焊接应力和变形的原理

一、焊接温度场

焊接温度场是指在焊接热源的作用下,焊件每一点的温度分的综合状况可以将相同温度的各点连线形成等温线,不同温度的等温线综合起来,可形象的表示温度场温度场沿热源移动方向等温线分布不对称于热热源前面温度场的等温线密集,温度梯度大,热源后面等温线稀疏,温度梯度小,即温度下降较慢不均匀的温度分布使得焊接接头在加热冷却过程中产生了不同应变和应力,不仅如此,在加热冷却过程中,金属还会发生显微组织的转变,温度场不仅直接通过热应变,而且还间接通过随金属状态和显微组织变化引起的相变、应变决定焊接残余应力

二、金属杆件在温度变化时产生的应力和变形

焊接是一个不均匀的加热过程,焊接接头各部位加热和冷却时尺寸变化和组织变化各不相同,比较复杂,为了更好地理解焊接应力变形的基本概念,现以一根金属杆在加热、冷却过程中的四种状态来进行讨论

1.金属杆件处于自由延伸一自由收缩状态,如图4-a,钢棒被加热而自由延伸在冷却时又自由收缩而恢复到原始长度,在整个过程中不存在延伸阻力和收缩阻力,因此在钢棒内不存在内应力也无最终尺寸变化

2.金属杆件处于自由延伸一限制收缩状态,如图4-1b,钢棒被加热时自由延伸而在冷却时其收缩却受到限制,这样冷却后在钢棒内将产生拉应力,当拉应力大于该材

料的抗拉强度时,导致钢棒断裂

3.金属杆件处于限制延伸一自由收缩状态,如图lc.钢棒受热时不能自由延而产生压应力:随着加热温度的提高,届服极限随之下降,并导致“锻粗”,随之压应力下降,在冷却时对收缩没有限制,“锻粗部位又不能恢复原态,故钢棒将缩短,不存在残余应力

4.金属杆件处于限制延伸一限制收缩状态,如图4-1d,加热时钢棒的延伸受到限制,产生压应力随着温度的增加,钢棒的屈服极限下降,直至产生“粗”随之压应力减小,在冷却时,钢棒的收缩受到限制,导致在钢棒内产生拉应力(收缩应力)


三、不均匀加热及焊接过程引起的应力和变形

假设有一块钢板,如图4-2,它是由许多可以自由伸缩的小板条组成。若在钢板的一侧加热,由于是不均匀加热,距加热边越远的小板条受热温度越低由于金属受热时的伸长量与温度成正比,因此,它们的伸长将相似于温度分布曲线的形状(图中的虚线)


这是理论伸长曲线,但是事实上所假设的无数小板条是互相结合互相牵制的因此温度高、伸长量大的板条要受到温度低、伸长量小的板条压缩:而温度低,伸长小的要受到温度高、伸长量大的板条的拉伸,故实际上钢板加热时伸长的情况为图中实线所示。这种不均匀加热温度超过某一值时,在实际的变形中就有塑性变形。

钢板在冷却时,互相牵制的小板条都在收缩,其中原来温度高被“压缩”的小板条的伸长量大,在冷却时的收缩也较大,其余部分逐次减小(图中的虚线)这是理论收缩曲线,但是事实上所假设的无数小板条是互相结合,互相牵制的,结果出现如图所示的实际变形情况,由于收缩在受拘束的状况下进行,所以钢板在冷却后,原来温度高的分产生拉应力,温度低的部分产生压应力事实上,上述单边加热的钢板,除了加热达的纵向缩短外,还会有弯曲变形的存在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缝上最高温度可达到材料的沸腾点而离开热源温度急剧下降直至室温此外,金属在高温下性能和组织发生变化