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焊接残余应力及分布
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:3/27/2007 阅读:45267

 

 

 

焊接残余应力及分布

 

 

1  焊接残余应力

残余应力可以通过理论分析、数值计算和实际测量加以确定。本节主要介绍焊接后残存在常用焊接接头中的应力分布情况。为了便于分析,平行焊缝轴线方向的应力称纵向残余应力σx,垂直焊缝轴线的应力为横向残余应力σy,厚度方向的残余应力为σz。在厚度小于20mm的对接接头结构中,厚度方向σz应力较小,可以不计,焊接残余应力基本是沿两个方向即板件的长和宽。

1.1  纵向应力

1所示为低碳钢板件熔化焊对接接头残余应力分布,从图中看出,沿焊缝x轴方向应力分布不完全相同,焊缝的中间区域,纵向应力为拉应力,其数值可达到材料的屈服点,在板件两端,拉应力逐渐减小至自由边界σx0OO截面)。靠近自由端面-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ截面的σx<σs。随着截面离开自由端距离的增大,σx逐渐趋近于σs,板件两端都存在一个残余应力过渡区。在Ⅲ-Ⅲ截面σx=σs,此区为残余应力稳定区。图2所示为三种长度堆焊焊缝的纵向残余应力在缝横截面上的分布情况。由图中看出,随着焊缝的长度增加稳定区也增长,当焊缝的长度较短时无稳定区,则σx<σs。焊缝越短σx越小。

 

不同成分的板材纵向应力分布规律基本相同,但由于热物理性能和力学性能不同,其残余应力大小不尽相同。如钛材焊缝中的纵向应力一般为板件材料屈服极限的0.50.8倍,铝材焊缝为0.60.8倍。

焊接对接圆筒环焊缝的纵向残余应力(切向应力)分布如图3所示。它的残余应力分布不同于平板对接,其σx的大小与圆筒直径、壁厚、圆筒化学成分和压缩塑性变形区的宽度有关。如圆筒直径与壁厚之比较大时,σx的分布和平板对接相似,当直径比较小时σx就有所降低。如直径为1200mm,壁厚为6mm的低碳钢圆筒,环缝中的σx210N/mm2,而直径为384mm,壁厚也为6mm的圆筒环焊缝中的σx115N/mm2

T形接头的应力分布较对接接头复杂。图4所示为T形接头不开坡口角焊缝纵向残余应力分布的情况。图中看出,当翼板厚度δ与腹板h之比较小时,腹板中的纵向残余应力分布相似于板边堆焊,如图4(a)所示,比值较大时与等宽板对接焊时情况相似〔见图4(b)〕。

1.2  横向应力

平板对接焊缝中横向残余应力σy垂直于焊缝,它的分布与纵向应力σx的分布规律不同。横向残余应力σy有两部分组成,一部分是由焊缝及其附近塑性区的纵向收缩引起的横向应力σy,另一部分是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩所引起的横向应力σy

5(a)所示为两块平板对接的板件,图中表示连接后室温板件的应力分布。板件中间受拉,两侧受压。如果假想沿焊缝中心将板件一分为二,就相当于板边堆焊,有焊缝一边产生压缩变形,无焊缝一边出现伸长变形〔见图5(b)〕,要使两块板件恢复原来位置,应在两端加上横向拉应力。由此推断,焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩会使用板件两端存在着压应力,而中心部位存在着拉应力〔见图5(c)〕。同时两端压应力的最大值要比拉应力的值大得多。图6所示为不同长度的焊缝其σy的分布规律,只是长焊缝中部的拉应力将有所降低,其他的基本相同。

 

焊缝的横向应力分布还与焊接速度、焊接方向和顺序等有关。长焊缝平板对接,焊接速度很慢,在引弧端会产生高值的横向拉伸残余应力,而在焊缝中部为压应力。由此看出,慢焊速平板对接焊缝的横向应力分布图形的正负符号,与短板快速焊时图6所示的符号相反。

不同焊接方向σy的分布规律也不相同。一条焊缝如果不能同时完成,先焊部分先冷却,后焊部分后冷却。先冷却的焊缝限制后冷却焊缝限制后冷却焊缝的横向收缩。这种相互制约构成了横向应力σy。此外,一条焊缝从中间分成两段焊时,先焊的焊缝部分受压,后焊的焊缝部分受拉(见图7,图中箭头表示焊接方向),直通焊的尾部σy受拉。分段焊法的σy有多次正负反复,拉应力峰值往往高于直通焊。

