【哈爾濱工業大學】《焊接結構學》精品課 P36 - 37. 37 焊接應力與變形（十一）

關於後板中的殘餘力 那麼對於前面那個板呢 這個板材的厚度也是比較厚的 那麼這裏邊呢 大家對於這個後板中殘餘力的分佈的時候呢 和我們在焊薄板的時候的區別在哪 就焊薄板的時候 我們認爲這個在板材的厚度方向上沒有硬力分佈 對吧 在板材的厚度方向沒有硬力分佈 那麼對於這個板材 如果一旦它這個厚度增加了一定程度的時候 它這個焊縫在縱向上 它也會在這個厚度方向也會產生收縮 對吧 也會產生相應的這個拘束作用 那這個時候呢 它在厚度方向也是有硬力的作用的 只不過呢 這時候我們可以看一下對比分析一下 那這個上面的是這個橫向硬力的分佈 那這個呢 是這個厚度方向的硬力分佈 那這個呢 是縱向硬力分佈 那麼總體來說呢 厚度方向的殘餘力 這個σz呢 它的這個幅值呢 比較低 那麼對於這個板材這個不是很厚的情況下 幅值比較低 那麼大家把這個就記住 就基本就可以了 就是這個能說明一個什麼問題呢 我們知道如果這個一個結構如果受到三軸拉伸作用的話 這個結構呢 它就會變脆 對吧 變形能力會變差 那這裏邊呢 它也是一個拉伸硬力 但這個拉伸硬力如果比較低的話呢 也是可以對它的最終的這個內形也沒有太大的影響 那我們看一下另外一個情況 那麼對於這個 這樣一個焊接的這樣一個坡口形式 那麼單面進行焊接 Y型坡口也好 這個V型坡口也好 對於這樣一個坡口形式進行焊接 採用的多層多道焊 來進行焊接 就好多層好多道 這裏邊大家看一下一個多少層的 一二 六層的六層這樣一個焊接方式 我們採用多道焊 那麼焊完了之後 它的硬力分佈是什麼樣的 我們看一下 你看一下這個X方向的硬力分佈 那我們知道對於整個X方向的硬力分佈 那麼也就是說 這沿着這個PPT方向的硬力分佈 那這個分佈的話 那就是說 它主要是由於這個焊縫的縱向收縮 是吧 縱向收縮呢 它產生的 它的這個硬力分佈呢 我們可以看出來 基本上呢 它都是處於一個拉伸硬力狀態 對吧 這這裏邊有一點值得跟大家說明的 就是說這個這裏面所講的這些結構 基本上呢 都是這個在它的這個 這個是焊縫的話 基本上都取的這個界面 中間的比較靠中間的一點的界面 那麼我們知道 那麼對於X方向的硬力的話 如果我們取斷面的話 那會怎麼樣呢 就會變成零了 對吧 所以它這裏的分析的時候呢 都是取的一個比較靠中間的這個 這個地方的硬力分佈 所以這個呢 大家比較容易理解 那麼中間呢 它冷卻收縮 那麼這個收縮過程中呢 就會產生這個拉伸硬力的作用 拉伸硬力的作用 那當然呢 由於這個後續的焊縫呢 這個 破焊的地方先後冷卻 那麼對於中間呢 有一定的這個輕微的壓縮作用 它也是可以使得這個地方的硬力呢 中間的硬力呢 出現一定的降低 那這裏面我們可以最關心的是什麼呢 關心的是這個 這個C這個圖 那麼C這個圖 大家看一下是什麼圖呢 是sigma y在厚度上的分佈 也就是橫向的這個定義 厚度上的定義 我們前面說 比較一直在說比較重要的 我們比較關心的一點是什麼呢 是這個由於縱向收縮引起的橫向 橫向硬力 對吧 那麼這裏面呢 就是說它橫向收縮 也在這個情況下也是不容忽略的 尤其是在有多層多道號焊的時候 那會怎麼樣呢 它是這樣的 這裏面講了 就每焊一層 我焊這層的時候 然後它會產生一個收縮 我在焊第二層的時候 這個地方已經冷卻了 對吧 已經冷卻 就相當於有個支撐作用了 那這樣的話 這個地方進行收縮的時候呢 進行收縮的時候呢 就會對它下面的產生一個弩力的作用 我們看一下 這邊也不焊了 那我在焊第一道的時候 它也會產生一個橫向收縮 那當然這個時候 它這個形狀比較對稱的話 它收縮也是一樣的 所以這個時候沒有什麼不產生蔣鎮形 在焊第二道的時候 這個地方呢 已經是一個冷卻了 那麼這個時候 我這個地方進行收縮 