【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 變發(fā)展過(guò)路但是并不能認(rèn)為在塑性溫度以上的變化無(wú)關(guān)緊要。在焊接過(guò)程中焊緩和近縫區(qū)金屬經(jīng)受了焊接熱循環(huán)。與此同時(shí)，由于焊接熱場(chǎng)的角度不均勻性所產(chǎn)生的田時(shí)應(yīng)力使金屈經(jīng)受熱塑性應(yīng)變。下面將分析焊接近縫區(qū)的兩種箔況：離焊縫稍遠(yuǎn)，最商溫度低于材料的相變溫度(因2—15。)和最高溫度高于相變溫度(圖2—156)。 第’種情況：在。一f，間自由變形2r大于外觀變形e”金屬在此階段受壓，壓應(yīng)力逐漸升高。在f：時(shí)到達(dá)，’，出現(xiàn)壓縮塑性變形。到f2時(shí)金屬到達(dá)塑性溫度n?！畂。到4I時(shí)，內(nèi)部變形達(dá)到最大值。相。時(shí)壓縮塑性應(yīng)變量達(dá)到最大倪即開(kāi)始出現(xiàn)拉伸塑性應(yīng)變，格自由變形曲線向下平移與外觀變形曲線相交。這兩條線之間的距離代表拉伸應(yīng)變量。f4時(shí)，金屬開(kāi)始恢復(fù)彈性，隨著溫度的降低拉應(yīng)力不斷增加。至f5拉應(yīng)力達(dá)到，．，保持oI不變，但拉伸塑性變形繼續(xù)增加直到溫度場(chǎng)到達(dá)原始均勻狀態(tài)。 第二種情況：o—fl—f s與第一種怕況相同。至f：時(shí)溫度到達(dá)A、開(kāi)始相變，比容納小，塑性變形方向可能逆轉(zhuǎn)。分析塑性放變量時(shí)，可將自由變形曲線向下平移與外觀變形曲線相交。隨著相變的進(jìn)行，拉伸塑性應(yīng)變不斷增加。至f‘時(shí)溫度到達(dá)A、相變結(jié)束，拉伸塑性應(yīng)變開(kāi)始減小，塑性交形方向又逆轉(zhuǎn)，出現(xiàn)壓縮。至fI時(shí)壓縮塑性應(yīng)變量又開(kāi)始減少，轉(zhuǎn)為拉伸。至fl時(shí)溫度到達(dá)Ah，開(kāi)始相變，比容增九塑性交形方向可能轉(zhuǎn)為壓紙直至fr時(shí)溫度到達(dá)A ru相變結(jié)兔又出現(xiàn)拉伸塑性變形。至fl金屈開(kāi)始恢復(fù)彈性。由上述分析可以看出，對(duì)近路區(qū)來(lái)隊(duì)加熱時(shí)一般為壓縮；冷卻時(shí)為拉伸。在相變時(shí)可能出現(xiàn)應(yīng)變和應(yīng)力方向的反復(fù)。對(duì)于焊縫金屑來(lái)認(rèn)并不存在加熱階段。在冷卻過(guò)程中除相變時(shí)，都受到拉伸。在整個(gè)熱循環(huán)中，金屬的性能有大幅度變化見(jiàn)圖2—16。當(dāng)溫度接近團(tuán)相線6詠品粒間的低熔點(diǎn)物質(zhì)開(kāi)始熔化金屆的延性陡降。當(dāng)溫度接近掖相線l時(shí)，液相所占比例已足夠九金屆的變形能力迅速上升。在這里存金屬在高溫時(shí)的延性和斷裂在一個(gè)低延性的脆性溫度區(qū)A7e，其上限溫度為嚴(yán)”，下限溫度為7h在焊接的冷卻過(guò)程中，通過(guò)這個(gè)溫度區(qū)時(shí)金屈受到拉伸，故仲應(yīng)變隨著溫度的下降不斷增加。拉伸應(yīng)變隨溫度的變化[各＝—子?—十向以用一條通過(guò)7。的線來(lái)表示。通過(guò)這個(gè)溫度區(qū)時(shí)是否發(fā)生斷乳即開(kāi)裂，取決于三個(gè)因恭拉伸應(yīng)變對(duì)于溫度的變化率oe／e7(即線的斜率)、腕性溫度區(qū)A75的大小和在這個(gè)區(qū)間里金屬的延性6m』n。當(dāng)焊接冷卻時(shí)的9‘／ay大于某一臨界值(o e／9y)．(團(tuán)中的線1)隊(duì)則發(fā)生斷裂，即產(chǎn)生裂紋(團(tuán)中的線3)，當(dāng)6‘／oy＜(8c／87)，時(shí)，則不產(chǎn)生裂紋(固中的線2)。