1、材料科學(xué)與工程學(xué)院焊 接 結(jié) 構(gòu)材料科學(xué)與工程學(xué)院2013年10月1焊接概念 第一章 緒 論焊接：通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)過(guò)程使兩個(gè)分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合力永久性結(jié)合在一起的連接方法。焊接：兩種或兩種以上材質(zhì)（同種或異種），通過(guò)加熱或加壓或二者并用，來(lái)達(dá)到原子之間的結(jié)合而形成永久性連接的工藝過(guò)程。 1焊接概念 第一章 緒 論焊接所必須的溫度與壓力的關(guān)系 2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論現(xiàn)代材料焊接與連接技術(shù)的特點(diǎn) 現(xiàn)代生活離不開(kāi)的量大、面廣技術(shù) 發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵產(chǎn)量60%要成為焊接結(jié)構(gòu)，我國(guó)目前已達(dá)45%。涵蓋國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍工的各個(gè)角落（天上、地面和水下）。 無(wú)所不能的“姻緣”技術(shù) 金屬金屬（

2、黑色、有色、輕金屬、貴金屬焊接） 金屬非金屬（有機(jī)、無(wú)機(jī)材料連接、膠結(jié)） 非金屬非金屬（連接、膠結(jié)）2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局NASA直徑8.41米航天飛機(jī)外部助推燃料貯箱，采用FSW（摩擦攪拌焊接）。2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論采用FSW焊接Ariane 5 發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論 美國(guó)Eclipse航空公司采用263條FSW焊縫取代了7000多個(gè)螺栓緊固件，節(jié)約了大量的成本，新一代商用噴氣客機(jī)N500于2002年6月通過(guò)了FAA的認(rèn)證，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論 馬自達(dá)汽車公司是第一個(gè)

3、將攪拌摩擦焊應(yīng)用于汽車車身制造的汽車制造商，采用該技術(shù)制造2004款馬自達(dá)RX-8鋁合金材質(zhì)的后門以及引擎罩。2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論 鳥(niǎo)巢的主要結(jié)構(gòu)是由24個(gè)桁架組成。在“鳥(niǎo)巢”工程焊接中，主要應(yīng)用了焊條電弧焊、實(shí)芯CO2半自動(dòng)焊、藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊。在拼裝中還采用了埋弧焊。建筑 鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)戴為志、劉景鳳2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論 2、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性大，主要表現(xiàn)在：焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀不受限制：如鉚

4、、鑄、鍛等方法無(wú)法制造空心結(jié)構(gòu)，焊接則可以；結(jié)構(gòu)的壁厚不受限制：兩被連接構(gòu)件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；結(jié)構(gòu)的外形尺寸不受限制：對(duì)大型結(jié)構(gòu)可分段制成部件，現(xiàn)場(chǎng)組焊、鍛、鑄、工藝則不允許；可利用標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)型材組焊接成所需要結(jié)構(gòu)，段結(jié)構(gòu)重量減輕。焊縫減少；可與其它工藝方法聯(lián)合使用：鑄焊 鍛焊 栓焊 沖壓焊接等聯(lián)合的金屬結(jié)構(gòu)；可實(shí)現(xiàn)異種材料的連接：同一結(jié)構(gòu)的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物盡其用。2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論 3、焊接接頭密封性好 氣密性，水密性均優(yōu)于其它方法，特別是在高溫，高壓容器上，只有焊接接頭才是最理想的連接形式。4、焊前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單 由于近年來(lái)數(shù)控精密氣割設(shè)備的發(fā)

5、展，對(duì)于各種厚度或形式狀復(fù)雜的待焊接，不必預(yù)劃線就能直接從板料上切割出來(lái)，一般不用再機(jī)械加工就可投入裝配焊接。2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論焊接結(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題（缺點(diǎn)）：1、存在較大的焊接應(yīng)力和變形 焊接（局部加熱）內(nèi)應(yīng)力變形工藝缺欠承載能力（剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性）下降尺寸精度，尺寸穩(wěn)定性下降校形增加工作量增加成本2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論 2、對(duì)應(yīng)力集中敏感 焊接結(jié)構(gòu)具有整體性，其剛度大，焊縫的布置、數(shù)量和次序等都會(huì)影響到應(yīng)力分布，對(duì)應(yīng)力集中敏感，而應(yīng)力集中是疲勞，脆斷等破壞的起源，因此在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要妥善處理。2焊接特點(diǎn) 第一章 緒 論 3、焊接接頭的性能不均勻 焊接金屬是由母材料和填充金屬在

