PPT《3 金属的焊接》

三、焊接应力与变形焊接过程中,焊件受到局部加热和冷却是产生焊接应力和变形的主要原因.(1)焊接应力与焊接变形产生的原因 以低碳钢平板对焊为例,加热时,焊缝区的温度最高,其两侧的温度随距焊缝距离的增大而降低.由于金属材料具有热胀冷缩的特性,所以当焊件各区加热温度不同时,其单位长度伸长量也不同.即受热时按温度分布的不同,焊缝及母材金属各有不同的自由伸长量. 3-1 电弧焊 所以整个平板存在着相互平衡的压应力与拉应力. 如果自由伸长不受任何阻碍,则钢板焊接时的变化如图a中虚线所示. 但实际上由于平板是一个整体,不可能各处都实现自由伸长,各部分伸长量必须相互协调,最后平板整体只能平衡伸长L. 因此被加热到高温的焊缝区金属,因其自由伸长受到两侧低温金属自由伸长量的限制而承受压应力(-). 当压应力超过屈服点时产生压缩塑性变形,使平板整体达到平衡.此时,焊缝区以外的金属则需承受拉应力(+). 3-1 电弧焊 此时的应力与变形称为焊接残余应力和变形(即焊接应力与变形). 焊缝成形后,金属随之冷却使其收缩,这种收缩如能自由进行则焊缝区将自由缩短至图b所示虚线位置. 而焊缝区两侧的金属则缩短至焊前的L端. 实际上因整体作用,各部位仍然相互牵制,焊缝区两侧的金属同样会阻碍焊缝区的收缩,最后共同处于比原长短L?的平衡位置. 于是,焊缝金属承受拉应力,焊缝两侧金属承受压应力,两种应力相互平衡,一直保持到室温. 3-1 电弧焊 (2)焊接应力与变形的危害 工件焊接后产生焊接应力与变形,对结构的制造和使用产生不利影响. 产生焊接变形,可能使焊接结构形状尺寸不符合要求,组装困难,间隙大小不一致,从而影响焊件质量;

矫正焊接变形不仅费工时和增加制造成本,而且还会减低塑性和接头性能. 3-1 电弧焊 (2)焊接应力与变形的危害 焊接变形使结构件形状发生变化,会产生附加应力,降低承载能力;

焊接残余应力会增加工件工作时的内应力,降低承载能力;

还会引起焊接裂纹,甚至造成脆断, 应力的存在还会诱发应力腐蚀裂纹. 此外,残余应力是一种不稳定状态,在一定条件下会衰减而产生一定的变形,引起构件形状、尺寸的不稳定,所以减少和防止焊接应力和变形是十分必要的. 3-1 电弧焊 (3)焊接变形的防止与矫正 常见的焊接变形的基本形式有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和翘曲变形五种 3-1 电弧焊 防止焊接变形的措施如下:①焊缝不要密集交叉,截面长度要尽可能小,以减少焊接局部加热,从而减少焊接变形.②采用反变形法,在组装时工件反向变形.也可采用预留收缩余量来抵消尺寸收缩. 3-1 电弧焊 ③采用刚性固定法,限制焊接变形,但这样会产生较大的焊接残余应力.若采用定位焊组装也可防止焊接变形.④采用合理的焊接顺序,如对称施焊,长焊缝的分段倒退焊法,采用多层多道焊,都能减小焊接变形. 图3-8 对称断面梁的合理焊接次序 图3-9 X坡口焊接次序 3-1 电弧焊 矫正焊接变形方法有机械矫正法和火焰法. 矫正基本原理是产生新变形抵消原来的焊接变形. 机械矫正是用机械加压或锤击的冷变形方法,产生塑性变形来矫正焊接变形,适用于塑性好的低碳钢和普通低合金钢. 火焰矫正是利用火焰局部加热后的冷却收缩变形来矫正原来的焊接变形,此法仅适用于塑性好,且无淬硬倾向的材料. 3-1 电弧焊 (3)减少和消除焊接应力的措施①设计时,焊缝不要密集交叉,截面和长度也要尽可能小,以减少焊接局部过热,从而减小焊接应力. ②选择合理的焊接顺序,使焊缝能自由地收缩,以减小应力 . 3-1 电弧焊 ③锤击焊缝,当焊缝仍处在较高温度时,迅速锤击焊缝,使焊件伸长,减小焊接应力. 3-1 电弧焊 ④焊前预热,可以减小工件温差,也能减小残余应力.⑤焊后去应力退火,即将焊件缓慢加热到550~650℃左右,保温一定时间,随炉冷却 该法可消除残余应力80%左右,是消除应力最常用、最有效的方法,这是由于利用了材料在高温时屈服强度下降和蠕变现象而达到松弛焊接残余应力的目的.