《焊接结构》课程教学资源（讲稿）第二章 焊接应力及变形

电子备课笔记E(6-&)F+E6F=0FE,即6.=6IFE,+F,EF,E,E则,=6E=αATFE, +F,EF,E,EF2=--QAT0,=-02元FE, +FEE一室温To时材料的弹性模量；E一室温为T时材料的弹性模量；Tp一材料的力学熔化温度：g一热膨胀系数：AT一温度增量。如果E=E，即不考虑温度对弹性模量的影响时，则上二式可以改写成FF2,=-ATE012 =F2F +F2由以上公式可以看出，在弹性拘束状态下的热应力等于在刚性拘束状态下的热应力（α△TE）乘以一个安全系数(F2/Fi+F2)，在F+F2=F为一定值的情况下，F，的增加将导致两侧钢棒对中间钢棒拘束程度的增加，使中间钢棒的热应力增加，故可以简单地定义F,/F为这种试件的拘束参数。图2-11板条中心加热塑性变形2.3板条不均匀加热的应力和变形<a7一、板条中心加热eE1.<85加热的应力和变形如图2-11所示。中间为压应c/2"c/2力，两侧为拉应力；内部变形为：6=8#-8：因图2-12板条中心加热应力和变加热对称，实际变形遵守平面假设原理：已知温度形的演变过程分布是x的函数T=f(x)，则应力平衡条件6

电子备课笔记 6 Et  e  T1 F1  E eF2  0 即 F E F E F E t t e T 1 2 1 1     则 F E F E F E E E T t t e 1 2 1 2      F E F E F E E T F F t t 1 2 2 1 2 1 2       E－室温 T0 时材料的弹性模量；Et－室温为 T 时材料的弹性模量；Tp－材料的力学熔化温 度；α －热膨胀系数；Δ T－温度增量。 如果 E＝Et，即不考虑温度对弹性模量的影响时，则上二式可以改写成 1 2 2 1 F F F TE     1 2 1  2  F F  由以上公式可以看出，在弹性拘束状态下的热应 力等于在刚性拘束状态下的热应力（α Δ T E）乘以 一个安全系数(F2/F1+F2)，在 F1+F2＝F 为一定值的情 况下，F2 的增加将导致两侧钢棒对中间钢棒拘束程 度的增加，使中间钢棒的热应力增加，故可以简单 地定义 F2/F 为这种试件的拘束参数。 §2.3 板条不均匀加热的应力和变形 一、板条中心加热 1． s    加热的应力和变形如图 2-11 所示。中间为压应 力，两侧为拉应力；内部变形为： T e     ；因 加热对称，实际变形遵守平面假设原理；已知温度 分布是 x 的函数 T=f(x)，则应力平衡条件 图 2-11 板条中心加热 图 2-12 板条中心加热应力和变 形的演变过程

电子备课笔记B, sdx= %, E(. -sr)&Zy=-ES[6。 - af (x)ldx = 0温度恢复到原始状态，内应力消失，变形消失。5>如图2-12所示。C区产生压缩塑性变形，C区应力为-α，（负号表示产生压应力)。两侧区域应力为=E(.)。如允许单元板条自由收缩，在C区内产生了下凹变形，但根据平面假设，外观变形为6。，这样产生了残余应力和残余变形。设塑性区压缩变形分布规律6=J,(x)，则残余应力为：=E[6。-f,()]。平衡条件：Bp odx = %, E(c,-sr)a = Es'd+E,[5-,()Zy=,e,'dx=E&e,(B-C)+Es,[e.-f,(x)lix=0+Es二.长板条边缘加热板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。板条冷却后，不会产生残余应力，也不会产生残余变形。如图2-13所示。b)图2-13长板条边缘加热的应力7

电子备课笔记 7 Y dx E dx T B B B B  ( e  ) 2 2 2 2          0 2 2     E af x dx B B e   温度恢复到原始状态，内应力消失，变形消失。 2． s    如图 2-12 所示。C 区产生压缩塑性变形，C 区应力为- s (负号表示产生压应力)。两侧区 域应力为   E e T     。 如允许单元板条自由收缩，在 C 区内产生了下凹变形，但根据平面假设，外观变形为 ' e  ， 这样产生了残余应力和残余变形。 设塑性区压缩变形分布规律 f (x) p  p  ，则残余应力为：  '-f (x) e p   E  。平衡条件： Y dx E dx E dx E  f x dx C C e p C B T e B B B B    e             2 2 2 2 2 2 2 2  ( '  )   '   ' ( ) ＋ ' '( )  ' ( ) 0 2 2 2 2        E dx E B C E f x dx C C e e p B C e      二.长板条边缘加热 1． s    板条的外观变形不仅有端面平移，还有角位移。板条冷却后，不会产生残余应力，也不 会产生残余变形。如图 2-13 所示。 图 2-13 长板条边缘加热的应力