6、焊接熱作用下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材（近縫區(qū)）受焊接熱的影響，組織和性能發(fā)生變化（謂之熱影響區(qū)），因此，焊接接頭在成分，組織和性能上都是一個(gè)不均勻體，其不均勻程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鑄、鍛件，這種不均勻性對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，特別是斷裂行為有重要影響。3發(fā)展歷程 第一章 緒 論 連接，英文為JOINING，它應(yīng)包括： 熔化焊接 WELDING 硬釬焊 BRAZING 軟釬焊 SOLDERING 粘接 ADHESIVE，BONDING 鉚接 RIVETING 國(guó)外將WELDING和JOINING嚴(yán)格分開(kāi) 國(guó)內(nèi)習(xí)慣用“焊接”一詞替代1-3種連接方法3發(fā)展歷程 第一章 緒 論 一門新興又古老的技術(shù)，

7、最重要的發(fā)展歷程如下：3000BC： 銅-金，鉛-錫的焊接秦兵馬俑出土的銅馬車（2230年前）3發(fā)展歷程 第一章 緒 論 一門新興又古老的技術(shù)，最重要的發(fā)展歷程如下：1882年： 別納爾多斯（H. H. ）發(fā)明電弧 焊1885年： 美國(guó)湯姆遜（E. Thomson）發(fā)明電阻對(duì)焊1910年： 發(fā)明厚皮焊條電弧焊1930年： 發(fā)明TIG焊接法40年代： . 等創(chuàng)造埋弧自動(dòng)焊方法，擴(kuò)散焊50年代： 發(fā)明氣保護(hù)焊，電渣焊，電子束焊，摩擦焊，超聲 波焊60年代： 發(fā)明激光焊，等離子焊，爆炸焊70年代： 磁力脈沖焊90年代： 發(fā)明攪動(dòng)摩擦焊（FSW），激光-電弧組合焊 3發(fā)展歷程 第一章 緒 論 20世紀(jì)

8、擁有的連接方法：電弧焊18種，硬釬焊11種，軟釬焊8種，擴(kuò)散焊4種，固態(tài)焊接9種，電阻焊9種，氧乙炔焊4種，其它焊10種。 另外還有熱噴涂13種，氧切割9種, 電弧切割7種, 其它切割6種。4焊接學(xué)科形成 第一章 緒 論 焊接技術(shù)的迅速發(fā)展是建筑在其它學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上 冶金化學(xué)、物理冶金、材料力學(xué)、電工電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)等，消化吸收和發(fā)展這些學(xué)科，使焊接從一門技藝變?yōu)橐婚T科學(xué)的制造技術(shù)。推動(dòng)這一發(fā)展的動(dòng)力，是焊接技術(shù)在重大工程中的應(yīng)用以及因此而產(chǎn)生的后果 政府極大關(guān)注而投入大量資金進(jìn)行研究，由此促進(jìn)了焊接科學(xué)的發(fā)展，形成了焊接冶金學(xué)、焊接設(shè)備理論及焊接（斷裂）力學(xué)三大學(xué)科領(lǐng)域。其中焊接斷裂力學(xué)的

9、形成，不僅推動(dòng)了焊接工程的應(yīng)用，也推動(dòng)了力學(xué)學(xué)科的發(fā)展。4焊接學(xué)科組成 第一章 緒 論獲得可靠性能接頭改善性能延長(zhǎng)壽命提供合理連接手段結(jié)構(gòu)生產(chǎn)輔助與改進(jìn)熔化焊壓力焊釬焊組合焊鉚接、粘接焊接方法和設(shè)備應(yīng)力應(yīng)變斷裂強(qiáng)度安全評(píng)定表面改性焊接力學(xué)焊接性焊接工藝規(guī)范焊接材料傳熱、傳質(zhì)焊接冶金學(xué)表面工程焊接檢驗(yàn)切割CAW焊接生產(chǎn)設(shè)計(jì)其 它焊接與連接學(xué)科5材料焊接性 第一章 緒 論焊接結(jié)構(gòu)自身矛盾示意圖母材焊縫HAZ焊接接頭示意圖 第一章 緒 論5材料焊接性焊接性 與焊接冶金課程中介紹的，“材料焊接性”的概念相比，構(gòu)件焊接性含義更廣泛，它可以包含以下幾方面內(nèi)容：“材料的焊接適應(yīng)性”、“設(shè)計(jì)的焊接可靠性”和“

