【哈爾濱工業大學】《焊接結構學》精品課 P34 - 35. 35 焊接應力與變形（九）

對於這一點來講 我們來分析一下 那麼這一點 我們從這一點呢 從這個溫度到這個溫度 我們發現什麼情況了呢 溫度提高了 對吧 這個跟我們前面講的那個最高溫度線的範圍 會越來越快是有關的 因爲這一點溫度一開始非常低 因爲這個電弧的加熱非常那個迅速 它這個溫度提升非常大 我走過去之後 很長時間之後 可能後面的某些區域的溫度才能上升 上升到一個非常高的溫度 那這樣的話 對於這一點來講 那一開始的時候的溫度比較低 200度左右 對吧 那麼到這個時候呢 發現這個時候它到300度左右了 對吧 那到了300度左右 就是原來我有一個這個溫度是200度 然後現在我變成300度左右 那這個過程中 它的這個會產生什麼樣的一個作用 應力作用呢 從200度 原來200度一個一個一個一個結構 你現在變到300多度了 那是不是應該還是繼續受到壓縮呀 對吧 還會繼續受到壓縮 但是問題是這一點 在原來的時候 這一點已經屈服了 那麼看原來它已經處於屈服狀態了 那我們到下一個下一個點的時候 那麼這個時候 它它的屈服應力就已經確定了 就已經達到了一個屈服點 它不能再再升高了 所以這個時候它這個α乘德的T的話 就完全是轉變成這個時刻 它的一個壓縮的速度的一個變形 所以呢 這個地方的畫出了這樣一個一個點出來 然後之後呢 另外一個比較讓大家比較那個這個感覺很困惑的地方就是這個位置 那爲什麼這個地方會出現一個下凹呢 那我們分析的辦法和前面的是一樣的 我們從這個狀態往下一個狀態分析的時候 我們分析這個過程的時候 我們還用用考慮下面這個速性 速性區啊 因爲速性區它是不可回覆的 那這個我們只能從一到二 我們可以分析出在這個過程中發生了多少次的速性 拉伸的這個速性變 但是我們在因爲這個是不可回覆的 我們不用管它了 在分析下一個過程中的時候 分析二到三的時候 我們就直接從這個開始往下分析 這個時候其實呢也是一樣的 也是用這個這一點這個溫度呢 減去這個溫度呢 它得到了一個溫度差 得到了一個這個α德德T 但是呢 由於前面這個彈性變形是不能是不能那個去掉的 對吧 所以這個時候呢 它實際上對於這個局部的這個位置 它一開始的時候沒有彈性 但是到這了 它出現了這麼大一個彈性的一個分量 那對於這點來講 它怎麼樣呢 由於這時候它已經屈服了 所以這個時候呢 它產生的這個溫度差全用來產生速性應變了 對吧 大家看一下這個 那這一點這個時候它實際上已經是屈服了 對吧 那麼在下一時刻的時候 這個時候呢 它還是在這個在降溫 還要在這個時候還會再進一步產生這個拉伸速應變 對吧 那這個時候的應變完全都變成了什麼呢 速性的拉伸的速性應變 對不對 所以這個位置呢 它這個降溫的全部負榮在這了 而對於中間這個點來來講怎麼樣呢 它這個阿華德的梯的長度是這麼長 實際上呢 它這個降溫的降的還是多的 但是由於這個地方呢 我中間的位置呢 一開始沒有彈性 這個地方我在降溫過程中 這個地方要產生彈性變 彈性變佔掉了一部分速性變的那個值 這個速性變只能有可能比這個邊上那個低 所以說你在分析的過程中 前面產生的速應變 你可以不考慮它 但是前面產生的彈性變 在後面的這個過程中是需要考慮的 因爲它和後面的這個進而發生的應變進行累加的時候 能確定它發發生區別 或者這個速性變形量佔多少 彈性變形量佔多少 可以決定這個事 那麼還有一個呢 就是寬度的影響 有點兒的焊鋒的長度都是一樣的 這個是我們焊的一條焊鋒 這個呢是我們焊的一條 那當我們寬度很小的時候 當我們寬度很小的時候 比如我們這個整個的結構的寬度非常小 