1、第一章 绪 论 焊接技术在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是非常迅速的。在短短的几十年中焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆，压力容器中几乎全部取代了铆接。不仅如此，在机器制造业中，不少过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯改成焊接结构，大大简化了生产工艺，降低了成本。在这方而，我国在解放后的三十多年中取得了很大的进展。早在五十年代末和六十年代初，我国就设计制造出焊接的72500千瓦水轮机工作轮，i2000吨水压机(见图11)。六十年代中和七十年代初，又分别用小锻件和小铸件拼焊了125000千瓦汽轮机转子和重达120吨的大型水轮机工作轮(图l2)。许多尖端技术如宇航
2、、核动力等如果不采用焊接结构，实际上是不能实现的，图13为反应堆压力容器焊接结构。焊接在整个工业中的地位还可以从这样一个事实来判断，即世界主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的45左右。焊接结构之所以有如此迅速发展是因为它具有一系列优点。与铆接结构相比它可以节省大量金属材料。例如起重机采用焊接结构，其重量往往可以减轻1520，建筑钢结构般可减轻l0一20。其原因在于焊接结构不必打铆钉孔，材料截面得到充分利用；此外，它也不需要象角钢那样的辅助材料(图14)；而且，焊缝金属的重量一般比铆钉轻。其次，焊接结构生产不需打孔，划线的工作量也比较少，因此比较省工。焊接设备一般亦比铆接生产所需的大型设备
3、如多头钻床等的投资低。最后，焊接结构具有比铆接结构好得多的密封性。这是压力容器特别是高温高压容器不可缺少的条件。与铸件相比焊接结构生产不需要制作木模和砂型也不需要专门熔炼、浇铸，工序简单，生产周期短。这一点对于单件和小批量生产特别明显。其次，焊接结构比铸件节省材料。一般情况下它比铸钢轻20一30以上，比铸铁件轻50一60。这主要是因为焊接结构的截面可以按设计的需要来选取，不必象铸件那样因工艺的限制而加大尺寸，也没有必要采用过多的筋板和过大的园角。焊接车间所用的设备和厂房投资一般都比生产同样重量毛坯的铸造车间低。最后，采用轧制材料的焊接结构的材质一般比铸件好。即使不用轧材，用小铸件拼焊成大件，小
4、铸件的质量也比大铸件容易保证。与锻件相比情况大致相仿。下面举几个实例来说明采用焊接结构以小拼大的经济效果。12，。oo吨水压机的下横粱采用焊接结构净重260吨，而采用铸钢件则重达470吨，重量减轻将近45。又例如，大型水轮机空心主轴，净重达473吨(图l5)可以用三个方案来制造：1.全锻，2.由两个铸钢法兰与锻造轴简拼焊；3.轴筒由厚板弯成两个半筒，焊成一个整简，然后与铸钢法兰拼焊。三个方案无论从材料消耗到大型机床的加工工时都有相当大的差别(见表11)。整锻方案首先需要大钢锭。钢锭大所需浇冒口也大，因此消耗钢材最多。同时因为毛坯不易保证尺寸精确度，故加工裕量最大，占用大型机床的时间亦最长。而采
5、用厚钢板筒身和铸造法兰拼焊最为经济。在一般情况下，成批生产采用铸造的成本较低，比采用焊接结构经济。但这也不是绝对的。例如暖气片用薄板冲压成形再用接触焊焊接，不但生产率高，而且可以减轻重量三分之二。如果板材供应充足，比铸造合算(图16)。压型焊接结构在成批生产中取代铸件很有发展前途。 焊接结构还有一些用别的工艺方法难以达到的优点。例如，焊接结构可以在同一个零件上，根据不同要求采用不同的材料或分段制造来简化工艺。举两个实例来说明：大型齿轮的轮缘可用高强度的耐磨优质合金钢，而其它部分则可用一般钢材来制造。这样既提高了齿轮的使用性能，又节省了优质钢材。拖拉机的半轴(图l7)的一瑞有花健轴孔，如果采用整
6、料就无法用拉刀加工。如果改成拼悍，可先用拉刀将花键孔加工完，然后再用摩擦焊与另一端焊成一个整体则可简化工艺提高工件质量。有些型材如果采用焊接结构比轧制经济。例如用宽扁钢与钢板焊成的大型：工字钢(高度大于70 cm)往往比轧制的成本低。又如大型锅炉的水玲壁(图18)采用无缝钢管加焊板条的办法来制造(图186)往往比用轧制的鳍片管(图I8。)来制造要经济。因为鳍片管的价格比无缝钢管低很多。焊接结构有自己的特点，只有正确地认识切实地掌握它的特点，才能设计制造出性能良好经济指标高的焊接结构。历史上许多焊接结构失效的事例追其根源，多数与结构未能考虑焊接结构的特点有关。有的焊接结构照搬铆接结构的设计，结果