电子备课笔记如果温度按T=f(x)分布，则内应力平衡条件为：ZY = J asdx = E8" (. -8r)dx = E8] [6. - af(x)ix = 0EM =I" o0xdx = E8](8. -8))xdx = E8]"[6。-af(x)kdx = 0由图可知，6,是x的线性函数：B60+(BeB-Se0)x6=Br板条曲率为：C=6B-80B2.>8,5/加热时，产生RQP压缩塑性变形区。如图2-14所示，在室温下自由应变为6。图2-14长板条边缘加热应力与应变因遵守平面假设，在室温下外观应变为ε。内部应变为：8=8。-8。最终在板条内E6008500产生残余应力、残余收缩变形、弯曲变形。e-ftX根据焊接热传导及热场理论可以确定板边堆焊焊件中应力与应变的变化过程，如图2-15所示，在焊件的加热过程中，由板截面的偏转可以看出在焊缝及近缝区形成压缩塑性变形。冷却时，该压缩塑性变形区仍在扩大，待冷却到常温以后，板中内应力达到新的平衡，并出现残余变形。此时焊件向焊边凸出，而焊缝及近缝区将产生拉伸残余e应力。gi()三：焊接过程产生的应力和变形101.焊接应力及变形的复杂性(1）温度场极不均匀，温度梯度大：图2-15板边堆焊应力与应变变化过程8

电子备课笔记 8 如果温度按 T=f(x)分布，则内应力平衡条件为： ( )  ( ) 0 0 0 0           Y dx E dx E af x dx B T e B B e       ( )  ( ) 0 0 0 0           M xdx E xdx E af x xdx B T e B B e       由图可知， e  是 x 的线性函数： B B x eB e e ( ) 0 0        板条曲率为： B C eB e0     2． s    加热时，产生 RQP 压缩塑性变形区。 如图 2-14 所示，在室温下自由应变为 ' e  。 因遵守平面假设，在室温下外观应变为 ' e  。 内部应变为： ' ' ' e T     。最终在板条内 产生残余应力、残余收缩变形、弯曲变形。 根据焊接热传导及热场理论可以确定 板边堆焊焊件中应力与应变的变化过程，如 图 2-15 所示，在焊件的加热过程中，由板截 面的偏转可以看出在焊缝及近缝区形成压 缩塑性变形。冷却时，该压缩塑性变形区仍 在扩大，待冷却到常温以后，板中内应力达 到新的平衡，并出现残余变形。此时焊件向 焊边凸出，而焊缝及近缝区将产生拉伸残余 应力。 三．焊接过程产生的应力和变形 1．焊接应力及变形的复杂性 (1) 温度场极不均匀，温度梯度大； 图 2-14 长板条边缘加热应力与应变 图 2-15 板边堆焊应力与应变变化过程

电子备课笔记(2）金属力学性能和热物理参数随温度不同而发生变化。如：α，、の、E、；（3）焊接过程中发生相变，引起物理和力学参量的变化；（4）焊接热源移动，焊件各截面上温度分布是时间的函数。2.焊接应力和变形的简化方法(1）除屈服极限外，金属的物理性能和力学性能都是常数，与温度无关；(2）小于500℃，α，不变；500~600℃，α，直线下降到零；600℃以上，低碳钢失去抗力，处于完全塑性状态；(3）不考虑相变产生的应力T,ee.(4）服从平面假设原则。9008003.焊接应力和变形的演变过程7o0T,t,=aT600图2-16，截面1是600℃等温线最宽处的(a)横截面。其应力和变形从左到中可分成四个区2001002域：O0(1）完全弹性区，内部应变ε<8，内应TE,=aT500力α=E。该区有压缩塑性变形；400(6)n(2)T≤500℃区，内部应变ε>6，内应0ETasTTE力α=，，该区产生压缩塑性变形；(3)500～600℃区，内部应变6>6，8随温度从500℃升至600℃降至零，内应力相T.Er=aT(c)应从，降至零，压缩塑性变形不断增大；可ay0e(4)T>600℃区，内部变形全部转化为压缩Fer塑性变形，且内应力为零。(a)ZE截面Ⅱ的自由变形曲线应减去截面I已存tsr:在的压缩塑性变形。高温区材料的收缩因受阻碍而受拉，原来的压缩塑性变形量有所减少。图2-16低碳钢板条中心堆焊横截面上纵焊缝中心仍高达600℃。拉应力为零。两侧温向应力的演变过程9

