淺議焊接應(yīng)力及焊接變形關(guān)系

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1、淺議焊接應(yīng)力及焊接變形關(guān)系摘要：在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，焊接應(yīng)力和變形是必須考慮的因素，而在各種書(shū)籍中都是分別討論產(chǎn)生的原因、影響因素、控制方法和消除方法，這就給學(xué)習(xí)和使用者帶來(lái)一定的困惑，不能把他們放在一起考慮，理解偏頗經(jīng)常顧此失彼。實(shí)際上焊接應(yīng)力與變形成對(duì)李生，互為因果，為此弄清它們之間的關(guān)系，才能更好地理解與指導(dǎo)實(shí)踐。關(guān)鍵詞：焊接應(yīng)力與變形拘束熱輸入屈服強(qiáng)度關(guān)系力的概念是在工程實(shí)踐中建立的，可以通過(guò)力的作用效果感受它的存在。我們將力使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的效應(yīng)稱(chēng)為外效應(yīng)；我們將力使物體發(fā)生的形狀的變化的效應(yīng)稱(chēng)為內(nèi)效應(yīng)。作為焊接結(jié)構(gòu)

2、中的力學(xué)問(wèn)題研究的是力的內(nèi)效應(yīng)，當(dāng)材料變形時(shí)，桿件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生了用來(lái)抵抗變形、企圖使材料恢復(fù)原狀的抵抗力，這種因外力作用而引起構(gòu)建內(nèi)部之間的相互作用力，簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)力。外力越大，內(nèi)力隨著增大，變形也就越大，當(dāng)內(nèi)力超過(guò)一定強(qiáng)度極限時(shí)，桿件就會(huì)被破壞。桿件在外力作用下，單位面積上的內(nèi)力稱(chēng)為應(yīng)力;桿件非外力作用下，單位面積上的內(nèi)力稱(chēng)為內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于金屬材料構(gòu)件當(dāng)所受應(yīng)力大于等于屈服強(qiáng)度，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生塑性變形并且不能回復(fù)；當(dāng)所受應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，因此工程上常用應(yīng)力衡量構(gòu)件受力的強(qiáng)弱程度。一、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因通常，我們把焊接時(shí)

3、不均勻加熱看成產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的根本原因，焊接應(yīng)力與變形是由多種因素交互作用而導(dǎo)致的結(jié)果，如材料因素、工藝因素和結(jié)構(gòu)因素等。若僅就其材料本身的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)引起的內(nèi)拘束條件影響而言，焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因可表述如下：焊接熱輸入引起材料不均勻加熱，使焊縫區(qū)熔化，在熱傳導(dǎo)作用下致使焊接接頭形成了高溫區(qū)，材料的發(fā)生熱膨脹則受到周?chē)覆男纬傻牡蜏貐^(qū)域的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻過(guò)程中已產(chǎn)生的壓縮塑性變形的這部分材料又受到周?chē)牧系南拗贫荒茏杂墒湛s，不同程度上又被拉伸而卸載；與此同時(shí)熔池凝固金屬冷卻收縮也產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力與變形，也就

4、是高溫焊縫區(qū)受到拉應(yīng)力，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變。與焊接接頭區(qū)產(chǎn)生的縮短不協(xié)調(diào)應(yīng)變相對(duì)應(yīng)在構(gòu)件中會(huì)形成自身相平衡的內(nèi)應(yīng)力，即為焊接應(yīng)力。焊接接頭區(qū)金屬在冷卻到較低溫度時(shí)，材料恢復(fù)到彈性狀態(tài)；此時(shí)若有金屬組織變化，則伴隨體積變化出現(xiàn)相變應(yīng)力。二、焊接應(yīng)力與變形關(guān)系的闡述在焊接過(guò)程中，焊縫金屬在熱膨脹過(guò)程中受到處于相對(duì)低溫區(qū)的母材金屬的內(nèi)拘束和結(jié)構(gòu)外拘束，不能夠自由膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓應(yīng)力大于屈服強(qiáng)度時(shí)，這樣就產(chǎn)生了壓縮塑性變形，隨著變形量的增加，焊接應(yīng)力減小，焊接變形成了應(yīng)力的釋放形式，由于材料還未成為完全塑性材料，在材料內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生

