焊接應(yīng)力和變形的基本原理
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一、焊接溫度場
焊接溫度場是指在焊接熱源的作用下,焊件每一點(diǎn)的溫度分的綜合狀況可以將相同溫度的各點(diǎn)連線形成等溫線,不同溫度的等溫線綜合起來,可形象的表示溫度場溫度場沿?zé)嵩匆苿?dòng)方向等溫線分布不對(duì)稱于熱熱源前面溫度場的等溫線密集,溫度梯度大,熱源后面等溫線稀疏,溫度梯度小,即溫度下降較慢不均勻的溫度分布使得焊接接頭在加熱冷卻過程中產(chǎn)生了不同應(yīng)變和應(yīng)力,不僅如此,在加熱冷卻過程中,金屬還會(huì)發(fā)生顯微組織的轉(zhuǎn)變,溫度場不僅直接通過熱應(yīng)變,而且還間接通過隨金屬狀態(tài)和顯微組織變化引起的相變、應(yīng)變決定焊接殘余應(yīng)力
二、金屬桿件在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力和變形
焊接是一個(gè)不均勻的加熱過程,焊接接頭各部位加熱和冷卻時(shí)尺寸變化和組織變化各不相同,比較復(fù)雜,為了更好地理解焊接應(yīng)力變形的基本概念,現(xiàn)以一根金屬桿在加熱、冷卻過程中的四種狀態(tài)來進(jìn)行討論
1.金屬桿件處于自由延伸一自由收縮狀態(tài),如圖4-a,鋼棒被加熱而自由延伸在冷卻時(shí)又自由收縮而恢復(fù)到原始長度,在整個(gè)過程中不存在延伸阻力和收縮阻力,因此在鋼棒內(nèi)不存在內(nèi)應(yīng)力也無最終尺寸變化
2.金屬桿件處于自由延伸一限制收縮狀態(tài),如圖4-1b,鋼棒被加熱時(shí)自由延伸而在冷卻時(shí)其收縮卻受到限制,這樣冷卻后在鋼棒內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力大于該材
料的抗拉強(qiáng)度時(shí),導(dǎo)致鋼棒斷裂
3.金屬桿件處于限制延伸一自由收縮狀態(tài),如圖lc.鋼棒受熱時(shí)不能自由延而產(chǎn)生壓應(yīng)力:隨著加熱溫度的提高,屆服極限隨之下降,并導(dǎo)致“鍛粗”,隨之壓應(yīng)力下降,在冷卻時(shí)對(duì)收縮沒有限制,“鍛粗部位又不能恢復(fù)原態(tài),故鋼棒將縮短,不存在殘余應(yīng)力
4.金屬桿件處于限制延伸一限制收縮狀態(tài),如圖4-1d,加熱時(shí)鋼棒的延伸受到限制,產(chǎn)生壓應(yīng)力隨著溫度的增加,鋼棒的屈服極限下降,直至產(chǎn)生“粗”隨之壓應(yīng)力減小,在冷卻時(shí),鋼棒的收縮受到限制,導(dǎo)致在鋼棒內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力(收縮應(yīng)力)
三、不均勻加熱及焊接過程引起的應(yīng)力和變形
假設(shè)有一塊鋼板,如圖4-2,它是由許多可以自由伸縮的小板條組成。若在鋼板的一側(cè)加熱,由于是不均勻加熱,距加熱邊越遠(yuǎn)的小板條受熱溫度越低由于金屬受熱時(shí)的伸長量與溫度成正比,因此,它們的伸長將相似于溫度分布曲線的形狀(圖中的虛線)
這是理論伸長曲線,但是事實(shí)上所假設(shè)的無數(shù)小板條是互相結(jié)合互相牽制的因此溫度高、伸長量大的板條要受到溫度低、伸長量小的板條壓縮:而溫度低,伸長小的要受到溫度高、伸長量大的板條的拉伸,故實(shí)際上鋼板加熱時(shí)伸長的情況為圖中實(shí)線所示。這種不均勻加熱溫度超過某一值時(shí),在實(shí)際的變形中就有塑性變形。
鋼板在冷卻時(shí),互相牽制的小板條都在收縮,其中原來溫度高被“壓縮”的小板條的伸長量大,在冷卻時(shí)的收縮也較大,其余部分逐次減小(圖中的虛線)這是理論收縮曲線,但是事實(shí)上所假設(shè)的無數(shù)小板條是互相結(jié)合,互相牽制的,結(jié)果出現(xiàn)如圖所示的實(shí)際變形情況,由于收縮在受拘束的狀況下進(jìn)行,所以鋼板在冷卻后,原來溫度高的分產(chǎn)生拉應(yīng)力,溫度低的部分產(chǎn)生壓應(yīng)力事實(shí)上,上述單邊加熱的鋼板,除了加熱達(dá)的縱向縮短外,還會(huì)有彎曲變形的存在焊接應(yīng)力和變形與上述不均勻溫度場引起的應(yīng)力和變形的基本規(guī)律是一致的但是前者更為復(fù)雜,其復(fù)雜性首先表現(xiàn)在焊接時(shí)的溫度變化范圍,比前面分析的情況要大得多在焊縫上最高溫度可達(dá)到材料的沸騰點(diǎn)而離開熱源溫度急劇下降直至室溫此外,金屬在高溫下性能和組織發(fā)生變化
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