7、肇成事故。至于由于因袭旧结构的形式造成浪费的例子很多，如不必要地加大焊缝尺寸，随便加焊筋板等等就更不胜举了。焊接结构的主要特点可以归纳为下列几点。 一、焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大 这是因为铆钉孔周围的应力集中系数变化较少。而焊接结构与铆接结构不同，焊缝除了起着类似铆钉的连接元件作用之外，还与基本金属组成一个整体，并在外力作用下与它一起变形，因此焊缝的形状和焊缝的布置就必然会影响应力的分布，使应力集中在较大的范围内变化。应力集中对结构的跪性断裂和疲劳有很大的影响。从断裂力学角度来分析，应力集中区域内的裂纹(这在焊接结构上的可能性是比较大的)的应力强度因子要比在同样的外载条件下平滑构件
8、上尺寸相同的裂纹的应力强度因子大(图1g)。采取合理的工艺和设计，可以控制焊接结构的应力集中及提高其强度和寿命。 二、焊接结构有较大的焊接应力和变形，绝大多数焊接方法都采用局部加热，故不可避免地将产生内应力和变形。焊接应力和变形不但可能引起工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承裁能力：诸如强度，刚度和受压稳定性。除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。因此，在设计和施工时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的。 三、焊接结构具有较大性能不均匀性 由于焊缝金属的成分和组织与基本金属不同，以及焊接接头所经受的不同热循环和热塑性应变循环，焊接接头的不同区域具有不同的性能，形成了一个不均匀
9、体。它的不均匀程度远远超过铸件和锻件。这种不均匀性对结构的力学行为特别是断裂行为必须予以足够的重视。 四、焊接接头整体性强 这是焊接结构区别于铆接结构的一个重要特性。这个特件一方面赋予焊接结构高密封性和高刚度，另一方面又带来了问题，例如止裂性能不如铆接结构好。裂纹一旦扩展就不易制止，而铆接缝往往可以起到限制扩展的作用。本课程的第二、三、四、五章将从几个方面来论述焊接结构的主要特性，阐述其规律和原理并介绍控制它们的途径。第六章介绍典型焊接结构的实例，通过这些实例使学生更好地掌捏焊接结构的特点，为正确分析焊接结构的工艺性和构造合理性，为解决有关设计和工艺问题打好基础。第二章 焊接应力与变形 521
10、 内应力及变形的一些基本概念 一、内应力及其产生原因 内应力是在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。这种应力存在于许多工程结构中，如铆接结构、铸造结构、焊接结构等。内应力按其分布范围可分为三类：第一类内应力，它在较大的范围内平衡，这个范围大小可以与物体尺寸来比量，故称之为宏观内应力。第二类内应力，它的平衡范围大小可以与晶粒尺寸来比量。第三类内应力，它的平衡范围更小，其大水可与品格尺寸来比量。第类内应力研究得比较多。内应力按其产生原因可分为温度应力和残余应力等几种 (一)温度应力(热应力) 温度应力是由于构件受热不均匀引起的。举一个简单例子来说明。图2I，是一个金属框架，如果只让框架的中心杆件
11、受热，而两侧杆件的温度保持不变，则前者由于温度上升而伸长，但是这种伸长的趋势受到两侧杆件的阻碍，不能自由地进行，因此中心杆件就受到压缩，产生压应力。而两侧杆件在阻碍中心杆件膨胀伸长的同时受到中心杆件的反作用而产生拉应力在框架中互相平衡，就构成了内应力。因为这是由于不均匀温度造成的，所以称之为温度应力或热应力。如果温度应力不高(低于材料的屈服极限)，在框架里不产生塑性变形，那么，当框架的温度均匀化以后，热应力亦随之消失。热应力比较广泛地出现在各种温度不均匀的工程结构中。 (二)残余应力 如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服限，使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生新