10、制造的焊接可行性”。 第一章 緒 論5材料焊接性影響焊接性的因素 根據(jù)上述分類，可將影響焊接的因素按下面的方式分類：影響焊接性的因素與材料有關(guān)的因素與制造有關(guān)的因素與設(shè)計(jì)有關(guān)的因素母材和填充材料的類型(化學(xué))成分和顯微組織結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐條件和負(fù)載，焊縫類型，厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形狀，焊接順序，多層焊，定位焊。夾緊、預(yù)熱和焊后熱處理。 第一章 緒 論5材料焊接性 從狹義上來(lái)說(shuō)，焊接性可理解為所需求的強(qiáng)度性能、焊接接頭的強(qiáng)度受到化學(xué)分成或溫度循環(huán)等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型，或預(yù)熱溫度等的影響，強(qiáng)度行為可用一些主要的或物理特征值來(lái)描述，而這些特征值又

11、可能涉及另一些次要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影響強(qiáng)度性能的不完全的可變因素圖，由此，可看出“焊接性”的復(fù)雜性。 第一章 緒 論5材料焊接性主要影響因素主要特征值合金元素含量相、顯微組織、晶粒尺寸冷卻時(shí)間、奧氏體化時(shí)間退火時(shí)間和溫度板厚、焊縫類型等效應(yīng)力、三軸度焊條藥皮、水分次要特征值碳當(dāng)量焊接性指數(shù)脆性指數(shù)裂紋敏感性指數(shù)（脆性）轉(zhuǎn)變溫度目標(biāo)參數(shù)硬度強(qiáng)度延展性冷列敏感性熱烈敏感性層狀撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蝕性次要影響因素焊條類型焊接方法焊接參數(shù)焊縫類型預(yù)熱溫度層數(shù)稀釋率燒穿，夾雜物化學(xué)成分 相變、顯微組織 焊接溫度循環(huán) 焊后熱處理 構(gòu)件形狀 負(fù)載條件 氫含量影響焊接接頭強(qiáng)度的主要

12、因素 第一章 緒 論5材料焊接性焊接性可以分解為溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形場(chǎng)以及顯微組織狀態(tài)場(chǎng)。 第一章 緒 論5材料焊接性 焊接殘余應(yīng)力和變形是焊接性的一個(gè)重要組成部分，他們可能引起冷、熱裂紋、脆性斷裂和早期不穩(wěn)定；變形影響使用性能并且妨礙制造過(guò)程。拉伸殘余應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度和抗蝕性能；壓縮殘余應(yīng)力減小穩(wěn)定性極限。 第一章 緒 論6本課內(nèi)容 本課程從焊接應(yīng)力與變形、焊接接頭的性能特征、應(yīng)力分布、斷裂特征和疲勞強(qiáng)度方面進(jìn)行分析。要求掌握焊接結(jié)構(gòu)的主要特性，理解其原理、規(guī)律和控制途徑；最后介紹典型焊接結(jié)構(gòu)實(shí)例，為正確分析焊接結(jié)構(gòu)的工藝性和合理性，為解決有關(guān)設(shè)計(jì)和工藝問(wèn)題打好基礎(chǔ)。焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂疲勞強(qiáng)度

13、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緒 論焊接接頭焊接應(yīng)力與變形 第一章 緒 論6本課內(nèi)容7關(guān)于本課程教學(xué)： -課堂講課為主 -閱讀、習(xí)題、討論參考書籍：焊接結(jié)構(gòu)田錫唐，機(jī)械工業(yè)出版社，1997，10焊接熱效應(yīng)D.拉達(dá)伊，機(jī)械工業(yè)出版社，1997，連接結(jié)構(gòu)分析游敏，鄭小玲，華中科技大學(xué)出版社，2004焊接結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)編寫組，天津大學(xué)出版社，1995焊接變形的控制與矯正付榮柏，機(jī)械工業(yè)出版社，2006 第一章 緒 論 第二章 焊接應(yīng)力與變形基本概念桿件的變形與應(yīng)力長(zhǎng)板條的變形與應(yīng)力焊接殘余變形矯正焊接殘余變形方法調(diào)節(jié)焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力測(cè)定焊接應(yīng)力與變形 第二章 焊接應(yīng)力與變形2.1 內(nèi)應(yīng)力及變形的基

