焊接冶金基本知識-第5章 焊接變形與應(yīng)力
作者：小編 時間：2025/8/11 20:03:56
除了爐中釬焊、擴(kuò)散焊，對小型工件整體加熱的焊接方法外，絕大部分熔焊、壓焊和釬焊方法，均采用熱能比較集中的“點熱源”,如高溫火焰、電弧，或瞬間高密度、高強(qiáng)度電子束、激光束或電脈沖等，對工件上的加熱點，快速加熱，使局部待焊母材或焊料迅速熔化，并凝結(jié)為一體，若十焊點組合起來，或一個個焊點連續(xù)起來就形成焊接接頭。因此焊接是種局部加熱的工藝過程，對工件這種不均勻的快速加熱與冷卻過程是產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力的根本原因。另外，焊接接頭又常常是不同組織成分，不同性質(zhì)的材料組成的不均勻體，即使均勻加熱冷卻，也會因焊縫、母材的膨脹系數(shù)不同，面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
焊接變形是造成焊接結(jié)構(gòu)尺寸形狀超差、焊接結(jié)構(gòu)組裝配合困難的重要原因，必須首先矯正焊接變形，才能進(jìn)入下一道工序。這勢必增加焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)周期和制造成本。焊接變形過大或矯正無效，還有可能使產(chǎn)品報廢，造成經(jīng)濟(jì)損失。
被焊材料的抗裂能力僅是開裂與否的客觀條件.焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，才是焊縫或焊接接頭產(chǎn)上焊接裂紋的動力和根源。歷史上，一些橋梁突然倒塌、壓力容器突然開裂起火、輪船突然開裂沉沒等低應(yīng)力脆性斷裂事故的發(fā)生，無-不與焊接結(jié)構(gòu)中存在較高的焊接內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中有著密切的關(guān)系。
在多數(shù)情況下，焊后殘留在結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力無礙于焊接結(jié)構(gòu)的使用性能，焊接應(yīng)力變形也可以預(yù)先防止、調(diào)整和控制，可以變不利的焊接應(yīng)力變形狀態(tài)為無害的，甚至是有利的應(yīng)力變形狀態(tài)。
因此，了解產(chǎn)生焊接變形及應(yīng)力的原因，研究和掌握它們的變化規(guī)律，對于防止和減少變形及應(yīng)力具有重要意義。
5.1 產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力的原因
5.1.1 變形與應(yīng)力的基本概念
(1)變形
任何物體在外力作用下都能引起形狀或尺寸的改變，這種現(xiàn)象叫變形。金屬材料在外力作用下，能發(fā)生兩種性質(zhì)不同的變形。當(dāng)外力去除后，金屬能恢復(fù)到原來的形狀和尺寸者為彈性變形，當(dāng)外力去除后，變形并不消失，而成了永久性變形的稱為塑性變形，又叫殘余變形。
金屬受外力作用時，總是先發(fā)生彈性變形，并隨著外力的增加，這種變形也隨之增加，當(dāng)增加到某一程度(彈性極限)以后，塑性變形開始產(chǎn)生。所以只有在外力超過金屬的彈性極限后，才會產(chǎn)生永久性的變形。金屬發(fā)生屈服時的應(yīng)力稱為屈服極限o?,繼續(xù)增大外力產(chǎn)生的變形幾乎都是塑性變形。
金屬的彈性極限和屈服極限與溫度有關(guān)。碳鋼被加熱到600～700℃以后，其彈性極限和屈服極限幾乎下降為零，如圖5-1所示。這時的溫度稱為力學(xué)熔化溫度或力學(xué)熔點。超過力學(xué)熔點，在外力作用下引起的變形幾乎全部變?yōu)樗苄宰冃巍?/span>
