焊接殘余應(yīng)力和焊接變形焊接殘余應(yīng)力(weldingresidualstresses)簡稱焊接應(yīng)力,有沿焊縫長度方向的縱向焊接應(yīng)力,垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。1、縱向焊接應(yīng)力焊接過程是一個(gè)不均勻加熱和冷卻的過程。在施焊時(shí),焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場,焊縫及其附近溫度最高,可達(dá)1600℃以上,而鄰近區(qū)域溫度則急劇下降。不均勻的溫度場產(chǎn)生不均勻的膨脹。溫度高的鋼材膨脹大,但受到兩側(cè)溫度較低、膨脹量較小的鋼材所限制,產(chǎn)生了熱塑性壓縮。焊縫冷卻時(shí),被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向于縮短,但受到兩側(cè)鋼材限制而產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力。在低碳鋼和低合金鋼中,這種拉應(yīng)力經(jīng)常達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度。焊接應(yīng)力是一種無荷載作用下的內(nèi)應(yīng)力,因此會(huì)在焊件內(nèi)部自相平衡,這就必然在距焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力2、橫向焊接應(yīng)力橫向焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因有二:一是由于焊縫縱向收縮,使兩塊鋼板趨向于形成反方向的彎曲變形,但實(shí)際上焊縫將兩塊鋼板連成整體,不能分開,于是兩塊板的中間產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力,而兩端則產(chǎn)生壓應(yīng)力。二是由于先焊的焊縫已經(jīng)凝固,會(huì)阻止后焊焊縫在橫向自由膨脹,使其發(fā)生橫向塑性壓縮變形。當(dāng)焊縫冷卻時(shí),后焊焊縫的收縮受到已凝固的焊縫限制而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力,而先焊部分則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力,在最后施焊的末端的焊縫中必然產(chǎn)生拉應(yīng)力。焊縫的橫向應(yīng)力是上述兩種應(yīng)力合成的結(jié)果。3、厚度方向的焊接應(yīng)力在厚鋼板的焊接連接中,焊縫需要多層施焊。因此,除有縱向和橫向焊接應(yīng)力σx、σy外,還存在著沿鋼板厚度方向的焊接應(yīng)力σz。在最后冷卻的焊縫中部,這三種應(yīng)力形成同號(hào)三向拉應(yīng)力,將大大降低連接的塑性。3.4.2焊接應(yīng)力和變形對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響一、焊接應(yīng)力的影響1、對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響對(duì)在常溫下工作并具有一定塑性的鋼材,在靜荷載作用下,焊接應(yīng)力是不會(huì)影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的。設(shè)軸心受拉構(gòu)件在受荷前(N=0)截面上就存在縱向焊接應(yīng)力。在軸心力N作用下,截面bt部分的焊接拉應(yīng)力已達(dá)屈服點(diǎn)fy,應(yīng)力不再增加,如果鋼材具有一定的塑性,拉力N就僅由受壓的彈性區(qū)承擔(dān)。兩側(cè)受壓區(qū)應(yīng)力由原來受壓逐漸變?yōu)槭芾?最后應(yīng)力也達(dá)到屈服點(diǎn)fy,這時(shí)全截面應(yīng)力都達(dá)到fy2、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響構(gòu)件上的焊接應(yīng)力會(huì)降低結(jié)構(gòu)的剛度。由于截面的bt部分的拉應(yīng)力已達(dá)fy,這部分的剛度為零,則具有所示殘余應(yīng)力的拉桿的抗拉剛度為(B-b)tE,而無殘余應(yīng)力的相同截面的拉桿的抗拉剛度為BtE,顯然Bte>(B-b)tE,即焊接殘余應(yīng)力的桿件的抗拉剛度降低了,在外力作用下其變形將會(huì)較無殘余應(yīng)力的大,對(duì)結(jié)構(gòu)工作不利。