1、 焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)和管理3、主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配 焊接應(yīng)力與變形；1012學(xué)時 焊接結(jié)構(gòu)強度： 焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度 自學(xué)； 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂 4學(xué)時； 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞 4學(xué)時。 4、主要教學(xué)參考書 【1】田錫唐主編.焊接結(jié)構(gòu) 北京:機械工業(yè)出版社,1996 【2】焦馥杰主編.焊接結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ) 上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社,1998 【3】中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編 焊接手冊(第三卷)，焊接結(jié)構(gòu) 北京:機械工業(yè)出版社,1992 【4】方洪淵主編. 焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 北京:機械工業(yè)出版社，2005 【5】賈安東著 焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)與設(shè)計 天津:天津大學(xué)出版社,1987第一章 緒論本章提要： 本章主要介紹焊接結(jié)

2、構(gòu)的應(yīng)用特點及其在工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟建設(shè)中的地位。 掌握要點： 1、焊接結(jié)構(gòu)自身的優(yōu)點與焊接工藝優(yōu)勢； 2、焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)引起充分注意的問題！1.1 焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的廣泛性工業(yè)地位1.1.1 焊接結(jié)構(gòu)的用鋼量指標(biāo)比較 用鋼量比率(焊接結(jié)構(gòu)用鋼量/鋼的總產(chǎn)量 ) 100% a.美、德、日、英等發(fā)達(dá)國家5055； b.我國目前水平已達(dá)4045%. 可見，焊接結(jié)構(gòu)用鋼量比率之大！ 第一章 緒論焊接結(jié)構(gòu)用鋼量焊接結(jié)構(gòu)用鋼量80年代工業(yè)發(fā)達(dá)國家（日本、美國、德國）約為45%，我國約為25%。2005年中國焊接結(jié)構(gòu)用鋼量為37%,工業(yè)發(fā)達(dá)國家達(dá)到50%以上。同年鋼產(chǎn)量達(dá)到3.49億噸，成為世界最大的鋼材生產(chǎn)與消費國

3、，而焊接結(jié)構(gòu)的用鋼量也突破1.3億噸。人均鋼產(chǎn)量90年代重工業(yè)成熟國家人均鋼產(chǎn)量為600kg/p.y，我國鋼產(chǎn)量突破6000萬t，人均55kg/p.y。2006年世界鋼產(chǎn)量為12.39億t，我國鋼產(chǎn)量為4.2億t，占全世界鋼產(chǎn)量的34%，人均300kg/p.y。2010年我國鋼產(chǎn)量將達(dá)到5億t左右，同時我國正在努力從鋼材大國向鋼材強國的方向發(fā)展。1.1.2 焊接結(jié)構(gòu)的分類、應(yīng)用領(lǐng)域梁柱桁架和塔桅結(jié)構(gòu)板殼結(jié)構(gòu)運輸裝備用板殼結(jié)構(gòu)機器結(jié)構(gòu) 第一章 緒論1.1.2 焊接結(jié)構(gòu)的分類、應(yīng)用領(lǐng)域 汽車、鐵路車輛、船舶、航空、航天、鍋爐、壓力容器、石油化工、建筑、公交、家電、電子、核能、軍工等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用

4、。 可見焊接工程師也會大有用武之地！第一章 緒論焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域埋弧焊自動焊接鍋爐汽包焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域水電裝備三峽水利樞紐的應(yīng)用導(dǎo)水管、蝸殼、轉(zhuǎn)輪、大軸、發(fā)電機機座等其中馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪直徑10.7m 高5.4m 重440t，為世界最大的鑄焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域加氫反應(yīng)器2005年底由第一重型機械集團為神華公司制造的中國第一個煤直接液化裝置的加氫反應(yīng)器，直徑5.5m長62m厚337mm重2060t，為當(dāng)今世界最大、最重的鍛焊結(jié)構(gòu)加氫反應(yīng)器采用國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動雙絲窄間隙埋弧焊技術(shù)，每條環(huán)焊縫需連續(xù)焊接5天。焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域神舟7號飛船航天員活動的返回艙和軌道

5、艙都是鋁合金的焊接結(jié)構(gòu)，而焊接接頭的氣密性和變形控制是焊接制造的關(guān)鍵。焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域國家大劇院的橢球型穹頂是世界最重的鋼結(jié)構(gòu)穹頂；奧林匹克主體育場的鳥巢式鋼結(jié)構(gòu)重5萬噸，是世界之最。焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域杭州灣大橋為全焊鋼結(jié)構(gòu)斜拉橋。西氣東輸?shù)墓芫€長4000km，是中國第一條高強鋼（X70）大直徑長輸管線，所用的螺旋鋼管和直縫鋼管全部是板焊形式的焊接管。焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域船體是典型的板焊結(jié)構(gòu)。 2005年總噸位12121萬噸，占世界造船總量的17%，居于日、韓之后，穩(wěn)居世界第三位，正向年產(chǎn)2500萬噸的世界水平邁進(jìn)。第一章 緒論焊接結(jié)構(gòu)制造工藝特點及前景展望從“十一五”規(guī)劃的二十項國家重大技術(shù)

6、裝備的研制項目可以看出，在百萬千瓦級核電機組、超超臨界火力發(fā)電機組成套設(shè)備、高水頭超大容量水電機組、大型抽水蓄能機組、30 60萬瓦級循環(huán)硫化床（CFB）鍋爐的成套技術(shù)裝備、百萬噸級大型乙烯成套設(shè)備、百萬噸級大型對苯二甲酸成套設(shè)備、大型煤制氣成套設(shè)備以及大型煤礦綜合采掘成套技術(shù)與裝備中，焊接制造都是關(guān)鍵制造工藝之一。由此可見，焊接在國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)中具有非常重要的地位和作用。從事焊接生產(chǎn)工作前景遠(yuǎn)大。第一章 緒論1.2 焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點技術(shù)優(yōu)勢重量輕：減少材料消耗-比鉚接輕1520%，比鑄件輕5060%整體性：具有高剛性：整體剛性強，傳力特性好高致密性：氣密性好，可制造高壓容器1.2 焊接

7、結(jié)構(gòu)的優(yōu)點技術(shù)優(yōu)勢接頭等強性：焊縫與母材不同質(zhì)，強度不同結(jié)構(gòu)材質(zhì)好，材料利用率高合理利用材料：異種材料焊接，合金鋸條、容器襯里、硬質(zhì)合金刀具、金剛石鉆具、挖煤機械、仿生非光滑犁壁、自動控制記憶合金、噴涂、堆焊1.2 焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點技術(shù)優(yōu)勢工藝靈活，適應(yīng)性強大型復(fù)雜結(jié)構(gòu) 采用分部件裝焊、現(xiàn)場裝焊-船舶、鍋爐、桁架結(jié)構(gòu)、石油管線、橋梁特殊產(chǎn)品 空心球、水箱、電子束焊加工齒輪、水泥電線桿工藝方法靈活，選擇范圍寬；操作位置及焊接方法成本低廉，質(zhì)量可靠。第一次課結(jié)束（未上完） 1.3 焊接結(jié)構(gòu)的特點揚長避短 （1）存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中 （2）必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形 （3）接頭存在性能不均勻性 （4）接頭止

8、裂性差第一章 緒論1.4 焊接結(jié)構(gòu)的可靠性第一章 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的可靠性焊接結(jié)構(gòu)的可靠性材料焊接性結(jié)構(gòu)工藝性 結(jié)構(gòu)性能 質(zhì)量管理體系焊接結(jié)構(gòu)的使用安全性應(yīng)綜合考慮到： 產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品檢驗、生產(chǎn)應(yīng)用、 保養(yǎng)維護等各個環(huán)節(jié)！ 無論結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、檢測部門，還是結(jié)構(gòu)的使用部門，都要有強烈的質(zhì)量意識并且有嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系作為保障！哪個環(huán)節(jié)有疏漏都可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。有時甚至是災(zāi)難性的！結(jié)束語第一章結(jié)束！第二章 焊接應(yīng)力與變形內(nèi)容提要： 本章是全課程的重點和難點！ 要求掌握： 1. 焊接應(yīng)力與變形的基本知識和分類方法； 2. 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機理與影響因素； 3. 焊接應(yīng)力與變形的