寬度非常小 那這個時候 它我這個在這個焊接的過程中 或者我在這個收縮的過程中會怎麼樣呢 就是整個這個由於寬度很小 這樣的話 它整個的這個結構會跟它這個結構變形能力更強一些 對吧 比如說呢 我這個收縮的時候 我這個整個的結構 比如說它的一個系統的這個翼 就可能變化的很跟它很接近 我想讓它怎麼變它就能怎麼變 對於這個呢 很寬的情況下 我是我這邊的這個這個這個地方 可能基本上這個一個系統翼基本上都沒什麼變化 對不對 因爲我它我這個地方太寬了 你這個其他的位置已經把這個它的這個翼的全給它化解掉了 化解掉了 那這樣的話呢 最終的它的結果也是有差別的 最終我化完了之後結果是有差別的 那這個化完了之後會出現什麼一個什麼情況呢 這個它這個Sigma-X會怎麼樣分佈 它這個Sigma-X會怎麼樣分佈 那它這種情況呢 它變完了之後 那我這個冷卻加熱過程中呢 距離它很遠 這個位置呢 基本上沒什麼漏斷變形 這個地方沒什麼變化 冷卻的過程中同樣 它也是變形都發生在這個最近區域 對吧 對這個地方也沒啥影響 通常情況應該是這樣的 對吧 應該是這樣的吧 我們通常情況下 在正中間應該是這樣的 但是對於這個 對於這個長寬度不同的時候 對於比較寬的時候 可能化完之後會變成什麼樣呢 這個位置可能就是零了 變成可能是零對吧 或者比零稍微就是壓抑的稍微大一點 稍微有一點 但是不是很大 因爲這個很遠 它這個整個的這個寬度對它作用區域 也沒有那麼遠的作用區域了 也可能就是這樣一個情況 對吧 因爲這邊的這個區域很寬的時候 這個位置它這個受到這個作用的已經不是很大了 是不是 對吧 因爲我們這邊對於這邊那個情況呢 由於呢這個它很寬 那最後範圍呢都可以影響到對吧 就可能它得到這個結果就是這樣的 就這樣 這樣也就是在這個這個位置 邊界的這個位置呢 存在着一定的區別 存在一定的區別 就是寬度不一樣 它最終分佈的這個形態也是不一樣的 那麼另外一個呢 這裏邊還有一個問題 就是說 位置的影響 我們前面講的這個所有的焊縫 都是在焊 都是在這個板材的正中間對吧 來進行焊接 那麼如果在一邊呢 就是稍微偏一點的地方進行焊接 那這個結果會是什麼樣的 那麼如果我們是在正中間焊的話 如果這邊的這個材料 我們假設一開始沒有的話 那它焊完之後應該是這樣對吧 應該是這樣的對吧 就如果說我們不考慮這邊的材料的話 焊完了之後應該就是這樣 中間受拉 裏面受壓對吧 是不是 但由於呢 它這個這個地方呢 它還有一部分的材料 有一部分材料 這會變得怎麼樣呢 如果我這個地方會縮短啊 我這個地方因爲焊縫焊完之後要縮短了 對吧 那我這個中心面呢 可能就不在這個 不在正中心這個位置了 中心面呢 可能就是在 如果我中心面呢 中心軸的話 那這個這個結構 最終傾向於變成是一個什麼樣啊 傾向於變成這個這樣的對吧 是不是就誇張一點來說 是不是傾向於變成一個這樣的 如果這是焊縫的話 是吧 因爲你這個焊縫一收縮 就相當於有一個驅動力在這拉這個 這個板材發生一個變形 那這個結果呢 就可能使得這個位置 使得這一個位置呢 產生什麼呢 產生拉應力對吧 有可能吧 產生拉應力 那就有可能出現一個什麼情況呢 焊過來的話 就可能出現一個這樣的形態 也就是說呢 我們焊接的時候 如果它不在中心位置 那它焊完之後 就有可能呢 這個應力就會重新分泌 重新分泌 出現一個 比較奇怪的一個形態 那麼另外我們再看一下 那對於不同材料呢 它對於這個縱向材質應力呢 也是有影響的 左邊這個圖呢 是低碳鋼的這個 應力的分佈 那它這個 這個7個碼Y呢 就是7個碼X 那就有時候對於低碳鋼來講 我焊完了之後 中間的這個應力 