12、的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中的，故称之为残余应力。以图2l的金属框架为例，如果中心杆件加热产生的压应力达到材料的屈服限，杆件中将出现压缩塑性变形。当杆件温度恢复到原始状态时，若任其自由收缩，那么它的长度必然要比原来的短。这个差值就是中心杆件受压缩塑性变形量。实际上框架两侧杆件阻碍着中心杆件自由收缩，使它受到拉应力。而两侧杆件本身，则由于中心杆件的反作用而产生压应力。这样，就在框架中形成了一个新的内应力体系，即残余应力。 我们知道金属在相变时其比容也有所变化，也就是说其尺寸有所变化。如果温度升高，使局部金属发生相变，伴随这种相交所出现的体积变化将产生新的内应力。当温度恢复到原始状
13、态后，如果相变的产物还保留下来，那么这个金属框架将产生相变应力。它也是残余应力的一种。 二、自由变形、外观变形和内部变形 物体在某些外界条件(如应力、温度等)的影响下变化都有一定的规律性。当某一金属物体的温度有了改变，或发生了相交，它的尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的任何阻碍而自由地进行，这种变形称之为自由变形。以杆件为例，当温度为T0时，其长度为L。，当温度由T。升至T1时，如不受阻碍，其长度将由。增长至正l，这段长度的改变就是自由变形，其大小可用下列公式来表示：式中 。金属的热膨胀系数，它的数值随材料而异，在不同温度箔况下其数值也有一定程度的变化。而自由变形率即单位长度上
14、的自由变形量，用e7来表示： 当金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地表现出来(见图226)，我们把能够表现出来的这部分变形，罚；之为外观变形，用All表示。其而未表现出来的那部分变形，我们称之为内部变形。它们的数值是自由变形和外观变形之差，因为是受压故为负值，可用下列公式表示： 同样内部变形率用下式来表公 应力和应变之间的关系可以从材料试验的应力一应变图中得如。以低碳钢为例，当应变在弹性范围以内时，应力与应变是直线关系，可以用虎克定律来表示：对于低碳钢一类材料，应力一应变曲线可以简化为图23线，即当试伟中的应力达到材料的屈服限吨后不再升高。当金属杆件在加热过程
15、中受到阻碍，其长度不能自由增长，则在杆件中特产生内部变形，如果内部变形军的绝对创、于金属屈服时的变形串，说明杆件中受到小于的应力。当杆件温度从7l恢复到7。时，如果允许杆件自由收纸则秆件将恢复到原来长度l。，杆件中也不存在应力。假如位杆件温度升得较高，达到，使杆件中的内部变形串大于金属屈服时助变形串，即。在这种情况下，杆件中不但产生达到屈服极限的应力，问时还产生压缩塑性变形，其数值为在杆件温度由恢复到的过程中，若允许其自由收缩，最后秆件比原来长度缩短，秆件中也不存在内应力。 三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力 前面分析的是一根金属杆件在均匀加热过程中，受到约束而发生应力和变形的情况。现
16、在再来分析一个金属长板条受不均匀温度场作用时，其变形和应力的情况。我们分析一个长度比宽度大得多的板免这样除了两个端部以外，可根据“材料力学”中朋平面假设原理即当构件受纵向力或弯矩作用gb变形时，在构件中的乎截面始终保持是平面)来进行分析。 (一)在长板条中心加热 图24所示厚度为6的长板条，在其中间沿长度上用电阻丝进行间接加热，则在板条横截面上将出现一个中间高两边低的不均匀温度场，而沿板条长度方向的温度分布可视为均匀的。关于这个板条的变形和应力的情况，我们可以从板条中切出一单位长度的小段来进行分析。 假设这个金后板条是由若干互不相连的小窄条组成，则每极小窄条都可以按着自己被加热到的温度自由变形
17、，其结果使单位长度板条淄面出现图25d所示的曲面，c rey。实际上，组成板条的小窄条之间是互相牵连和约束的整体，截面必须保持平面。内1：温度场杯板条上的分布是对称的，故端面只作平移。移动距离为f。曲线5r与q之间的差距为应变。行线以上的为负恢，产生庆应力。平行线以下的为正慎，产生拉应力。在这种情况下，板条中间受压两例即。这三个区域的应力相互平衡，即平行线以上的面积和平行线以下的面积相等，见图256。如果己知温度分布是：朗函数7(z)，则应力的平衡条件可以用放学因为温度场对称于中心软，故hG。nst，截面只作平移，外观应变e可以从方程式(22)求出。代入(21)则可求出各点的内应力值。 由上述