66／3y越大，AyI越大，6min越小，則越容易產(chǎn)生裂紋。后兩因素與村料的成分和組織等有先前者與焊縫的拘束度和車(chē)屆的熱物理性能等有關(guān)d此外，在通過(guò)較低的溫度區(qū)域時(shí)，耍消耗金屬的一部分延性。有試驗(yàn)證明，金屬在200一300‘c的塑性交形對(duì)金屬在寶溫及低溫下的延性有較大影響，使其發(fā)生延性耗竭。這個(gè)現(xiàn)象在低隕鋼，特別是沸騰鋼中表現(xiàn)更為明顯，稱之為熱應(yīng)變脆化。在焊接過(guò)程中，如果近縫區(qū)中存在著幾何不連續(xù)性(即應(yīng)力集中)，則焊接理性應(yīng)變量在這里成倍地加大，將加劇這一過(guò)程。所有這些問(wèn)題都與焊接時(shí)的應(yīng)力和變形過(guò)程密切相夫。 (五)焊接瞬態(tài)應(yīng)力變形研究的新發(fā)展隨著新材料、新結(jié)構(gòu)和新焊接工藝的不斷發(fā)展，有越來(lái)越多的焊接應(yīng)力變形和強(qiáng)度問(wèn)題需要研究。但是在簡(jiǎn)單假設(shè)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一些焊接應(yīng)力變形理論巳不能完滿解釋復(fù)雜現(xiàn)象和解決疑難的問(wèn)題。有限無(wú)法和電子計(jì)算技術(shù)為解決復(fù)雜的焊接應(yīng)力變形問(wèn)題提供有力的工具。有限元法把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)看成內(nèi)許多用單的單元體的集合。先把它化英為零，分成許多單元體進(jìn)行單元分機(jī)然后又積零為整，綜合起來(lái)進(jìn)行整體分析。利用這種方法有可能把更多因素考慮進(jìn)去使問(wèn)題的解決更接近實(shí)際情況。電子計(jì)算技術(shù)使過(guò)去幾乎無(wú)法完成的大量運(yùn)算工作有可能在頓時(shí)間內(nèi)完成。十多年來(lái)在利用有限元法解決焊接應(yīng)力變形問(wèn)題方面已取得不少可容的成果。例如離強(qiáng)鋼的焊接相交應(yīng)力、大厚板的焊接殘余應(yīng)力的分布以及大型乎板餅焊過(guò)程中的瞬態(tài)應(yīng)力和變形產(chǎn)生過(guò)程等等。下面介紹一個(gè)用有限元法分析高強(qiáng)鋼焊接過(guò)程個(gè)的焊接應(yīng)力的實(shí)例。在這個(gè)實(shí)例中考慮了相交引起的體積變化。圖2—17為有限元網(wǎng)格。閉2—18為兒及07在不同時(shí)間在y軸j：的分布情況。因中曲線上的數(shù)字代表電弧經(jīng)過(guò)后的時(shí)間(秒)。圖2—19為有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。一、爆接殘余變形購(gòu)分類(lèi)和研究螺接殘余變形的意義焊接殘余變形是焊接后殘存于結(jié)構(gòu)中的變形。大致可分下列七紀(jì) (一)縱向收縮變派構(gòu)件焊后在焊縫方向發(fā)生收縮如圖2—20中的AL。 (二)橫向收縮變販構(gòu)件好后在垂直焊經(jīng)方向發(fā)生收縮，如圖2—20中的AD。 三撓曲變汛構(gòu)件焊后發(fā)生撓曲，如圖2—21。撓曲可由焊維的縱向收縮引起(圖2—21。)和由焊縫投向收縮引起(圖2—2l 6)。(四)角變形：焊后構(gòu)件的平面目繞焊縫產(chǎn)生的角位執(zhí)常見(jiàn)的角變形見(jiàn)圖2—22。(五)波浪變形：焊后構(gòu)件呈波浪形，如圖2—23。這種變形在薄板焊接時(shí)最容易發(fā)生。 (六)鍺邊變形：在焊接過(guò)程中，兩焊接件的熱膨脹不一玖可能引起長(zhǎng)度方向上的錯(cuò)邊(圖2—24。)和厚度方向上的錯(cuò)邊(圖2—246)。(七)螺旋形變腸焊后在結(jié)構(gòu)焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題。