(2)內(nèi)應(yīng)力
金屬在外力作用下發(fā)生變形的同時，其內(nèi)部也產(chǎn)生一種與外力相抗衡的內(nèi)力。物體單位
面積上引起的內(nèi)力叫應(yīng)力。受拉伸時引起的是拉應(yīng)力，受壓縮時為壓應(yīng)力。金屬的強(qiáng)度以它發(fā)生破壞前的最大應(yīng)力(強(qiáng)度極限)來衡量。只要金屬內(nèi)部的應(yīng)力達(dá)到或超過它的強(qiáng)度極限，金屬就會發(fā)生開裂。
根據(jù)引起內(nèi)力的原因不同，可將應(yīng)力分為兩類：一類是工作應(yīng)力，它是由外力作用于物體而引起的應(yīng)力：另一類是內(nèi)應(yīng)力，它是由物體化學(xué)成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部的不均勻性變形而引起的應(yīng)力，或者說，內(nèi)應(yīng)力是在沒有外力條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的顯著特點是：在物體內(nèi)部，內(nèi)應(yīng)力是自成平衡的，形成-個內(nèi)部平衡力系。
內(nèi)應(yīng)力存在于許多工程結(jié)構(gòu)中，如鉚接結(jié)構(gòu)、鑄造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)等。焊接應(yīng)力就是一種內(nèi)應(yīng)力。
5.1.2焊接引起的變形與應(yīng)力
(1)焊接變形
焊接變形，即由于焊接而引起的焊件變形。焊件的變形從焊接開始即發(fā)生，并一直持續(xù)到焊件冷卻至原始溫度時才結(jié)束.焊接變形包括焊接過程中的變形和焊接殘余變形。焊后焊件不能消失的變形，稱為焊接殘余變形。通常情況下，將焊接殘余變形簡稱為焊接變形。
按焊接變形的特征，可將焊接變形分為六種基本變形形式，即收縮變形、彎曲變形(也稱撓曲變形)、角變形、波浪變形、扭曲變形和錯邊變形等，見圖5-2所示。角變形、錯邊變形、波浪變形大多數(shù)情況下產(chǎn)生于焊接結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域。
一般說來，構(gòu)件焊后有可能同時產(chǎn)生上述幾種變形，只是變形程度各不相同。如圖中5-2c所示的丁字梁，焊后產(chǎn)生彎曲變形最明顯，其次是角變形。此外，還發(fā)生了梁總長縮短和水平板寬度變窄的變形。如果鋼板很薄，還可能產(chǎn)生波浪變形；操作不當(dāng)，就會發(fā)生扭曲變形等。
(2)焊接應(yīng)力
焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力、焊接應(yīng)力也是從焊接一開始就產(chǎn)生，并且隨著焊接的進(jìn)行而不斷地改變它在構(gòu)件中的分布。按應(yīng)力作用時間的不同，焊接應(yīng)力可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接瞬時應(yīng)力，是指焊接過程中某一瞬時的焊接應(yīng)力，它隨時間而變化。焊件冷去J后，殘留于焊件內(nèi)的應(yīng)力叫焊接殘余應(yīng)力，這種應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的使用性能有影響。此外，金屬在加熱或冷卻過程中局部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變(如馬氏體相變)會引起組織應(yīng)力，又叫相變應(yīng)力。上述這些應(yīng)力，都是在沒有外力作用下產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。焊接時，如果焊件在發(fā)生變形的過程中受到外界的限制，例如在夾具夾緊情況下進(jìn)行焊接，則在焊件中產(chǎn)生拘束應(yīng)力，這種應(yīng)力將隨著限制的去除而消失。過大的拘束應(yīng)力會引起焊接裂紋。