14、本概念一、內(nèi)應(yīng)力及其產(chǎn)生原因內(nèi)應(yīng)力定義：在沒(méi)有外力作用下，平衡于 物體內(nèi)部的應(yīng)力。特征：1）在結(jié)構(gòu)內(nèi)部自身形成平衡的 力系； 2）內(nèi)應(yīng)力分布范圍很廣。1 基本概念1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形內(nèi)應(yīng)力的分類（按分布范）1、第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀內(nèi)應(yīng)）：在較大范圍內(nèi)平衡，大小可與物體尺寸來(lái)比量。2、第二類內(nèi)應(yīng)力（細(xì)觀內(nèi)應(yīng)）：平衡范圍大小可與晶粒尺寸來(lái)比量。（大約0.011mm)。3、第三類內(nèi)應(yīng)力（微觀內(nèi)應(yīng)）：平衡范圍大小可與晶格尺寸來(lái)比量。（大約10-610-2mm)。內(nèi)應(yīng)力的分類（按產(chǎn)生原因）1、溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）：構(gòu)件受熱不均勻?qū)е聹囟炔町?，各部位熱膨脹或收縮變形不一致，相互約束而產(chǎn)生的。2

15、、殘余應(yīng)力：由于溫度或其他原因?qū)е虏牧暇植繀^(qū)域產(chǎn)生塑性變形，而殘存的內(nèi)應(yīng)力。3、相變應(yīng)力：材料發(fā)生相變時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形二、自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形1、自由變形（LT）： 物體在溫度變化或者發(fā)生相變時(shí),他的尺寸和形狀可能發(fā)生變化,如果這種變化沒(méi)有受到外界的任何阻礙而自由的進(jìn)行,這種變形稱為自由變形。 單位長(zhǎng)度上的變形量：1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形2、外觀變形（Le）： 當(dāng)物體在溫度變化過(guò)程中受到阻礙，使他不能完全自由的變形，只能部分的表現(xiàn)出來(lái)，我們把表現(xiàn)出來(lái)的這部分變形稱為外觀變形。e= Le/ L03、內(nèi)部變形

16、（L）： 不能表現(xiàn)出來(lái)的這部分變形稱為內(nèi)部變形。L = (LT Le )= Le LT = L/ L0 = e- T1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形L= E= E(e- T)LTLeLLT1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形 以金屬桿為例，討論其在均勻加熱、冷卻過(guò)程中的受力和變形情況： 如果加熱過(guò)程中受到阻礙，則產(chǎn)生內(nèi)部變形。1)、 1 s,則 s,則 s。桿件中產(chǎn)生塑性變形，數(shù)值大小為P= (e- T) s。當(dāng)溫度恢復(fù)到原來(lái)溫度時(shí)，如果桿件自由收縮，則比原來(lái)長(zhǎng)度縮短LP ，不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形三、長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形和應(yīng)力 （一）、有關(guān)力學(xué)和物理

17、性能的假設(shè)： 1)、平面假設(shè)： 構(gòu)件在受縱向力或彎矩作用而變形時(shí)，構(gòu)件中的 平截面始終保持是平面。 2)、金屬性能的假設(shè)： 材料的熱物理性能不隨溫度的變化而變化，如密度、熱膨脹系數(shù)、比熱容、熱導(dǎo)率、導(dǎo)溫系數(shù)、彈性模量、泊松比等。1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形3)、金屬屈服點(diǎn)的假設(shè)： 對(duì)材料的屈服點(diǎn)與溫度關(guān)系曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化。低碳鋼為例，其在500 oC以下時(shí)屈服極限不變，600 oC以上時(shí)完全是塑性狀態(tài)，即屈服強(qiáng)度為0。4)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的假設(shè)： 材料呈理想的彈塑性狀態(tài)，既材料屈服后不發(fā)生強(qiáng)化。金屬屈服極限與溫度的關(guān)系1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形（二）、在長(zhǎng)板條中心加熱 實(shí)驗(yàn)方法：如