9、預(yù)防及控制措施； 4. 焊接變形的矯正與焊接應(yīng)力的消除方法。2.1 焊接應(yīng)力與變形的基本知識2.1.1 內(nèi)應(yīng)力的概念內(nèi)應(yīng)力定義 指在無外力作用下平衡于物體內(nèi) 部的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力特點 拉壓共存；拉壓平衡；在應(yīng)力分 布圖上至少有3塊面積。內(nèi)應(yīng)力別名 初始應(yīng)力，鎖定應(yīng)力，固有應(yīng)力、反作用應(yīng)力等。內(nèi)應(yīng)力舉例鑄件，焊接件，鉚接件等都存在內(nèi)應(yīng)力鑄件中的內(nèi)應(yīng)力分布 yx 受壓區(qū) 受拉區(qū)鉚接件中的內(nèi)應(yīng)力分布 y鉚釘工件x內(nèi)應(yīng)力分布焊接件中內(nèi)應(yīng)力的分布 特點：中心區(qū)域受拉； 兩邊區(qū)域受壓。xy內(nèi)應(yīng)力是一種普遍存在的現(xiàn)象思考： 1、 菜板為什么會裂？ 2、 鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件中有無內(nèi)應(yīng)力？ 3、 熟好的西瓜為什么容

10、易裂開？ 4、 腹部有未愈合傷口的人為什么不敢直腰？2.1.2 焊接應(yīng)力的分類按產(chǎn)生原因分為: （1）熱應(yīng)力(又稱溫度應(yīng)力)由于焊件經(jīng)受了不協(xié)調(diào)的熱變形所致。 （2）相變應(yīng)力由于焊縫區(qū)不均勻的相變，引起焊縫及熱影響區(qū)金屬的比容變化所致。 （3）拘束應(yīng)力由于工件自身或外加夾具的拘束作用產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 （4）凝縮應(yīng)力因焊縫區(qū)液態(tài)金屬冷凝收縮引起的內(nèi)應(yīng)力。 （5）氫致集中應(yīng)力因焊縫區(qū)的擴散氫在晶界或顯微缺陷處聚集而形成氫壓所致的內(nèi)應(yīng)力。按產(chǎn)生時序分為： 瞬時應(yīng)力焊接過程不斷變化著的動態(tài)內(nèi)應(yīng)力。 殘余應(yīng)力焊后，殘留于工件中的內(nèi)應(yīng)力。 按作用范圍分為： 宏觀內(nèi)應(yīng)力作用范圍可以工件來比量。 微觀內(nèi)應(yīng)力作用

11、范圍可用晶粒尺寸來比量。 超微觀內(nèi)應(yīng)力作用范圍可用晶格尺寸來比量。2.1.2 焊接應(yīng)力的分類按應(yīng)力狀態(tài)分為： 單向應(yīng)力又稱線應(yīng)力，存在于窄板條結(jié)構(gòu)； 雙向應(yīng)力又稱平面應(yīng)力，存在于薄板結(jié)構(gòu)； 三向應(yīng)力又稱體積應(yīng)力，存在于厚板結(jié)構(gòu)。 三向應(yīng)力的符號表示：x , y , z 。 x 縱向應(yīng)力，即平行焊縫方向的內(nèi)應(yīng)力； y 橫向應(yīng)力，即垂直焊縫方向的內(nèi)應(yīng)力； z 板厚方向的應(yīng)力，即垂直焊縫平面的內(nèi)應(yīng)力。2.1.2 焊接應(yīng)力的分類2.1.3 焊接變形及其分類焊接變形焊接工藝過程導(dǎo)致的工件尺寸或形狀的改變。焊接變形的分類：按產(chǎn)生時序分為： 瞬時變形即指焊接過程中工件的動態(tài)變形； 殘余變形焊后，殘留于工件中

12、的變形。 瞬時變形是一個過程； 殘余變形是最終結(jié)果。按焊接變形的形貌分為：縱向收縮L工件在焊縫方向的尺寸縮短行為；橫向收縮B在垂直焊縫方向的尺寸縮短行為；角變形 工件的平面圍繞焊縫軸線產(chǎn)生的角位移；波浪變形薄板工件在板平面上產(chǎn)生的凸凹不平；彎曲變形工件軸線產(chǎn)生的撓曲變形；扭曲變形工件整體產(chǎn)生的螺旋變形；焊接錯邊工件的坡口兩側(cè)母材產(chǎn)生局部不平。2.1.3 焊接變形及其分類收縮變形縱向、橫向角變形波浪變形失穩(wěn)變形彎曲變形扭曲變形錯邊變形 焊接變形的幾點說明1 區(qū)別偽波浪變形與真正波浪變形的本質(zhì)不同；2 注意焊接錯邊與裝配錯邊的本質(zhì)不同；3 注意分析各種變形的產(chǎn)生原因及相互關(guān)系。解釋與提示：偽波浪變

13、形的本質(zhì)是：角變形的連續(xù) 表象；真正波浪變形本質(zhì)是：薄板受壓失穩(wěn) 行為； 它們都是構(gòu)件 剛性不足 的表現(xiàn)形式。裝配錯邊是機械裝配精度不足所為； 是鉚工的責(zé)任！焊接變形的幾點說明焊接錯邊的本質(zhì)原因是： 焊接件坡口兩側(cè)母材熱變形不一致或受熱狀態(tài)不同所致。具體原因可能是： （1）電弧偏吹； （2）異質(zhì)接頭； （3）不等厚接頭； （4）散熱條件不同； （5）拘束條件不同。各種變形的相互聯(lián)系縱向收縮橫向收縮角變形的本質(zhì)是：橫向收縮在厚度方向上的不等量分布所致。扭曲變形的本質(zhì)是：角變形在焊縫長度方向上的不等量分布與不對稱焊接所致。彎曲變形可能是：縱向收縮和/或橫向收縮造成的。即把焊縫的偏心收縮！產(chǎn)生的偏心

14、力矩理解為偏心壓縮！是兩種基本變形形式，是二 維收縮的結(jié)果！第二次課結(jié)束2.1.4 焊接應(yīng)力與變形機理分析提要：這里通過對小試件均勻線性加熱與冷卻過程熱循環(huán)中的熱變形與熱應(yīng)力循環(huán) 的分析，使我們深刻理解焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生過程及殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機理。方法：利用應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)圖直觀分析?；靖拍睿鹤杂勺冃危庥^變形，內(nèi)部變形。基本符號： L T Le L應(yīng)變表示： T e 三種基本變形的定義自由變形 在溫度變化時試件的變形不受任何限制，能夠充分表現(xiàn)出來的變形外觀變形 由于某種拘束作用的限制，使得試件的熱變形不能充分表現(xiàn)出來，把其中表現(xiàn)出來的部分變形稱為外觀變形內(nèi)部變形未表現(xiàn)出來的那部分就稱為

