厚板多层多道焊角变形分析方法

厚板多层多道焊角变形分析方法——焊接技术

第25卷　第1期2004年2月

焊接学报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vol.25　　　No.1February2004

厚板多层多道焊角变形分析方法

杨广臣,　薛忠明,　张彦华

　　　　　　　　　　　　(北京航空航天大学机械学院,北京　100083

)摘　要:角变形一直是厚板多层多道焊过程中的突出问题,道并不多见。,道焊角变形经验公式进行了总结。在此基础上,方法。应用基本的力学公式,,角变形的公式。最后,V关键词;;角变形

　　文献标识码:A　　文章编号:0253-360X(2004)01-115-04

杨广臣

0　序　　言

厚板焊接结构广泛应用于建筑、造船、锅炉压力容器等工业部门。对于厚板的焊接方法人们一般采

用电渣焊、多层多道焊(手工电弧焊、埋弧焊、窄间隙埋弧焊、TIG焊、MIG焊等)以及电子束焊。由于设备等方面的原因,大多数工厂均采用多层多道焊。

焊接变形的种类虽然很多,但各种焊接变形产生的根本原因是基本一样的,即焊接时的不均匀受热和局部塑性变形是焊接结构产生残余应力和焊接变形的根本原因。同时,焊接时的各种机械力也可能使结构发生物理位移而导致工件变形[1]。准确地进行焊接变形的预测,同时利用设计和工艺措施来控制或减少焊接变形是人们所期望的。

焊接变形的预测方法很多,归纳起来有经验法、解析法以及近年来报道较多的数值法。计算机技术的发展为有限差分法、有限元分析方法等数值分析方法所需进行的大量计算创造了条件。可以预见数值方法在将来的焊接变形预测中必将发挥越来越重要的作用[2]。另一方面,对于面向工程的预测方法(经验法),由于其具有模型简单、计算速度快、针对性强、较准确并且容易被工程技术人员掌握等优点,也必将得到很好的发展。

角变形的分析与预测一直是厚板多层多道焊需要解决的突出问题,然而有关这方面的公式却不多见。作者对多层多道焊角变形进行了深入分析,推导出多层多道焊角变形的计算公式。最后,对厚板

收稿日期:2003-04-09

基金项目:国家自然科学基金资助项目(59875003)

低碳钢单面V形坡口多道焊以及厚板高强铝合金

双面V形坡口多道焊的角变形进行了实例分析。

1　多层焊角变形的特点

厚板上进行多层多道焊接将在构件上引起多次的角变形,多次角变形的累加为最后的总变形量,所以如果能对每道焊缝产生的角变形量进行正确的预测,则可以通过制定合理的工艺来有效地控制角变形量。

各种文献中提及的焊接变形经验公式很多,但由于多层多道焊角变形的复杂性,所以这方面的报道却不多见。

文献[3]中给出施焊第i条焊道引起的角变形按式(1)确定,即

ξΔBqβi=123=12(1),2

δiδi

式中:ξ为材料影响系数;q为线能量;ΔBi为施焊第i条焊道引起的在工作截面高度之半的横向收缩;βi为施焊第i条焊道引起的相对转角(弧度);δi为施焊第i条焊道后,焊接接头工作截面的高度;zi为第i条焊道产生的横向塑性变形体积的重心与工作截面之半的距离。

总变形量等于每道焊缝产生的角变形之和,但要考虑正反面角变形的相互抵消。

文献[4]中给出的方法是首先研究无拘束角收ββ缩Δi(正面)和Δj(反面),然后对每道焊缝产生的

β乘以校正因子m给出,焊层数i(正角变形由Δ

面)和j(反面)的校正因子mi和mj由图1给出,最后总的变形量由式(2)给出,即

β=

Δβm∑

i

i

-

Δβm∑

j

j

。(2)