18、圖2-4，在一塊長(zhǎng)板條（長(zhǎng)為L(zhǎng)寬為B厚為）中間用電阻絲間接加熱。 溫度場(chǎng)建立：在板條上出現(xiàn)一個(gè)中間高、兩側(cè)低的不均勻溫度場(chǎng)，板條長(zhǎng)度方向上的溫度場(chǎng)可視為均勻的。1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形結(jié)果：中間溫度高，變形率大；兩側(cè)相應(yīng)的減小，形成鋸齒狀截面。變形與應(yīng)力分析：1）假設(shè)長(zhǎng)板條由相互獨(dú)立的小窄條組成（每個(gè)小窄條之間能夠傳熱），每個(gè)小窄條自由變形，如圖2-5a。 T = (T1 T0 )2）實(shí)際上：組成板條的小窄條之間相互牽連和約束的整體，截面必須保持平面。由于溫度場(chǎng)是對(duì)稱的，端面只作平移。移動(dòng)距離為e。+ -結(jié)果：板條中間受壓應(yīng)力，兩側(cè)受拉應(yīng)力，三個(gè)區(qū)域的應(yīng)力相互平衡。e1 基本概念

19、第二章 焊接應(yīng)力與變形 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形如果溫度分布是x的函數(shù)，則應(yīng)力平衡條件為： 溫度場(chǎng)對(duì)稱與中心軸，故 ，截面只作平移。 外觀變形e可由上式求出。1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形1、加熱溫度低時(shí)，內(nèi)應(yīng)力() 小于材料的屈服極 限(s) ，溫度是x的函數(shù) ，此時(shí)， 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形2、加熱溫度高時(shí)，板條中心C區(qū)產(chǎn)生較大的內(nèi)部變形，如果C區(qū)的內(nèi)部變形率大于材料屈服時(shí)的變形率，則在C區(qū)產(chǎn)生塑性變形。若自由收縮，板條中心C區(qū)的長(zhǎng)度將縮短，其縮短量是溫度存在時(shí)C區(qū)產(chǎn)生的壓縮塑性變形量。實(shí)際上，板條中心C區(qū)受到兩側(cè)的約束，截面保持平面，產(chǎn)生新的應(yīng)力。即中心受

20、拉，兩邊受壓。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形假設(shè)板條中心C區(qū)的變形規(guī)律為 ，則殘余應(yīng)力為：殘余應(yīng)力和變形表達(dá)為： 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形 總 結(jié)： 在板條中心對(duì)稱加熱時(shí)，板條中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，中心受壓，兩邊受拉。同時(shí)平板端面向外平移（伸長(zhǎng)）。1)、如果此時(shí)不產(chǎn)生塑性變形，即s，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)后，內(nèi)應(yīng)力消失，平板端面亦恢復(fù)到原來(lái)的位置。2)、如果此時(shí)產(chǎn)生塑性變形，即s，當(dāng)溫度恢復(fù)到原始狀態(tài)時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)由于不均勻塑性變形引起的殘余應(yīng)力，其符號(hào)與溫度應(yīng)力大致相反，同時(shí)板條端面向內(nèi)平移（縮短），即為殘余變形。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形（三）、非對(duì)稱加熱 實(shí)驗(yàn)方法：

21、如圖2-6，在一塊長(zhǎng)板條（長(zhǎng)為L(zhǎng)寬為B厚為） 一側(cè)用電阻絲間接加熱。 溫度場(chǎng)建立：在板條上產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于中心不對(duì)稱的不均勻溫度場(chǎng)，使板條產(chǎn)生變形和應(yīng)力。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形 加熱過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力： T :自由變形率 e :外觀變形率 em :板條的平均變形率 eB :板條右側(cè)的應(yīng)變率 eO :板條左側(cè)的應(yīng)變率 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形 如果加熱溫度是x的函數(shù) ，則內(nèi)應(yīng)力平衡條件為：即板條在加熱過(guò)程中的外觀變形：端面平移和角位移。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形由于截面有轉(zhuǎn)動(dòng)，因此e并非常數(shù)，而是x的線性函數(shù)。其中 為板條曲率， 為曲率半徑。 1 基本概念