18、可知，加在板条上的不均匀温度场，将使板条产生内应力和变派如果卜述温度场在金属板条中所引起的内应力。小于金属的屈服极限。，当加热电源断开以后，板条逐渐冷却，恢复到原来购温度，此时板条亦将恢复到原来长度，应力和变形均将消失。如果加在板条上的不均匀温度场使板条中心部分受热较高，则在板条中心“G”区内产生较大的内部变形，使“c”区中的内部变形牢大于金属屈服限时的变形率c。这种情况讨在图25c中看出。则在“c”区中将产生塑性变形。塑性变形区的宽度c的大小和塑性交形的分布可按公式(22)相加倍正来求得。内应力在。此时我们把加热电源开，让板条渐渐冲却。由于在板条“c”区巾产生压缩塑性交形，当板条温度恢复到原
19、始温度后，应力和变形就不能象上述情况那样消失。如果允许其自由收缩，枝条“c”区的长度将比原来短，其缩短量等子温度场存在时所产生的压缩塑性变形量。此时板条端面就成了一个中心凹的曲面。实际上板条是一个整体，区的收缩受到两侧金属的限制，截面保持为平画，因此出现了新的变形和应力。板条中心部分受拉两侧受压，这个新的平衡应力系统就是残余应力。为残余外观应变量。残余应力和变形也可用数学方程式来表达。乎衡条件：由于ff的分布对称于中心轴，故截面同样只作平移，c5c。nsl。可从(2d)和(23)式中求出残余应变和应力。 根据上述两种情况分析，可以归纳如下：在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心受压，两
20、边受技。同时平板端面向外平移(伸长)。如果此时不产生塑性变形，即当温度恢复到原始状态后，内应力稍失，乎板端面亦恢复到原来的位置。如果此时产生理性变形，即12Lq，当温度恢复到原始状态时，还会出现由于不均匀塑性变形引起的残余应力，其将号与温度应力大致相反，同时板条端面向内平移(缩短)，即为残余变形。 (二)非对称加热(一侧加热) 在图26所示长板条一例用电阻丝间接加热，则在长板条中产生对断面中心不对称的不均匀温度场，它格使板条产生变形和应力。它们也应符合内应力平衡和平面假设原则，此板条端面亦有一个位移。位移的大小受内应力必须平衡这一条件所制约，因而不是任意的。因266、c所示情况，它们只能产生两
21、个符号相反，而不作用在同一直线上的力，这样就构成了不平衡力矩，因此是不可能的。图26J所示情况，形成了三个正负相间的应力区，只有在这种条件下内应力才可能平衡。在这种情况下，极条的外观变形不仪有端面平移，还有角位移。板条沿长度上就出现了弯曲变形(图26)。如果已知温度按y(x)分布，则板条的应力与变形可用数学方式来表达。内应力的平街条件为：将(27)式代入(25)，(26)解联立方程即可求出e，。，c，p，进一步求出内应力的分从图26中不难看出板条的平均伸长率为：如果在加热时板系中的内部变形串小于金屑屈服限时的变形串e。则当温度恢复到原始温度时，板条中不存在残余应力，也不出现残余变形。如果在加热
22、时，板条中的内部变形串e大于金属屈服时的变形率：，则板条中将出现压缩塑性变形。冷却时，板条恢复到原始温度，其中将出现成余应力。板条也产生残余弯曲变形和收缩变形，但方向与加热时相反(见图27)。变形位置则由平衡条件来决定。 四、焊接引起的内应力及变形 (一)焊接应力与变形的特殊性 焊接应力和变形与上述不均匀温度场引起的应力和变形的基本规律是一致的，但是前者更为复杂。其复杂性首先表现在焊接时的温度变化范围比前面分析的情况要大得多，在焊缠上最高温度可高达材料的沸腾点，而离开热源温度急剧下降宣至室温。金属在高温下性能随温度发生变化，迅速厂降。为了分析方便通常用一条水平线和一条斜线(图上的虚线)组成的折
23、线来简化。假设在500Ic以下。为一常量，而5000c至6000c久宜线下降到零。而钦合金的。则用一条斜线来简化。图中铝合金的。曲线末作简化。这些变化必然会影响到整个焊接过程中的应力分布，使问题复杂化。下面将举低碳钢作为例子进行分抓设有一低碳钢乎板条，沿中心线进行焊接。在焊接过程中出现一个温度场。在接近热源处取一横截面。该裁面上的温度如图29所示。按照长板条中心加热时的应力和变形分折的基本方法，可找出该截面附近金属单元体的自由变形G7和外观变形f。假设港面从JJ平移到JlJ2，则dJ：即为q。在DD区域内，金属的温度超过6000c，。，可视为零，不产生应力。因此这个区域不参加内应力的乎衔。Dc
