【正文】 換句話說(shuō)，任何不同焊接構(gòu)件其固有應(yīng)變均。因此，試件的縱向焊縫的收縮量Δ L為： Δ L =**(*k2/2)*250/1360= 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值得比較 實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的焊接變形值與計(jì)算值得比較如表 31. 表 31實(shí)測(cè)值與計(jì)算值得比較 名稱 縱向收縮 計(jì)算值 實(shí)測(cè)值 誤差 % 分析實(shí)驗(yàn)的誤差原因 39 固有應(yīng)變法將在一定實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的平均應(yīng)變值替代實(shí)際構(gòu)件中的未知應(yīng)變是有一定誤差的。又由于試件厚度為 10mm，所以取 K2為 ，梁的截面積為 68*10*2=1360mm2，焊縫長(zhǎng)度為 250mm，焊縫截面積可估算為 *K2/2。e= Wy 的偏心矩 。 圖 31 單位縱向變形 2) 橫向焊接變形的解析法計(jì)算 圖 32 表面堆焊時(shí)的橫向變形 圖 32 為平板表面堆焊時(shí)的橫向變形圖 .如果已知單位長(zhǎng)度上橫向固有應(yīng)變 ey*的總和 (又稱橫向收縮單位體積 )Wy ,則有 Wy=∫ ey*dA （ 38） e=∫ zey*dA/∫ ey*dA (39) Δ b=Wy/h (310) 38 Ba=12Wye/h3 (311) 式中 , Δ b=平均橫向縮短 。對(duì)于簡(jiǎn)單的梁或平板的焊接變形，就可用固有應(yīng)變進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。 固有應(yīng)變法焊接變形的解析法 焊接變形的主要形式有兩種。與殘余塑變方法是完全一致的。殘余壓縮塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變都是固有應(yīng)變。若假定無(wú)坡口焊縫本身經(jīng)受加熱過(guò)程，由于加熱和冷卻的熱應(yīng)變抵消為零，那么完全冷卻后焊縫處存在殘余壓縮塑性應(yīng)變。{e}q—— 相變應(yīng)變。為了統(tǒng)一分析，可 以采用上述“固有應(yīng)變”的概念。因此焊接應(yīng)力是熱應(yīng)變，塑性應(yīng)變以及相變應(yīng)變綜合影響的結(jié)果。 焊接過(guò)程中的熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的原因。殘余塑變理論仍然可以用來(lái)分析有坡口填充焊縫工件焊接時(shí)的殘余應(yīng)力與變形。于是對(duì)上述殘產(chǎn)生了質(zhì)疑。因而焊縫可以說(shuō)是直接從高溫冷卻下來(lái)的。例如，殘余塑變理論假定焊縫處一直就是原來(lái)工件的一部分，經(jīng)歷了加熱和冷卻的全過(guò)程，就像無(wú)填充焊絲的 TIG 熱源在工件表面走一道焊縫一樣。當(dāng)然， 因?yàn)闅堄嗨茏兝碚撚幸恍┎粔蛲晟频牡胤?，容易引起一些誤解與質(zhì)疑。殘余塑變理論對(duì)了解焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原理和本質(zhì)有重要的貢獻(xiàn)。它認(rèn)為焊接加熱過(guò)程中焊縫和近縫區(qū)的金屬熱膨脹應(yīng)變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。所謂固有應(yīng)變可以看成是內(nèi)應(yīng)力的 產(chǎn)生源，若將物體處于既無(wú)外力也無(wú)內(nèi)力的狀態(tài)看作為基準(zhǔn)狀態(tài)，固有應(yīng)變就是表征從應(yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時(shí)，與基準(zhǔn)狀態(tài)相比所發(fā)生的應(yīng)變，它等于 35 總的變形應(yīng)變減去彈性應(yīng)變。 固有 應(yīng)變 固有應(yīng)力和固有應(yīng)變最早是日本學(xué)者提出和應(yīng)用的概念。