15、內(nèi)部變形 三種基本變形的圖解 L0L可見， L=| L T Le| 考慮到拉壓關(guān)系應(yīng)力分析的重要公式LTLe又有, L= Le L T 即, Le = L T + L三種變形的應(yīng)變形式只要將公式 Le = L T + L 兩邊同除以試件 的原始長度L0，即得到各自的應(yīng)變形式： e T 其中， L T L0 可計算 Le 可測量 因而， L 可間接計算得到三種變形的分析結(jié)論： 外觀變形在數(shù)值上等于自由變形與內(nèi)部變形的代數(shù)和。 它的應(yīng)變表達(dá)式為： e T 它的等價形式為： e T 這兩個公式一定要牢記！2.1.5 試件內(nèi)部的應(yīng)力提示：小試件均勻加熱過程的變形一旦受到拘束等效于外力作用，就會產(chǎn)生內(nèi)部

16、變形，同樣會產(chǎn)生應(yīng)力。計算方法： 在彈性范圍內(nèi) E E（ e T ） 超出彈性范圍則有 s2.1.6 材料屈服限的變化 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖2.1.6 材料屈服限的變化 提示：材料的機械性能隨溫度的變化而變化，當(dāng)溫度變化幅度較大時，其性能變化幅度也是十分驚人的！低碳鋼屈服限隨加熱溫度的變化關(guān)系500600sT500 600Ts低碳鋼屈服限的簡化 500 600Ts2.1.7 TP與TSTP 指金屬在升溫過程中達(dá)到s為0時所對 對應(yīng)臨界溫度。TS指金屬在升溫過程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到s時所對對應(yīng)臨界溫度。舉例：對于低碳鋼TP600；TS的討論： 分析低碳鋼小試件在不同拘束條件的TS ？低碳鋼在絕對

17、剛性拘束時的TS 提示：絕對剛性拘束，等價 e 0 ！ 因此， T = 達(dá)到TS時, 試件中對應(yīng)的應(yīng)力值為s ！低碳鋼的相關(guān)材料常數(shù)： 12106/， E=2107 N / cm2 s =24000N / cm2計算結(jié)果代入具體參數(shù)可得： sE Es整理后，得 s /（ E ） 24000/(21071210-6） 100 即在絕對剛性拘束下，只要溫度升高100 低碳鋼小試件便達(dá)到屈服狀態(tài)！2.1.8 典型拘束狀態(tài)的表征絕對自由拘束： e T ， 0絕對剛性拘束： T ，e 0彈性拘束： e T ， 0 上述幾種拘束狀態(tài)的表征，在以后的應(yīng)力分析中會經(jīng)常提到！2.1.9 殘余變形與殘余應(yīng)力關(guān)于小

18、試件的幾點討論： （1）當(dāng)溫升T TS時，內(nèi)部變形 s ； 材料內(nèi)部沒有塑性變形，即p 0； 材料處于完全彈性狀態(tài)。 因此，加熱循環(huán)結(jié)束后，試件也沒有 任何殘余變形。試件最終恢復(fù)原始狀 態(tài)，所以，其內(nèi)部也沒有殘余應(yīng)力！ （2）當(dāng)溫升 T TS時，內(nèi)部變形 s ； 材料內(nèi)部就會產(chǎn)生塑性變形， 即|p | 0；(假設(shè) s ) 材料處于彈塑性狀態(tài)。 因此，在冷卻過程中： 若允許試件自由收縮，熱循環(huán)結(jié)束后，試件就會產(chǎn)生尺寸縮短|p |的 殘余變形！ 若不允許試件自由收縮，那么，冷卻過程就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，最終，就會產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力！ 2.1.9 殘余變形與殘余應(yīng)力2.1.9 殘余變形與殘余應(yīng)力 （3）當(dāng)溫升

19、 T TS時， 內(nèi)部變形| | s ； 這時，材料內(nèi)部產(chǎn)生的塑性變形一旦達(dá)到： |p | s 的狀態(tài)，那么，冷卻終了時，試件中不但會產(chǎn)生達(dá)到s 的拉應(yīng)力，還會產(chǎn)生新的拉伸塑性變形p ！ 這就是所謂的熱塑性變形循環(huán)！2.1.10 長板條中心加熱試件分析分析前提平面變形假設(shè) 表述：試件上處在同一平面的點，在整個熱變形過程中始終保持在同一平面上！ 聯(lián)想：材料力學(xué)中的平面變形假設(shè)！加熱條件：長板條中心加熱 1) TMAX TS 2) TMAX TS 外觀變形等于自由變形與內(nèi)部變形的代數(shù)和e T 內(nèi)應(yīng)力 E E（ e T ） 或 sTP 指金屬在升溫過程中達(dá)到s為0時所對 對應(yīng)臨界溫度。TS指金屬在升溫

20、過程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到s時所對對應(yīng)臨界溫度。長板條中心加熱試件分析具體分析1) TMAX TS 的最高溫度狀態(tài)T假象狀態(tài) 實際狀態(tài) 平面變形 各自獨立|max | s Te冷卻終了： 由于TMAX TS ，故內(nèi)部變形 s ； 單元體內(nèi)部沒有塑性變形，即p 0； 單元體內(nèi)每個小窄條處于完全彈性狀態(tài)。 因此，加熱循環(huán)結(jié)束后，單元體沒有 任何殘余變形，最終恢復(fù)到原始狀態(tài)。 所以，單元體內(nèi)部也沒有任何殘余應(yīng)力！具體分析2) TMAX TS具體分析s|max | s p 加熱狀態(tài)冷卻終了中心受壓，兩邊受拉 中心受拉，兩邊受壓ee2.1.12 長板條中心焊接試件分析提示： 1. 加熱最高溫度遠(yuǎn)超過TP; 2

21、. 最大塑性變形P遠(yuǎn)超過s； 因此， 應(yīng)力分布圖出現(xiàn)新的變化； 殘余應(yīng)力的峰值將達(dá)到s 。加熱至最高溫度時的應(yīng)力分布 長板條中心焊接+加熱至最高溫度狀態(tài)seT P特點:應(yīng)力場兩邊受拉,中部受壓;總體平衡！中心區(qū)應(yīng)力為零;壓縮塑性變形最大；外觀變形平移伸長；材料處于三種狀態(tài)： a）彈性狀態(tài)； b）彈塑性狀態(tài)； c）完全塑性狀態(tài)。冷卻至室溫的應(yīng)力分布圖殘余應(yīng)力分布Pe 冷卻終了：兩邊受壓，中心受拉； 峰值應(yīng)力達(dá)到s，產(chǎn)生拉伸塑性變形 P課后思考題長板條一側(cè)堆焊時的變形與應(yīng)力分布會是怎樣？2.2 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機理2.2.1 低碳鋼小試件在均勻線性加熱與冷卻時的 應(yīng)力與變形循環(huán)提示：通過幾種典

22、型拘束條件下,低碳鋼小試件在線性加熱與冷卻時的應(yīng)力與變形循環(huán),揭示焊接應(yīng)力與變形的機理。分析方法： 運用自由變形、外觀變形、內(nèi)部變形的關(guān)系的圖解法得出分析結(jié)論。典型拘束條件： （1）完全自由 （2）絕對剛性 （3）加熱剛性拘束，冷卻自由收縮 （4）彈性拘束 完全自由狀態(tài)具體分析（1）完全自由，特征：e T ， 0結(jié)論：因為 0 ，所以p 0 ！tT, T ,e,0t0 t1 t2變形充分! 應(yīng)力為零! 故沒有任何應(yīng)力，也沒有殘余變形！eT絕對剛性拘束（2）絕對剛性拘束脹 特征：e 0， T 完全自由收縮 特征：e Ta）TMAXTS= 100|max| s ,p= 0無殘余應(yīng)力與殘余變形！ T

23、, T ,e,t0 t1 t2tTe（2）絕對剛性拘束脹 特征：e 0， T 完全自由收縮 特征： e T100200300有殘余應(yīng)力，無殘余變形！T, T,e,tt0b) TMAX= 300 |max|s |p max| = 2 s t1t2t3t4Te對比（3）（2）絕對剛性拘束脹 特征：e 0， T 完全自由收縮 特征： e T T, T ,e, T, T ,e,a）TMAXTS= 100 b) TMAX= 300 |max| s ,p= 0 |max|s 無殘余應(yīng)力與殘余變形！ | p max| = 2 s t0 t1 t2 100200300有殘余變形，無殘余應(yīng)力！t0 t1 t2