24、和oc区域，温度从6000c阵至500Y，屈服极限迅速从零上升到室温时的数值。因此在这两个区域里内应力的大小是随久的增加而增加的。在c6和G5区域内le一f7、，故内应力为室温时的。，保持不变。J5和Jj“区域中金属完全处于弹性状态，内应力正比于内部破变值。焊接时的温度变化范围大的另一个影响是可能出现相变。桶变结果将引起许多物理和力学参量的变化。这是前面分析中一直未考虑的。焊接应力变形的复杂性还表现在它的温度场分布上。图210为德板在焊接时的一个典型温度场。图“是一个立体图，用运直于乎板面的坐标表示温度；图5为距焊缝中心不同距离的温度公布。从图210中可以清楚地看出，由于焊接热源并不是沿焊缝全
25、长同时加热，它的温度场与图25中所采取的沿长度同时加热的模型有较大的差别。因此，平面假设的准确性就受到影响。但是，在焊接速度较快，材料导热性较差的情况下(如低碳钢、合金结构纲等)，在焊接温度场的后部，还有一个相当长的区域纵向的温度梯度较小，仍可用平面假设来作近似的分析。 (二)受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程 前面在讨论不均匀温度场引起的内应力时，只考虑了加热时的极限温度场和冷却后达到的原始温度场两个状态，并没有分析从前一状态到后一状态的过渡过程。事实上，一种状态是逐步过渡到另一种状态的，中间过程被省略掉了。为了深入分析焊接应力与变形的复杂变化过程，这里将对这个过程加以探讨和研究。取一
26、单位长度的低碳顿棒，其两端被固定不能仲缩，将该棒均匀加热，然后冷却。为了便于分机把加热和冷却过程中的温度都看成是时间的线性函数。下面分三种俏况进行分抓115IL捧中的应力。2(qs?)，图211中水平坐标代表时间(f)，垂直坐标代表温度(y)。和e在绝对拘束的情况下与水平轴重合。 随着 图z41 受拘束低联钢挥在加热和冷却时间的推玖在oft间，温度上升， 压缩内部、 过程中的应力与变倒eIe变形不断增加，压应力不t9f上升。秽lf2间，温度降低，压缩内部变形不断减少，压应力不断下降。到f：时应力恢复为零。211L，7，：500、图212中，在。一f，间压缩内部变形不断增加，压应力不断上升，到f
27、：时12I，应力达到屈服极限。对于低碳钢来说其弹性模量E2M10。k8fcm z，线膨胀系数。开始出现压缩理性变形cf，随着温度的升高，压应力不变，但压缩塑性变形不断上升。到f2时温度到达最高低压缩塑性变形最大。从f8开始温度下降。由于捧中已产生了eP 2的压缩塑性变形，因此在冷却时它的端面并不U2点作为起点，而是以2点为起点来收缩。从f 2一fI间压应力不断降低，又因棒的两端固定不能自由收纸故从：开始出现拉应力。在时温度阵列原始状态，残余应力的大小取决于加热时的最高温度y。：。对于低碳钢当2000c即可达到。37m，6000c团313在。问压缩内部变形增加，压应力上升，到f，时压应力到达?”
28、出现压缩塑性变形。在f，一fI问压缩塑性变形不断增加，应力保持不变，到入时温度达到500，低碳钢的屈服极限开始迅速下降。在12一fo间压应力降低。到七时温度达到600，此时屈服极限可视为零，压应力消失，内部变形全部为压缩塑性交形JlJ4间压缩塑性交形继续增加，到f，时达到最高温度Y。：。由于此时已产生压缩塑性交形ep，在冷却时穆的端面格不以4为起点而以4为起点收缩。但收缩时又受到约柬故产生拉伸塑性变形。在f4一fl间虽然樟的长度与原始状态相比承受了压缩塑性变形，但压缩量随着温度的下降不29t减少，因此这个阶段实际上是塑性拉伸过程到fI时温度又回到600。c，材料的屈服极限从军开始上升，棒的端面
29、以5点为起点收缩，因受到阻力而产生拉应力。llf e间拉应力不断增加，到f。时拉应力又到达。对于低碳钢f。的温度为5006c，这是因为温度从6000c降到500。c所产生的内部变形正好相当于，。从f e起c。，出现拉伸塑性交形。dIf，间捡应力为，保持不变，拉伸塑性变形不断增加，直至J，温度恢复到原始状态。实际上棒所受到的拘束不是绝对的，在加热冷却过程中外观变形并不等于军，、偏离水平轴。在以上的分析中，没有考虑相变所引起的体积变化。这个问题将在下一节中讨论。 (三)焊接应力变形的演变过程在分析研究焊接残余应力和变形时，取金属处于塑性状态的区域最宽的横截面(对低碳钢来说，亦即600等温线最宽处的
30、横截面)作为起点，来逐步求得各区域的压缩塑性变形，最后求出焊件冷却后的残余应力和残余变形。图214为一低碳钢长板条沿中心线焊接一条纵向焊缝时，在横截面上纵向应力的演变过程示意图。图中截面I取于塑性温度区最宽处。该截面到热源的距离是p J：(。一焊接连度，j，一时间)。截面到热源的眨离各为。铁面D离热源其远，温度恢复到原始状态。这些截面上的温度和应力不仅代表不同空间位置的各截面的温度和应力，而且由于焊接温度场是一个以热源为中心的等速移动温度场， 它们也代表同一截面在焊接热源经过时间z：、f：、入f后备瞬间的温度和应力。连续分析这些截面的温度和应力就可以研究焊接应力与变形的演变过程。截面取得越密超