這個地方呢 不讓它收縮 那這個結果會怎麼樣呢 一是呢 會使它這裏面產生一個拉硬力 對吧 另外一個呢 會使得這個地方呢 產生一個角度的變化 對吧 這個書面會講到角變形 會產生一個角度上的變化 那我持續的進行焊接 多很多道 那麼一直在進行焊接 這個角度就會在不停的疊加 不停的疊加 疊加後的結果是什麼呢 說本來呢 這個地方呢 由於我這個焊接上面受拉的話 那麼下面應該受壓 對吧 理論上來說 我們分析這個上面受拉了 下面應該受壓 但是由於我這個地方進行一個彎曲作用的話 那麼這個地方的時候 它這個地方的下面的基礎呢 會受到一個拉硬力的作用 被拉長了 反而被拉長了 拉長了之後呢 就這個地方也會產生一個拉硬力作用 也會產生拉硬力作用 就一直在產生拉硬力作用 這樣子平衡了 實際上它一直在產生拉硬力作用 那麼這樣的話 它的結果就是使得 怎麼怎麼說的呢 就是說多次拉伸塑形變形的累積結果 造成了它這個根部的這個硬變強化 使得硬力不斷提高 那麼在嚴重的時候呢 甚至出現這個 它們根部開裂 出現這種情況 那這個問題呢 還是比較值得大家注意的 那這個大家呢 把這個情況能夠分析清楚 能夠具體爲什麼會產生這個 這種現象的原因 那就可以 那麼關於呢 它這個可以看出在這個厚度這樣的硬力分佈呢 也是比較還是比較低的 我們屬於這裏 底邊是處於壓硬力的狀態 那這個硬力呢 不是很大 那麼爲了更加這個解釋清楚這個現象 就是下面根部的這個地方產生壓硬力的這個現象 它呢做了一個模擬實驗 做了一個模擬實驗 那就說呢 在兩邊的採用一個這個一開始的採用兩個這個金屬 之後呢 我在裏面就添加一個添加金屬 添加不停的往裏面添加這個金屬 一層層的添加 添加了之後呢 它就會上面的就會產生這個這個方向的這個收縮 收縮之後就會使得這個根部這個位置產生一個壓硬力的作用 我最後添完了之後呢 它的一個硬力呢 分佈的就是這樣一個狀態 我們中間受壓 那麼兩邊的受拉伸 這樣一個硬力分佈 那這個硬力分佈呢 和我們前面的硬力分佈呢 這個狀態的有一定的區別 對吧 我們這個地方還有這個還有什麼呀 整個上還是處於拉硬力的 對吧 那這個呢 它焊完了之後呢 中間呢 有有的部分呢 可能出現壓硬力 這個呢 是有可能出現的 那麼另外一個 如果說我們在這個焊接這個結構的時候 如果說我把這個這個板材呀 就包括這個這個結構 在焊接的時候 我把它這個進行有給它一個壓力的作用 上面的進行鋼性固定 採用一些卡鋸等等這些方法 讓它緊貼在下面的這個底板上 如果下面有工作臺的話 緊貼在下面這個工作臺上 那這個時候我這個我這個時候我這個焊接呢 在一焊 我這個時候收縮的話 那下面的結構會怎麼樣呢 就會受到壓縮 對吧 如果這個上面就往裏面拉了 那下面的結構就會往裏面 就會被壓縮 對吧 會被壓縮 那這樣如果不停的添加 那我不停的對它的這個底下的結構 下面的結構產生壓縮作用 焊完了之後呢 就是這個會變這種情況 就這種從這個模型來說 焊完了之後就會出現上面的處於拉硬力狀態 那麼下面的處於一個非常高的壓硬力狀態 反正這個大家可以想象清楚吧 就這個這個大家可以想象清楚 結果上面一直在不停的往裏壓它 那這樣的話 它根部就會受到壓硬力的作用 那主要是由於這地方受到居速的作用的結果 如果不受到居速的話 就跟我們前面說的那個是一樣的 那這個呢 是一個理論上的分析結果 因爲它實際上是有實驗證實的 那這個呢 就是一個實驗上的一個一個結果 我們看一下 尤其是這個圖 這個圖我們怎麼看呢 這是這樣一個結構 那它的這個整個的這個寬度 包括焊盤在內 因爲它寬度是200 然後厚度是50 長度呢 是有一定的這個比較長的一個長度 那對於這個結構來講 我不停的往裏焊 不停的填充 那麼這個情況和前面這個情況很類似 對吧 這個結構很類似 那它焊完了之後 我們分析的是這個什麼上的這個硬力線度呢 