焊接应力与变形

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屈 服 极 限 假随 定温 度 变 化 的
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二、金属杆件的应力与变形的演 变过程
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第一节
焊接应力和变形的 形成过程
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一、内应力与内部变形的 基本概念
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1 内应力的基本概念

在没有外力的条件下，平衡 于物体内部的应力。其主要特点 是在物体内部构成平衡的力学系 统，即内力之和与内力矩之和为 零。
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2．长板条边缘加热（非对称加热）
1)温度场: 典型的非对称温度场 2)变形分析： 内应力，需满足条件：
高温侧：ε ＝ε e－ε T＜0，受压; 中间： ε ＝ε e－ε T＞0，受拉; 低温侧：ε ＝ε e－ε T＜0， 受压
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内应力在弹性体内构成一 平衡体系
即：
dA 0
A
dM 0
A
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焊接应力与变形
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主要内容：
阐述内应力及其产生的机理， 分析在焊接条件下应力与变形的 产生、演变的过程。在此基础上 对焊接残余应力与变形的分布规 律、它们对焊接结构性能的影响 以及控制、消除焊接残余应力与 变形的方法进行全面的介绍 .
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1. 分析方法：取金属处于塑性状态的区域最 宽的截面作为起点，来逐步求得各区域的变 形，最后求出焊件冷却后的残余和残余变形。
即：1)冷却过程：高温区→低温区 2)起点：塑性状态的区域最宽 的 横截面. 取四个截面： 截面 特征 截面Ⅰ 600℃最宽处 Ⅱ 600℃刚结束 Ⅲ ＜500℃ Ⅳ 室温,T＝0
加热：s2=-Ee s1=s3=Eee s2=2s1 因为T<Ts= 100º C, e< es 冷却： e，s均为0 加热： s2=-Ees’ s2=s3=1/2s2 冷却： s2=-Ees’ s1+s3=s2 L0 L0’ 加热： T<500º C过程同上。 T=500º C600º C，ss呈直线 下降，-ep, T>600º C时，ss=0,e=ep 冷却： Tmax 600º C,拉伸塑变， s=0 500º C600º C，弹性恢复； T=500º C时，ss达到最大； T500º C时， ss不变； 至室温，s2=Ees,e=es
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T<500º C
加热： σ 2=-E ε s’ σ 2= σ 3=1/2 σ 2 冷却： σ 2=-E ε s σ 1+ σ 3= σ 2 L0 L0’
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离热源距离 V t1 V t2 V t3 V t4
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2. 内应力产生的原因

图1
＋ --
图1-28金属框架
图1-47
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材料学院焊接研究中心内源自力产生的原因很多如焊接、轧制、铸造和锻压等热 加工过程；剪切、弯曲、磨削等 冷加工过程和其它的机械加工过 程
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内应力按其产生原因可分为温度 应力和残余应力等几种：
(二) 残余应力

如果不均匀温度场所造成的内应力达到材 料的屈服限，使局部区域产生塑性变形。 当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生 新的内应力。这种内应力是温度均匀后残 存在物体中的，故称之为残余应力。
三板条模型
等长、等宽、等 厚； 相互绝热，力学 上联系在一起； 单独加热2板条。

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材料学院焊接研究中心 T<100º C
加热：σ 2=-Eε σ 1= σ 3=E εe σ 2=2 σ 1 因为T<Ts= 100º C, 所以， ε< ε s（处于 弹性）。 冷却： ε ，σ均为0
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1)受拘束低碳钢棒加热及冷却过程中的 应力和变形 | |<s
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2)受拘束低碳钢棒加热及冷却过程中的 应力和变形 | |>s
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4.自由变形、外观变形和内部变形
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1）自由变形
物体在某些因素（温度等）的作用 下，如果没有受到外界的任何阻碍而自 由进行的变形称为自由变形。单位长度 上的自由变形，称为自由变形率，用T 表示。
1) 温度场：对端面中心对称的不均匀温度场 T = f(x) 2)变形分析：取单位长度来分析其变形与应力： 假设：T0=0，△T=T ε T：ε T＝α T＝α f (x) ε e： a.由平截面假设，变形时截面保持平面; b.温度场对称，端面只作平移，ε e为常数。 ε ：ε ＝ε e－ε T 可见：板条中心ε ＜0, 受压； 两侧ε ＞0，受拉。
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T>600º C
加热：
T<500º C过程同上。 T=500º C600º C，
σ s呈直线下降，- ε p,
T>600º C时， 冷却： Tmax 600º C,拉伸塑变，
σ s=0, ε = ε p
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2）外观变形
物体的自由变形受到外界的阻碍而
只能部分表现出来的变形部分称为 外观变形。单位长度上的外观变形 称为外观变形率，用 e表示。
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3）内部变形

物体的自由变形变形受到外界 的阻碍而没有表现出来的变形部分 称为内部变形。单位长度上的内部 变形称为内部变形率，用 表示。
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5.研究热应力和热变形的几个假定
1.平截面假定； 2.金属加热时，其物理性能不变； 3.理想的弹塑性假定； 4.屈服极限随温度变化的假定；
截面Ⅰ: ε 、σ ： ε T＝α T，ε e＞0 变形ε 应力σ AB区: ε ＝ε e－α T＞0 σ ＞0 BC区: ε ＝ε e－α T＜0， σ ＜0 │ε │＜│ε s│ C-D区: ε 弹＝ε s (压）＜0 σ ＝σ s (压）＜0 ε p＝ε e－α T－ε s(压）＜0 D-E区: ε 弹＝ε s(压）＜0 ↓ σ ＝σ s (压）＜0 ε p＜0, │ε p│↑, │σ │↓ E-O区: ε p＝ε e－α T＜0 │ε p│↑(压塑变) 0 综合：中间受压，两侧受拉，C-C' 区内，金 属发生了压缩塑性变形
应变图
T<100º C
T<500º C
T>600º C
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三、焊接过程中应力和变形的形成
（一）焊接热过程的特点 1．加热的局部性 2．热源的移动性
3．极高的加热速度和冷却速度
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（二）长板条加热模型
1.长板条中心加热
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