22、第二章 焊接應(yīng)力與變形 聯(lián)合上面三個(gè)式子，即可求得eB和eO 。還可以進(jìn)一步求出應(yīng)力的分布。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形長(zhǎng)板條一側(cè)加熱與冷卻后的殘余應(yīng)力與變形 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形 總 結(jié)： 如果在加熱時(shí)板條中的內(nèi)部變形率小于金屬屈服限時(shí)的變形率，則當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時(shí)，板條中不存在殘余應(yīng)力，也不出現(xiàn)殘余變形。 如果在加熱時(shí)，板條中的內(nèi)部變形率大于金屬屈服時(shí)的變形率，則板條中將出現(xiàn)壓縮塑性變形。冷卻時(shí)，板條恢復(fù)到原始溫度，其中將出現(xiàn)殘余應(yīng)力。板條也產(chǎn)生殘余彎曲變形和收縮變形，但方向與加熱時(shí)相反。變形位置則由平衡條 件來(lái)決定。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形四、

23、焊接引起的內(nèi)應(yīng)力與變形（一）、焊接應(yīng)力與變形的特殊性 焊接應(yīng)力與變形與上述的不均勻溫度場(chǎng)引起的應(yīng)力和變形的基本規(guī)律是一致的，但有其特殊性和復(fù)雜性，主要有下面三個(gè)因素決定為： 1）、溫差大，從熔點(diǎn)到室溫； 2）、材料物理和力學(xué)性能變化大。 3）、可能出現(xiàn)相變，從而引起材料物理和力學(xué)參量的 變化。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形焊接引起的內(nèi)應(yīng)力與變形的復(fù)雜性：1、溫差大，材料物理和力學(xué)性能變化大；以低碳鋼平板沿中心焊接為例說(shuō)明。 焊接過(guò)程中出現(xiàn)一個(gè)溫度場(chǎng)，在接近熱源處取一截面，如圖：內(nèi)應(yīng)力分析： 假設(shè)金屬端面從AA移到A1A1，則AA1即為e 1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念(1)、在D

24、D區(qū)域內(nèi)，溫度超過(guò) 600 o C， 。不產(chǎn)生應(yīng) 力，不參與內(nèi)應(yīng)力平衡。(2)、在DC和DC區(qū)域內(nèi)，溫 度從600 o C 降到500 o C， 內(nèi)應(yīng)力隨 增加而上。(3)、在CB和CB區(qū)域內(nèi)， |e-T | s ，內(nèi)應(yīng)力 等于 。(4)、在BA和BA區(qū)域，彈性 變形， 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形2、溫度分布不均勻程度很大。焊接熱源并不是沿焊縫同時(shí)加熱，與前面分析的模型有較大差別。 1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形（二）、受拘束體在熱循環(huán)中的應(yīng)力與變形演變過(guò)程 取一單位長(zhǎng)度的低碳鋼棒，其兩端被固定不能伸縮，將該棒均勻加熱，然后冷卻。為了便于分析，把加熱和冷卻過(guò)程中的溫度都看成是時(shí)

25、間的線性函數(shù)。1、 | | s , Tmax600oC1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形（二）桿件在拘束條件為加熱時(shí)不能自由膨脹，冷卻時(shí)能自由收縮是的變形和應(yīng)力演變過(guò)程 1、 | | s , Tmax600oC1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形 討論： 產(chǎn)生殘余應(yīng)力與變形的主要因素是： 熱循環(huán)和拘束度1 基本概念 第二章 焊接應(yīng)力與變形思考題： 取一單位長(zhǎng)度的低碳鋼棒，其兩端被固定不能伸縮，先將該棒彈性壓縮（ ），再將該棒均勻加熱，然后冷卻。分析其應(yīng)力與變形演變過(guò)程。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念（三）、焊接應(yīng)力與變形演變過(guò)程 圖中截面I取于塑性溫度區(qū)最寬處，即600 oC 等溫線最

26、寬處的截面，距熱源距離為vt1；截面II取于塑性溫度區(qū)最窄處，即600 oC 等溫線的頂點(diǎn)，距熱源距離為vt2； III和IV截面分別距熱源為vt3和vt4；截面IV認(rèn)為恢復(fù)到原始狀態(tài)；截面取的越多越能反應(yīng)實(shí)際情況。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念1、 截面I是600 oC 等溫線最寬處的截面，焊縫及近縫區(qū)產(chǎn)生壓縮變形。2、在t2瞬時(shí)，如圖所示。在冷卻時(shí)，壓縮塑性變形始終保持在演變過(guò)程中。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念2、 在t2瞬時(shí)，如圖所示。在冷卻時(shí)，壓縮塑性變形始終保持在演變過(guò)程中。即在t2瞬時(shí)的自由變形T ，等于在t2瞬時(shí)的熱變形(aT2)減去前一瞬時(shí)的壓縮塑性變形。高溫區(qū)降

