吉林大學(xué)焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)-國際焊接工程師基礎(chǔ)課

1、序序 言言 1、課程背景課程背景 教學(xué)計劃中教學(xué)計劃中材料成型與控制專業(yè)方向限選課；材料成型與控制專業(yè)方向限選課； 焊接專業(yè)焊接專業(yè) 哈工大的主干課；哈工大的主干課； IWEIWE培訓(xùn)中培訓(xùn)中國際焊接工程師必修課、考試課。國際焊接工程師必修課、考試課。 它對于從事焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、設(shè)計、管理、安裝、維修、質(zhì)量它對于從事焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、設(shè)計、管理、安裝、維修、質(zhì)量 控制等方面技術(shù)工作的人員都是十分重要的?？刂频确矫婕夹g(shù)工作的人員都是十分重要的。 焊接結(jié)構(gòu)力學(xué) 2.教學(xué)安排教學(xué)安排 本課程總學(xué)時為本課程總學(xué)時為24學(xué)時學(xué)時。 其中：其中： 理論理論學(xué)時為學(xué)時為20學(xué)時學(xué)時 由由趙小輝趙小輝老師負(fù)責(zé)講授；

2、老師負(fù)責(zé)講授； 實驗實驗學(xué)時為學(xué)時為4學(xué)時學(xué)時 由由徐德生、徐德生、李洪梅李洪梅老師負(fù)責(zé)指導(dǎo)。老師負(fù)責(zé)指導(dǎo)。 3、主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配主要教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配 焊接應(yīng)力與變形；焊接應(yīng)力與變形；1012學(xué)時學(xué)時 焊接結(jié)構(gòu)強度：焊接結(jié)構(gòu)強度： 焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度焊接結(jié)構(gòu)的靜載強度 自學(xué)；自學(xué)； 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂 4學(xué)時；學(xué)時； 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞 4學(xué)時。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)，

3、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 本章提要本章提要： 本章主要介紹焊接結(jié)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！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)用鋼量指標(biāo)比較 用鋼量比率用鋼量比率( (焊接結(jié)構(gòu)用鋼量焊接結(jié)構(gòu)用鋼量/ /鋼的總產(chǎn)

4、量鋼的總產(chǎn)量 ) ) 100%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，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

5、，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。 可見焊接工程師也會大有用武之地！第一章 緒論埋弧焊埋弧焊自動焊接鍋爐汽包自動焊接鍋爐汽包焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域 水電裝備 三峽水利樞紐的應(yīng)用 導(dǎo)

6、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。

7、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 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。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)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

8、、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)點焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點技術(shù)優(yōu)勢技術(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 焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點技術(shù)優(yōu)勢技術(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

9、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)點焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點技術(shù)優(yōu)勢技術(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；工藝方法靈活，選擇范圍寬；操作位置及焊操作位置及焊接方法接方法 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)的特點焊接結(jié)構(gòu)的特點揚長避短揚長避短 （1）存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中）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）必然產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形 （3）接頭存在性能不均勻性）接頭

10、存在性能不均勻性 （4）接頭止裂性差）接頭止裂性差第一章 緒論 1.4 焊接結(jié)構(gòu)的可靠性焊接結(jié)構(gòu)的可靠性 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)性能第一章 緒論 質(zhì)量管理體系 焊接結(jié)構(gòu)的使用安全性使用安全性應(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、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)維護保養(yǎng)維護等各個環(huán)節(jié)等各個環(huán)節(jié)！ 無論結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造、檢測部門，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！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

11、嚴(yán)重的經(jīng)濟損哪個環(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！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 指在無外力無外力作用作用下平衡平衡于物體內(nèi) 部的應(yīng)力。 內(nèi)應(yīng)力特點特點 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、

12、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，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)受壓區(qū) 受拉區(qū)鉚接件中的內(nèi)應(yīng)力分布 y鉚釘鉚釘工件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)生原因分為按產(chǎn)生原因分為: （1）熱應(yīng)力熱應(yīng)力(又稱溫度應(yīng)力又稱溫度應(yīng)力)由于焊件經(jīng)受了不協(xié)由于焊件經(jīng)受了不協(xié)調(diào)的熱變形所致。調(diào)的熱變形所致。

