1、焊接結(jié)構(gòu)學(xué)復(fù)習(xí)提綱 焊接熱循環(huán)焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)1）與鉚接相比可以節(jié)省大量的金屬材料 2）焊前準(zhǔn)備工作簡單，比較省工 3）焊接結(jié)構(gòu)具有比鉚接好得多的氣密性 4）焊接接頭強(qiáng)度高 5）焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性大 6)成品率高，一旦出現(xiàn)缺陷可以修復(fù) 缺點(diǎn)1）焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中變化范圍比鉚接大 2)焊接結(jié)構(gòu)存在較大的應(yīng)力與變形 3）存在較大的性能不均勻性 4）焊接接頭的整體性，對(duì)應(yīng)力集中敏感焊接熱過程的復(fù)雜性表現(xiàn)：1）局部性或不均勻性 2）瞬時(shí)性或非穩(wěn)態(tài)性 3）移動(dòng)性1）熱導(dǎo)率定義: 物體等溫面上的熱流密度q*J/mm2s與垂直于該處等溫面的負(fù)溫度梯度成正比，與熱導(dǎo)率 成正比，熱導(dǎo)率表示物質(zhì)傳導(dǎo)熱量的能力

2、。 2）對(duì)流傳熱定律：由牛頓定律，某一與流動(dòng)的氣體或液體接觸的固體的表面微元，其熱流密度q與對(duì)流換熱系數(shù)和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（T-T0）成正比:3）輻射傳熱定律：根據(jù)斯蒂芬波爾茲曼定律：受熱物體單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的輻射熱量，即其熱流密度q與其表面溫度為4次方成正比:四、導(dǎo)熱微分方程： 導(dǎo)熱微分方程的邊界條件常分為三類： 1）已知邊界上的溫度值 2）已知邊界上的熱流密度分布 3）已知邊界上物體與周圍介質(zhì)間的熱交換 六、熱源空間尺寸形狀的簡化： 1）點(diǎn)熱源：作用于半無限體或立方體表面層,可模擬立方體或厚板的堆焊,熱量向X、Y、Z三個(gè)方向傳播。 2）線熱源：對(duì)應(yīng)薄板，熱量二維傳播。

3、將熱源看成是沿板厚方向上的一條線，在厚度方向上，熱能均勻分布，垂直作用于板平面。 3）面熱源：作用于桿的橫截面上，可橫擬電極端面或磨擦焊接時(shí)的加熱，認(rèn)為熱量在桿截面上均勻分布，此時(shí)只沿一個(gè)方向傳熱。 焊接溫度場：焊接過程中，焊件上（包括內(nèi)部）某瞬時(shí)的溫度分布?？梢杂玫葴鼐€或等溫面來表示。準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場：如果忽略焊接加熱過程的起始階段和收尾階段，則作用于無限體上的勻速直線運(yùn)動(dòng)的熱源周圍的溫度場是準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。作用于無限大體的移動(dòng)點(diǎn)熱源的等溫線：封閉的橢圓形 焊接熱循環(huán)：焊接過程中，焊件上某點(diǎn)溫度有低到高，達(dá)到最大值后，又由高到低隨時(shí)間的變化稱為焊接熱循環(huán)。參數(shù)：1）加熱速度2）加熱的最高溫度3）冷

4、卻速度4）高溫停留時(shí)間 焊接應(yīng)力與變形 內(nèi)應(yīng)力:在沒有外力作用下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。1）溫度應(yīng)力：是由構(gòu)件不均勻受熱引起的2）殘余應(yīng)力：如果不均勻溫度場所造成的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，使局部區(qū)域產(chǎn)生了塑性變形，當(dāng)溫度恢復(fù)原始的均勻狀態(tài)后，就產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。二、自由變形、外觀變形、內(nèi)部變形：;三、焊接殘余變形：（一） 縱向收縮變形：構(gòu)件焊后在焊縫方向發(fā)生收縮；（二） 橫向收縮變形：構(gòu)件焊后在垂直焊縫方向發(fā)生收縮；（三） 撓曲變形：構(gòu)件焊后發(fā)生撓曲；縱、橫向收縮均可引起。（四） 角變形：焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角位移；（五） 波浪變形：焊后構(gòu)件呈波浪形；（六） 錯(cuò)邊變形：焊接過程中，兩焊間