从以上分析可知,横向应力应σy和σy和σy组合而成。从减小总横向应力σy来看,应合理地选用不同的分段和不同的焊接方向。

1.3  厚板中的残余应力

8所示为厚板对接多层焊模型的横向残余应力分布情况。图8(a)中间为填充材料,随着填充材料厚度的增加,横向收缩应力σy也沿z轴向上移动,并在已填充的坡口的纵截面上引起应力。若板材在焊接中可自由变形,即板边在无拘束的情况下,随着坡口填充层的增加,产生急剧的角收缩,导致横向残余应力在焊根部位为高值拉应力,如图8(b)所示。相反,厚板根部如果采用刚性约束,则发生图8(c)所示的根部为高值横向残余压应力。

前面已述,厚板结构中除了存在纵向和横向应力之外,还存在着较大的厚度方向的残余应力σz。这三个方向的残余应力在厚度方向上的分布很不均匀。其分布与焊接工艺有直接的关系。

9所示材料为低碳钢,在图中的技术条件下,焊后焊缝根部σy的值极高,大大超过了材料的屈服强度σs,产生这种情况的原因是,多层焊时每焊一层一道都会使焊接接头产生一次角变形,在根部引起一次拉伸塑性变形。数次塑性变形的积累,使根部金属发生硬化,应力不断上升,严重时会导致焊缝根部开裂。焊接时,如果限制焊缝的角变形,则根部可能出现压应力。

1.4  管板焊接的残余应力分布

封闭焊缝如管道接管、人孔法兰、镶块,在船舶、换热器、锅炉、压力容器、壳体等结构上经常会使用。这些焊缝是封闭的,拘束度大,因此焊接残余应力比自由状态下焊接大。图10所示为封闭焊缝的残余应力,图中曲线表明内板部位是一个均匀的双轴拉应力区,即径向应力σr等于切向应力σθ;径向应力σr和切向应力σθ均为拉应力,在焊缝附近的切向拉应力为最大;焊缝外侧拉应力逐渐下降,切向应力变为压应力。残余应力值的大小和分布规律与镶入体本身的刚度和圆形封闭焊缝的半径R有直接关系。当R趋于零时,则为点状加热时的残余应力场。当R逐渐增大时,切向应力和径向应力曲线也做相应的变形。当R→∞时,圆形封闭焊缝近似直线焊缝,径向应力则变为沿焊缝方向的纵向应力,切向应力则是垂直于焊缝方向的横向应力。

1.5  工字梁中的残余应力

梁、柱、工字梁是在框架结构、起重设备、钢结构厂房框架等中用来承受载荷的。它的加工方法不同残余应力分布也不同。图11所示为低碳钢焊接工字梁中的纵向焊接残余应力分布情况。由图中看出,在腹板的中间部位是压应力区,而且压应力的数值也较高〔见图11(a)〕。在腹板的两端焊缝处和上、下冀板焊缝周围以及板边主要产生的都是残余拉应力,并且腹板和冀板周围拉应力重叠。如果冀板采用火焰切割,焊接后在冀板边缘仍保留有火焰切割所产生的残余拉伸应力〔见图11(b)〕。因此,火焰切割下料的冀板边的残余应力与其他方法切割不同。

1.6  拘束状态下焊缝的残余应力分布

焊缝在钢结构中处于拘束状态有时是不可避免的。拘束状态下焊缝的残余应力与自由状态不同,拘束状态下的焊缝在加热和冷却过程中均受到周围焊缝的约束,既不能自由伸长也不能自由缩短,使焊缝的残余应力分布发生了一些变化。图12所示为一个封闭试板框架,在焊接中间焊缝时受到框架本身结构的约束,其焊接内应力将出现附加的横向应力σf,这部分应力并不在中间杆件内平衡,而在整个框架上平衡,为此称为反作用内应力。反作用内应力σf与σy相叠加(见图右侧σy+σf沿焊缝长度分布情况)形成一个以拉应力为主的横向内应力分布区。

2  残余应力对结构的影响

熔化焊必然会带来焊接残余应力,焊接残余应力在钢结构中并非都是有害的。根据钢结构在工作中的受力情况、使用的材料、不同的结构设计等,正确选择焊接工艺,将不利的因素变为有利的因素。同时要做到具体情况具体分析。

2.1  对静载强度的影响

正常情况下,平板对接直通焊(见图7)焊接纵向残余应力分布,中间部分为拉应力,两侧为压应力。焊件在外拉应力F的作用下,焊件内部的应力分布将发生变化,焊件两侧受压应力会随着拉应力F的增加,压应力逐渐减小而转变为拉应力,而焊件中的拉应力与外力叠加。如果焊件是塑性材料,当叠加力达到材料的屈服点时,局部会发生塑性变形,在这一区域应力不会再增加,通过塑性变形焊件截面的应力可以达到均匀化。因此,塑性良好的金属材料,焊接残余应力的存在并不影响焊接结构的静载强度。在塑性差的焊件上,因塑性变形困难,当残余应力峰值达到材料的抗拉强度时,局部首先发生开裂,最后导致钢结构整体破坏。由此可知,焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料钢结构的静载强度。