它利用焊接以后在焊縫及其附近所產(chǎn)生的固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變，只要進(jìn)行一次彈性有限元計(jì)算，就可獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接變形。當(dāng)預(yù) 測(cè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形時(shí)，我們需要的是焊接以后最終的殘余變形，并非致力于了解瞬時(shí)行為的全過(guò)程，因此沒(méi)必要執(zhí)行全部的熱力學(xué)計(jì)算。 固有應(yīng)變法 研究焊接應(yīng)力與變形的有限元法有熱彈塑性有限元法，粘彈塑性有限元法，考慮相變與熱應(yīng)力耦合效應(yīng)的有限元法等。相變潛熱對(duì)焊接溫度場(chǎng)有著重要影響，通常用定義隨溫度變化的材料比熱或焓來(lái)考慮相變潛熱的影響。 34 雙橢球熱源適用于厚板焊接的三維數(shù)值分析。在焊接溫度場(chǎng)二維分析中廣泛運(yùn)用的是經(jīng)典的高斯熱源模型，這種模型以及后來(lái)在其基 礎(chǔ)上發(fā)展提出的雙橢圓高斯熱源模型都沒(méi)有考慮電弧對(duì)熔池的沖擊作用，對(duì)于高能束焊接存在較大誤差。用于求解溫度場(chǎng)的熱源模型有許多種，最早使用的是點(diǎn)熱源、線熱源和面熱源，分別用于不同形式試板的溫度場(chǎng)解析解。熱彈塑性有限元法預(yù)測(cè)焊 接變形的過(guò)程為：先進(jìn)行焊接熱循環(huán)分析，得到整個(gè)試板在焊接過(guò)程中任一時(shí)刻的溫度場(chǎng)，再將溫度場(chǎng)輸入熱彈塑性有限元分析程序，進(jìn)行應(yīng)力和變形的分析計(jì)算。數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)有力的定量研究手段，不僅可以用來(lái)幫助理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力和變形，國(guó)內(nèi)外的研究者們還以此為工具，研究控制和減小殘余應(yīng)力，優(yōu)化焊縫質(zhì)量的工藝方法。二十世紀(jì)七十年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法為基礎(chǔ)，提出了焊接熱彈塑性分析理論，從而使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變分析成為可能。 熱彈塑性有限元法 焊接數(shù)值模擬的理論意義在于通過(guò)對(duì)復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進(jìn)行模擬和對(duì)極端情況下尚不知的規(guī)則的預(yù)測(cè)，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，弄清焊接過(guò)程的規(guī)律。為了正確了解固有應(yīng)變的分布，人們提出了實(shí)驗(yàn)方法和熱彈．塑性分析法，即以實(shí)驗(yàn)結(jié)果和熱彈一塑性分析結(jié)果為基礎(chǔ)，來(lái)求出固有應(yīng)變的方法。 解析法 只考慮了殘余塑性應(yīng)變，并假設(shè)所有區(qū)域 (包括固有應(yīng)變區(qū) )都保持彈性。后來(lái)， C． A 庫(kù)茨米諾夫就在此理論上作了進(jìn)一步的發(fā)展，并形成了一個(gè)較完整的理論體系。包括固有應(yīng)變理論，轉(zhuǎn)位論等，均是以彈性理論來(lái)求出焊接變形量，其代表人物是 Watanabe。近年來(lái)，數(shù)值模擬已經(jīng)成為焊接研究方面的主要手段。特別是近年來(lái)，隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，逐步過(guò)渡到有限差分法和有限單 元法。由于該方法是建立在平截面假定和其它一些假定的基礎(chǔ)之上的，故只能適用于一些簡(jiǎn)單的焊接構(gòu)件，如簡(jiǎn)單梁板的焊接收縮變形和角變形。