這個方向就是在Z軸 從0到Z軸上 那這個時候呢 它的橫向力線度 Z軸上橫向的硬力線度 實際上就是這個這個方向的橫向力線度 對吧 對過來 對不對 實際上就是這個要對過來 就是這樣一個力線度 那它呢 我們可以看一下 採用鋼心固定的情況下 焊完了之後 也是根部的存在一個非常高的壓應力 對吧 就在下面 爲0的地方 爲0的地方就是這個這個這個這個頂點 這個圓點越來越往上的 最低到這個厚度是50 那在最下面的時候 這個地方它受到了一個什麼 非常高的壓應力的作用 主要是由於這個地方受拘束 那麼它受拘束之後 上面的所有的收縮都要被下面這些基礎所承擔 對吧 和橫向收縮都要被這些基礎所承擔 最終的它這個地方就呈現一個這樣一個非常高壓應力的作用 那麼如果說呢 我是自由焊接的 也就是在焊接的時候 這個整個這個結構 這個板子呢 不給它一個壓縮作用 那這個時候它會怎麼樣 它會出現一個非常高的拉應力的作用 比如說出現一個非常高的拉應力的作用 那麼也就是前面所說到的這個類似於這個結構 這個過程類似於這個過程 還有一個呢 這裏邊還有一個這個應力分佈呢 也值得這個值得說明的就是說什麼呢 除了分析它這個深度方向這個應力分佈 橫向應力分佈之外 還分析了在這個這個地方呢 還分析了什麼 還分析了縱向的才應力分佈 比如在上表面 它是隻講在上表面最短有50毫米的時候 那實際上就是上表面 這條表面上 這條表面上的這個 從中心開始到這個這條線 那它上面這個縱向應力的分佈 那這個縱向應力的分佈呢 基本上的這個整個趨勢呢 還是跟前面分析的很符合的 還是這樣一個分佈的狀態 對吧 大家看一下 如果對稱過去 把這個面呢 這個對過去 對過去之後的話 基本上還是跟這個很相似的 對吧 和這個和原來我們分析的這種情況 基本上一致的 就中間的受一個比較高的拉應力 兩邊的受壓應力 那這裏面的也是有一樣一個問題 就是在這個剛性固定的條件下 和自由伸縮的條件下 那麼它也是存在一定的差別 就是縱向應力也是存在一定的差別 也就是說呢 我們的剛性固定不但會影響到它的這個橫向應力的這個這個分佈狀態 對於縱向應力同樣會有一個影響作用 這個大家呢 可以看一下 這個是一個 這個圖呢 是個什麼圖呢 是一個X型破口 這個X型破口進行焊接的時候 那這個是多層多道進行焊接的時候 焊完了之後 對整個的結構的一個用意的一個測量 一個測量結果 你看一下 對於這個整個來講 那麼對於這個σS和σY來講 也就是縱向應力和橫向應力來講 它基本上分佈的這個趨勢呢 還是在上下表面 它都受到了這個什麼呢 都受到了拉伸的應力的作用 而在焊縫的中心 就在這個中心的板後的中心位置呢 在板後的中心位置 這個地方應該是這個負號的 在板後的這個中心的位置 那麼它都受到壓應力的作用 那麼就是說呢 由於我後焊的地方 比如我這個縱向焊接的時候 後焊的地方的這個錯冷卻 所以後焊的地方它會產生一個收縮 它有可能使得中間的這個 這個比如縱向應力來講 就是看一下σS 有可能使得在這個中間的某些部位的出現壓應力 但也有可能它不產生壓應力 那這都是有可能的 因爲這是根據你的具體這個焊接的一個結構 那它趨勢是什麼呢 就是在表面的地方 它應力的一般來說要高一些 因爲它後冷卻收縮嘛 然後前面的這個金屬已經冷卻了 後冷卻是收縮的金屬 就受到前面這個拘束 那這樣的話 後冷卻的一個金屬 就會受到一個比較高的拉應力的作用 對吧 它反過來還會對裏面的金屬產生一個 像裏面一個壓縮作用 那就是壓縮作用的強烈程度不一樣 最終會使得中間的這個 從厚度方向來說 這個這個金屬是焊鍋金屬 它受力的狀態會有一定的變化 或者是呢 還處於一個比較低的壓應力狀態 或者甚至變成一個壓應力狀態 那麼整個的σZ來講 就是這個厚度方向的應力 那麼在端部的話 它肯定爲零對吧 σZ的話 