27、溫快，外觀變形相對(duì)較小，因此近縫區(qū)的收縮受到阻礙而拉伸。焊縫中心的溫度為600oC，此處的應(yīng)力為0；兩側(cè)近縫區(qū)產(chǎn)生拉應(yīng)力，數(shù)值大小等于該溫度下材料的屈服極限；并產(chǎn)生了拉伸塑性變形。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念3、高溫區(qū)冷卻時(shí)，兩側(cè)低溫區(qū)逐漸升溫，所壓縮塑性變形區(qū)的寬度逐漸增加，直到室溫時(shí)為止。4、隨著溫度的進(jìn)一步均勻化，不僅近縫區(qū)的壓縮塑性變形區(qū)不斷增加，而且中間的拉伸塑性變形區(qū)也在增加。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念（四）、焊接熱應(yīng)變循環(huán) 在焊接過(guò)程中，焊縫和近縫區(qū)金屬經(jīng)受了焊接熱循環(huán)。與此同時(shí)，由于焊接熱場(chǎng)的高度不均勻性所產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力使金屬經(jīng)受熱塑性應(yīng)變。下面將分析焊接近縫

28、區(qū)的兩種情況：離焊縫稍遠(yuǎn)，最高溫度低于材料的相變溫度(T 700 oC )和最高溫度高于相變溫度(700T900 oC )。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念1、T 600 oC熱循環(huán)中的應(yīng)力與變形演變過(guò)程基本相似，只是外觀變形隨試板的整體外觀變形變化而變化。 在0-t1時(shí)間，Te , 產(chǎn)生壓應(yīng)力，并逐漸增大，在t1 時(shí)刻達(dá)到材料屈服極限，出現(xiàn)壓縮塑性變形。溫度進(jìn)一步上升，內(nèi)應(yīng)力保持不變；當(dāng)溫度為tp時(shí)，=0，內(nèi)部變形全部為壓縮變形。當(dāng)溫度為t3時(shí)，內(nèi)部變形達(dá)到最大值。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念 當(dāng)溫度升到t3后，開(kāi)始冷卻。顯然P點(diǎn)為冷卻時(shí)拉伸應(yīng)變的起始點(diǎn)；從t3時(shí)刻，單元條開(kāi)始出

29、現(xiàn)拉伸塑性應(yīng)變。將自由變形曲線下移與外觀變形曲線相交，即為T曲線。兩條曲線的距離代表拉伸應(yīng)變形。t4時(shí)材料恢復(fù)彈性，隨著溫度的降低拉應(yīng)力不斷增加。 t5時(shí)，拉應(yīng)力達(dá)到室溫時(shí)的屈服極限，并一直保持到室溫；但是拉伸塑性變形量繼續(xù)增加直到溫度場(chǎng)達(dá)到均勻態(tài)。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念2、T 高于相變溫度 在0-t區(qū)間與第一種情況相同。在t 時(shí)溫度達(dá)到AC1,材料開(kāi)始相變，比容變小，塑性變形可能逆轉(zhuǎn)。隨著相變的進(jìn)行，拉伸塑性變形不斷增加，直到t時(shí)相變結(jié)束。此后塑性變形方向再次逆轉(zhuǎn)，出現(xiàn)壓縮塑性變形，并逐漸增加值到溫度上升到t時(shí)，開(kāi)始冷卻。1 第二章 焊接應(yīng)力與變形 基本概念 溫度達(dá)到t后，產(chǎn)生拉伸塑性變形； t時(shí)溫度降到Ar3，開(kāi)始相變，比容變大，塑性變形方向變?yōu)閴嚎s變形。直到t時(shí)相變結(jié)束后，又出現(xiàn)拉伸塑性應(yīng)變。t8時(shí)材料恢復(fù)彈性，產(chǎn)生拉應(yīng)力。拉應(yīng)力逐漸增加， t9時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到室溫