5、的熱膨脹不一致，引起長度和厚度方向 上的錯(cuò)邊。（七） 螺旋形變形：焊后構(gòu)件上出現(xiàn)的扭曲。四、1）縱向收縮變形 塑性變形區(qū)：在焊接時(shí)，焊縫及其附近的金屬由于在高溫下的自由變形受到阻礙，產(chǎn)生了壓縮塑性變形，這個(gè)區(qū)域稱之為塑性變形區(qū)。影響因素：a、焊接規(guī)范b、焊縫長度c、材質(zhì)的影響d、相變橫向收縮變形直接原因是來自焊縫冷卻時(shí)的橫向收縮，間接原因是來自焊縫的縱向收縮。a、縱向收縮的影響：中間拉，兩端壓b、橫向收縮的影響：最后焊的地方拉應(yīng)力影響因素：a、焊接方法與順序b、焊縫長度c、拘束度角變形角變形的根本原因是橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布。影響因素：a、熱輸入b、板厚 4）焊接錯(cuò)邊 焊接過程中

6、對(duì)接邊的熱不平衡是造成焊接錯(cuò)邊的主要原因之一。螺旋形變形（扭曲變形） 產(chǎn)生原因與焊縫角變形沿長度上的分布不均勻性和工件的縱向錯(cuò)邊有關(guān)。波浪變形 失穩(wěn)：薄板在承受壓力時(shí)，當(dāng)其中的壓力達(dá)到某一臨界值時(shí)，薄板將出現(xiàn)波浪變形 喪失承載能力的現(xiàn)象。預(yù)防變形的措施設(shè)計(jì)、工藝、焊后校正 （一）設(shè)計(jì)措施 1. 合理地選擇焊縫的尺寸和形式 1）在保證焊接質(zhì)量的前提下，選擇工藝上可能的最小尺寸。2）對(duì)于受力較大的丁字接頭和十字接頭，在保證相同強(qiáng)度下，采用開坡口可減少焊縫金屬。3）對(duì)接焊縫不同坡口型式焊縫金屬相差很大。4）薄板采用點(diǎn)焊可減少變形。2. 盡可能減少不必要的焊縫3. 合理的安排焊縫的位置，盡可能的對(duì)稱。

7、（二） 工藝措施 1.反變形法 2.剛性固定法 3.合理的選擇焊接方法和規(guī)范 4. 選擇合理的裝配焊接順序 例：焊接梁 罐底與罐壁的焊接 （三） 矯正焊接變形的方法 1.機(jī)械矯正法 利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，使兩者相互抵消。例壓機(jī)、錘擊、碾壓。 2.火焰加熱矯正 利用火焰局部加熱時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，達(dá)到矯形的目的。在焊接過程中調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的措施 （一）合理的焊接順序和方向 1.盡量使焊縫能自由收縮，先焊收縮量較大的焊縫； 2.先焊工作時(shí)受力較大的焊縫。 3.拼板時(shí)先焊錯(cuò)開的短焊縫再焊直通的長焊縫 (二)在焊接封閉焊縫或其它剛性較大， 自由度較小的焊