在這個厚度方向上 那麼在端部上 因爲在上面 在板臺的表面來講 已經沒有約束了 那在所以在這個方向來 在這個表面和底面來講 那它這個σZ肯定是爲零的 那裏邊呢 它這裏面呢 對於這種情況下 它受到的大部分是一個壓應力的狀態 壓應力的狀態 前面說的這些情況的都是在 基本上都是在自由狀態下進行焊接的 除了這個裏面提到的這個這個這個過程 那麼如果說在這個拘束條件下進行焊接 那麼這個時候它的應力會是什麼樣的 實際上的這個 大家看到這的時候 大家只要記住一個觀點 什麼觀點呢 就是我正常的這個焊接應力分佈 我知道是什麼樣的 然後我再把這個拘束條件下 它能產生的這個應力是什麼樣的 然後把它疊加 就是最終這個在拘束條件上的應力分佈 那它前提是什麼呢 前提是在這個過程中 它這個拉應力也好 壓應力也好 沒有達到屈服這個應力的狀態 如果達到那個狀態的話 這個應力會進行重新的分佈 那是另外一回事 那個大家可以做探索 探索的地方分析 那麼先看一下這個 這個是一個什麼什麼結構的 就是我這樣一個板材 在這兩個地方挖了兩個這個兩個槽 兩個地方材料挖掉了 然後呢 我對這個地方的進行焊接 那麼對於這個結構進行焊接的話 我們如果分析在這個表面上 就這個這個截面上 我分析它的這個縱向應力的話 那這個縱向應力 我們知道在這個整個的焊接 這個焊風的縱向 它有沒有拘束 在縱向來講 這個焊風的縱向沒有拘束 它跟原來我們就是一個這樣一個板 這樣一個板直接進行焊接是一樣的 對吧 那這個時候它由於在這個方向沒有拘束 所以在這個方向上 它的這個縱向應力和原來的這個情況的基本上是一樣的 那麼如果說我們把這塊直接切開 我們這地方直接切開 也就是說呢 如果是沒有約束的情況下 那麼對於這樣一個板材 那它的這個最終的焊接 這個縱向殘餘應力是什麼樣一個分佈呢 就是這樣一個應力分佈對吧 這個地方我發現什麼呢 這個地方我們不是自由的 那在焊接過程中 它是會這個產生另外一個這個收縮的 會產生一個拘束作用 所以這地方會產生一個拘束作用 那在這個拘束的作用下 我們看一下會出現一個什麼情況 那麼隨着我這個進行焊接 我如果一進行焊接的話 由於這兩邊受拘束 對吧 受拘束 那這樣的話 我這個溫度一高的話 這個結構 你自由狀態的時候焊接是什麼樣的 自由狀態進行焊接的時候 我加熱了 我一加熱 我一加熱的話 這個時候我這個金屬膨脹對吧 膨脹我這個金屬的這個結構 實際上是可以往外面移的 對不對 所以是自由狀態嘛 焊的時候 它是可以往兩邊走的對吧 從橫向上它可以往兩邊走了 對吧 是不是 它可以發生那個橫向上的一個位移 對吧 因爲由於我這個結構 它沒有受拘束 我焊的時候 如果說假如我焊第一點開始 我一焊 這地方一膨脹 一膨脹的話就往兩邊推金屬 對吧 是不是 推金屬的結果就是可以使得這個金屬 往兩邊發生一個這個外觀的變形 或者發生移動的變形 同時反而往這邊移 一個區域 對不對 兩邊移動一下 對吧 因爲有這個可以自由的這個墊子 自由的這個不受拘束 可以自由的移動 加熱的時候 它一膨脹了 肯定就往兩邊跑了 對吧 但是呢 由於我是什麼呢 由於我這個地方兩邊的把它 後來我就這個地方呢 拘束住了 拘束住之後 這個會怎麼樣呢 我跑不了了 我跑不了的話 就會使得在這個地方產生一個什麼東西 會產生一個壓縮的這個粗性變 和壓縮的一個粗性變形 對吧 也就是說呢 我本來可以變成這樣 但是我現在不讓它變成這樣了 那我這個地方呢 產生了一個壓縮的粗性變形 那就相當於我這個這個地方 這個材料變比原來正常的情況下 自由狀態變短了 對吧 變短了 那變短了 這個當我這個熱源一走的話 那這個地方呢 我還要進行那個衡量收縮 對吧 和縮回來 對吧 那這個已經短的地方 那就會變成什麼 就提供一個什麼 就提供一個拉陽力 對吧 就提供一個這個橫向的拉陽力