焊接应力和变形的形成过程

一、内应力与内部变形的基本概念

焊接结构的生产，一种是在自由状态下焊接，另一种是在受拘束的状态下(通过工装夹具的紧固)焊接。不论采用哪一种方式生产，焊接结构在不承受外载的情况下，其内部一般会有应力和变形的存在。为了与外载作用产生的应力相区别，这种应力称为内应力。

(一)内应力及产生的原因

1.内应力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。

2.内应力产生的原因内应力产生的原因可用金属框架模型予以说明。如图8-4-4所示金属框架，若去给框架的中心杆件加热，两边的杆件温度保持不变，中心杆件由于温度上升而伸长，但它会受到两边杆件的约束不能自由伸长。因此中心杆件受压而产生压应力。两边杆件受到中心杆件的反作用受拉而产生拉应力。这种应力是没有外力作用下产生的，且拉应力和压应力在框架中相互平衡，这就是内应力产生的原因。

判断结构中的应力是否是内应力，与所选取的研究对象有关。如果研究对象是中心杆件而

图R一4一4金属框架模犁

不是整个框架，那么中心杆件中的应力是由周围的金属框架对其约束而产生的，因此中心杆件中的应力不属于内应力。内应力产生的原因很多，如焊接、轧制、铸造和锻压等热加下过程:剪切、弯曲、磨削等冷加工过程和其他的机械加工过程。

3 内应力的分类内应力按照其分布的尺度范围可分为三类:

（1）第一类内应力也称为宏观内应力，其分布范围较大，与物体尺寸大小相当，是主要的研究对象。

（2）第二类内应力也称为微观内应力。内应力在其微观(一个或几个晶粒)范围内平衡。这种应力主要因金相组织的变化而引起。

(3)第三类内应力也称为超微观内应力。内应力在其超微观(金属晶格)范围内平衡。另外，根据内应力的存在方式又可分为:瞬时内应力和残余内应力。

(二)内部变形

由于内应力是在没有外力的条件下产生的，因此在研究与内应力对应的变形时，需要将物体产生的变形分成几个部分进行分析。

（1）自由变形物体在某此因素(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。即图8-4-5a中的△L_T部分。

图R-4-5自由变形、外观变形和内部变形

a)自由变形 b)外观变形

单位长度上的自由变形，称为自由变形率，用ξ_T表示。

式中a——材料的热膨胀系数:

L₀——杆件的原始长度:

T₀——杆件的原始温度:

T₁——杆件加热后温度。

（2)外观变形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。即图8一4一5b中的△L_e，部分。单位长度上的外观变形称为外观变形率，用ξ_e表示。

(3)内部变形物体的自由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。即图8-4-5b中的△L部分。单位长度上的内部变形称为内部变形率，用ξ表示。

（4）自由变形、外观变形与内部变形之间的关系按材料力学的规定，拉伸变形为正，压缩变形为负。从图8一4一5b中可以看出:

(二)内应力与内部变形间的关系

由上面的分析可知，与内应力对应的变形部分是内部变形。在弹性范围内内应力与内部变形满足虎克定律，即: