焊接變形与焊接应力.docVIP

第十二章 焊接变形与焊接应力 焊接应力与焊接变形产生的原因 一、应力与变形概述 假设有一钢制杆件，在其两端施加大小为P的拉力，这时，杆件将因拉力P的作用而伸长△ι=ι1-ι，即产生变形，如图9-1（a）所示；同时、杆件内将出现抵抗变形，与外力P相平衡的内力N，如图9-1（b）所示。若沿任一横截面m－m处假想地将杆件分为两段，建立任意一段的平衡方程，就可以求得内力N与外力P大小相等，方向相反。通常用应力的大小，即物体单位截面上所出现内力的大小来表示外力作用的大小。应力常用σ表示，单位为MPa。 材料相同而截面积不同的物体，作用同样大小的外力，所产生的变形量也不相同。截面积越小的物体变形越大；截面积越大的物体变形越小。这是因为，当施加同样大小的外力时，截面积越小的物体其单位截面上所产生的内力越大，即应力越大；而截面积越大的物体其单位截面上所产生的内力越小，即应力越小。也就是说，变形的大小是由外力所引起的应力的大小来决定的，作用的外力越大，所引起的应力越大，变形也就越大。 但是，应力并不都是由外力引起的。比如温度应力就是在没有外力作用的条件下，由不均匀的加热或冷却过程造成的，因此，温度应力是内应力。 二、均匀加热与冷却条件下的应力与变形 假设有一钢制杆件搁在支点上，设想其两端有三种不同的约束状态，来分析讨论三种情况下对杆件进行均匀加热与冷却时的应力与变形： 第一种情况，杆件两端无任何约束，如图9-12所示。加热时，杆件必然由于受热膨胀而变粗伸长，如图虚线所示。所变化的量取决于加热温度的高低，温度越高，变形越大。在冷却过程中，杆件必将由于冷却收缩而趋于恢复到原来的尺寸。由于在受热膨胀和冷却收缩过程中，杆件的变形均未受到任何约束，最后当温度完全恢复到原来的温度状态时，该杆件必将完全恢复到原来的尺寸（如图中实线所示），没有任何应力和变形产生。 第二种情况，杆件两端的刚性约束只限制杆件的伸长变形，对其收缩变形没有约束作用。当对杆件进行加热时，同样由于受热膨胀，杆件要伸长。但由于两端约束的限制，杆件的伸长变形不能自由进行，相当于在其两端施加了压力。于是，杆件将产生压缩变形，同时，杆件中将有压应力产生。加热时的情况如图9-3（a）所示，图中用表示压应力。 （a） （b） 图9-3 杆件两端刚性约束之一 现在再来讨论该杆件在冷却时的应力与变形情况，也就是说，当温度完全恢复到原来的状态后，杆件能否恢复到原来的尺寸，有没有应力产生。众所周知，变形可分为弹性变形与塑性变形两种，如果在加热过程中，杆件由于两端约束的限制而产生的压缩变形在弹性变形的范围内，那么当温度完全恢复到原来的状态后，杆件仍能恢复到原来的尺寸，杆件内没有应力存在。但是，如果压缩变形超出了弹性变形的范围，则杆件在冷却后必然变短，不能恢复原来的尺寸，这是因为随着原始温度状态的恢复，压缩变形中弹性变形部分消失了，而其塑性变形却保留了下来。这时杆件中也没有应力存在，如图9-3（b）所示。总之，在这种约束情况下，杆件在冷却后有可能缩短，但不会有应力产生。杆件是否缩短，取决于在加热过程是否有压缩塑性变形产生。 再来看比较复杂的第三种情况：杆件两端的刚性约束不但限制杆件的伸长，而且也限制杆件的收缩，使两者都不能自由进行。加热时杆件的伸长变形由于两端约束的限制不能自由进行，于是杆件将产生压缩变形，同时杆件内产生压应力，如图9-4（a）所示。这与第二种 加热时 冷却时 图9-4 杆件两端刚性约束之二 情况在加热时所产生的应力与变形是完全相同的。所不同的是当杆件完全恢复到原来的温度状态以后，杆件所产生的应力与变形情况。如果加热时产生的压缩变形属于弹性变形，那么冷却后杆件既不产生变形，也不产生应力。如果压缩变形中有塑性变形，则杆件冷却后必然要变短，但由于两端刚性约束的限制，将本已变短的杆件“拉”长，使之在冷却过程中始终保持原来的尺寸。显然，冷却后杆件虽无变形产生，但却有拉应力产生，如图9-4（b）所示（图中用表示拉应力）。极端的情况是，如果冷却后所产生的拉应力大于杆件材料的强度极限，杆件将被拉断。 三、焊接应力与焊接变形产生的原因 上面分析讨论了在均匀加热与冷却条件下，杆件的应力与变形的各种不同情况。但是，在实际焊接过程中，这样的理想条件是不存在的。焊接热过程有着热源温度高、热源连续移动、温度场的温度梯度大；焊件的加热和冷却速度快，不均匀等几个特点，因此，焊件的焊接应力和焊接变形都是在不均匀的热作用条件下产生的。虽然其基本规律与上面讨论的情况相同，但是影响焊接应力与焊接变形的因素更多，情况更为复杂。下面具体地分析一下焊接应力与焊接变形产生的原因。 纵向焊接应力与焊接变形的产生原因 设有一平