焊接工程学(第七章)
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1、四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛第七章第七章焊接应力变形与接头强度焊接应力变形与接头强度四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛一、内应力和内部变形一、内应力和内部变形 第一节第一节 焊接应力和变形的形成过程焊接应力和变形的形成过程内应力是在没有外力的条件下产生并平衡于物体内部的应力内应力在物体内部构成平衡，即内力与内力矩之和为零内应力不同于外载条件下产生的应力不论是自
2、由状态下的焊接，还是拘束条件下（通过夹具紧固）的焊接，一般均有内应力出现四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛 第一节 焊接应力和变形的形成过程1、内应力原因分析图图1 1 内应力产生的金属框架模型内应力产生的金属框架模型只给右图金属框架的中心杆件加热，两边的杆件温度保持不变，中心杆件由于温度升高而伸长，由于其受到两边杆件的约束不能自由伸长，中心杆件将受到压力作用而产生压应力，两边杆件将受到中心杆件的拉应力四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Sc
3、ience and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛2、内应力的分类第一类内应力宏观内应力，与物体尺寸大小相当，分布范围较大第三类内应力超微观内应力，在金属晶格的超微观范围内平衡第二类内应力微观内应力，其范围在一个或几个晶粒的微观区域内平衡根据内应力的存在方式，分为瞬时内应力和残余内应力第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛3、内部变形自由变形：物体在某些因素（如温度影响）作用下，无任何外界阻碍而自由进行的变形。 LT=aL0(T1
4、-T0)单位长度上的自由变形，即自由变形率，用T表示：T = LT/L0=a(T1-T0)=aTa、L0、T0、T1分别表示材料的热膨胀系数、杆件的原始长度、原始温度及加热后温度图图2 2 自由变形自由变形第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛外观变形：当物体的自由变形受到外界阻碍时只能部分表现出来的变形部分，即Le。单位长度上的外观变形，即为外观变形率，用e表示：e =Le/L0内部变形：物体自由变形受到外界阻碍而没有表现出来的变形部分，即L。单位长
5、度上的内部变形，即内部变形率，用表示：=L/L0图图3 3 外观变形和内部变形外观变形和内部变形第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛自由变形、外观变形和内部变形之间的关系一般而言，当材料拉伸时，其变形为正值；当受到压缩时，其变形量为负值。L=-(LTLe)=LeLT； =eT在弹性范围内，内应力与内部应变满足虎克定律：=E= E(eT)图图4 4 自由变形、外观变形和内部变形的关系自由变形、外观变形和内部变形的关系第一节 焊接应力和变形的形成过程四川
6、大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛二、热循环中应力与应变的演变过程假设受拘束的金属杆件为低碳钢棒，其长度为单位长度，并固定在绝缘的刚性壁之间，对其进行均匀加热然后均匀冷却至原始温度，完成热循环过程。假定热循环过程中低碳钢的热膨胀系数为常数，其屈服应变在500以下为常数，现分析当杆件的内部应变小于屈服应变时（s），应力和应变的演变过程第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊
7、接工程学焊接工程学楊楊 剛剛由于金属钢棒在整个热循环过程中被固定，故其外观变形量e=0；内部变形量=eT0t1：随温度升高，压缩的内部变形量增加，压应力上升t1：温度至最大值，内部变形和压应力也为最大t1t2：温度逐渐降低，内部变形及压应力减小t2：温度降至原始值，内部变形及压应力减至零图图5 5 受拘束碳钢棒热循受拘束碳钢棒热循环过程中的应力与变形环过程中的应力与变形第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛经过以上的热循环过程后，在低碳钢金属棒内没有残
8、余应力和残余变形，应力和变形的大小随时间而变化，且变化是瞬时性的第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛三、焊接过程中应力和变形的形成1、焊接热过程的特点加热的局部性热源仅作用在焊件的接头部位，焊件上的温度分布很不均匀，温差很大热源的移动性焊接过程中热源沿一定方向移动，在焊件上形成一种准稳定温度场加热速度和冷却速度快可在短时间内升至很高温度并降至很低温度，如加热速度可至1500/s以上第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School
9、 of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛图图6 6 低碳钢力学性能与温度的关系低碳钢力学性能与温度的关系1-1-弹性模量弹性模量E E；2-2-抗拉强度点抗拉强度点b b；3-3-屈服屈服点点s s；4-4-膨胀系数膨胀系数；5-5-伸长率伸长率焊接过程中应力和变形的过程十分复杂，比一般的热处理过程要复杂得多第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛2、焊接条件下应力和变形的分布右图为
10、沿低碳钢板条长度方向焊一纵向焊缝，焊后温度升高造成的膨胀使端面从AA平移至A1A1，则AA1为外观变形e 。在DD区域内温度超过热塑性温度600，可认为该区域内s=0，不产生应力 图图7 7 低碳钢长板条中心焊接低碳钢长板条中心焊接的温度及应力分布的温度及应力分布第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛DC和DC区域的温度从600的热塑性温度降至 500的屈服应变温度，屈服应变s从零上升到室温时的数值。这两个区域内的内应力大小是随屈服应变s的增加而增加。
11、在CB和CB区域内(e-T)s，故内应变为室温时的s并保持不变。AB和AB区域内金属完全处于弹性状态，其内应力正比于内部应变值图图7 7 低碳钢长板条中心焊接的低碳钢长板条中心焊接的温度及应力分布温度及应力分布第一节 焊接应力和变形的形成过程四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering焊接工程学焊接工程学楊楊 剛剛第二节 焊接残余应力焊接残余应力是焊接后残留在焊接结构中的应力。薄板时视为二维分布，厚板时则为三维分布一般而言，将平行于焊缝方向的应力称为纵向残余应力，x；将垂直于焊缝方向的应力称为横向残余应力，y；厚度方向