电子备课笔记 9 (2) 金属力学性能和热物理参数随温度不同而发生变化。如：  s 、 b 、 E 、 ； (3 ) 焊接过程中发生相变，引起物理和力学参量的变化； (4) 焊接热源移动，焊件各截面上温度分布是时间的函数。 2．焊接应力和变形的简化方法 (1) 除屈服极限外，金属的物理性能和力学性能都是常数，与温度无关； (2) 小于 500℃，ζ s不变；500~600℃，ζ s直线下降到零；600℃以上，低碳钢失去抗力， 处于完全塑性状态； (3) 不考虑相变产生的应力； (4) 服从平面假设原则。 3．焊接应力和变形的演变过程 图 2-16，截面 I 是 600℃等温线最宽处的 横截面。其应力和变形从左到中可分成四个区 域： (1) 完全弹性区，内部应变 s    ，内应 力   E 。该区有压缩塑性变形； (2) T≤500℃区，内部应变 s    ，内应 力    s ，该区产生压缩塑性变形； (3) 500～600℃区，内部应变 ' s    ， ' s  随温度从 500℃升至 600℃降至零，内应力相 应从  s 降至零，压缩塑性变形不断增大； (4) T>600℃区，内部变形全部转化为压缩 塑性变形，且内应力为零。 截面 II 的自由变形曲线应减去截面 I 已存 在的压缩塑性变形。高温区材料的收缩因受阻 碍而受拉，原来的压缩塑性变形量有所减少。 焊缝中心仍高达 600℃。拉应力为零。两侧温 图 2-16 低碳钢板条中心堆焊横截面上纵 向应力的演变过程

电子备课笔记度下降，拉应力增大。再向两侧出现压应力，达到屈服点后，产生压缩塑性变形。截面Ⅲ分析同上。四.焊接热应变循环1.最高温度低于Ac1在0~ti,8>8。，产生压应力，在t达到材料的屈服极限；在t时，温度达600℃，内应力为零：在t时，压缩塑性变形达到最大值；从t开始降温，将自由变形曲线向下平移与外观变形曲线相交。在t金属开始恢复弹性在ts拉应力达到，。如图2-17所示。22Z.)图2-17低碳钢焊接近缝区热循环和热塑性循环示意图2.最高温度高于Ac3在t时，温度达Ac,开始相变，比容减小，开始出现拉应力；在0～t时，同前：在t4时，温度达到Ac3，相变结束；在t4~ts,塑性变形逆转，出现压缩塑性变形：从ts开始冷却，产生拉伸塑性变形：在t时，温度达到Ar3，相变开始，比容增大，产生压缩：在tz时，温度达到Ar1，相变结束，恢复拉伸：在ts时，金属开始恢复弹性；在tg时，达到gs10

电子备课笔记 10 度下降，拉应力增大。再向两侧出现压应力，达到屈服点后，产生压缩塑性变形。 截面 III 分析同上。 四．焊接热应变循环 l．最高温度低于 Ac1 在 0~t1, T e    ，产生压应力，在 t1达到材料的屈服极限  s ； 在 t2 时，温度达 600℃，内应力  为零； 在 t3 时，压缩塑性变形达到最大值； 从 t3 开始降温，将自由变形曲线向下平移与外观变形曲线相交。在 t4 金属开始恢复弹性， 在 t5 拉应力达到  s 。如图 2-17 所示。 2．最高温度高于 Ac3 在 0～t3时，同前； 在 t3 时，温度达 Ac1开始相变，比容减小，开始出现拉应力； 在 t4 时，温度达到 Ac3 ，相变结束；在 t4~ t5,塑性变形逆转，出现压缩塑性变形；从 t5 开始冷却，产生拉伸塑性变形；在 t6 时，温度达到 Ar3，相变开始，比容增大，产生压缩；在 t7 时，温度达到 Ar1，相变结束，恢复拉伸；在 t8 时，金属开始恢复弹性；在 t9 时，达到ζ s。 图 2-17 低碳钢焊接近缝区热循环和热塑性循环示意图