24、t3 t4 絕對剛性拘束（3）絕對剛性拘束 a）TMAXTS= 100|max| s ,p= 0無殘余應(yīng)力與殘余變形！T, T ,e,t0 t1 t2+100200300有殘余應(yīng)力，無殘余變形！T, T,e,t特征：e 0， Tb) TMAX= 300 |max|s |p max| = 2 s t0 t1 t2 t3 t4 TePP彈性拘束（4）彈性拘束 特征：0eT， 0（4）彈性拘束 T, T ,e,a）TMAXTS|max| s ,p= 0無殘余應(yīng)力與殘余變形！t0 t1 t2+ 100200300有殘余應(yīng)力和殘余變形！特征：e 1/3 Tt0 t1 t2 t3 t4 tb) TMAX=

25、 300 |max|s | p max| = 1.5s tT, T ,e,TeP對比（4）彈性拘束 特征：0eT， 0（4）彈性拘束 特征：e T T, T ,e,T, T ,e,a）TMAXTS b) TMAX= 300 |max| s ,p= 0 |max|s 無殘余應(yīng)力與殘余變形！ | p max| = 1.5s t0 t1 t2+ 100200300有殘余應(yīng)力和殘余變形！PTeTmax600，絕對剛性拘束條件（5）TMAX600，絕對剛性拘束條件分析t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7600500100300T, T ,e,t分析結(jié)論幾點分析結(jié)論 1.只要|max| s ,p

26、 = 0 ,盡管有瞬時應(yīng)力,但是不會有殘余應(yīng)力和殘余變形; 2.只要 |max|s， 即p0，就會產(chǎn)生殘余現(xiàn)象： 在允許自由收縮時,就會表現(xiàn)為充分的殘余變形，而沒有殘余應(yīng)力； 在絕對剛性拘束時，就會產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，甚至產(chǎn)生拉伸塑性變形，而沒有殘余變形； 在彈性拘束時，二者兼而有之。各自大小因拘束條件變化。拘束偏強，應(yīng)力大，變形??；反之，應(yīng)力減小，變形大。 3.在Tmax TP時， |p max | T ，將加劇殘余現(xiàn)象！焊接殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機理在焊接過程中，具熱脹冷縮特性的金屬材料，必然受到焊接熱循環(huán)的局部高溫加熱和急劇冷卻作用；因此，焊縫區(qū)金屬的急劇膨脹和冷卻收縮至少會受到周圍冷硬金

27、屬的拘束作用。這種熱變形嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)與較強的拘束行為在加熱過程必然造成焊縫區(qū)金屬產(chǎn)生較大的熱壓縮塑性變形；由于焊縫區(qū)金屬不僅達(dá)到完全塑性狀態(tài)s0；甚至達(dá)到物理熔點,因而受到的壓縮作用更為強烈，|P max |遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過s 。焊接殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機理在隨后的冷卻過程中，其尺寸就會變短。但是，這種行為在周圍冷硬金屬的彈性拘束下，照例不會自由收縮；因而必然產(chǎn)生拉伸效應(yīng)。最終，在試件中必然同時產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，甚至產(chǎn)生較大的拉伸塑性變形，導(dǎo)致材料的塑性耗竭又稱之為熱應(yīng)變脆化！符號簡記試件加熱過程： T =T |P | S ; e；試件冷卻過程： T ， P 試件尺寸彈性拘束TS, TP,彈性拘束

28、TP sP彈性拘束 T P“Pe2.2.2 焊接應(yīng)力與變形的演變過程分析分析方法： 分析不同時刻的應(yīng)力 平衡及演變過程特征在焊接試件中取出單元體1B基本思路： 在單元體內(nèi)，沿焊縫方向的溫度場近似均勻，在板寬方向其溫度場對稱分布； 將單元體沿焊縫方向細(xì)分為若干小條，每個小條近似看作一個小試件； 然后，運用平面變形假設(shè)及自由變形，外觀變形，內(nèi)部變形關(guān)系，分析焊接過程不同時刻的應(yīng)力與變形循環(huán)。熱源過后試件某一截面四個典型的時刻：t1進(jìn)入冷卻后600等溫線最寬(bp區(qū))的時刻；t2最高溫度為600的時刻；t3最高溫度為400以下的某時刻；t4恢復(fù)到室溫的時刻。 通過典型時刻的對比，看清演變的動向和趨勢

29、！請注意： 在等速焊接條件下，同一截面上的不同時刻的演變過程與同一時刻不同截面上的溫度場和應(yīng)力狀態(tài)是等效的！t1時刻的溫度場與應(yīng)力場： 600500eTPST, , 特征：兩邊受拉，中部受壓； 中心區(qū)域壓縮塑性變形極大； 最大壓應(yīng)力幅值為S ！ 中心區(qū)域 TTP 出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)！ 應(yīng)力場滿足拉壓平衡關(guān)系。兩側(cè)t2時刻的的溫度場與應(yīng)力場：600e500TPT1T2PT, , 演變特征：溫度 有升有降； 中心區(qū)在急劇降溫； 兩側(cè)低溫區(qū)在升溫！塑性區(qū)有所擴展； 壓縮塑性變形區(qū)向兩側(cè)推進(jìn)； 拉伸塑性變形區(qū)中心凸現(xiàn)。應(yīng)力場明顯變化；中心從無到有；壓應(yīng)力區(qū)向兩側(cè)移動；兩側(cè)原來的拉應(yīng)力區(qū)有所減小兩側(cè)t3時刻的

30、的溫度場與應(yīng)力場：600PT3T2eT P”T, , 演變特征：溫度 有升有降； 中心區(qū)在急劇降溫； 兩側(cè)低溫區(qū)在升溫！塑性區(qū)有所擴展； 壓縮塑性變形區(qū)向兩側(cè)推進(jìn)； 拉伸塑性變形區(qū)在中心發(fā)展。應(yīng)力場 明顯變化； 中心拉應(yīng)力達(dá)到s； 壓應(yīng)力區(qū)繼續(xù)向兩側(cè)移動； 兩側(cè)的拉應(yīng)力區(qū)進(jìn)一步減小。t4時刻的的溫度場與應(yīng)力場： P”T3T4TeT, , 演變特征：溫度 全面下降； 中心區(qū)降溫幅度大； 兩側(cè)低溫區(qū)降溫幅度??； t4時刻總體恢復(fù)到室溫！塑性變形區(qū)： 壓縮塑性區(qū)寬度基本不變； 拉伸塑性變形繼續(xù)增大。應(yīng)力場明顯變化； 中心拉應(yīng)力區(qū)有所擴大； 兩側(cè)原有的拉應(yīng)力區(qū)消失； 壓應(yīng)力區(qū)推移至兩側(cè)。 最終形成3塊

31、面積： 中心受拉，兩側(cè)受壓。演變過程小結(jié) 基本依據(jù)：1）平面變形原理； 2） e T ； 3）T TP ,S = 0 。 關(guān)鍵找到每一時刻的 T 的分布規(guī)律 ； 認(rèn)清e 線就是應(yīng)力分布圖的零線。 數(shù)值關(guān)系： |P壓縮| max =P 拉伸 S 殘余應(yīng)力：拉應(yīng)力區(qū)峰值為 S ！ 分布規(guī)律：中心受拉，兩邊受壓！2.3 焊接殘余變形本節(jié)內(nèi)容提要：1. 認(rèn)清焊接殘余變形的實際危害；2. 理解焊接殘余變形的影響因素；3. 掌握焊接殘余變形的控制措施；4. 學(xué)會焊接殘余變形的矯正方法。 焊接工程師的基本功!不僅要學(xué)懂,而且要弄通、學(xué)精！2.3.1 焊接殘余變形的危害 1）工藝性能：影響結(jié)構(gòu)成型（形狀和尺寸