焊 上的焊接應(yīng)力分布可以用應(yīng)力圖來表示。圖5-3所示為直接畫在焊件所要研究的截面上的應(yīng)力圖。圖5-3a表示縱向的焊接殘余內(nèi)應(yīng)力在磺截面1-1上的分布，內(nèi)應(yīng)力在垂直該應(yīng)力的整個截面上，應(yīng)該是平衡的，有拉也有壓，合力等于零。圖中有“田”符號的為拉應(yīng)力，右“日”者為壓應(yīng)力。圖中a點的拉應(yīng)力最大，它等于該材料的屈服強(qiáng)度o,b點的應(yīng)力為零，e點為壓應(yīng)力最大的地方。整條曲線就代表了截面上各點應(yīng)力的大小與分布情況。圖b是2-2截面上橫向的焊接殘余內(nèi)應(yīng)力分布·其中間部分為壓應(yīng)力，兩端為拉應(yīng)力。
5.1.3焊接變形與應(yīng)力產(chǎn)生的原因
產(chǎn)生焊接變形與應(yīng)力最根本的原因是焊件受熱或冷卻不均勻，焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性也是產(chǎn)生或影響焊接變形與應(yīng)力的重要原因。
(1)焊件的不均勻受熱
焊件的焊接是一種局部加熱和冷卻的過
程。圖5-4為平板沿中心線堆焊時的溫度場。焊接熱源相當(dāng)于一個“點熱源”,加熱點的溫度很高，能量密度很人，焊接時，加熱升溫速度很快，一般僅僅需要很短時間(百分之兒秒，或零點幾秒)就把加熱點從常溫加熱到熔融狀態(tài)。由于加熱速度很快，來不及導(dǎo)熱，造成溫度梯度很高，溫差很大，焊件上的溫度分布極不均勻，焊縫及其附近區(qū)域被加熱到熔化狀態(tài)或接近熔點，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度卻較低，
仍是常溫，是冷金屬。周圍冷金屬對加熱點金屬的熱膨脹有著很強(qiáng)的拘束作用，阻礙其自由膨脹。冷卻收縮時，先冷金屬對后冷金屬的收縮也有著很強(qiáng)的拘束作用，限制其自由收縮。由于焊件上各點的受熱膨脹與冷卻收縮不一致，故使焊件上存在復(fù)雜的應(yīng)力與變形。
對焊件進(jìn)行不均勻加熱和冷卻能引起焊接應(yīng)力與變形的原因，可通過以下分析來說明：
如圖5-5所示，我們可以把加熱點看作鋼板中一個半徑為r的小圓柱體。如果這小圓柱體足一個獨立的，不受任何拘束的自由變形體，則當(dāng)它被加熱升溫時，它在上下左右前后各個方向，都有自由膨脹增高變粗的趨勢。若假設(shè)小圓杜半徑r因溫度升高而產(chǎn)生膨脹變形
△r(△r為自由溫度變形),則△r =α△tr,即
自由溫度變形△r等于該物體(小圓柱)的線膨脹系數(shù)α乘以升高的溫度△t,再乘以相應(yīng)的長度r。小圓柱的半徑膨脹為r+△r。
實際上，小圓柱體只是整個鋼板的一個小部分，因受到周圍未被加墊的冷金屬的拘束，而不能向四周自由膨脹。小圓柱體要膨脹，周圍冷金屬不讓它膨脹，它們相鄰的圓柱形接觸面之間就存在著相互作用力(即內(nèi)應(yīng)力)、自
山溫度變形△r因受周圍冷金屬的拘束，被擠壓回去，顯得瘦長，半徑方向的升溫膨脹，僅表現(xiàn)為一種變形趨勢(即內(nèi)部變形)。若小圓柱體溫升不大，則這內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部變形都足彈性的，在彈性范圍內(nèi)，溫度恢復(fù)均衡時，彈性變形恢復(fù)，彈性內(nèi)應(yīng)力也消失。