31、多就越能反映实际过程。下面将对以上几个截面分别加以分析。截面I的内应力分布与图2g相似。在焊缝及其两侧产生压缩塑性变形。经过一段时间(f：一fI)后，温度演变到截面E的分布状态。此队因为在Jl时已存在压缩塑性变形，故在分析f：瞬间的内应力时，不能将eey曲线直接用在截面B上作为自由变形曲线，而必须把已产生的压缩塑性变形虽从中扣阮作出真正的自由变形分布曲线。然后再根据内应力平衡条件求出q和应力分布。由于高温区的温度下降的幅度较大，而外观变形q相对地变化不大，这部分材料的收缩因受阻碍而拉仲，原来的压缩塑性变形量有所减少。因焊缝中心的温度此时仍高达5006c，故该处的报应力为零。其两侧随温度的降低拉
32、应力增大。再远处，则出现压应力。压应力达到屈服点后，产生压缩塑性变形，故压缩塑性变形区有所扩大。图中高温区内的虚线到其下方曲线之间的距离代炭从截面I的温度降至600。c这个阶段中的拉仲塑性变形量。再经过一段时间(J2一f2)，温度演变到强而皿的分布状态。进行内应力分析时，应同样从该截面的oy中扣除：瞬时已存在的压缩塑性变形量。由于高温区的温度进一步下降，材料进一步受到拉伸，拉应力达到，原来的压缩塑性变形量进一步减少。在压应力区，由于又有一部分材腮屈服，故压缩塑性变形区稍有扩九用同样方法可分析f4瞬时截面上的内应力分布。此时因温度已恢复到原始状态故所得为残余应力。这里应该指出，在上述应力和应变分
33、折中没有考虑相变的体积变化对焊接应力和变形的影响。这是因为低碳钥的相交温度高于600、，在相变时金属处于塑性状态(。o)，这部分金员不参与内应力的平衡，因此对以后的应力和变形不产生影响。当然，对相变温度低于塑性温度的树队它对残余应力和变形的影酶是不忽视的。这一点将在后面论述。(四)焊接热应变循环在研究焊接应力变形时，虽然可以不考虑在塑性温度以上的应变发展过路但是并不能认为在塑性温度以上的变化无关紧要。在焊接过程中焊缓和近缝区金属经受了焊接热循环。与此同时，由于焊接热场的角度不均匀性所产生的田时应力使金屈经受热塑性应变。下面将分析焊接近缝区的两种箔况：离焊缝稍远，最商温度低于材料的相变温度(因2
34、15。)和最高温度高于相变温度(图2156)。 第种情况：在。一f，间自由变形2r大于外观变形e”金属在此阶段受压，压应力逐渐升高。在f：时到达，出现压缩塑性变形。到f2时金属到达塑性温度n，。o。到4I时，内部变形达到最大值。相。时压缩塑性应变量达到最大倪即开始出现拉伸塑性应变，格自由变形曲线向下平移与外观变形曲线相交。这两条线之间的距离代表拉伸应变量。f4时，金属开始恢复弹性，随着温度的降低拉应力不断增加。至f5拉应力达到，保持oI不变，但拉伸塑性变形继续增加直到温度场到达原始均匀状态。 第二种情况：oflf s与第一种怕况相同。至f：时温度到达A、开始相变，比容纳小，塑性变形方向可能逆转
35、。分析塑性放变量时，可将自由变形曲线向下平移与外观变形曲线相交。随着相变的进行，拉伸塑性应变不断增加。至f时温度到达A、，相变结束，拉伸塑性应变开始减小，塑性交形方向又逆转，出现压缩。至fI时压缩塑性应变量又开始减少，转为拉伸。至fl时温度到达Ah，开始相变，比容增九塑性交形方向可能转为压纸直至fr时温度到达A ru相变结兔又出现拉伸塑性变形。至fl金屈开始恢复弹性。由上述分析可以看出，对近路区来队加热时一般为压缩；冷却时为拉伸。在相变时可能出现应变和应力方向的反复。对于焊缝金屑来认并不存在加热阶段。在冷却过程中除相变时，都受到拉伸。在整个热循环中，金属的性能有大幅度变化见图216。当温度接近
36、团相线6咏品粒间的低熔点物质开始熔化金届的延性陡降。当温度接近掖相线l时，液相所占比例已足够九金届的变形能力迅速上升。在这里存金属在高温时的延性和断裂在一个低延性的脆性温度区A7e，其上限温度为严”，下限温度为7h在焊接的冷却过程中，通过这个温度区时金屈受到拉伸，故仲应变随着温度的下降不断增加。拉伸应变随温度的变化各子?十向以用一条通过7。的线来表示。通过这个温度区时是否发生断乳即开裂，取决于三个因恭拉伸应变对于温度的变化率oee7(即线的斜率)、腕性温度区A75的大小和在这个区间里金属的延性6mn。当焊接冷却时的9ay大于某一临界值(o e9y)(团中的线1)队则发生断裂，即产生裂纹(团中的