32、）精度，降低零部件的互換性。致使裝配難度提高，必要時需調(diào)修；否則，會影響裝配質(zhì)量； 2）使用性能：降低構(gòu)件的承載能力，甚至引起事故；波浪變形容易誘發(fā)構(gòu)件受壓失穩(wěn)；角變形及錯邊產(chǎn)生附加彎矩，導(dǎo)致應(yīng)力集中； 3）外觀質(zhì)量：波浪變形、角變形、扭曲變形、彎曲變形、焊接錯邊，均影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范加以控制； 4）經(jīng)濟成本：矯正變形需投入設(shè)備、耗費工時、浪費能源；有甚者，以至無法矯正而報廢；損失就更大！2.3.2 焊接殘余變形的影響因素 1）材料熱物理特性涉及線脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)等； 2）結(jié)構(gòu)剛性涉及整體剛性，局部剛性，附加拘束等； 3）焊接填充量涉及接頭、坡口形式及角度； 4）焊縫分布及數(shù)量

33、影響焊縫收縮力矩大??； 5）裝焊順序強調(diào)裝配、焊接次序及施焊方向； 6）焊接熱輸入線能量焊接方法及規(guī)范； 7）電弧對中及冷卻影響焊接錯邊及變形量； 8）間隙與點固裝配間隙大小，點固焊道數(shù)量、 點固長度、位置等；影響焊接錯邊及變形量； 9）焊接區(qū)應(yīng)力狀態(tài)涉及工件支撐、初始應(yīng)力等； 10）工藝操作技巧如：對稱焊、多層、多道焊， 分段退焊， 錘擊焊道，短弧焊，減少擺動等。2.3.3 焊接殘余變形的預(yù)防及控制措施設(shè)計措施1）接頭局部：選擇填充量小的焊縫尺寸及坡口 形式（降低L，B）； 例如：V型坡口 X或U型坡口 。2）結(jié)構(gòu)總體：減少焊縫數(shù)量（降低累積效應(yīng)）； 例如：盡量采用沖壓焊接結(jié)構(gòu)，鑄焊結(jié)構(gòu)。

34、對于次要焊縫，可將連續(xù)焊改為斷續(xù)焊。 3）焊縫布局：合理分布焊縫（使其接近結(jié)構(gòu) 中性軸或?qū)ΨQ分布，不要過密集）。2.3.3 焊接殘余變形的預(yù)防及控制措施工藝措施*1）反變形法*2）剛性固定法*3）限制熱場法*4）裝焊次序控制法* 以下重點展開講解!1）反變形法* 工件焊接前，人為預(yù)制一個與焊接殘余變形趨勢相反的變形，以抵消將要產(chǎn)生的殘余變形的工藝措施，稱為反變形法。反變形法的運用應(yīng)不失時機，具體分為：下料反變形在下料工序?qū)嵤?；裝配反變形在裝配工序?qū)嵤?；焊接反變形在焊接工序?qū)嵤?。反變形法舉例 ：下料反變形措施 對于縱向收縮和橫向收縮反映在長度與寬度尺寸上預(yù)先加余量； 對于撓曲變形預(yù)制拱度； a）

35、按圖紙下料 b）焊后殘余變形 c）預(yù)制反變形下?lián)?上拱 平直裝配反變形舉例： a）沒有預(yù)制反變形 b）預(yù)制反變形 焊前 焊后 焊前 焊后外力反變形實例梁結(jié)構(gòu)裝配變截面法應(yīng)用背景：大連起重機廠主梁焊接工藝基本原理：利用裝配前后截面慣性矩的變 化獲得剩余變形！具體分析： 形梁下蓋板箱形主梁生產(chǎn)工藝路線xx截面慣性矩及剩余變形分析： 1）由上圖可知，形梁的截面慣性矩遠(yuǎn)小于箱形梁的截面慣性矩，即，J J口 ； 2）在裝焊前利用夾具施加給主梁的外力矩M外與夾具釋放后的反彈力矩M彈大小相等、方向相反， 即，M外 M彈 ； 3）調(diào)控狀態(tài)下的撓曲變形 f k M外 / J 4) 反彈時的撓曲變形 f t M彈

36、 / J口 綜上可知: f t f k 即獲得了剩余變形 f f k f t 。變截面法的應(yīng)用意義： 抓住產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的有利時機，作為主要控制點，適時調(diào)節(jié)主梁上拱度。 不利方面： 構(gòu)件中存在裝配應(yīng)力!注意配合 焊接時，應(yīng)特別注意配合控制焊接區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，鞏固調(diào)節(jié)效果！焊接反變形實例加熱減應(yīng)區(qū)法補焊加熱減應(yīng)區(qū)2加熱減應(yīng)區(qū)1焊縫 雙孔試板加熱減應(yīng)區(qū)法焊接反變形示意圖基本原理：熱變形協(xié)調(diào)法基本技巧：先拉后從焊接反變形實例預(yù)拉伸焊接法應(yīng)用背景：客車側(cè)墻生產(chǎn)（參見結(jié)構(gòu)圖）基本原理：利用反變形釋放焊接應(yīng)力！方法要點： 在未焊接立柱、橫梁之前，對側(cè)墻板進(jìn)行預(yù)拉伸，使母材內(nèi)部達(dá)到一定程度的拉伸效應(yīng)！最好達(dá)到

37、屈服點！ 然后進(jìn)行立柱、橫梁的裝配、焊接，直到部件完成裝焊。 最后，松開夾具，使其內(nèi)部應(yīng)力釋放。這樣，能夠大大減輕側(cè)墻的波浪變形，控制側(cè)墻部件的平整度。側(cè)墻結(jié)構(gòu)簡圖側(cè)墻結(jié)構(gòu)預(yù)拉伸示意圖側(cè)墻板立柱橫梁上邊梁預(yù)拉伸焊接法的深入分析： 用小試件線性加熱過程的應(yīng)力與變形來分析預(yù)拉伸焊接法的有效性。st0 t1 t2 t3 t4 t5 t6T,，e，et P 殘余應(yīng)力: 未釋放夾具：應(yīng)力為s； 釋放夾具后：應(yīng)力為 0 ！t殘余變形：未釋放夾具為s;釋放夾具后為0 !2)剛性固定法利用夾具限制焊接過程中的收縮 變形的工藝措施。 基本原理：力圖使焊縫區(qū)在冷卻過程產(chǎn)生較大的拉伸塑性變形，以抵償加熱過程產(chǎn)生的熱

38、壓縮塑性變形。 基本應(yīng)用：適用于控制薄板波浪變形和角變形！ 應(yīng)用舉例：工件壓板 控制薄板T形接頭的 角變形!法蘭盤對稱焊接夾具:焊縫螺栓 剛性固定法舉例 3）限制熱場法* 通過控制焊接熱輸入和改善冷卻條件來調(diào)節(jié)熱影響區(qū)的范圍大小，達(dá)到控制變形量的方法?；驹恚罕M量降低塑性變形區(qū)的寬度 b p值。應(yīng)用舉例：深入體會a）多層/道焊與單道焊對比 單道焊 多層焊b p1b p2具有回火效果沉水氣焊法限制熱場法的聯(lián)想焊接方法： 氣焊 手弧焊 CO2焊 Ar弧焊 等離子弧焊 脈沖Ar弧焊 激光焊 電子束焊 超聲波焊切割方法： 氧乙炔火焰切割 等離子弧切割 激光束切割 水下切割 水切割 這些都是從限制熱影