△r
二
圖5-5點熱源加熱點自由溫度變形圖
焊接過程的溫升非常高，受熱升溫的金屬具有固體、液體體積不能壓縮的特點，僅能產(chǎn)生微量的彈性變形。受熱升溫的小圓柱體不能向四周膨脹，必然向圓柱體變形阻力較小的上下自由表面方向產(chǎn)生塑性流動。即小圓柱體受熱升溫膨脹時，在四周半徑方向上受擠壓內(nèi)應(yīng)力作用，當(dāng)圓柱面上的擠壓內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限時，產(chǎn)生壓縮塑性變形。小圓柱體冷卻收縮也受拘束，冷卻后小圓柱體中承受的殘余拉應(yīng)力能夠達(dá)到材料的屈服極限。
這種分析是很容易證明的。取一塊不大的薄鋼板，如200mm×200mm×(4～8)mm,如圖5-6所示，劃上中心線，在中心兩側(cè)對稱位置，相距50mm的地方，用沖頭打上若干對標(biāo)記。然后，用氣體火焰槍，沿鋼板中心線，從鋼板一端加熱到另一端。移槍速度不宜太快或太慢，以加熱點不熔化，僅保持暗紅色(約600℃)為宜。每加熱一次，觀測一次，不難發(fā)現(xiàn)中心線兩側(cè)標(biāo)記間的距離被逐漸拉近。這是因為，我們沿中心線從頭加熱到尾，橫向壓縮塑性變形在隨后的冷卻收縮中表現(xiàn)出來，拉著鋼板向中心線靠攏，產(chǎn)生橫向收縮。阿時，中心線部位的鋼板厚度也相應(yīng)增加。這些都是鋼板受熱升溫膨脹不自由，產(chǎn)生壓縮塑性變形，向中心線厚度方向流動的具體表現(xiàn)。
我們還可以看到，鋼板發(fā)生了角變形，這是由于鋼板上下表面受熱量不同，因而鋼板上：下部位受到的壓縮塑性變形量也不同造成的.由觀測結(jié)果可知，標(biāo)記之間的縱向收縮變形量很小。焊縫縱向收縮變形很小的原因在于，沿焊道加熱，只有焊道區(qū)域有縱向收縮趨勢，兩側(cè)大面積冷金屬與焊道是一個整體，它們對焊縫區(qū)域金屬的縱向冷卻收縮有很強(qiáng)的阻止拉伸作用，使焊縫區(qū)域的縱向殘余拉伸應(yīng)力很高，一般都接近或達(dá)到材料的屈服極限。
焊縫區(qū)金屬(特別是焊縫附近的金屬)的尺寸，在焊接后將會縮小這一現(xiàn)象，也可以借助以下三組試驗的結(jié)果加以解釋。
圖5-7中5-7a、5-7b、5-7c分別為三個試驗過程示意圖。試驗用試件為同一長度的碳鋼棒。試驗時采用均勻加熱和冷卻，加熱溫度為900℃。
從圖5-7a所示的試驗過程可看出，鋼棒在自由狀態(tài)下加熱發(fā)生自由膨脹(伸長),隨后冷卻時發(fā)生自由收縮(縮短),冷卻到室溫后，鋼棒又回復(fù)原來的長度，沒有發(fā)生伸長和縮短。
圖5-7b為鋼棒加熱到900℃后，立即用壓力機(jī)把其加熱自由伸長的部分壓縮回去，當(dāng)自由冷卻到室溫后，其長度就縮短了。這就像鋼材加熱到紅熱狀態(tài)時進(jìn)行鍛造-樣，發(fā)生了熱壓鐓粗塑性變形，冷卻后長度要發(fā)生縮短。
圖5-7c所示的試驗過程不同于5-7b,但結(jié)果相同。試驗鋼棒在加熱發(fā)生自由伸長時就受到阻礙，在加熱過程中熱伸長都被一點一點地?zé)釅虹叴至?圖中虛線所示)。因加熱溫度達(dá)900℃,金屬早巳失去彈性，所以被熱壓鐓粗的變形顯然也屬塑性變形，結(jié)果金屬棒縮短。金屬在加熱過程中發(fā)生過壓縮塑性變形的，冷卻后它一定發(fā)生縮短的變形。
恢復(fù)原狀銅棒熱自由伸長室溫加熱冷去J室溫
a)
熱自由伸長熱玉縮餓縮短變粗粗塑變室溫加熱冷卻室溫
b)
熱壓縮鐓粗塑變縮短室溫加熱冷卻室溫
c)
圖5-7金屬棒在均勻加熱和冷卻時的變形