工件上出現(xiàn)丁變形，就需要花許多工時(shí)去矯正。比較復(fù)雜的變形，矯正的工作量可能比焊接工作量還要大。有時(shí)變形太k，甚至無(wú)法矯正，造成廢品。在生產(chǎn)中有時(shí)還發(fā)生這樣的情況．為了保證焊接后需要進(jìn)行機(jī)械加工的工件尺4，片面地多放余量，加大毛坯的尺寸。這樣做增加了材料消耗和創(chuàng)，械加工工時(shí)。焊接變形不但影響結(jié)構(gòu)的尺寸的準(zhǔn)確和外形美觀，而且有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力，起事故。例如圖2—26中所示的團(tuán)球容器的焊接角變形，將在結(jié)構(gòu)上引起附加的彎曲應(yīng)力，曾經(jīng)因此造成多起中等強(qiáng)度鋼容器的破壞。當(dāng)然造成這些事故的原因是多方面的，但焊所示的兩塊厚度不同鋼板的搭接接A，角焊級(jí)的角變形引起薄板的彎曲，而厚板仍基本保持乎直。這樣在加栽晚焊繞I所承受的裁荷比焊縫2大得多，位焊縫1超載而破杯上述種種，說(shuō)明掌握焊接變形的規(guī)律積控制焊接變形具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。下面我們將對(duì)焊接變形產(chǎn)生的原Bl影響變形的因素，以及預(yù)防和消除變形的措施，分別加以分析。二、縱向收縮變形以及它所引起的撓曲變形在前一節(jié)里，已經(jīng)分析了焊接殘余應(yīng)力和變形的形成過(guò)程。在焊接時(shí)焊縫及其附近的金屬由于在高溫下的自由變形受到阻礙，產(chǎn)生了壓縮塑性變形，這個(gè)區(qū)域稱之為塑性變形區(qū)。該區(qū)域內(nèi)的塑性變形分布如圖2—28所示，它的存在使構(gòu)件相當(dāng)于受到一個(gè)外加壓力Pf的作用而縮短和(或)彎曲。假想壓力Pf的數(shù)值可由下式表達(dá)：構(gòu)件在假想外加壓力Pf的作用下產(chǎn)生縱向收縮AL， 如圖2—29，其數(shù)值可用下式表泡F——構(gòu)件的截面積，F(xiàn)f——塑性交形區(qū)面積，5——構(gòu)件材料的彈性模L——構(gòu)件的長(zhǎng)度(焊綴貫穿全長(zhǎng))，ef——理性應(yīng)變。AL取決于構(gòu)件的長(zhǎng)度、截面積和壓縮塑性交形JP，2fdF。后者與焊接參量、焊接方法、焊接順序以及材料的熱物理參量有關(guān)。在諸工藝因素中焊接線能量是主要的。在一般情況下，它與焊接線能量成正比。對(duì)于結(jié)定尺寸的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，由于tr的分布變化較小，壓縮變形可近似地用塑性變形區(qū)面積FP來(lái)衡量。下面將分析影響縱向變形的若干因執(zhí)同樣截面的焊縫可以一次焊戊，也可以分幾層焊成，多層焊每次所用的線能量比單層熄時(shí)小很多。因此，每層焊綻所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)的面積Ff比單層焊時(shí)小，但多層焊所引起的總變形量并不練于各層焊經(jīng)的總和。因?yàn)楦鲗铀a(chǎn)生的塑性交形區(qū)而積是相互重疊的。圖2—30 d為單層和雙層對(duì)接接頭的塑性區(qū)。單層焊時(shí)的塑性變形區(qū)面積為JBcD，而雙層焊別，第一層所產(chǎn)生的塑性區(qū)為J，B 6c，Di，第二層所產(chǎn)生的為J2B2G：D3c它們都小于碑層焊的塑性區(qū)面積JBcD。兩個(gè)面積有相當(dāng)一部分是相互重疊No圖2—30 5為單層和雙層角焊縫所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)的對(duì)比。從上述分析中可以看出多層焊所引起的縱向收縮比單層焊小。分的層數(shù)越多，每層所用的線能量就越小，變形也就越小。 