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂脆性断裂是由裂纹的萌生和扩展两个阶段组成的。因此为了防止焊接结构发生脆性断裂，相应地提出了两个设计准则：一是防止裂纹产生的准则（即“开裂控制”）；二是止裂性能准则（即“止裂控制”）。前者是要求焊接结构的最
26、薄弱的部位，即焊接接头处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗裂能力；后者要求如果这些部位产生了脆性小裂纹，其周围材料应具有将其迅速止住的能力。显然，后者比前者要求更苛刻。1.防止焊接结构脆性断裂的设计准则任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂2.防止焊接结构脆性断裂的措施造成焊接结构脆性断裂的基本因素是：材料在工作条件下韧性不足，结构上存在严重应力集中（包括设计上和工艺上）和过大的拉应力（包括工作应力、残余应力和温度应力）。若能有效地解决其中一方面因素所存在的问题，则发生脆断的可能性将显著减小。通常是从选材、设计和制造三方面采取措施来防止结构的脆性破坏。任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接
27、结构的脆性断裂与其他结构选择相同，焊接结构选择材料的基本原则也是既要保证结构的使用安全性，又要考虑制造的经济性。设计时应注意以下几个原则：减少结构或焊接接头部位的应力集中；减小焊接结构的截面厚度；减小结构的刚度；重视附件或不受力焊缝；（2）合理的结构设计 （1）正确、合理地选用材料 （3）合理安排焊接结构的制造工艺任务任务4 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂 合理的制造工艺是决定结构抗裂能力的最后保障。充分考虑应变时效引起局部脆性；合理选择焊接材料、焊接方法和工艺参数；必要时采用热处理工艺；文明生产、严格管理，妥善运输和保管。任务任务5 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏（1）疲劳破坏的
28、基本概念1.焊接结构的疲劳破坏 疲劳的定义在某点或某些点承受循环应力，且在足够多的循环应力作用之后，形成裂纹或完全断裂，称为“疲劳”。只有在金属材料承受扰动应力作用条件下，疲劳才会发生。疲劳断裂的过程和断口特征任务任务5 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏 疲劳断裂一般由疲劳裂纹的萌生阶段、疲劳裂纹的扩展阶段和疲劳断裂阶段三个阶段组成。工形、箱形梁构件中的残余应力分布示意图（2）影响焊接接头疲劳强度的因素任务任务5 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏 应力集中的影响；焊接缺陷的影响；金属材料性质和结构尺寸的影响。焊接残余应力的影响；影响焊接影响焊接接头疲劳接头疲劳强度因素强度因素【工作过程
29、工作过程】任务任务5 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏 1.提高焊接结构疲劳强度的措施应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度的主要原因，只有当焊接接头和结构的构造合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度。提高焊接接头的疲劳强度，一般采取下列措施：降低应力集中调整焊接残余应力改善材料的组织和性能其他特殊保护措施任务任务5 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏 采用合理的结构形式 控制焊缝的焊接缺陷 （1）降低应力集中 搭接接头形式的选择任务任务5 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏（2）调整焊接残余应力 结构的整体处理 对结构或元件的整体处理包括整体热处理和超载预拉伸法。接头的局部处理 采用局部加热或挤压，如局部的滚压、锤击或喷丸等工艺使金属表面塑性变形而硬化，并在表层产生残余压应力，以达到提高疲劳强度的目的。任务任务5 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏（3）改善材料的组织和性能 提高焊接结构组织的内在质量。合理搭配结构的强度、塑性和韧性。（4）其他特殊保护措施大气及介质侵蚀往往对材料的疲劳强度有影响，因此采用一定的保护涂层是有利的。例如在应力集中处涂上含填料的塑料层是一种实用的改进方法。