基本上都能達到 它這種材料的 屈服應力 或者屈服強度 那麼這個呢 大家這個概念要記住 基本上是這樣的 只要是你這個鋼材 你焊完了之後 基本上 低碳鋼 你焊完了 基本上 中間的焊縫受到的拉應力 這個縱向力 基本上都是它的屈服應力 所以呢 大家這個基本上 定性上基本是這樣的 這個大家記住就可以了 這個大家要記住 就包括你將來做計算 或做什麼 你分析完了之後 分析到中間 它的縱向應力是拉應力到屈服左右 那這個是很正常的 那麼對於鋁合金來講 那麼這個時候發現的怎麼樣呢 這個最高的這個 縱向彈域力呢 沒有達到它這個屈服應力 那麼爲什麼會出現這種情況 那麼大家可以看一下這個後面 怎麼樣呢 就是對於鋁合金和鈦合金來講 縱向應力 分佈規律呢 和這個低碳鋼比較相似 但是呢 碳縱中心的縱向應力值呢 比較低 它的縱向應力值比較低 那這裏有一個詳盡的解釋 給大家解釋了一下 爲什麼會出現這種情況 那麼這裏面講 對於鋁合金來講 就是因爲它導熱係數呢 比較高 損壞就使得這個結構呢 均勻化 或者這個溫度呢 很均勻 各個位置的受熱呢 都很均勻 溫度差呢變得比較小 那這樣的話呢 這樣的話呢 就會使得它最後 它這個結構呢 它這個 先產生的這個 縱向應力呢 也比較小 那這裏邊呢 其實我們還有一個因素 在這裏邊 還有一個考慮的因素 就是熔點的因素 這個因素呢 大概說的比較少 就是我們對於鋼來講 我這個降溫的這個過程 是從一個一千多度 對吧 降到一個室溫二十度左右 就降了一千幾百度 一千七百度 這樣的一個範圍 那麼對於鋁合金來講 那麼它的熔點呢 也就是在六百度左右 對吧 它這個降溫的範圍 它也小 降溫的範圍也小 那這個呢 也可能是產生它最後 它這個 成熔力比較小的一個原因 反正這是很多因素 綜合在一起的一個結果 那麼另外 對鈦合金來講 是怎麼樣的呢 鈦合金它主要是由於 它的補量技術 和彈性膜量都比較小 所以呢 它大約只有 鋁合鋼的三分之一 所以它這個 受限能力值呢 也比較低 已經相當於 我們這個自由變形量 α乘以德式T 那麼這個α很小的話 對吧 這個α很小的話 那麼它自由變形量 也就小了 對於變形量來講呢 它將來產生的這個 用意呢 可能也就小了一點 小了一點 但這裏邊呢 有一點呢 大家要記住 就是這裏邊 這幾個因素呢 大家回去把這個東西 記一下就可以了 那這裏邊有一個東西 是大家一定要記住的 就這裏邊提到的 對於鈦合金來講 它的這個屈服硬 就是它這個 中間那個焊縫的 它上面這個縱向用力 只有它這個結構的 這個縱向力呢 那個 這個屈服硬力的 百分之五十到百分之八十 這麼大一個數值 但是由於呢 鈦合金它本身 它的這個強度比較高 所以這個數值 還是比較大的 就這個數值很大 所以大家一定要記住 就是對鈦合金來講 就讓它用力呢 它絕對值很大 這個呢 大家一定要記住 你這個概念 大家一定要有 就不能說 因爲它 只到它屈服的 百分之多少 你就認爲它比較低 但這個數還是很大的 就這個數還是比較大的 可能也能達到三四百 這樣最高 這樣一個級別 很高的一個級別 那這樣的話呢 前面又提到 鈦合金它有什麼特點呢 鈦合金的彈性膜量 又比較小 對吧 這邊提的 它的那個 纖膜上係數比較小 彈性膜量也比較小 彈性膜量要小的話 就說明這個結構 它的這個剛度就差 對吧 那如果說這個裏邊 存在了這麼大的一個 彈性硬力 那它的剛度要差的話 那麼很可能這個材料 就會發生失本的這個變形 那麼另外我們再看一下 這個情況 就是對於這個 兩個管子運行焊擊 那麼這個時候呢 這個反焊縫 這裏面也講了 就是它直徑啊 它的厚度等等 對它都有影響 那麼大家可以想象一下 如果我這個結構 這個管子 如果是直徑無限大的話 那相當於我這個時候 這個焊縫就相當於一個什麼 相當於一個平面焊縫 就跟我原來講的 那個板子是一樣的 所以呢 我們就是說 對於這個 沿着這個焊縫的方向 這個硬力分佈 那實際上就和板臺 那個這個 縱向硬力分佈 是很接近的 那這個時候我們可以看 就兩邊這個 這個壓硬力 就是兩邊的壓硬力 都接近於零了 對吧 到一定程度的時候 那麼這個就可以 我們前面講 那個板子無限寬的時候 這個狀態是一樣 因爲這個管子很長嘛 對吧 所以呢 在兩邊的時候 它這壓硬力呢 都變得很低了 這裏面呢 也有這樣一個關係 隨於這個 板臺的這個厚度 以及跟縮硬區的寬度 以及拉硬力的 拉硬區寬度 還有這個直徑 它們之間呢 有一定的關係 這個呢 大家回去看一下就可以了 那麼我們來看一下 這個橫向硬力 我們前面講完了縱向硬力 看一下橫向硬力 那麼對於橫向硬力來講 那它是怎麼產生的 這個橫向硬力呢 那橫向硬力是怎麼產生的 就焊完了之後 這個板臺呢 除了在這個焊鋒這個方向 有個力的作用之外 那這個焊鋒跟焊鋒垂直 這個方向 也有個力的作用 那這個力是怎麼來的呢 那這個書裏面呢 給大家講得很清楚 就是這個橫向硬力 它來自兩個方面 一個方面呢 就是由於 我板臺的縱向收縮引起 就是這個板臺的縱向收縮 可以引起它的橫向硬力 那我們這個裏面怎麼考慮呢 就是我們在一開始的時候 我們知道在橫界面上 它的這個縱向硬力的分佈呢 是上面那個圖所示 對吧 這個結構呢 是把它中間拋開的話 那最後這個結構呢 就會變成 就會發生這樣的變形 對吧 因爲中間收縮嘛 焊鋒一收縮 但是呢 實際上這個情況是什麼樣的 實際這個情況 它並沒有分開 對吧 它是合在一起 那我們怎麼樣才能把它合在一起呢 就在中間的加拉硬力 兩側的加壓硬力 那麼才能把這兩個東西壓在一起 那實際上就是說 對於這個 由於縱向硬力引起的 縱向收縮引起的橫向硬力 就是這種中間的受拉硬力 兩側受壓硬力的 這麼樣一個硬體分佈 那麼就是這樣一個硬體分佈 那麼這個呢 它也是和這個板子的長度 一定有關係的 在板子呢 這個焊鋒比較短的時候 那它的硬力呢 分佈呢是這樣的 中間沒有一個特別平的一個區域 隨着這個板材的增加 那麼這個硬力呢 也都在逐漸增加 當達到一定程度的時候 除了是這種情況 有一個平的情況 在這個板材特別長的時候 那麼這個橫向硬力呢 在這個縱向上的分佈呢 就是這樣一個趨勢 就是兩側是一個非常高的壓硬力 那麼中間呢是拉硬力 這個拉硬力呢 中間的位置呢 有可能會出現一個拉硬力的降低 那有的時候呢 一個拉硬力呢 甚至也降爲零 那麼這個呢 都是由於這個 這個板子的這個 縱向收縮 它們的縱向收縮引起的 那還有一個能夠產生橫向硬力的一個 一個原因是什麼 就是這個焊接的先後順序 所以這裏面就提到的 橫向收縮 影響這個Y 極度的Y兩撇 那它呢主要是由於這個焊接的這個順序引起的 給你看一下 那比如說呢 我們在這個第一種情況 我們對這個 一個板子呢 我們往兩側進行焊接 我們這個是焊接方向 那焊完了之後 那這個地方是不是就凝固了 先焊的地方就凝固了 對吧 凝固了之後 它這個地方就變成一個相當於一個固定約束的 在放着 然後後面焊的地方呢 它焊完之後是不是要收縮呀 在橫向上看 你看橫向 橫向上焊 焊完之後 它這個橫向是要收縮的 對吧 那這個橫向收縮的結果 就會使得對中間的這個 中間那個已經先冷卻的金屬呢 產生一個壓縮作用 對不對 因爲後面一收縮 那麼對中間的金屬能夠產生壓縮作用 那這樣呢 就使得後面的金屬受到一個壓引力的作用 對吧 那我邊上的金屬呢 這個地方它要收縮的話 