殘余應(yīng)力的存在將較大的影響壓桿的穩(wěn)定性3、對(duì)低溫冷脆的影響焊接殘余應(yīng)力對(duì)低溫冷脆的影響經(jīng)常是決定性的,必須引起足夠的重視。在厚板和具有嚴(yán)重缺陷的焊縫中,以及在交叉焊縫的情況下,產(chǎn)生了阻礙塑性變形的三軸拉應(yīng)力,使裂紋容易發(fā)生和發(fā)展。4、對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響在焊縫及其附近的主體金屬殘余拉應(yīng)力通常達(dá)到鋼材屈服點(diǎn),此部位正是形成和發(fā)展疲勞裂紋最為敏感的區(qū)域。因此,焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有明顯不利影響。二、焊接變形的影響焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題。焊接構(gòu)件出現(xiàn)了變形,就需要花許多工時(shí)去矯正。比較復(fù)雜的變形,矯正的工作量可能比焊接的工作量還要大。有時(shí)變形太大,甚至無法矯正,變成廢品。焊接變形不但影響結(jié)構(gòu)的尺寸和外形美觀,而且有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力,引起事故。一、合理的焊縫設(shè)計(jì)(1)合理的選擇焊縫的尺寸和形式,在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量采用較小的焊縫尺寸。因?yàn)楹缚p尺寸大,不但焊接量大,而且焊縫的焊接變形和焊接應(yīng)力也大。(2)盡可能能減少不必要的焊縫。在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí),常常采用加勁肋來提高板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度。但是為了減輕自重采用薄板,不適當(dāng)?shù)卮罅坎捎眉觿爬?反而不經(jīng)濟(jì)。因?yàn)檫@樣做不但增加了裝配和焊接的工作量,而且易引起較大的焊接變形,增加校正工時(shí)。(3)合理地安排焊縫的位置。安排焊縫時(shí)盡可能對(duì)稱于截面中性軸,或者使焊縫接近中性軸,這對(duì)減少梁、柱等構(gòu)件的焊接變形有良好的效果。(4)盡量避免焊縫的過分集中和交叉。如幾塊鋼板交匯一處進(jìn)行連接時(shí),以免熱量集中,引起過大的焊接變形和應(yīng)力,惡化母材的組織構(gòu)造。為了讓腹板與翼緣的縱向連接焊縫連續(xù)通過,加勁肋進(jìn)行切角,其與翼緣和腹板的連接焊縫均在切角處中斷,避免了三條焊縫的交叉。(5)盡量避免在母材厚度方向的收縮應(yīng)力。二、合理的工藝措施(1)采用合理的焊接順序和方向。盡量使焊縫能自由收縮,先焊工作時(shí)受力較大的焊縫或收縮量較大的焊縫。在工地焊接工字梁的接頭時(shí),應(yīng)留出一段翼緣角焊縫最后焊接,先焊受力最大的翼緣對(duì)接焊縫1,再焊腹板對(duì)接縫2。拼接板的施焊順序:先焊短焊縫1、2,最后焊長焊縫3,可使各長條板自由收縮后再連成整體。上述措施均可有效地降低焊接應(yīng)力。(2)采用反變形法減小焊接變形或焊接應(yīng)力。事先估計(jì)好結(jié)構(gòu)變形的大小和方向。然后在裝配時(shí)給予一個(gè)相反方向的變形與焊接變形相抵消,使焊后的構(gòu)件保持設(shè)計(jì)的要求在焊接封閉焊縫或其他剛性較大,自由度較小的焊縫時(shí),可以采用反變形法來增加焊縫的自由度,減小焊接應(yīng)力(3)錘擊或輾壓焊縫,使焊縫得到延伸,從而降低焊接應(yīng)力。錘擊或輾壓焊縫均應(yīng)在剛焊完時(shí)進(jìn)行。錘擊應(yīng)保持均勻、適度,避免錘擊過分產(chǎn)生裂紋。(4)對(duì)于小尺寸焊件,焊前預(yù)熱,或焊后回火加熱至600℃左右,然后緩慢冷卻,可以消除焊接應(yīng)力和焊接變形。也可采用剛性固定法將構(gòu)件加以固定來限制焊接變形,但卻增加了焊接殘余應(yīng)力。點(diǎn)評(píng)與討論:焊接變形的定義:鋼構(gòu)件在未受荷載前,由于施焊電弧高溫引起的變形為焊接變形。包括縮短、角度改變、彎曲變形等。焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響:1對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響2對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響3對(duì)低溫冷脆的影響4對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能的影響:焊接變形不但影響結(jié)構(gòu)的尺寸和外形美觀,而且有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力,引起事故。減小變形的主要方法有,(1)選擇合理的焊接順序;(2)盡可能用對(duì)稱焊縫(如工字形截面);(3)采用反變形法焊接過程中控制變形的主要措施:1、采用反變形2、采用小錘錘擊中間焊道3、采用合理的焊接順序4、利用工卡具剛性固定5、分析回彈常數(shù)。減少焊接應(yīng)力與變形的工藝措施主要有:一、預(yù)留收縮變形量根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在焊件備料及加工時(shí)預(yù)先考慮收縮余量,以便焊后工件達(dá)到所要求的形狀、尺寸。二、反變形法根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),預(yù)先估計(jì)結(jié)構(gòu)焊接變形的方向和大小,然后在焊接裝配時(shí)給予一個(gè)方向相反、大小相等的預(yù)置變形,以抵消焊后產(chǎn)生的變形。三、剛性固定法焊接時(shí)將焊件加以剛性固定,焊后待焊件冷卻到室溫后再去掉剛性固定,可有效防止角變形和波浪變形。此方法會(huì)增大焊接應(yīng)力,只適用于塑性較好的低碳鋼結(jié)構(gòu)。四、選擇合理的焊接順序盡量使焊縫自由收縮。焊接焊縫較多的結(jié)構(gòu)件時(shí),應(yīng)先焊錯(cuò)開的短焊縫,再焊直通長焊縫,以防在焊縫交接處產(chǎn)生裂紋。如果焊縫較長,可采用逐步退焊法和跳焊法,使溫度分布較均勻,從而減少了焊接應(yīng)力和變形合理的裝配和焊接順序。具體如下:1)先焊收縮量大的焊縫,后焊收縮量較小的焊縫;2)焊縫較長的焊件可以采用分中對(duì)稱焊法、跳焊法,分段逐步退焊法。交替焊法;3)焊件焊接時(shí)要先將所有的焊縫都點(diǎn)固后,再統(tǒng)一焊接。能夠提高焊接焊件的剛度,點(diǎn)固后,將增加焊接結(jié)構(gòu)的剛度的部件先焊,使結(jié)構(gòu)具有抵抗變形的足夠剛度;4)具有對(duì)稱焊縫的焊件最好成雙的對(duì)稱焊使各焊道引起的變形相互抵消;5)焊件焊縫不對(duì)稱時(shí)要先焊接焊縫少的一側(cè)。;6)采用對(duì)稱與中軸的焊接和由中間向兩側(cè)焊接都有利于抵抗焊接變形。7)在焊接結(jié)構(gòu)中,當(dāng)鋼板拼接時(shí),同時(shí)存在著橫向的端接焊縫和縱向的邊接焊縫。應(yīng)該先焊接端接焊縫再焊接邊接焊縫。8)在焊接箱體時(shí),同時(shí)存在著對(duì)接焊縫和角接焊縫時(shí),要先焊接對(duì)接焊縫后焊接角接焊縫。9)十字接頭和丁字接頭焊接時(shí),應(yīng)該正確采取焊接順序,避免焊接應(yīng)力集中,以保證焊縫獲得良好的焊接質(zhì)量。對(duì)稱與中軸的焊縫,應(yīng)由內(nèi)向外進(jìn)行對(duì)稱焊接。10)焊接操作時(shí),減少焊接時(shí)的熱輸入,(降低電流、加快焊接速度、)。11)焊接操作時(shí),減少熔敷金屬量(焊接時(shí)采用小坡口、減少焊縫寬度、焊接角焊時(shí)減少焊腳尺寸)逐步退焊法,常用于較短裂紋的焊縫。施焊前把焊縫分成適當(dāng)?shù)男《?標(biāo)明次序,進(jìn)行后退焊補(bǔ)。焊縫邊緣區(qū)段的焊補(bǔ),從裂紋的終端向中心方向進(jìn)行,其它各區(qū)段接首尾相接的方法進(jìn)行五、錘擊焊縫法在焊縫的冷卻過程中,用圓頭小錘均勻迅速地錘擊焊縫,使金屬產(chǎn)生塑性延伸變形,抵消一部分焊接收縮變形,從而減小焊接應(yīng)力和變形。六、加熱“減應(yīng)區(qū)”法焊接前,在焊接部位附近區(qū)域(稱為減應(yīng)區(qū))進(jìn)行加熱使之伸長,焊后冷卻時(shí),加熱區(qū)與焊縫一起收縮,可有效減小焊接應(yīng)力和變形。七、焊前預(yù)熱和焊后緩冷預(yù)熱的目的是減少焊縫區(qū)與焊件其他部分的溫差,降低焊縫區(qū)的冷卻速度,使焊件能較均勻地冷卻下來,從而減少焊接應(yīng)力與變形。八.合理的焊