8、縫時(shí)，可采用反變形來增加自由度。 （三）錘擊或碾壓焊縫（四）在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位加熱使之延長 加熱區(qū)的伸長帶動(dòng)焊接部位使它產(chǎn)生一個(gè)與焊縫收縮方向相反的變形，冷卻時(shí)加熱區(qū)和焊縫 同時(shí)收縮，降低內(nèi)應(yīng)力。（五）焊后消除焊接內(nèi)應(yīng)力的方法 1、整體高溫回火 2、局部高溫回火 3、機(jī)械拉伸法（過載法） 4、溫差拉伸法（低溫消除應(yīng)力法） 5、振動(dòng)法七、焊接殘余應(yīng)力的影響（一）內(nèi)應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響 1.只要材料的延性足夠（如中低強(qiáng)鋼），能進(jìn)行塑性變形，內(nèi)應(yīng)力的存在不影響構(gòu)件的承載能力， 對(duì)靜強(qiáng)度無影響 2.材料處于脆性狀態(tài)(如灰鑄鐵），材料不能進(jìn)行塑性變形，外力的增加，構(gòu)件上不能產(chǎn)生應(yīng)力的均勻化，應(yīng)力峰值不斷增加

9、直至，發(fā)生局部破壞，導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件斷裂。即使靜強(qiáng)度下降。（二）內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲牢強(qiáng)度的影響 （三）內(nèi)應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工精度的影響（四）內(nèi)應(yīng)力對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響（六） 內(nèi)應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響八、焊接殘余應(yīng)力的測定（一）應(yīng)力釋放法1、切條法2、套孔法3、小孔法4、逐層切削法(二) X 射線衍射法 晶體在應(yīng)力作用下原子間距離發(fā)生變化，與應(yīng)力成正比。無破壞性。 焊接接頭一、焊接接頭是由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)和母材組成。特點(diǎn)：不均勻性、 應(yīng)力集中焊接接頭是一不均勻體。（成分、幾何、組織、性能）因焊縫形狀和布置的不同產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中。影響接頭性能的因素：力學(xué)因素和材質(zhì)因素力學(xué)影響：接頭形狀的不連續(xù)性

10、、缺陷、殘余應(yīng)力和焊接變形材質(zhì)方面： 焊接熱循環(huán)、焊縫化學(xué)成分、焊接熱塑性、焊后熱處理焊接熱影響區(qū)（HAZ）：母材因受焊接熱的影響（但未溶化）而發(fā)生的金相組織和機(jī)械性能變化的區(qū)域。包括粗晶區(qū)（1200-1500c），細(xì)晶區(qū)（900-1200c），部分相變區(qū)，藍(lán)脆區(qū)。焊縫金屬強(qiáng)度比母材高的稱為高組配，比母材低稱為低組配。 高組配時(shí)接頭斷裂多發(fā)生在母材上，低組配時(shí)多發(fā)生在焊縫上。 但強(qiáng)度并不等 于焊縫金屬本身的強(qiáng)度。焊縫及接頭的基本形式（一）對(duì)接焊縫： 對(duì)接焊縫開坡口的根本目的是為了確保接頭的質(zhì)量及其經(jīng)濟(jì)性，坡口型式必須考慮以下問題：1、焊材的消耗量2、可焊到性3、坡口加工4、焊接變形(二)角焊縫

11、1、按其截面形狀可分為四種：平角、凹角、凸角、不等腰2、按其承載方向分為三種：焊縫與載荷垂直的正面角焊縫 焊縫與載荷平行的側(cè)面角焊縫 焊縫與載荷傾斜的斜向角焊縫應(yīng)用最多的是直角等腰的，用腰長K表示其大小， 稱為焊腳尺寸（三）接頭的基本形式有四種： 對(duì)接，搭接，丁字，角接五、應(yīng)力集中：焊接接頭工作應(yīng)力的分布是不均勻的，其最大應(yīng)力值（ ）比平均 應(yīng)力值（）高，這種情況稱為應(yīng)力集中。 1） 應(yīng)力集中系數(shù)，可用實(shí)驗(yàn)測得。 2） 應(yīng)力集中的原因： 1、焊縫中的工藝缺陷如氣孔、夾渣、裂縫和未焊透，裂縫和未焊透引起的應(yīng)力集中嚴(yán)重。 2、不合理的焊縫外形，如加厚高過大。 3、設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭，如接頭截面突