那它這個收縮要受到兩邊那個金屬的限制 那這個收縮會受到一個什麼力的作用呢 對於這個就是隨着這個焊接的進行 那這兒我們已經焊完了 那麼接着呢 我們焊這個位置 就是這個位置進行焊接 那麼這個地方它要冷卻收縮 對吧 這個地方這個金屬要冷卻收縮 對吧 我們看橫下 現在看橫下 那麼收縮的時候 它兩邊的這個金屬會讓它這個自由收縮嗎 就兩側的這個金屬 會讓它中間的焊後那個金屬自由收縮嗎 後焊能力高的地方 就能讓它自由收縮 對吧 然後在這個不讓它自由收縮的話 那這個位置呢 就會受到這個拉引力的作用 對吧 那中間的這個位置呢 就會受到由於它這個 這兩邊的那個往裏一收縮的話 我們最中間就有一個壓引力的作用 就跟我們前面講的那個三角杆差不多了 就是相當於我們前面講的一個 另外一個什麼情況 相當於這樣一個情況 相當於我們前面講的三個杆的情況 這個溫度已經低了 很低 這個地方溫度很低 這兩個地方溫度很高 那這樣會怎麼樣 那就會對中間這個地方產生壓壓應力 兩邊地方的受拉引力 對吧 這個其實是一個道理 那這樣的話 我們採用這種焊接方法 焊完了之後 就會使得中間位置受壓引力 兩端的受拉引力 那反過來 如果我們從兩邊往中間焊呢 兩端往中間焊 就怎麼樣 也是先焊的地方受壓 後焊的地方受拉 對吧 那這樣的話 就會使得兩端的受壓引力 中間受拉引力 所以這個時候我們看 就是它這個焊接的方向 我們焊接的方向和焊接的順序 就會影響到這種橫向收縮 你看到橫向收縮 對於橫向引力的影響 就產生影響 對吧 那麼我們從頭到尾焊的時候會什麼樣呢 實際上也是我們先焊的位置 應該受到壓縮 對吧 我們後焊的受拉伸 但是我們前面也講到了 對於這種結構的話 那麼它呢 如果說你這塊 焊完了之後出現一個這樣一個情況 就是說呢 一側呢 完全受壓縮拉伸 另外一側完全受壓縮 那這樣的時候 它這個結構是不能穩定存在的 那這個結果呢 就會使得它引力在裏面重新分佈 分佈的結果呢 就會使得它出現一個 最後焊的地方肯定是受拉的 對吧 先焊的地方呢 它最後也受拉了 由於這個引力的平衡作用 它先焊的地方也受拉了 中間地方也是受拉了 這個橫向引力在反寬度方向的分佈 那麼它呢 是這樣一個分佈形態 那實際上呢 最後我們得到的這個圖啊 它這個橫向引力 那實際上是什麼呢 是前面 σy2'和σy1'的一個疊加 也就是說呢 這個最終我得到這個橫向的引力 應該是由於縱向收縮引起的這個 橫向引力和我這個橫向收縮引起的橫向引力的疊加 最終這個得到了一個這樣的一個圖 就是最終的一個圖 那它呢 我們看這個最終的形態呢 基本上是受縱向收縮的這個影響比較大了 對吧 橫向收縮影響比較小 因爲橫向收縮的它這個趨勢呢 跟這個是不一樣的 我們直通焊焊過去 那麼 大家來看一下 由於這個橫向收縮引起的引力是什麼樣的呢 是兩端受拉中間受壓 對吧 兩端受拉中間受壓 對吧 看這個這個這個 而由於縱向收縮引起的橫向跟橫向引力是什麼樣的 反過來 對吧 是反過來的 對吧 反過來 也就是說兩端呢 是受壓的 中間受拉 對吧 但是我們看的一般來說 焊完了之後 最終的結果基本上都是這樣的 都是這個圖裏面這樣的 就是說呢 兩端是受壓的 中間受壓 也就是說 我這個結構最終它這個影響的比較大的區域 其實呢 是這個 是這一項的影響比較大 因爲它疊加之後呢 完全表現出來的形態呢 和它很相似 對吧 所以很多時候呢 我們看這個應力分佈的時候 基本上是這樣一個 應力分佈 也就是說 我們只要把這個前面把這個 縱向收縮引起的一個應力分佈分析明白了之後呢 其實呢 基本上這個整個的橫向分佈呢 基本都是這樣分佈的 大家有這樣一個印象就可以了