二十世紀(jì)四十年代，前蘇聯(lián)的奧凱爾勃洛姆對(duì)焊接殘余應(yīng)力和變形的起因和分類進(jìn)行了研究，建立了確 定焊接殘余應(yīng)力和變形的理論方法。經(jīng)驗(yàn)法是通過(guò)查找焊接手冊(cè)上的經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)曲線來(lái)估計(jì)焊縫的收縮量和角變形量。 平板 cc39。 橫向△ B的測(cè)量數(shù)據(jù) 單位 (mm) 位置 原始長(zhǎng)度 一層焊后 二層焊后 三層焊后 ΔB 平板 aa39。 平板 BB39。 平板 cc39。 橫向△ B的測(cè)量數(shù)據(jù) 單位 (mm) 位置 原始長(zhǎng)度 一層焊后 二層焊后 三層焊后 ΔB 平板 aa39。 平板 BB39。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)焊接變形的進(jìn)行了大量的研究，得出了一些預(yù)測(cè)焊接變形的方法。 圖 23 焊接試件 焊接變形的測(cè)量與結(jié)果 此次試驗(yàn)是考慮平板的橫向收縮與縱向收縮，立板的變形不進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算。記錄焊機(jī)上顯示的電流讀數(shù) ，并用秒表記錄焊接一定長(zhǎng)度焊縫花費(fèi)的時(shí)間。 2. 焊接材料的選用：焊條采用 J507。 焊接步驟如下： 1. 焊前準(zhǔn)備 :試件有一塊開 K形坡口，坡口角度為 55度。對(duì)于要求完全均勻焊透的不開坡口的角接、對(duì)接及 T形焊透的角接、對(duì)接及 T形焊縫，在焊接底層時(shí)應(yīng)用小直徑的焊條，即使是厚板的焊接，最好采用直徑 以下的焊條焊接，這樣能保證焊透及良好的背面成形。立焊、橫焊和仰焊時(shí)，宜選用較小直徑的焊條。一般當(dāng)工件較厚時(shí)，采用較大直徑的焊條，但板厚的對(duì)接接頭坡口內(nèi)，第一層焊接時(shí)要選用較細(xì)的焊條；平焊時(shí)，由于允許使用較大的焊接電流，焊條直徑可大些。減小焊接速度，使氣體易從正在凝固的熔化金屬中逸出，能降低形成氣孔的可能性；但焊速過(guò)低，則將導(dǎo)致熔化金屬流動(dòng)不暢，易造成焊縫波紋粗糙和夾渣，甚至燒穿焊件。 焊接速度的快慢是衡量焊接生產(chǎn)率高低的重要指標(biāo)。在其他參數(shù)不變的條件下，焊接速度增大時(shí)，電弧對(duì)母材和焊條的加熱減少，熔寬、余高明顯減小；與此同時(shí)，電 弧向后方推送金屬的作用加強(qiáng)，電弧直接加熱熔池底部的母材，使熔深有所增加。 焊接速度對(duì)熔寬、熔深有明顯影響，它是決定焊接生產(chǎn)率和焊縫內(nèi)在質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。但電弧電壓過(guò)低時(shí)，會(huì)形成高而窄的焊縫，影響焊縫成形并使脫渣困難；在極端情況下，熔滴會(huì)使焊條與熔池金屬短路而造成飛濺。如果電弧電壓繼續(xù)增加，電弧會(huì)突破焊劑的覆蓋，使融化的液態(tài)金屬失去保護(hù)而與空氣接觸，造成密集氣孔。當(dāng)裝配間隙較大時(shí)，提高電弧電壓有利于焊縫成形。同時(shí)，焊 27 縫余高和熔深略有減小，焊縫變得平坦。電弧電壓主要決定焊縫熔寬，因而對(duì)焊縫橫截面形狀和表面成形有很大影響。如果電流太小，就可能造成未焊透，電弧也不穩(wěn)定 。電流太大還使焊縫熱影響區(qū)增大并可能引起較大焊接變形。這樣的焊縫不利于熔池中氣體及夾雜物的上浮和逸出，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣及裂紋等缺陷，嚴(yán)重時(shí)還可能燒穿焊件。 增大焊接電流使電弧的熱功率和電弧力都增加，因而焊縫熔深增大，焊條熔化量增加，有利于提高焊接生產(chǎn)率。 表 21 材料尺寸 試件材料 16Mn 試件尺寸 250*67*10mm 試件數(shù)量 2 試件均有坡口，示意圖如 21： 25 圖 21 試件坡口形式 材料的成分及性能 材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及物理參數(shù)如表 2 2 24.