39、響區(qū)方面所作的不懈努力！4）裝焊次序控制法* 是最靈活的控制措施之一。通過改變零部件的裝配焊接次序來調(diào)整和控制焊接變形。 基本原理：通過改變零部件的裝配焊接 次序來調(diào)節(jié)變形量的大小。 基本原則：控制（減?。┳冃瘟?、變形對稱或變形抵消原則。 基礎(chǔ)工作：做好裝配、焊接次序的組合分析，找到最佳方案。應(yīng)用舉例X形坡口對接接頭：123456123456a)b)形梁裝配焊接次序方案1邊裝邊焊： 焊接效果： 形梁產(chǎn)生較小的撓曲變形！方案2整體裝焊 將蓋板、隔板、腹板全部裝配后，統(tǒng)一完成內(nèi)部焊縫的焊接。 焊縫1蓋板與隔板之間的焊縫； 焊縫2隔板與腹板之間的焊縫； 焊接效果： 形梁產(chǎn)生較大的撓曲變形！箱形梁外部

40、焊縫的焊接次序： 先焊1、2焊縫 后焊3、4焊縫 先焊3、4焊縫 后焊1、2焊縫 結(jié)論：即使焊縫分布對稱，變形也不能完全 抵消！焊接區(qū)初應(yīng)力的影響！ 1 23 4拱度下降拱度增大2.3.4 焊接殘余變形的矯正矯正方法的分類： 機械矯正 冷矯正 火焰矯正 熱矯正原理： 機械矯正利用機械力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與焊接 殘余變形相反的塑性變形。 火焰矯正利用火焰的局部高溫加熱產(chǎn)生熱壓 縮塑性變形，使結(jié)構(gòu)局部冷卻后尺 寸變短，以抵消或平衡已產(chǎn)生的焊 接殘余變形。以毒攻毒！機械矯正的應(yīng)用特點平板：利用平板機或輥床平板，適用于薄 板拼接后的波浪變形；碾壓：利用圓盤或輪輾壓焊道及其兩 側(cè)，使之產(chǎn)生塑性伸長； 特別適 用

41、于塑性好的鋁合金；錘擊：適用于局部角變形（如客車鋼結(jié)構(gòu) 總裝之前的矯正）；專機：適用于大型結(jié)構(gòu)（如客車廠350t側(cè) 墻矯直機）?；鹧娉C正的應(yīng)用特點火焰矯正三要素：位置、形狀、溫度?；鹧婕訜嵛恢眠x擇： 使火焰加熱區(qū)新產(chǎn)生的殘余變形與已經(jīng)產(chǎn)生 的殘余 變形相互抵消！火焰加熱形狀選擇： 火焰加熱形狀有：點狀、帶狀、三角形等。 應(yīng)用時要恰當(dāng)選擇！火焰加熱溫度選擇： 火焰加熱溫度一般選擇為：550650火焰矯正舉例1薄板波浪變形的矯正工件模板加熱點加熱?？啄０迨直姶盆F火焰矯正舉例2梁結(jié)構(gòu)撓曲變形的矯正上拱度過大，火焰矯正，減小拱度加熱區(qū)火焰矯正注意之點！ 1. 避免在同一位置重復(fù)加熱； 2. 避免加熱

42、區(qū)在矯正時承受拉應(yīng)力； 3. 避免加熱區(qū)選在承受拉應(yīng)力的位置； 4. 加熱部位應(yīng)有依托； 5. 加熱區(qū)要有足夠的大小和適當(dāng)分布； 6. 避免對熱敏感材料使用 。2.3.5 火焰成型技術(shù)簡介火焰成型概述： 火焰不但可以矯正變形，而且可以用于板材成形。尤其在某些特殊曲面的成型中已有應(yīng)用?；鹧娉尚驮恚?利用橫向收縮和角變形兩種殘余變形?；鹧娉尚鸵c： 盡量造成工件正面與被面的溫差！產(chǎn)生更大的熱壓縮塑性變形。2.3.5 火焰成型技術(shù)簡介應(yīng)用舉例： 成型曲面。 2.4 焊接殘余應(yīng)力內(nèi)容提要：1.了解焊接殘余應(yīng)力的危害； 2.掌握焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律； 3.了解影響焊接殘余應(yīng)力分布的因素 以便改善焊接

43、殘余應(yīng)力的分布； 4.掌握調(diào)控及消除焊接殘余應(yīng)力的方法 以便處理實際工程問題。1）對產(chǎn)品制造工藝的影響 a）影響構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性及加工精度； b）嚴(yán)重時，導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生，造成產(chǎn)品返修， 甚至報廢?。ㄨT鐵補焊時極易發(fā)生）2）對結(jié)構(gòu)靜載強度的影響 a）塑性好的材料沒有影響能實現(xiàn)整個截面 上的全面屈服。 b）塑性差的材料有影響局部首先達(dá)到材料 的強度極限！ c）注意缺口效應(yīng)缺口尖端出現(xiàn)三向拉應(yīng)力， 導(dǎo)致 材料變脆。2.4.1 焊接殘余應(yīng)力的危害3）對壓桿穩(wěn)定性的影響 實質(zhì)：降低構(gòu)件的有效承載截面！ 使其抗彎能力不足。4）對結(jié)構(gòu)剛度的影響 實質(zhì)：降低構(gòu)件的有效承載截面！ 使其剛度下降。5）對應(yīng)力腐蝕

44、開裂的影響 實質(zhì)：拉應(yīng)力使裂紋表面的鈍化膜破壞。 起到“引狼入室”的助裂作用！6）對動載強度的影響 應(yīng)作辯證分析，在第五章詳細(xì)介紹。壓桿穩(wěn)定性下降的分析壓桿穩(wěn)定性的降低(參考圖例)sxx 殘余應(yīng)力的存在,使截面慣性矩IX大大下降!相當(dāng)于有效承載截面大大削弱( 收縮為藍(lán)區(qū))屈服區(qū)承載區(qū)殘余 外載 疊加結(jié)構(gòu)剛度降低分析分析圖sBbp原始承載截面: F1 = B殘余應(yīng)力存在, bp區(qū)金屬已經(jīng)屈服。使有效承載截面變?yōu)? F2 = (B bp) 顯然: F2 F1 即，承載截面下降！ 剛度的表征單位變形所需力的大小， 即構(gòu)件抵抗變形的能力。PL tg=P/L = EF/ L = KF K=E/L=常數(shù)結(jié)

45、論：剛度與承載截面 成正比。因此：剛度表達(dá)式：P L關(guān)系圖 有效承載截面下降剛度下降！首先申明： 1)焊接殘余應(yīng)力的表示方法： 三個主應(yīng)力： x 縱向應(yīng)力； y 橫向應(yīng)力； z 厚度方向應(yīng)力。 2）焊接殘余應(yīng)力分布的表示： x（y） 縱向應(yīng)力沿橫向的分布； x（x） 縱向應(yīng)力沿縱向的分布； y（x） 橫向應(yīng)力沿縱向的分布； y（y） 橫向應(yīng)力沿橫向的分布； 余此類推。2.4.2 焊接殘余應(yīng)力的分布（1）x（y）的分布規(guī)律 特征：焊縫及附近熱影響區(qū)受拉， 遠(yuǎn)離焊縫的母 材 受壓； 滿足：拉壓共存、拉壓平衡關(guān)系； 分布圖至少有三塊面積。 舉例： 1）中心焊接試板中心焊縫區(qū)受拉，兩側(cè)母材受壓（參見左