37、线3)，当6oy(8c87)，时，则不产生裂纹(固中的线2)。663y越大，AyI越大，6min越小，则越容易产生裂纹。后两因素与村料的成分和组织等有先前者与焊缝的拘束度和车届的热物理性能等有关d此外，在通过较低的温度区域时，耍消耗金属的一部分延性。有试验证明，金属在200一300c的塑性交形对金属在宝温及低温下的延性有较大影响，使其发生延性耗竭。这个现象在低陨钢，特别是沸腾钢中表现更为明显，称之为热应变脆化。在焊接过程中，如果近缝区中存在着几何不连续性(即应力集中)，则焊接理性应变量在这里成倍地加大，将加剧这一过程。所有这些问题都与焊接时的应力和变形过程密切相夫。 (五)焊接瞬态应力变形研究
38、的新发展随着新材料、新结构和新焊接工艺的不断发展，有越来越多的焊接应力变形和强度问题需要研究。但是在简单假设基础上建立起来的一些焊接应力变形理论巳不能完满解释复杂现象和解决疑难的问题。有限无法和电子计算技术为解决复杂的焊接应力变形问题提供有力的工具。有限元法把复杂的结构看成内许多用单的单元体的集合。先把它化英为零，分成许多单元体进行单元分机然后又积零为整，综合起来进行整体分析。利用这种方法有可能把更多因素考虑进去使问题的解决更接近实际情况。电子计算技术使过去几乎无法完成的大量运算工作有可能在顿时间内完成。十多年来在利用有限元法解决焊接应力变形问题方面已取得不少可容的成果。例如离强钢的焊接相交应
39、力、大厚板的焊接残余应力的分布以及大型乎板饼焊过程中的瞬态应力和变形产生过程等等。下面介绍一个用有限元法分析高强钢焊接过程个的焊接应力的实例。在这个实例中考虑了相交引起的体积变化。图217为有限元网格。闭218为儿及07在不同时间在y轴j：的分布情况。因中曲线上的数字代表电弧经过后的时间(秒)。图219为有限元计算结果与实测结果的对比。一、爆接残余变形购分类和研究螺接残余变形的意义焊接残余变形是焊接后残存于结构中的变形。大致可分下列七纪 (一)纵向收缩变派构件焊后在焊缝方向发生收缩如图220中的AL。 (二)横向收缩变贩构件好后在垂直焊经方向发生收缩，如图220中的AD。 三挠曲变汛构件焊后发
40、生挠曲，如图221。挠曲可由焊维的纵向收缩引起(图221。)和由焊缝投向收缩引起(图22l 6)。(四)角变形：焊后构件的平面目绕焊缝产生的角位执常见的角变形见图222。(五)波浪变形：焊后构件呈波浪形，如图223。这种变形在薄板焊接时最容易发生。 (六)锗边变形：在焊接过程中，两焊接件的热膨胀不一玖可能引起长度方向上的错边(图224。)和厚度方向上的错边(图2246)。(七)螺旋形变肠焊后在结构焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题。工件上出现丁变形，就需要花许多工时去矫正。比较复杂的变形，矫正的工作量可能比焊接工作量还要大。有时变形太k，甚至无法矫正，造成废品。在生产中有时还发生这样的情况
41、为了保证焊接后需要进行机械加工的工件尺4，片面地多放余量，加大毛坯的尺寸。这样做增加了材料消耗和创，械加工工时。焊接变形不但影响结构的尺寸的准确和外形美观，而且有可能降低结构的承载能力，起事故。例如图226中所示的团球容器的焊接角变形，将在结构上引起附加的弯曲应力，曾经因此造成多起中等强度钢容器的破坏。当然造成这些事故的原因是多方面的，但焊所示的两块厚度不同钢板的搭接接A，角焊级的角变形引起薄板的弯曲，而厚板仍基本保持乎直。这样在加栽晚焊绕I所承受的裁荷比焊缝2大得多，位焊缝1超载而破杯上述种种，说明掌握焊接变形的规律积控制焊接变形具有十分重要的现实意义。下面我们将对焊接变形产生的原Bl影响变
42、形的因素，以及预防和消除变形的措施，分别加以分析。二、纵向收缩变形以及它所引起的挠曲变形在前一节里，已经分析了焊接残余应力和变形的形成过程。在焊接时焊缝及其附近的金属由于在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形，这个区域称之为塑性变形区。该区域内的塑性变形分布如图228所示，它的存在使构件相当于受到一个外加压力Pf的作用而缩短和(或)弯曲。假想压力Pf的数值可由下式表达：构件在假想外加压力Pf的作用下产生纵向收缩AL， 如图229，其数值可用下式表泡F构件的截面积，Ff塑性交形区面积，5构件材料的弹性模L构件的长度(焊缀贯穿全长)，ef理性应变。AL取决于构件的长度、截面积和压缩塑性交形