13、 （2）相變應(yīng)力相變應(yīng)力由于焊縫區(qū)不均勻的相變，引起由于焊縫區(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。焊縫及熱影響區(qū)金屬的比容變化所致。 （3）拘束應(yīng)力拘束應(yīng)力由于工件自身或外加夾具的拘束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。作用產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。 （4）凝縮應(yīng)力凝縮應(yīng)力因焊縫區(qū)液態(tài)金屬冷凝收縮引起因焊縫區(qū)液態(tài)金屬冷凝收縮引起的內(nèi)應(yīng)力。的內(nèi)應(yīng)力。 （5）氫致集中應(yīng)力氫致集中應(yīng)力因焊縫區(qū)的擴散氫在晶界或因焊縫區(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。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。焊接過程不斷變化著的

14、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作用范圍可以工件來比量。 微觀內(nèi)應(yīng)力作用范圍可用晶粒尺寸來比量作用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。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)力線應(yīng)力，存在于窄板條窄板條結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)； 雙向應(yīng)力又稱平面應(yīng)力平面應(yīng)力，存在于薄板薄板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)； 三向應(yīng)力又稱體積應(yīng)力體積應(yīng)力，存在于厚板厚板結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。 三向應(yīng)力的符號表示：x , y , z 。 x 縱向應(yīng)力縱向應(yīng)力，即平行焊縫方向的內(nèi)應(yīng)力；，即平行

15、焊縫方向的內(nèi)應(yīng)力； y 橫向應(yīng)力橫向應(yīng)力，即垂直焊縫方向的內(nèi)應(yīng)力；，即垂直焊縫方向的內(nèi)應(yīng)力； z 板厚方向的應(yīng)力板厚方向的應(yīng)力，即垂直焊縫平面的內(nèi)應(yīng)力。，即垂直焊縫平面的內(nèi)應(yīng)力。2.1.2 焊接應(yīng)力的分類焊接應(yīng)力的分類2.1.3 焊接變形及其分類焊接變形及其分類 焊接變形焊接變形焊接工藝過程導(dǎo)致的工件尺寸或形狀焊接工藝過程導(dǎo)致的工件尺寸或形狀的改變。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即指焊接過程中工件的動態(tài)動態(tài)變形；變形； 殘余變形焊后，殘留于工件中的變形。焊后，殘留于工件中的變形。 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

16、向收縮?L工件在焊縫方向的尺寸縮短行為；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；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；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 1 區(qū)別區(qū)別偽波浪變形偽波浪變形與真正與真正波浪變形波浪變形的本質(zhì)不同

17、；的本質(zhì)不同； 2 2 注意注意焊接錯邊與裝配錯邊焊接錯邊與裝配錯邊的本質(zhì)不同；的本質(zhì)不同； 3 3 注意分析各種變形的產(chǎn)生原因及相互關(guān)系。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：解釋與提示： 偽波浪變形的本質(zhì)偽波浪變形的本質(zhì)是：是：角變形的連續(xù)角變形的連續(xù) 表象；表象； 真正波浪變形本質(zhì)真正波浪變形本質(zhì)是：薄板是：薄板受壓失穩(wěn)受壓失穩(wěn) 行為；行為； 它們都是構(gòu)件它們都是構(gòu)件 剛性不足剛性不足 的表現(xiàn)形式。的表現(xiàn)形式。 裝配錯邊裝配錯邊是機械是機械裝配精度不足裝配精度不足所為；所為； 是是鉚工鉚工的責(zé)任！的責(zé)任！焊接變形的幾點說明 焊接錯邊的本質(zhì)原因是：焊接錯邊的本質(zhì)原因是： 焊接

18、件坡口兩側(cè)母材焊接件坡口兩側(cè)母材熱變形不一致熱變形不一致或受熱狀或受熱狀態(tài)不同所致。具體原因可能是：態(tài)不同所致。具體原因可能是： （1）電弧偏吹；）電弧偏吹； （2）異質(zhì)接頭；）異質(zhì)接頭； （3）不等厚接頭；）不等厚接頭； （4）散熱條件不同；）散熱條件不同； （5）拘束條件不同。）拘束條件不同。各種變形的相互聯(lián)系 縱向收縮縱向收縮 橫向收縮橫向收縮 角變形的本質(zhì)角變形的本質(zhì)是：橫向收縮橫向收縮在在厚度方向厚度方向上上的的不等量分布不等量分布所致。所致。 扭曲變形的本質(zhì)扭曲變形的本質(zhì)是：角變形角變形在焊縫長度焊縫長度方方向向上的上的不等量分布不等量分布與與不對稱焊接不對稱焊接所致。所致。 彎曲

19、變形可能是：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)生的偏心力矩理解為偏心壓縮！是兩種是兩種基本變形基本變形形式，是二形式，是二 維收縮的結(jié)果維收縮的結(jié)果！ 第二次課結(jié)束2.1.4 焊接應(yīng)力與變形機理分析焊接應(yīng)力與變形機理分析 提要：提要：這里通過對小試件均勻線性加熱與冷卻過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)程熱循環(huán)中的熱變形與熱應(yīng)力循環(huán) 的分析，使我的分析，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)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。力與變形的產(chǎn)生機理。 方法方法：利用應(yīng)力、應(yīng)變循環(huán)圖直觀分析。：利用應(yīng)

20、力、應(yīng)變循環(huán)圖直觀分析。 基本概念：自由變形，外觀變形，內(nèi)部變形?；靖拍睿鹤杂勺冃?，外觀變形，內(nèi)部變形。 基本符號：基本符號： L T Le L 應(yīng)變表示：應(yīng)變表示： T e 三種基本變形的定義三種基本變形的定義 自由變形自由變形 在溫度變化時試件的變形不受任何限制，能夠在溫度變化時試件的變形不受任何限制，能夠充分表現(xiàn)出來的變形充分表現(xiàn)出來的變形 外觀變形外觀變形 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，把其中不能充分表現(xiàn)出來，把其中表現(xiàn)出來的部分變形表現(xiàn)出來的部分變形稱為外觀變形稱為外觀變形 內(nèi)部變形內(nèi)部變形 未表現(xiàn)出來未表現(xiàn)出來的

21、那部分就稱為的那部分就稱為內(nèi)部變形內(nèi)部變形 三種基本變形的圖解 L0L可見可見， L=| L T Le| 考慮到拉壓關(guān)系考慮到拉壓關(guān)系應(yīng)力分析的重要公式應(yīng)力分析的重要公式LTLe又有又有, L= Le L T 即即, Le = L T + L三種變形的應(yīng)變形式三種變形的應(yīng)變形式 只要將公式 Le = L T + L 兩邊同除以試件兩邊同除以試件 的原始長度的原始長度L0，即得到各，即得到各自的應(yīng)變形式：自的應(yīng)變形式： e T 其中，其中， L T L0 可計算可計算 Le 可測量可測量 因而，因而， L 可間接計算得到可間接計算得到 三種變形的分析結(jié)論三種變形的分析結(jié)論： 外觀變形在數(shù)值上外觀

22、變形在數(shù)值上等于等于自由變形與內(nèi)自由變形與內(nèi)部變形的部變形的代數(shù)和。代數(shù)和。 它的應(yīng)變表達(dá)式為：它的應(yīng)變表達(dá)式為： e T 它的等價形式為：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 提示提示：小試件均勻加熱過程的變形一旦受到拘小試件均勻加熱過程的變形一旦受到拘束束等效于外力作用，就會產(chǎn)生內(nèi)部變形，同樣等效于外力作用，就會產(chǎn)生內(nèi)部變形，同樣會產(chǎn)生應(yīng)力。會產(chǎn)生應(yīng)力。 計算方法：計算方法： 在彈性范圍內(nèi)在彈性范圍內(nèi) E E（ e T ） 超出彈性范圍超出彈性范圍則有則有 s2.1.6 材料屈服限的變化 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖2.1.6 材料

23、屈服限的變化 提示提示：材料的機械性能隨溫度的變化而變化，當(dāng)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溫度變化幅度較大時，其性能變化幅度也是十分驚人的！驚人的！ 低碳鋼低碳鋼屈服限隨加熱溫度的變化關(guān)系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TS TP 指金屬在升溫過程中達(dá)到指金屬在升溫過程中達(dá)到s為為0時所對時所對 對對應(yīng)臨界溫度。應(yīng)臨界溫度。 TS指金屬在升溫過程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到指金屬在升溫過程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到s時時所對對應(yīng)臨界溫度。所對對應(yīng)臨界溫度。 舉例：對于低碳鋼舉例：對于低

24、碳鋼TP600； TS的討論：的討論： 分析低碳鋼小試件在不同拘束條件的分析低碳鋼小試件在不同拘束條件的TS ？低碳鋼在絕對剛性拘束時的TS 提示提示：1. 絕對剛性拘束絕對剛性拘束，等價等價 e 0 ！ 因此，因此， T = 2. 達(dá)到達(dá)到TS時時, 試件中對應(yīng)的應(yīng)力值為試件中對應(yīng)的應(yīng)力值為s ！3. 低碳鋼的相關(guān)材料常數(shù)：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)可得代入具體參數(shù)可得： s sE E E Es s整理后，得 s s / /（ E E ） 24000/(224000/(210107 7121210

25、10-6-6） 100 100 即在絕對剛性拘束下，只要溫度升高即在絕對剛性拘束下，只要溫度升高100100 低碳鋼小試件便達(dá)到屈服狀態(tài)！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 絕對自由拘束絕對自由拘束： e T ， 0 絕對剛性拘束絕對剛性拘束： T ，e 0 彈性拘束：彈性拘束： e T ， 0 上述幾種上述幾種拘束狀態(tài)的表征，在以后的拘束狀態(tài)的表征，在以后的應(yīng)力分析中會經(jīng)常提到！應(yīng)力分析中會經(jīng)常提到！ 10月15號課程。2.1.9 殘余變形殘余變形與殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 關(guān)于小試件的幾點討論：關(guān)于小試件的幾點討論： （1）當(dāng)溫升當(dāng)溫升T TS時，內(nèi)部變形時，內(nèi)部變形 s

26、； 材料內(nèi)部材料內(nèi)部沒有塑性變形沒有塑性變形，即，即p 0； 材料處于材料處于完全彈性狀態(tài)完全彈性狀態(tài)。 因此，加熱循環(huán)結(jié)束后，試件也因此，加熱循環(huán)結(jié)束后，試件也沒有沒有 任何殘余變形。任何殘余變形。試件最終恢復(fù)原始狀試件最終恢復(fù)原始狀 態(tài)，所以，其內(nèi)部也態(tài)，所以，其內(nèi)部也沒有殘余應(yīng)力沒有殘余應(yīng)力！ （2）當(dāng)溫升當(dāng)溫升 T TS時，內(nèi)部變形時，內(nèi)部變形 s ； 材料內(nèi)部材料內(nèi)部就會產(chǎn)生就會產(chǎn)生塑性變形塑性變形， 即即|p | 0；(假設(shè)假設(shè) s ) 材料處于材料處于彈彈塑性狀態(tài)塑性狀態(tài)。 因此，在冷卻過程中：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，試件若允許試件自由收縮，熱循環(huán)

27、結(jié)束后，試件就會產(chǎn)生就會產(chǎn)生尺寸縮短尺寸縮短|p |的的 殘余變形殘余變形！ 若不允許試件自由收縮，那么，冷卻過程就若不允許試件自由收縮，那么，冷卻過程就會產(chǎn)生會產(chǎn)生拉應(yīng)力拉應(yīng)力，最終，就會產(chǎn)生，最終，就會產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力！ 2.1.9 殘余變形殘余變形與殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力2.1.9 殘余變形殘余變形與殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 （3）當(dāng)溫升當(dāng)溫升 T TS時，時， 內(nèi)部變形內(nèi)部變形| | s ； 這時，材料內(nèi)部這時，材料內(nèi)部產(chǎn)生的產(chǎn)生的塑性變形塑性變形一旦一旦達(dá)到：達(dá)到： |p | s 的狀態(tài)，那么，冷卻終了的狀態(tài)，那么，冷卻終了時，試件中不但會產(chǎn)生達(dá)到時，試件中不但會產(chǎn)生達(dá)到s 的拉應(yīng)力，的拉

28、應(yīng)力，還會產(chǎn)生新的拉伸塑性變形還會產(chǎn)生新的拉伸塑性變形p ！ 這就是所謂的這就是所謂的熱塑性變形循環(huán)熱塑性變形循環(huán)！2.1.10 長板條中心加熱試件分析 分析前提分析前提平面變形假設(shè)平面變形假設(shè) 表述：表述：試件上處在同一平面的點，在整個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！熱變形過程中始終保持在同一平面上！ 聯(lián)想：材料力學(xué)中的聯(lián)想：材料力學(xué)中的平面變形假設(shè)平面變形假設(shè)！ 加熱條件：加熱條件：長板條中心加熱長板條中心加熱 1) TMAX TS 2) TMAX TS 外觀變形外觀變形等于等于自由變形與內(nèi)部變形的自由變形與內(nèi)部變形的代數(shù)和代數(shù)和 e T 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 E

29、E（ e T ） 或或 s TP 指金屬在升溫過程中達(dá)到指金屬在升溫過程中達(dá)到s為為0時所對時所對 對對應(yīng)臨界溫度。應(yīng)臨界溫度。 TS指金屬在升溫過程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到指金屬在升溫過程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到s時時所對對應(yīng)臨界溫度。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)的最高溫度狀態(tài)T假象狀態(tài)假象狀態(tài) 實際狀態(tài)實際狀態(tài) 平面變形平面變形 各自獨立各自獨立|max | s Te 冷卻終了： 由于由于TMAX TS ，故內(nèi)部變形故內(nèi)部變形 s ； 單元體內(nèi)部單元體內(nèi)部沒有塑性變形沒有塑性變形，即，即p 0； 單元體內(nèi)每個小窄條處于單元體內(nèi)每個小窄條處于完全彈性

30、狀態(tài)完全彈性狀態(tài)。 因此，加熱循環(huán)結(jié)束后，單元體因此，加熱循環(huán)結(jié)束后，單元體沒有沒有 任何殘余變形，任何殘余變形，最終恢復(fù)到原始狀態(tài)。最終恢復(fù)到原始狀態(tài)。 所以，單元體內(nèi)部也所以，單元體內(nèi)部也沒有任何殘余應(yīng)力沒有任何殘余應(yīng)力！具體分析 2) TMAX TS具體分析s|max | s p 加熱狀態(tài)加熱狀態(tài)冷卻終了冷卻終了中心受壓，兩邊受拉中心受壓，兩邊受拉 中心受拉，兩邊受壓中心受拉，兩邊受壓ee 2.1.12 長板條中心焊接試件分析長板條中心焊接試件分析 提示： 1. 加熱最高溫度遠(yuǎn)超過加熱最高溫度遠(yuǎn)超過T TP P; ; 2. 最大塑性變形最大塑性變形P P遠(yuǎn)超過遠(yuǎn)超過s； 因此，因此， 應(yīng)

31、力分布圖出現(xiàn)新的變化；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)力分布加熱至最高溫度時的應(yīng)力分布 長板條中心焊接長板條中心焊接+加熱至最高溫度狀態(tài)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)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：冷卻終了：兩邊受壓，中心受拉；兩邊受壓，中心受拉； 峰值應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力達(dá)到s s，產(chǎn)生拉伸塑性變形，產(chǎn)生拉伸塑性變形 P P課后思考題 長板條一側(cè)堆焊

32、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)生機理焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機理 2.2.1 低碳鋼小試件在低碳鋼小試件在均勻線性均勻線性加熱與冷卻時的加熱與冷卻時的 應(yīng)力與變形循環(huán)應(yīng)力與變形循環(huán) 提示：提示：通過幾種典型拘束條件下通過幾種典型拘束條件下, ,低碳鋼小試件在低碳鋼小試件在線性線性加加熱與冷卻時的應(yīng)力與變形循環(huán)熱與冷卻時的應(yīng)力與變形循環(huán), ,揭示焊接應(yīng)力與變形的機揭示焊接應(yīng)力與變形的機理。理。 分析方法：分析方法： 運用運用自由變形、外觀變形、內(nèi)部變形自由變形、外觀變形、內(nèi)部變形的關(guān)系的的關(guān)系的圖解法圖解法得出分析結(jié)論。得出分析結(jié)論。 典型拘束條件：典型拘束條件： （1 1）

33、完全自由）完全自由 （2 2）絕對剛性）絕對剛性 （3 3）加熱剛性拘束，冷卻自由收縮）加熱剛性拘束，冷卻自由收縮 完全自由狀態(tài)完全自由狀態(tài)具體分析（1 1）完全自由，特征：）完全自由，特征： e e T T ， 0 0結(jié)論：因為 0 ，所以p 0 ！tT, T ,e,0t0 t1 t2變形充分變形充分! 應(yīng)力為零應(yīng)力為零! 故沒有任何應(yīng)力，也沒有殘余變形！eT 絕對剛性拘束絕對剛性拘束（2）絕對剛性拘束脹絕對剛性拘束脹 特征：特征：e 0， T T 完全自由收縮完全自由收縮 特征：特征：e T Ta）TMAXTS= 100|max| s ,p= 0無殘余應(yīng)力與殘余變形！ T, T ,e,t0

34、 t1 t2tTe（2）絕對剛性拘束脹絕對剛性拘束脹 特征：特征：e 0， T T 完全自由收縮完全自由收縮 特征：特征： e T T100200300有殘余變形，無殘余應(yīng)力！T, T,e,tt0b) TMAX= 300 |max|s |p max| = 2 s t1t2t3t4Te 對比對比（3）（2 2）絕對剛性拘束脹）絕對剛性拘束脹 特征：特征： e e 0 0， T T 完全自由收縮完全自由收縮 特征：特征： e e T 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

35、max| = 2 s t0 t1 t2 100200300有殘余變形，無殘余應(yīng)力！t0 t1 t2 t3 t4 絕對剛性拘束絕對剛性拘束（3 3）絕對剛性拘束）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：特征：e 0， Tb) TMAX= 300 |max|s |p max| = 2 s t0 t1 t2 t3 t4 TePP T Tmaxmax600600，絕對剛性拘束條件，絕對剛性拘束條件（4 4）T TMAXMAX600600，絕對剛性拘束條件分析

36、，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)論分析結(jié)論幾點分析結(jié)論 1.只要只要|max| s ,p = 0 ,盡管盡管有瞬時應(yīng)力有瞬時應(yīng)力,但是但是不會有殘余不會有殘余應(yīng)力和殘余變形應(yīng)力和殘余變形; 2.只要只要 |max|s， 即即p0，就會產(chǎn)生殘余現(xiàn)象就會產(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； 3.在在T Tmax TP時，時， |p max | T ，將加劇殘余現(xiàn)象！將加劇殘余現(xiàn)象！焊接殘余應(yīng)力

37、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 P max 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

38、，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！2.2.2 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)力分析不同時刻的應(yīng)力 平衡及演變過程特征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)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進入冷卻后進入冷卻后600等溫線最寬等溫線最寬(bp區(qū)區(qū))的時刻；的時刻； t

39、2最高溫度為最高溫度為600的時刻；的時刻； t3最高溫度為最高溫度為400以下的某時刻；以下的某時刻； t4恢復(fù)到室溫的時刻?；謴?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！通過典型時刻的對比，看清演變的動向和趨勢！ 請注意：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；特征：兩邊受拉，中部受壓； 中心區(qū)域中心區(qū)域壓縮塑性變形極大壓縮塑性變形極大； 最大壓應(yīng)力幅值為最大壓應(yīng)力幅值為S ！ 中心區(qū)域中心區(qū)域 TTP 出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)！出現(xiàn)零