焊接加熱過程可以認(rèn)為和圖5-7c所示的過程相似，焊接區(qū)的金屬在熱作用下的熱自由膨脹受到周圍未被加熱金屬的阻礙而發(fā)生壓縮塑性變形，所以焊后冷卻時，這一區(qū)域的金屬必然有收縮變短的趨勢。但是焊縫區(qū)金屬的收縮過程是不自由的，收縮又要受到周圍未被加熱金屬的牽制而產(chǎn)生拉伸塑性變形和拉應(yīng)力，所以整個試件在寬度、長度尺寸上產(chǎn)生縮小的同時，內(nèi)部還產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，而且在焊縫區(qū)域產(chǎn)生的縱向應(yīng)力通常都是拉伸應(yīng)力。
(2)焊縫金屬的收縮
焊縫金屬包括熔化的母材和填充金屬，甚至包括焊縫兩側(cè)力學(xué)熔點以上的固態(tài)母材金屬，它們均處于全塑性狀態(tài)。金屬在力學(xué)熔點以上溫度的加熱和冷卻過程中，只有自身的塑性變形，對周圍金屬并無推力和拉動作用。這部分金屬可稱為廣義的焊縫金屬，它們與母材是緊密聯(lián)系在--起的，因此，這部分金屬在力學(xué)熔點以下是不能自由收縮的。焊縫金屬的冷卻收縮將引起整個焊件的變形，同時在焊件中引起殘余應(yīng)力。另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要影響后結(jié)晶部分的收縮，改變焊接應(yīng)力與變形的大小和分布。
(3)金屬組織的變化
有些金屬在固態(tài)下有相變過程。例如鋼，在固態(tài)下會隨著溫度的變化而發(fā)生組織的變化。焊縫金屬在周圍冷金屬的包圍中，冷卻速度極快。如高強(qiáng)鋼焊接時，焊縫金屬像被淬火一樣，來不及相變，直到較低溫度下，才從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，比容明顯增大，這不但可能抵消焊接時產(chǎn)生的部分壓縮塑性變形，減小殘余拉應(yīng)力，甚至可能使焊縫區(qū)出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力。力學(xué)熔點以下溫度的相變才會影響殘余應(yīng)力及變形。
(4)焊件的剛性和拘束
焊件的剛性和拘束越大，焊接過程中及焊后冷卻過程中的變形越小，焊接殘余變形也越小。但是，由于剛性拘束大，焊件在加熱過程
中就不能較自由的變形，焊件內(nèi)的壓縮塑性變形就較大；隨后的冷卻過程不自由，會導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的增大，出此可知，焊件的剛性和拘束與焊接應(yīng)力、焊接變形有密切的關(guān)系。焊件的剛度和拘束越人，焊接變形就越小、焊接應(yīng)力則越大；反之，焊件的剛度和拘束越小，焊接變形就越大，焊接應(yīng)力則越小。
由以上分析可見，焊接應(yīng)力變形產(chǎn)生的根源是焊接受熱不均，膨脹不自由，因而產(chǎn)生不均勻壓縮塑性變形所造成的。這種壓縮塑性變形在隨后的冷卻收縮過程中，如果工件板面較窄，厚度較薄，收縮阻礙較小，就表現(xiàn)為焊縫寬度、長度方向的收縮變形。否則，如果板面較寬，厚度較大，焊縫縱向的冷卻收縮受到兩側(cè)冷金屬的較大阻礙，就會對冷卻收縮的金屬產(chǎn)生拉伸作用，并在工件中殘留較大的殘余內(nèi)應(yīng)力。如果整個焊接結(jié)構(gòu)的剛度較大，例如結(jié)構(gòu)艙壁上的封閉焊縫，焊縫的橫向收縮也受到很大限制，則在這些焊接結(jié)構(gòu)中還將殘留巨大的拘束應(yīng)力。采用合理的工藝手段，使焊接收縮比較自由的進(jìn)行，或讓這些收縮效果互相抵消，或消除于焊接過程之中，就可以使焊接應(yīng)力變形都比較小。近年來，焊接界的科學(xué)研究工作者，在“低應(yīng)力少變形無熱裂自動焊接技術(shù)”方面，進(jìn)行了大量的研究工作，有些成果已逐步用于焊接生產(chǎn)。
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