43、JP，2fdF。后者与焊接参量、焊接方法、焊接顺序以及材料的热物理参量有关。在诸工艺因素中焊接线能量是主要的。在一般情况下，它与焊接线能量成正比。对于结定尺寸的构件来说，由于tr的分布变化较小，压缩变形可近似地用塑性变形区面积FP来衡量。下面将分析影响纵向变形的若干因执同样截面的焊缝可以一次焊戊，也可以分几层焊成，多层焊每次所用的线能量比单层熄时小很多。因此，每层焊绽所产生的塑性变形区的面积Ff比单层焊时小，但多层焊所引起的总变形量并不练于各层焊经的总和。因为各层所产生的塑性交形区而积是相互重叠的。图230 d为单层和双层对接接头的塑性区。单层焊时的塑性变形区面积为JBcD，而双层焊别，第一层
44、所产生的塑性区为J，B 6c，Di，第二层所产生的为J2B2G：D3c它们都小于碑层焊的塑性区面积JBcD。两个面积有相当一部分是相互重叠No图230 5为单层和双层角焊缝所产生的塑性变形区的对比。从上述分析中可以看出多层焊所引起的纵向收缩比单层焊小。分的层数越多，每层所用的线能量就越小，变形也就越小。 焊接时工件的原始温度是不同的。在一放情况下，工件原始温度的提高， 图250 单层和双层焊的焊绕塑性变形区对比相当于加大线能量，使焊接塑性变形区大，焊后纵向收缩变形也增大。反之，原始温度下降，相当于减少线能量，收缩变形降低。但是当预热温度过高时，亦可能出现相反的结果。因为随着预热温度的增加，塑性
45、交形区虽然扩九但与此同时，由于较高的预热温氏缩小了工件在焊接时的温差，温度趋于均匀化，塑性区内的压缩应变量eJ反而下降。它将减少塑性区的收缩变形量1。erdFo使纵向收缩Al降低。间断焊的纵向收缩变形比连续焊小。其效果随。f的比值降低而提高(。为分段焊缝长为两段之间的中心距)。在受力不大的地亢用间断焊缝代替连续焊缝是降低纵向收缩变形酌有效措施。钠制细长构件，如梁、校等结构的纵向收缩量可以通过公式来作初步的估计。单层焊的纵向收缩量， Fn悍缝截面积mmI，F构件截面积mmB，AL纵向收缩量m叫L构件长度mm。为系数，与焊接方法和材料有关。可从表21中查得。多层焊的纵向收缩量：将上式中FH攻为一层
46、焊缝金局的截面积，并将所计算得的纵向M层致。对于两面有角焊缝的丁宁接头的构件，由收缩量公洲“算得66收缩量再乘以系数115140即为该构件的纵d1收缩量。但是应注意，式中的FH，系指一条角焊缝的截面积。奥氏体钢的热膨胀系数大于低碳钢，汝变形也比低碳钢大。例题 有低矽钢工字形构件(图231)，长5m，腹板而2；(m四，腔板厚10mo，翼板宽250Mm，厚12mm，四条角焊组每条均用埋弧自动焊一次焊风焊角度；8mm，试计算工字形构件的纵向收缩量。每条角焊缝的截面积：凡，各M 8x 8；32 F；(2250x12)十(25010)8500 mm 由四条角焊缠组成的工字形构件，如图231所元其纵向收缩
47、变形量相当于一对带有双面角焊缝的丁字形构件的纵向收缩免而双面角焊壤的丁字形接头的纵向收缩又是单面焊的纵向收缩的115一I40倍(因为双面角焊缝所产生的塑性交形区基本上是重叠的取1l15倍)。故工字形构件的纵向收缩量由下式即可求税di(115lLJ今JL)x z(11s x业笼子oL4)x 2 316 m皿当焊缝在构件中的位置不对称时，焊缝所引起的假想压力Pf是一个偏心力，使构件缩短，同时还使构件弯曲，其弯曲力矩为射Pf“e，如图232所示。构件的挠度可由下式求得：L构件长度，J构件截面惯性矩，塑性区小心到断面中性轴距离(偏心距)。可取焊缝到断面中性轴间的距离。从上述简化了的力学模型以及挠曲变形
48、的计算公式中可以看出，挠曲变形与收缩力Pf和偏iL距e成正比。而与构件的刚皮2J成反比。P的大小与塑性变形区Ff有关。FP的大小与许多因索有关。这一点在分析纵向收缩问题时已讨论了。有关规律也同样适用于挠曲变形，这里不再重复。偏心距与焊缝的位置有关。刚度5J与材料和构仍：截面积的分布有关。焊缝位置对称，或者接近于截面中性轴，则挠度变形小。必须注意，焊缝对称的构件，如果在生产中采用不适当的装配焊接次民仍然可能产生较大的挠曲变形。例如在生产工字形构件时，可以来用不同的装配焊接次序。如果先装配焊接成丁字形截面(见图233。)，然后再装配另一块翼仇焊成工字形截面(见团2336)。则丁字形构件焊后的挠曲变形为m工字形截面构件焊后的挠曲变形为h：式中 eL焊缝1，3到丁字形截面中性洲的偏心距；