46、圖） ； 2）板邊堆焊試板板邊焊縫區(qū)受拉，中間母材受壓（參見右圖） ； 3）中部橫截面x（y）的分布圖 a）中心焊接 b）板邊堆焊（2） x（x） 縱向應(yīng)力沿縱向的分布；x （x）s 焊縫中心截面縱向應(yīng)力的分布分布特點：兩端過渡區(qū)：由0 s； 穩(wěn)定區(qū)：應(yīng)力為s。（3）y（x） 橫向應(yīng)力沿縱向的分布； 它由兩部分構(gòu)成，即 y（x） y（x） y”（x） 其中: y（x）由縱向收縮引起； y”（x）由焊接次序不同引起。 因此，最終結(jié)果由二者合成決定！ y（x）的分布特點： 兩端受壓，中部受拉。滿足拉壓平衡。 y”（x）的分布規(guī)律，由焊接方向決定。Y（X）分析圖例a）實際情況b）假想狀態(tài) c）應(yīng)力分

47、布Y”（X）分析直通焊從中心向兩端焊接 焊接方向 應(yīng)力分布規(guī)律：后焊區(qū)受拉！Y”（X）分析從兩端向中心焊接y”（x）分析 焊接方向 應(yīng)力分布規(guī)律：后焊區(qū)受拉！(4) y（y） 橫向應(yīng)力沿橫向的分布yy（y） 分布特點：板邊為零，中心最高，分布對稱！(5)典型工件的殘余應(yīng)力分布 a）焊接工字梁 b）箱形梁 蓋板應(yīng)力分布腹板應(yīng)力分布焊接箱形梁殘余應(yīng)力分布2.4.3 影響殘余應(yīng)力分布的因素1）焊縫長度的影響L1L2 L3 L() L1 L2 L32）工件寬度的影響（y）B2B3B1YB2Y （y） B1 B2焊縫分布的影響 3）焊縫分布的影響x（y）分布的變化 a）中心焊接 b）板邊堆焊（y）4）焊

48、縫形狀的影響環(huán)形封閉焊縫（r）rr 中心應(yīng)力 5)焊接次序的影響y”（x） 例如，分段退焊！先焊1、3、5，后焊2、4。 1 2 3 4 5 y”（x）x6）拘束的影響fy（）7）相變的影響合金鋼熱影響區(qū)易發(fā)生相變， 造成體積膨脹！ 熱應(yīng)力分布相變應(yīng)力熱應(yīng)力合成應(yīng)力8）其它工藝因素的影響（自學(xué)） 如：材質(zhì)，板厚，預(yù)熱溫度等。 例：電渣焊接頭的應(yīng)力分布，由于水冷成型銅塊對焊縫表面的激冷作用，使得焊縫表面出現(xiàn)壓應(yīng)力。但中心部位可能存在較大拉應(yīng)力！請參考教材深入理解。 材質(zhì)和預(yù)熱會影響殘余應(yīng)力的峰值！ 工件均勻化溫度越高， 殘余應(yīng)力的峰值越低！2.4.4 調(diào)控焊接殘余應(yīng)力的措施1)選擇合理的焊接順序

49、和方向 原則： 自由收縮原則避免相互拘束； 工作焊縫優(yōu)先工作焊縫先焊； 后患最小原則收縮量大、遠(yuǎn)離中性軸的焊縫在對結(jié)構(gòu)總體沒有影響時完成焊接。 注意結(jié)構(gòu)瞬時中性軸的變化并適時加以利用！ 2）錘擊或輾壓焊道 原理：趁熱打鐵，延展焊縫，從而起到松弛應(yīng)力的作用。 應(yīng)用：錘擊法適用于鑄鐵補焊； 碾壓法適用于塑性好的鋁材。 3）加熱減應(yīng)法 原理： 協(xié)調(diào)變形，既有預(yù)拉伸之功效，又有松弛應(yīng)力之法，也有保護薄弱環(huán)節(jié)之目的。靈活性強。 應(yīng)用：農(nóng)機部件缸體、缸蓋的補焊！ 4）減少接頭局部剛度 局部制造緩沖彎、卸荷槽等；以便從結(jié)構(gòu)局部創(chuàng)造松弛效應(yīng)。結(jié)構(gòu)整體剛性較大時，可考慮降低局部剛性！ 5）焊前機械預(yù)拉伸法 原理

50、：超前拉伸， “欲縱故擒” 。 應(yīng)用：客車側(cè)墻焊接采用！前面已介紹。 6）合理運用多層焊道的回火效應(yīng) 多層焊時,各層焊道之間具有互惠機制： 先焊焊道對后焊焊道有預(yù)熱作用; 后焊焊道對先焊焊道有回火作用。 這一點有時被忽視。利用好這一機制, 調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力的效果十分明顯! 注意控制：層間溫度！2.4.5 消除焊接殘余應(yīng)力的方法 1)焊后熱處理消應(yīng)力熱處理。 依據(jù)工件的受熱狀況不同，分為：整體消應(yīng)力熱處理整體高溫回火；局部消應(yīng)力熱處理局部高溫回火； 這是一種最常用、也最實用的方法。 技術(shù)原理：利用完全塑性化溫度條件，即鋼材屈服極限接近為零的性質(zhì)，松弛焊接應(yīng)力。 技術(shù)要點：將工件加熱至650 ，保溫一

51、定時間， 然后緩慢冷卻。 保溫時間根據(jù)工件厚度確定。2）超載拉伸法 原理：使高殘余拉應(yīng)力區(qū)金屬在外力作用下產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)。 應(yīng)用對象：對塑性好的材料適用。 應(yīng)用實例：壓力容器行業(yè)水壓試驗（超載拉伸）可謂一舉多得！其作用有： a）檢驗壓力容器的強度； b）檢驗壓力容器的致密性； c）超載拉伸法消除殘余應(yīng)力。2.4.5 消除焊接殘余應(yīng)力的方法2.4.5 消除焊接殘余應(yīng)力的方法超載拉伸法作用機理 以焊縫殘余拉應(yīng)力區(qū)為分析對象！參考下圖 未加載時，殘余拉應(yīng)力 初值為： S ； 達(dá)到超載拉伸載荷時，該區(qū) 最大應(yīng)力仍為：S ； 卸載后，最終應(yīng)力水平為： S （ P/A）超載拉伸法的

52、幾點討論由上圖分析可知： 超載拉伸法的作用效果取決于外加載荷 P/A，當(dāng) s 時，可使殘余應(yīng)力徹底消除！ 經(jīng)超載拉伸后，若工作載荷 超載拉伸載荷， 那么，構(gòu)件服役時的最大拉伸應(yīng)力也不會超過s ！ 從而，提高了構(gòu)件服役期的安全性！ 這又是超載拉伸法的好處。2.4.5 消除焊接殘余應(yīng)力的方法3）溫差拉伸法 原理：不同于消除應(yīng)力熱處理。至少有兩點不同：加熱溫度不同；加熱位置不同。溫差拉伸法的實質(zhì)是：熱力拉伸。 方法要點：三要素 位置、形狀、溫度。 在焊縫兩側(cè)母材帶狀加熱至200左右。利用加熱帶自身的熱脹效應(yīng)，對焊縫產(chǎn)生直接的拉伸作用并產(chǎn)生拉伸塑性變形，從而松弛應(yīng)力。 溫差拉伸法的作用機理分析圖例千斤

53、頂焊縫加熱帶200溫差拉伸法工作狀態(tài)示例 溫差拉伸法工作圖 溫差水平：100左右。 火焰加熱器2.4.5 消除焊接殘余應(yīng)力的方法4）振動時效法 原理：利用亞共振效應(yīng)獲得的能量，使工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力得以釋放應(yīng)力場重新平衡！ 也可理解為：局部的超載拉伸。因為：工件在經(jīng)歷振動時，會承受交變的彎曲應(yīng)力，它與峰值殘余應(yīng)力相疊加，同樣，會產(chǎn)生局部的超載拉伸行為。從而產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)。 方法要點： 合理選擇振動參數(shù)：激振力，激振頻率， 激振部位，振動時間等。 該法對塑性好的材料更適用。 消除應(yīng)力的效果不如整體熱處理好。 優(yōu)點是：工件無氧化、生產(chǎn)效率高。 應(yīng)用情況： 目前市場已有專供產(chǎn)品！振動時效法第三章 焊