焊接時(shí)工件的原始溫度是不同的。在一放情況下，工件原始溫度的提高， 圖2—50 單層和雙層焊的焊繞塑性變形區(qū)對(duì)比相當(dāng)于加大線能量，使焊接塑性變形區(qū)大，焊后縱向收縮變形也增大。反之，原始溫度下降，相當(dāng)于減少線能量，收縮變形降低。但是當(dāng)預(yù)熱溫度過(guò)高時(shí)，亦可能出現(xiàn)相反的結(jié)果。因?yàn)殡S著預(yù)熱溫度的增加，塑性交形區(qū)雖然擴(kuò)九但與此同時(shí)，由于較高的預(yù)熱溫氏縮小了工件在焊接時(shí)的溫差，溫度趨于均勻化，塑性區(qū)內(nèi)的壓縮應(yīng)變量eJ反而下降。它將減少塑性區(qū)的收縮變形量1。erdFo使縱向收縮Al降低。間斷焊的縱向收縮變形比連續(xù)焊小。其效果隨。／f的比值降低而提高(。為分段焊縫長(zhǎng)為兩段之間的中心距)。在受力不大的地亢用間斷焊縫代替連續(xù)焊縫是降低縱向收縮變形酌有效措施。鈉制細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，如梁、校等結(jié)構(gòu)的縱向收縮量可以通過(guò)公式來(lái)作初步的估計(jì)。單層焊的縱向收縮量， Fn——悍縫截面積mmI，F(xiàn)——構(gòu)件截面積mmB，AL——縱向收縮量m叫L——構(gòu)件長(zhǎng)度mm。為系數(shù)，與焊接方法和材料有關(guān)?？蓮谋?—1中查得。多層焊的縱向收縮量：將上式中FH攻為一層焊縫金局的截面積，并將所計(jì)算得的縱向M——層致。對(duì)于兩面有角焊縫的丁寧接頭的構(gòu)件，由收縮量公洲“算得66收縮量再乘以系數(shù)1．15—1．40即為該構(gòu)件的縱[d1收縮量。但是應(yīng)注意，式中的FH，系指一條角焊縫的截面積。奧氏體鋼的熱膨脹系數(shù)大于低碳鋼，汝變形也比低碳鋼大。例題 有低矽鋼工字形構(gòu)件(圖2—31)，長(zhǎng)5m，腹板而2；(m四，腔板厚10mo，翼板寬250Mm，厚12mm，四條角焊組每條均用埋弧自動(dòng)焊一次焊風(fēng)焊角度；8mm，試計(jì)算工字形構(gòu)件的縱向收縮量。每條角焊縫的截面積：凡，各M 8x 8；32 F；(2250x12)十(25010)＝8500 mm’ 由四條角焊纏組成的工字形構(gòu)件，如圖2—31所元其縱向收縮變形量相當(dāng)于一對(duì)帶有雙面角焊縫的丁字形構(gòu)件的縱向收縮免而雙面角焊壤的丁字形接頭的縱向收縮又是單面焊的縱向收縮的1．15一I．40倍(因?yàn)殡p面角焊縫所產(chǎn)生的塑性交形區(qū)基本上是重疊的取1l15倍)。故工字形構(gòu)件的縱向收縮量由下式即可求稅di＝(1．15lLJ今JL)x z＝(1．1s x業(yè)籠子‘oL4)x 2 ＝3．16 m皿當(dāng)焊縫在構(gòu)件中的位置不對(duì)稱時(shí)，焊縫所引起的假想壓力Pf是一個(gè)偏心力，使構(gòu)件縮短，同時(shí)還使構(gòu)件彎曲，其彎曲力矩為射＝Pf“e，如圖2—32所示。構(gòu)件的撓度／可由下式求得：L——構(gòu)件長(zhǎng)度，J——構(gòu)件截面慣性矩，塑性區(qū)小心到斷面中性軸距離(偏心距)?？扇『缚p到斷面中性軸間的距離。從上述簡(jiǎn)化了的力學(xué)模型以及撓曲變形的計(jì)算公式中可以看出，撓曲變形與收縮力Pf和偏iL＼距e成正比。而與構(gòu)件的剛皮2J成反比。P／的大小與塑性變形區(qū)Ff有關(guān)。FP的大小與許多因索有關(guān)。這一點(diǎn)在分析縱向收縮問(wèn)題時(shí)已討論了。有關(guān)規(guī)律也同樣適用于撓曲變形，這里不再重復(fù)。偏心距與焊縫的位置有關(guān)。剛度5J與材料和構(gòu)仍：截面積的分布有關(guān)。焊縫位置對(duì)稱，或者接近于截面中性軸，則撓度變形小。必須注意，焊縫對(duì)稱的構(gòu)件，如果在生產(chǎn)中采用不適當(dāng)?shù)难b配焊接次民仍然可能產(chǎn)生較大的撓曲變形。