5、壓縮彈性變形，為使整個(gè)構(gòu)件平衡，接頭高溫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力，母材低溫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力。在焊接接頭冷卻過(guò)程中，產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫區(qū)由于不能恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，要縮短，由于內(nèi)外拘束條件的限制,焊縫金屬產(chǎn)生了拉應(yīng)力，屈服點(diǎn)卻隨溫度的降低而升高，因此焊縫產(chǎn)生了一定量的拉伸應(yīng)變，并未完全拉伸而卸載，即焊接拉應(yīng)力在焊縫拉伸過(guò)程中有所減小，當(dāng)減小到屈服點(diǎn)以下就以彈性應(yīng)變的方式存在于焊接構(gòu)件當(dāng)中，即產(chǎn)生拉應(yīng)力，為平衡與此構(gòu)件當(dāng)中產(chǎn)生了的焊接壓應(yīng)力，最終整個(gè)構(gòu)件在一拉一壓應(yīng)力作用下平衡了，且構(gòu)件面積變小。由此可見(jiàn)焊接應(yīng)力與變形總是成對(duì)出現(xiàn)，在焊接應(yīng)力、溫度和屈服強(qiáng)度的對(duì)

6、比的條件下相互轉(zhuǎn)化，溫度升高，屈服強(qiáng)度降低，變形增加，焊接應(yīng)力減??；反之，屈服強(qiáng)度降低,變形減小，焊接應(yīng)力增加。三、防止焊接應(yīng)力與變形的措施在了解焊接應(yīng)力與變形原因和關(guān)系的基礎(chǔ)之上，采取措施控制應(yīng)力與變形總的原則是控制應(yīng)力，就得增加焊接結(jié)構(gòu)的變形量；控制變形，就得增加焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，這就根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體條件而定，主要從以下三個(gè)方面入手。從原因上控制金屬材料的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、焊接熱輸入著眼，設(shè)計(jì)上采用塑性好的金屬材料作為焊接結(jié)構(gòu)材料；用其他結(jié)構(gòu)代替焊接結(jié)構(gòu)；采取工藝措施配合低的焊接熱輸入，縮小不均勻加熱的程度；在滿足使用條件的前提下，盡量減小焊

7、縫的數(shù)量和尺寸，比如斷續(xù)焊代替連續(xù)焊，盡量不開(kāi)坡口等；合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終減少焊接構(gòu)件的內(nèi)外拘束條件，以求產(chǎn)生的焊接應(yīng)力最小，焊接變形也隨之減少。從焊接過(guò)程中控制裝配焊接順序、焊接材料的選擇、裝夾條件、施焊順序，施焊工藝等，影響構(gòu)件的受熱不均勻程度、焊接接頭的拘束狀態(tài)，焊縫的受熱變化的條件，進(jìn)而影響焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生和相互轉(zhuǎn)化。從焊后消除應(yīng)力熱處理把金屬構(gòu)件加熱到力學(xué)熔點(diǎn)以上，屈服點(diǎn)急劇降低接近于零，讓?xiě)?yīng)力釋放產(chǎn)生應(yīng)變，把焊接應(yīng)力消除80%-90%；還是火焰矯正變形時(shí)利用局部加熱至力學(xué)熔點(diǎn)之上而未發(fā)生相變的溫度區(qū)，如鋼600°C?800°C

8、,讓構(gòu)件產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，進(jìn)而在快速冷卻過(guò)程中產(chǎn)生較大的收縮變形以矯正焊接變形等，都是建立在焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因和轉(zhuǎn)化關(guān)系的把握之上。四、結(jié)論焊接熱輸入的