54、接接頭（自學(xué)章節(jié)）內(nèi)容提要：強化一個基礎(chǔ) 材料力學(xué)（強度理論）；把握兩個關(guān)鍵 工作焊縫；應(yīng)力集中；認(rèn)識四種接頭對接接頭、T形接頭、 搭接接頭、角接接頭等。了解八點假設(shè)（參考教材p93內(nèi)容）應(yīng)對實際問題 接頭靜載強度分析、設(shè)計 與強度校核！焊接接頭靜載強度計算的八點假設(shè)應(yīng)用背景： 針對塑性較好的材料提出的，并不是所有材料都適用！理論基礎(chǔ)是材料力學(xué)。具體內(nèi)容： 在焊縫強度校核時，暫不考慮應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的不利影響，按平均應(yīng)力計算； 所有的角焊縫，一律按剪應(yīng)力進(jìn)行強度校核； 搭接接頭中的正面角焊縫與側(cè)面角焊縫等同對待； 焊接接頭靜載強度計算的八點假設(shè) 角焊縫的強度計算時，其破壞斷面為焊縫內(nèi)接三角形

55、的高線所在平面；ka a0.707kka K 稱為焊腳尺寸；a 稱為焊縫厚度；有關(guān)焊縫厚度的極限尺寸的推薦公式: amin=tmax - 0.5 mm, amax=0.7tmin焊接接頭靜載強度計算的八點假設(shè)對于熔深超出理論根點的深熔角焊縫，則應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臋z測方法，測量其超過根點的有效尺寸e，然后對a進(jìn)行修正： aa+e ae工作焊縫與聯(lián)系焊縫 焊縫與載荷垂直 焊縫與載荷平行a）工作焊縫 b）聯(lián)系焊縫關(guān)于坡口型式簡介GB985-88 焊縫坡口的基本型式有： I型 不開坡口,用于薄板焊接接頭； V型單面V形，用于薄板或小直徑管； Y型鋁材焊接時或抗裂性試驗； U型單面U形用于厚板或小直徑厚壁管；

56、 J型用于管板接頭； K型用于T形接頭；關(guān)于坡口型式簡介GB985-88 X型用于中厚板或大直徑中厚壁管； 雙面U型用于大厚板或大直徑厚壁管； 雙面J型用于中厚板的T形接頭； 此外，還有帶墊板的各種坡口等等。 GB985-88中，列出29種具體坡口形式及相關(guān)尺寸?？筛鶕?jù)實際產(chǎn)品，選擇應(yīng)用。坡口的幾個基本術(shù)語鈍邊P；間隙b；坡口角度；坡口面角度。pb第三章 思考題 何謂應(yīng)力集中，如何描述它？導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因有哪些？對接接頭、T形接頭、搭接接頭中的工作應(yīng)力分布是怎樣的？焊接接頭靜載強度校核時，應(yīng)考慮的八點假設(shè)內(nèi)容具體指什么？坡口型式如何選擇？工作焊縫與聯(lián)系焊縫的區(qū)別是什么？鉚焊聯(lián)合接

57、頭與鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)有何區(qū)別，二者是否都是合理的設(shè)計？何謂低組配和高組配接頭？哪種更合理？交錯焊縫在設(shè)計圖紙上如何標(biāo)注？ 第四章 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂序言： 焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的數(shù)十年間，為人類文明做出了巨大的貢獻(xiàn)，這是不可磨滅的。 但是，由于人類對于焊接結(jié)構(gòu)的特性 認(rèn)識不足，制造工藝不當(dāng)，維護不及時，歷史上也出現(xiàn)過一些災(zāi)難性的事故。 因此，焊接工作者尤其應(yīng)該深刻汲取 歷史留給人們的慘痛教訓(xùn)，發(fā)揮自身的聰明才智，更為科學(xué)合理地利用資源，保護環(huán)境，創(chuàng)造更加輝煌的未來！易發(fā)生脆斷的幾種典型結(jié)構(gòu)橋梁工況：冬季寒風(fēng)、超載重載車輛、 伴隨較強振動（沖擊性）；艦船工況：冰雪季節(jié)、動蕩加載或 與冰塊頻繁撞擊；壓力容器工

58、況：承受高壓載荷、內(nèi)部裝 載低溫介質(zhì)或裸露在低溫環(huán)境。工況特點：低溫、高應(yīng)力（集中）、動載荷！ 制造這類產(chǎn)品時，應(yīng)高度重視！第四章 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂本章提要： 1）脆性斷裂的危害及其基本特征； 2）造成焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要原因； 3）焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要影響因素； 4）焊接結(jié)構(gòu)脆斷的主要防止措施。 以上內(nèi)容作為本章的要點。4.1 焊接結(jié)構(gòu)脆斷事故產(chǎn)生的基本原因與脆斷的基本特征 4.1.1 金屬的脆性斷裂 通常指沿一定結(jié)晶面劈裂的解理斷裂或晶界斷裂。 4.1.2 脆斷的基本特征 1）脆斷由正應(yīng)力引起，幾乎沒有塑性變形； 2）脆斷時所需能量小，屬于低應(yīng)力破壞； 3）裂紋擴展速度快（可達(dá)1800km/

59、s），具有突發(fā)性， 措不及防； 4）脆斷對溫度條件敏感，即所謂的金屬冷脆現(xiàn)象； 4.1.3 金屬脆斷的斷口特征： 1）斷面顏色： 解理斷裂：晶狀斷口，閃閃發(fā)光； 晶界斷裂：較灰暗； 2）宏觀斷口形狀： 解理斷裂：斷口平齊，有放射狀撕裂棱形，即 人字紋，其尖鋒指向裂紋源； 晶界斷裂：表面平齊，呈顆?；虼执蔂?，邊緣 有剪切唇；脆斷的斷口特征3）微觀斷口形貌： 解理斷裂：河流花樣，舌狀花樣， 扇形花樣； 晶界斷裂：冰糖狀花樣， 巖石狀花樣， 不同程度的晶粒多面體。4.1.4 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的產(chǎn)生原因 金屬脆斷理論表明，金屬發(fā)生脆斷的影響因素很多。情況較為復(fù)雜； 焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的原因更加復(fù)雜。專業(yè)人員

60、尤其需要深入研究。 從宏觀上可定性地概括為以下幾點： 1) 結(jié)構(gòu)在使用工況下的韌性不足； 尤其是缺口韌性不足； 這與材料本身的性能、構(gòu)件的加工質(zhì)量、載荷作用方式、環(huán)境與介質(zhì)條件等均有一定關(guān)系。 4.1.4 焊接結(jié)構(gòu)脆斷的產(chǎn)生原因 2）結(jié)構(gòu)在設(shè)計、制造環(huán)節(jié)上存在工藝缺陷； 這些未能得以及時消除的工藝缺陷，進(jìn)一步造成了構(gòu)件承載能力尤指抗開裂能力的惡化。 如：焊接殘余應(yīng)力、附加殘余變形、熱應(yīng)變時效以及各種焊接缺陷等引起的應(yīng)力集中和脆化現(xiàn)象。 3）產(chǎn)品檢驗技術(shù)不夠完善，并未對重要結(jié)構(gòu)采取有效的質(zhì)量跟蹤措施和及時準(zhǔn)確的無損評價。 涉及：產(chǎn)品檢驗技術(shù)規(guī)范、手段等。4.1.5 焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆斷的危害性 1)