厚板多层多道焊角变形分析方法——焊接技术

　116焊　接　学　报第25卷

图1　校正因子mi或mj与焊层i或j的关系

Fig.1　Interrelationbetween(mi,mjandwj图　M0产生示意图

Fig.2　Sketchofgenerationofsupposed

bendingmomenM0

,如文献[3]提出的公式能够对除第一层焊缝以外的每一层焊缝进行定量的计算,

β但Δi的计算有难度;文献[4]中的方法明确给出了多层焊中每层焊缝引起的角变形的变化趋势。以上两种方法对同一层中每道焊缝的区别均没有论述,另外校正因子的数值缺乏理论依据和经验数值的支持。

而工件刚度与工件厚度成正比,工件厚度与焊接层数直接相关。所以对刚度影响系数k1总结如下。

当前焊道填满当前层时

h

ξj-2　　,　　　(h≥k1=2);∑2j=2

当前焊道未填满当前层时

h

ξj-2　　,　　　(h≥k1

=3);∑2j=2式中:h为当前焊道的焊层数,关系项

j=2

ξ∑

h

j-2

　中

2　多层多道焊角变形分析方法

如图2所示,构件AB在弯矩M0作用下,挠曲变形的力学公式为θA=θB=

,参见文献[5]。6EI

ξ根据不同材料取值不同。

pi为第i道焊缝在构件中引起的假想力,在此假想力的作用下,构件内产生弯矩M0,即

M0=pi zi,

式中:pi为当前焊道所在截面对工件施加的假想

力;zi为当前焊道中心与已完成焊缝截面中心的距离,如图3所示。

对于多层焊(图2中为两层焊缝的第二层),每一层焊缝引起的角变形也可理解为焊接残余应力在构件内部形成弯矩,导致构件发生角变形。每层焊缝形成弯矩的过程如图2所示,可以假设在焊接塑性变形区的两端作用假想力p,则

ΔBl=k1,

εs式中:l为接头塑性区宽度,即假想力p作用点间

距,与材料的屈服强度有关;ΔBi为假想当前焊道所在截面可以自由收缩时的横向收缩量;εs为材料屈服应变;k1为刚度影响系数,与焊接层数以及每道焊缝是否填满当前焊层有关。

在热输入相同的情况下,塑性变形区宽度与工件刚度有关。当工件刚度增加时,焊接时焊缝以及热影响区热膨胀受到的拘束增大,热塑性变形量增大,塑性变形区的宽度也随之按一定关系增大。

图3　焊缝中心偏心距zi示意图

Fig.3　Sketchofeccentricityziofweldcenter

假想力的大小与材料的屈服极限有关,可由下式确定,即

δpi=σL

,s i

式中:δi为当前焊道厚度;L为焊缝长度;σs为材料屈服极限。

所以根据力学公式,每道焊缝引起的角变形量可由下式确定,即βθi=2kA=k

ΔB lδ=4k,　　(i≥2);(3)3

3EIδjy

式中:EI为抗弯刚度;k为焊缝形状系数。

厚板多层多道焊角变形分析方法——焊接技术

第1期杨广臣,等:厚板多层多道焊角变形分析方法　117

另外,考虑到当前焊道是否填满当前层对I和

zi都有影响,所以当前焊道填满当前层时

δδ;δjy=δy,2

当前焊道未填满当前层时

δδ+yδzi=;δ,jy=δy-22

式中:δy为已焊完焊缝的厚度;δjy为考虑当前焊道是否填满当前层而采用的计算厚度。

所以,当前焊道填满当前层时由式(3)得

δ(δδ)

βi=2ki13

y

zi=

)得δδ)i(δy+βBi。i=2k1

δ3

(δ)y-2

β总变形量(考虑正负)为B=∑i。

对于第一道焊缝引起的角变形,直接根据横向变形量就可给出,即

ΔBtgβ=k。1

δ2

根据1imtgβ=β,因此得β

0

图4　角变形试验分析

Fig.4　Experimentalanalysisofangulardistortion

B=

i=1

β。∑

i

4

β1=kδ,

第一、第二、第三道焊缝引起的角变形方向相

同,此处为正方向;第四道焊缝引起的角边形方向相反,此处为负方向。总变形量 …… 此处隐藏：2774字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……