焊接内应力及变形ⅰ、ⅱ

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1、焊接内应力及变形Ⅰ、Ⅱ(IWE-3/4.11-12)焊接内应力及变形—导论焊接的热效应导致焊接内产生焊接内应力，不同的焊接工艺在焊接部位产生不同形状的温度场。该温度场的温度变化区间为从金属的熔点（钢的为1500℃0）至室温（约为20℃）。焊接内应力及变形—导论在不同的温度，不同的位置及不同的时刻，将产生不同的热变形，延伸或收缩，由此导致产生塑性变形及内应力。同样的过程也存在于板材及型材轧制使得冷却过程中。焊接内应力及变形—导论以钢棒为例，在自由状态下，钢棒被加热而延伸，在冷却时又恢复到原始长度，在整个过程中不存在延伸和收缩阻力，因此在钢棒中不存在内应力，见图3。在自由延伸—限制收缩

2、的状态下，钢棒被加热时自由延伸，在冷却时其收缩却受到限制，因此冷却后钢棒内将产生拉应力。当拉应力大于材料抗拉强度时，导致钢棒断裂，见图4。焊接内应力及变形—导论限制延伸—自由收缩状态下，钢棒受热时不能自由延伸而产生压应力,随温度提高，屈服极限下降并导致“锻粗”，压应力随之下降。在冷却时对收缩没有限制，而“锻粗”部位不能恢复原态，故钢棒缩短,但不存在内应力，见图5。在限制延伸—限制收缩的状态下，钢棒被加热时延伸受限，产生压应力，温度升高使钢棒的屈服极限下降，直至产生“锻粗”，压应力随之减小。在冷却时其收缩受到限制，导致在钢棒内产生拉应力（收缩应力）。见图6。焊接内应力及变形—导论拉伸

3、试验与温度的关系焊接内应力及变形—内应力的产生及分布典型钢棒内应力的分析将钢棒固定在刚性结构上并加热，由于钢棒的延伸受到限制，在钢棒内会产生压应力。钢棒材料：St37(Re=235N/mm2）长度l=100mm∆t=60℃/80℃/100℃/120℃∆l=l0∙λ∙∆t，ε=∆l/l0，ε=σ/E，σ=λ∙∆t∙E∆t=60℃→σ=151N/mm2，∆t=80℃→σ=201N/mm2，∆t=100℃→σ=252N/mm2，∆t=120℃→σ=302N/mm2，ε=σ/E=(235/210000)∙100%=0.11%焊接内应力及变形—内应力的产生及分布钢棒一端固定并加热到1500℃

4、，随温度升高，钢棒变形抗力下降，出现延伸及墩粗。当冷却到室温时，钢棒缩短了约2%，该2%即为铸造时所考虑的收缩量。见图9。钢棒两端固定并如上加热及冷却，当冷却到室温时，钢棒大约被拉长2%（其中一部分为塑性变形，另一部分为弹性变形），由弹性部分导致了残余应力，即拉应力。根据平衡原理，在固定钢棒的钢结构中，也有应力存在。见图9。焊接内应力及变形—内应力的产生及分布钢的屈服极限σs在0~500℃时基本是一常数。当温度超过500℃时，σs发生陡降，当温度达到600℃时，σs接近于零。说明钢材此时几乎处于完全塑性状态，在很小的外力作用下就可以发生塑性变形。焊接内应力及变形—内应力的产生及分布

5、纵向应力产生的原因自由状态下，金属受热时的伸长量与温度成正比，假设被焊钢板是由无数可以自由伸缩的小板条组成。在焊接过程中由于他们的受热不同，将按温度分布情况伸长。同时在冷却时，又将收缩回原处。这样就不会出现内应力。如果认为小板条之间相互制约，同步胀缩，则温度高的部位就会受到温度较低处的压缩作用，同时其对低温处有拉伸作用。因此，在高温部分产生压应力，低温部分产生拉应力。当焊件冷却时，由于焊缝及近缝区附近的压缩塑性变形不能恢复，因此该处的收缩量也较大，其余部分逐渐减小。根据平面假设，焊缝及近缝区被拉伸，产生拉应力，其他温度低的部分产生压应力。焊接内应力及变形—内应力的产生及分布横向应力

6、产生的原因：1.由纵向收缩变形引起的横向应力两块板对接焊时，相当于两块板进行对称的单边堆焊，其挠曲变形方向相反，由于相互制约，将在焊缝中部产生横向拉应力，在焊缝两端出现横向压应力，见图12b）。单边堆焊时由于板的纵向收缩不均匀，会引起挠曲变形，如图12a）。焊接内应力及变形—内应力的产生及分布横向应力产生的原因：2.由焊缝冷却先后顺序不同而引起的横向应力焊缝先焊的部位先冷却，并恢复变形抗力，将对后冷却部位的横向收缩变形产生制约，并由此使后冷却部位产生拉应力，而后冷却部位的横向收缩作用会对先冷却部位产生压缩作用，因此使先冷却部位产生压应力。此外，由于应力平衡的结果，在焊缝的最末段也将

7、产生压应力。上述两方面原因综合作用结果决定了焊缝中最终横向应力。焊接内应力及变形—内应力的产生及分布应力分布状态焊接内应力及变形—内应力的产生及分布应力分布状态焊接内应力及变形—内应力的产生及分布应力分布状态当板材较厚，不能按照平面应力假设考虑时，厚度方向的内应力也起作用，这就产生了三轴应力状态，如图16。多轴应力状态下，材料的屈服极限不再是由棒状试样进行单轴拉伸所获得的结果，甚至可能发生不出现明显屈服就断裂的情况。其断裂强度至少要超过标准屈服极限的二倍。焊接结构中经