： 表 22 材料的化學(xué)成分 鋼號(hào) 化學(xué)成分 % 16Mn C Si Mn P S ≤ 表 23 材料的力學(xué)性能 鋼號(hào) 板厚 狀態(tài) σs/Mpa σb/Mpa δ5/% Akv/J 時(shí)效沖擊（ J/cm2） 16Mn ≤ 16 熱軋 ≥ 250 510660 22 ≥ 27 29 表 24 材料的熱物理性能 26 鋼號(hào) 溫度℃ 20 100 200 300 400 500 16Mn 彈性模量 E/Mpa *105 *105 *105 *105 切變模量 G/Mpa *104 *104 *104 導(dǎo)熱系數(shù)λ /W(M*K)1 線膨脹系數(shù)α /mm(mm*℃ )1 *105 比熱容 J/() 450 密度 kg/m^3 7870 泊松比 焊接工藝參數(shù)的選擇 手工電弧焊主要的工藝參數(shù)是焊接電流，電弧電壓和焊接速度，其次是焊條直徑接頭形式等。 24 第二章 T 型構(gòu)件焊接工藝及焊接變形測(cè)試 試件的材料及尺寸 本文提出的 T型接頭試件中各個(gè)待定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，以及整體修正系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，都是針對(duì)低合金鋼材料。如焊工焊完一根焊條后馬上用一把約 0． 5千克的木錘敲擊焊縫。對(duì)于厚板則用風(fēng)槍敲擊。 錘擊焊縫法 此法主要適用于薄板的焊接。 剛性固定法 在實(shí)際制作中，對(duì)于剛性大的構(gòu)件焊后變形一般較少，對(duì)剛性小的構(gòu)件可在焊前加強(qiáng)構(gòu)件剛性，焊后變形也相應(yīng)減少。 注意：采用粗焊絲、少焊道焊接或細(xì)焊絲、多焊道焊接工藝依據(jù)材質(zhì)而定，一般低鋼、 Q345等材質(zhì)適用粗焊絲、少焊道焊接，不銹鋼、高碳鋼等材質(zhì)適用細(xì)焊絲、多焊道焊接。多焊道時(shí)每一焊道引起的收縮累計(jì)增加了焊縫總的收縮。如焊接加強(qiáng)板，間斷焊接可減少 75％的焊縫填充量，同時(shí)也能保證所需強(qiáng)度。正確制定焊縫尺寸，不僅能得到較小的焊接變形，還可節(jié)省焊材和時(shí)間。減少收縮變形的途徑有以下幾方面。 預(yù)防和控制焊接變形的方法 預(yù)防和控制焊接變形的方法必須考慮焊接工藝設(shè)計(jì)以及在焊接時(shí)克服冷熱循環(huán)的變化。在考慮焊接層數(shù)時(shí)，多層焊接中每層焊縫的熱輸入比 一次完成單層焊的熱輸入小得多，塑性變形區(qū)范圍窄。對(duì)于焊接材料的影響，當(dāng)材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，溫度梯度越大，則焊接熱輸入越大，因此引起的焊接變形越顯著。當(dāng)熱量輸入大時(shí)，加熱的高 21 溫區(qū)范 圍就大，而焊接后冷卻速度卻比較慢，致使焊接頭的塑性變形區(qū)增大。焊縫截面積越大，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量越大，焊縫截面積對(duì)縱向、橫向及角變形的影響趨勢(shì)是一致的，而且是主要的影響因素，因此，在被焊接件厚度相同時(shí)，坡口尺寸越 大，收縮變形越大。雙面焊時(shí)情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時(shí)角變形也減小。 3)對(duì)接接頭在單道 (層 )焊的情況下，其焊縫橫向 收縮比堆焊和角焊大．在單面焊時(shí)坡口角度大。 1)表面堆焊時(shí)，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束．而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時(shí)受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對(duì)較小。 接頭型式的影響 在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時(shí)，不同的接頭形式對(duì)縱向．橫向、角變形量有不同的影響。 焊接層數(shù)的影響 以縱向收縮為例，多層焊接時(shí)，