12、變、單側(cè)焊縫的丁字接頭。一工作焊縫和聯(lián)系焊縫1、工作焊縫：焊縫與被連接的元件是串連的，焊縫承擔(dān)著傳遞全部載荷的作用， 一旦斷裂，結(jié)構(gòu)立即失效，其應(yīng)力稱為工作應(yīng)力。2、聯(lián)系焊縫：焊縫與被連接的元件是并連的，它傳遞很小的載荷，主要起元件間相互聯(lián)系作用，焊縫一旦斷裂，結(jié)構(gòu)不會(huì)立即失效，其應(yīng)力稱為工作應(yīng)力。 二焊接接頭強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè)1、殘余應(yīng)力對(duì)接頭強(qiáng)度無影響2、焊趾處和加厚高等處的應(yīng)力集中對(duì)接頭強(qiáng)度無影響3、接頭的工作應(yīng)力是均布的，以平均應(yīng)力計(jì)算4、正面角焊縫和側(cè)面角焊縫強(qiáng)度沒有差別5、焊角尺寸的大小對(duì)角焊縫強(qiáng)度無影響6、角焊縫都是切應(yīng)力作用下破壞的，按切應(yīng)力計(jì)算強(qiáng)度7、角焊縫的破斷面（計(jì)算斷面）在

13、角焊縫截面的最小高度上，其值等于內(nèi)接三角形高度a （計(jì)算高度），直角等腰三角形的計(jì)算高度：a=0.7K焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂一、焊接結(jié)構(gòu)制造工藝的特點(diǎn)與脆性斷裂的關(guān)系（一）應(yīng)變時(shí)效引起的局部脆性（二）金相組織改變對(duì)脆性的影響（三）焊接缺陷的影響（四）角變形和錯(cuò)邊的影響（五）殘余應(yīng)力和塑變的影響二、預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施 造成結(jié)構(gòu)的脆性斷裂的基本原因是：材料在工作條件下韌性不足；結(jié)構(gòu)上存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中；過大的拉應(yīng)力；一正確選擇材料 基本原則：安全、經(jīng)濟(jì)；保證母材和焊材在使用溫度下具有合格的缺口韌性。二采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1. 盡量減少結(jié)構(gòu)或焊接接頭部位的應(yīng)力集中；1）圓滑過度2）盡量采用對(duì)接

14、接頭3）不等厚對(duì)接應(yīng)盡量圓滑過度4）避免和減少焊接缺陷，應(yīng)將焊縫布置在便于焊接和檢驗(yàn)的地方 5）避免焊縫密集2.滿足使用條件下，盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度以降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力；3.不采用過厚的截面；4.輔助焊縫也應(yīng)足夠重視5.減少和消除焊接殘余拉應(yīng)力的不利影響 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度一、影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素（一）應(yīng)力集中的影響對(duì)接接頭由于形狀變化不大，應(yīng)力集中比較小，加厚高， 角；丁字和十字接頭過渡處有明顯的截面變化，應(yīng)力集中系數(shù)較高；3. 搭接接頭的疲勞強(qiáng)度很低（二) 近縫區(qū)金屬性能變化的影響在常用的線能量下，HAZ和基本金屬的疲勞強(qiáng)度相當(dāng)接近；HAZ 尺寸不大，不會(huì)降低接頭的疲勞強(qiáng)度；殘余應(yīng)力的影響 消除內(nèi)應(yīng)力后的疲勞強(qiáng)度均高于未熱處理的，內(nèi)應(yīng)力的影響在應(yīng)力集中較高時(shí)更大。 缺陷的影響片狀缺陷比圓角形的影響大；表面缺陷比內(nèi)部的影響大；與作用力方向垂直的片狀缺陷比其它方向的大；位于應(yīng)力