2.2  对构件加工尺寸精度的影响

对尺寸精度要求高的焊接结构,焊后一般都采用切削加工来保证构件的技术条件和装配精度。通过切削加工把一部分材料从构件上去除,使截面积相应减小,同时也释放了部分残余应力,使构件中原有残余应力的平衡得到破坏,引起构件变形。如图13T形焊件上切削腹板上表面,切削后去除压板,T形焊件就会失稳产生上挠变形,影响T形焊件的精度。为防止因切削加工产生的精度下降,对精度要求高的焊件,在切削加工前应对焊件先进行消除应力退火,再进行切削加工,也可采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残余应力和变形。

2.3  对受压杆件稳定性的影响

焊接后工字梁(H形)中的残余压应力和外载引起的压应力叠加之和达到材料的屈服点时,这部分截面就丧失进一步承受外载的能力,削弱了有效霰面积。这种压力的存在,会使工字梁的稳定性明显下降,使局部或整体失稳,产生变形。

焊接残余应力对杆件稳定性的影响大小,与内应力的分布有关。图14所示为H形焊接杆件的应力分布。如果H形杆件中的冀板采用火焰切割,或者冀板由几块叠焊起来的则可能在冀板边缘产生拉伸应力,其失稳临界应力比一般焊接的H形截面高。

2.4  对应力腐蚀裂纹的影响

金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生的延迟开裂现象,称为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和拉应力共同作用的结果。

采用熔化焊焊接的构件,焊接残余应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀介质中,尽管拉应力不一定很高都会产生应力腐蚀开裂。其中残余拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响,当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加后的拉应力值越高,产生应力腐蚀裂纹的倾向就高,发生应力腐蚀开裂的时间就越短。所以,在腐蚀介质中服役的焊件,首先要选择抗介质腐蚀性能好的材料,此外对钢结构的焊缝及其周围处进行锤击,使焊缝延展开,消除焊接残余应力。对条件允许焊接加工的钢结构,在使用前进行消除应力退火等。

3  焊接变形及其对钢结构的影响

设计的钢结构首先要实用、安全、经济美观。焊接成形的钢结构必须满足设计要求,表面平整无凸凹不平现象,整体上平整顺直无弯曲扭斜。

多数钢结构的部件经焊接成形后,都采用螺栓、螺钉、铆钉等连接组装在一起,或通过压板与其他构件进行拼接。如果焊接使构件发生变形、表面凸凹不平、构件发生弯曲扭斜等,组装时很难将拼接件贴紧,变形量超过某一数值时,拼接很难进行甚至不能拼接。钢结构整体如果产生扭曲变形,就会降低承载能力、降低使用寿命,甚至不能使用。例如两个正方体箱形框架进行组装,其中有一个发生扭曲变形,其形状由原来的正方体变成棱形体,整个端面发生转动,被拼接的正方体箱形框架之间,就很难使横竖梁之间的孔相互对应进行组装,由此需进行返修或报废。

对采用螺栓进行连接的焊接构件,要充分考虑到因焊接、切割热过程引起的纵向、横向收缩使构件发生缩短现象,如果事先未预留收缩量,会造成钢结构整体缩短难以组装。所以,对外形尺寸、整体精度、孔连接要求高的组装件,必须考虑热收缩带来的不利影响。

变形会降低构件的承载能力。如H形钢发生挠曲变形在承受竖向载荷时,当承受的载荷小于发生挠曲变形的某一强度值时,H形钢牌稳定状态。当竖向载荷大于某一强度值时,H形钢则向凹的方向弯曲,甚至发生扭转,使H形钢丧失稳定性而失去继续承载的能力。如果H形钢发生的变形较小,或控制在技术要求的范围内,则其承载能力损失应会大大减小。

变形可使受力状态发生改变,进而导致结构的破坏。图15所示为两块厚度不同的金属板材进行搭接焊,由于加热、收缩使较薄的板材发生了局部凸起,而厚板则基本未发生变形。此时在外载荷的作用下,焊缝1承受的载荷远远大于焊缝2,使焊缝1超载,造成搭接接头单边超载而过早地使整个构件破坏。变形会使钢结构承载能力下降。

变形会影响钢结构的正常使用。如桥式、门式起重机的变形会引起车轮啃道、滑坡、打滑、电机烧损甚至掉道。桥梁发生变形车辆在桥上运行会使车辆左右摇摆,上下颠簸甚至倾覆等。

此外,变形会浪费工时、增加生产周期,或矫正变形过程中使构件产生加工硬化。如果采用加热矫正,往往使构件内部组织变的粗大,降低构件的承载能力。

 

 

 

 
 
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