例如在生產(chǎn)工字形構(gòu)件時(shí)，可以來(lái)用不同的裝配焊接次序。如果先裝配焊接成丁字形截面(見(jiàn)圖2—33。)，然后再裝配另一塊翼仇焊成工字形截面(見(jiàn)團(tuán)2—336)。則丁字形構(gòu)件焊后的撓曲變形為／m工字形截面構(gòu)件焊后的撓曲變形為／h：式中 eL——焊縫1，3到丁字形截面中性洲的偏心距；焊縫3，459工字形截面中性軸的侗心距；Jl——丁字型截面慣性距，J廠工宇型截而慣性距。種裝配焊按順序d方向相反但在一般情況下，雖然6L＜fj，但是J2》J4，所以lL／JJ＞62／J：，故／m＞／：。兩者不能相互抵消，焊后仍有較大的撓度。如果先將腹板與翼板點(diǎn)固成工字截面然后再焊接，在焊接時(shí)又注意焊接次氏如圖2—336中括號(hào)內(nèi)次序，則在焊接過(guò)程中構(gòu)件的慣性矩基本上不變，上下兩對(duì)角焊縫所51起的撓曲變形可以抵消，構(gòu)件保持乎宜。鋼制構(gòu)件撓度可用下式作初步估計(jì)：?jiǎn)蔚篮缚p引起的撓風(fēng) —焊縫到構(gòu)件中性軸的距離(cm)L——構(gòu)件長(zhǎng)度(c貝)；FA——焊縫截面積〔cm’)；f——構(gòu)件截面慣性距(。m‘)；A，——系數(shù)可由表2—1查得。多層焊和雙面角焊縫應(yīng)乘以與縱向收縮公式中相同助系數(shù)6：。三、橫向收縮變形及其產(chǎn)生的控曲變形橫向收縮變形系指垂直于焊縫方向的變形。構(gòu)件在焊接后，不但發(fā)生縱向收縮變形。同也發(fā)生橫向收縮變形。橫向收縮變形產(chǎn)生的過(guò)程比較復(fù)乳現(xiàn)在分幾種惰況來(lái)分析。堆焊及角焊縫 首先研究在乎板全長(zhǎng)上堆焊一條焊縫的情況，當(dāng)板報(bào)窄，焊綴很短時(shí)如圖2—34，可以把焊繞當(dāng)作沿全長(zhǎng)同時(shí)加隊(duì)采用分折縱向收縮的方法加以處池但在實(shí)際堆焊過(guò)程中，在焊縫長(zhǎng)度上的加熱并不是同時(shí)進(jìn)行的，見(jiàn)圖2—35l因此沿焊縫長(zhǎng)度各點(diǎn)的溫度不一致。在熱源附近的金屬熱膨脹變形不但受到板厚深處，而且受到前后溫度較低的金屬朗限制和約束而承受壓力，使之在寬度方向產(chǎn)生壓縮塑性變派而在厚度上增厚。焊后產(chǎn)生橫向收縮變眠 圖2—3‘橫向變形的大小與焊接線能量9＝令和板厚松p隨著手的提崗，隨著扳厚6的增加，橫向收縮A5減少。焊焰團(tuán)235 乎扳全面火餡加熱產(chǎn)生變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程佐賠等用熔化極氣體保護(hù)焊在200 x 200 mm的低碳鋼板上進(jìn)行堆焊，扳回為20mm，得出橫向收縮與焊接線能量和扳厚同的關(guān)系如圖2—36。從團(tuán)中可以看出橫向收縮隨4k固態(tài)的舵居的增加而增加．當(dāng)上士5000c。時(shí)，橫向變形與單位潭度線能量有一個(gè)正比關(guān)系損向變形沿焊縫長(zhǎng)度上的分布并不均勻。這是因?yàn)橄群傅暮缚p的橫向收縮對(duì)后焊的焊縫產(chǎn)生一個(gè)擠壓作用，使后者產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形。這樣，焊經(jīng)的橫向收縮沿著焊接方向是由小到大逐漸增長(zhǎng)的，到一定長(zhǎng)度后趨于穩(wěn)定，見(jiàn)B2—37。丁字接頭和撈錢(qián)接頭角焊縫的初向收縮，在實(shí)質(zhì)上和堆焊相似。它的大小與角焊縫的尺寸和板的厚度有關(guān)。應(yīng)該指出，立板厚度對(duì)變形也有—‘定影響，因立板在焊接時(shí)吸收部分熱能，因而就減少輸入橫板的熱能。立板題厚，橫扳上的熱能越小，在其它條件相同的情況下，橫向變形也就相應(yīng)減少。橫板上的熱輸入量可用專(zhuān)下面表2—2中列出低破鋼試件上所測(cè)得