40、應(yīng)力區(qū)！ 應(yīng)力場滿足拉壓平衡關(guān)系。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：600e500TP T1T2PT, , 演變特征：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； 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時刻的的溫度場與應(yīng)力場：600PT3T2eT P”T, , 演變特征：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； 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)

41、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)進一步減小。 t4時刻的的溫度場與應(yīng)力場： P”T3T4Te T, , 演變特征：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塊面積： 中心受拉，兩側(cè)受壓。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 T 的分布規(guī)律的分布規(guī)律 ； 認(rèn)清認(rèn)

42、清e 線就是應(yīng)力分布圖的零線。線就是應(yīng)力分布圖的零線。 數(shù)值關(guān)系： |P壓縮壓縮| max =P 拉伸 S 殘余應(yīng)力：殘余應(yīng)力：拉應(yīng)力區(qū)峰值為拉應(yīng)力區(qū)峰值為 S ！ 分布規(guī)律：分布規(guī)律：中心受拉，兩邊受壓中心受拉，兩邊受壓！2.3 焊接殘余變形焊接殘余變形 本節(jié)內(nèi)容提要：本節(jié)內(nèi)容提要：1. 認(rèn)清認(rèn)清焊接殘余變形的焊接殘余變形的實際危害實際危害；2. 理解理解焊接殘余變形的焊接殘余變形的影響因素影響因素；3. 掌握掌握焊接殘余變形的焊接殘余變形的控制措施控制措施；4. 學(xué)會學(xué)會焊接殘余變形的焊接殘余變形的矯正方法矯正方法。 焊接工程師的基本功焊接工程師的基本功! !不僅要學(xué)懂不僅要學(xué)懂, ,而且

43、要弄通、學(xué)精！而且要弄通、學(xué)精！2.3.1 焊接殘余變形的危害焊接殘余變形的危害 1）工藝性能工藝性能：影響結(jié)構(gòu)成型（形狀和尺寸）精度，降影響結(jié)構(gòu)成型（形狀和尺寸）精度，降低零部件的互換性。致使低零部件的互換性。致使裝配難度提高裝配難度提高，必要時需調(diào)修；，必要時需調(diào)修；否則，會影響裝配質(zhì)量；否則，會影響裝配質(zhì)量； 2）使用性能：使用性能：降低構(gòu)件的承載能力，甚至引起事故；降低構(gòu)件的承載能力，甚至引起事故；波浪變形波浪變形容易誘發(fā)構(gòu)件受壓容易誘發(fā)構(gòu)件受壓失穩(wěn)失穩(wěn)；角變形及錯邊角變形及錯邊產(chǎn)生產(chǎn)生附加彎矩附加彎矩，導(dǎo)致，導(dǎo)致應(yīng)力集中應(yīng)力集中； 3）外觀質(zhì)量：外觀質(zhì)量：波浪變形、角變形、扭曲變形、

44、彎曲變波浪變形、角變形、扭曲變形、彎曲變形、焊接錯邊，均形、焊接錯邊，均影響產(chǎn)品的外觀影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)質(zhì)量，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范加以控制；范加以控制； 4）經(jīng)濟成本經(jīng)濟成本：矯正變形需投入設(shè)備、耗費工時、浪費矯正變形需投入設(shè)備、耗費工時、浪費能源；有甚者，以至無法矯正而能源；有甚者，以至無法矯正而報廢報廢；損失就更大??；損失就更大！2.3.2 焊接殘余變形的影響因素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)線脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(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)量影響焊縫收縮力矩大??；

45、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（降低降低L，B）； 例如：例如：V V型坡口型坡口 X X或或U U型坡口型坡口 。2）結(jié)構(gòu)總體：減少焊縫數(shù)量（降低降低累積效應(yīng)

46、累積效應(yīng)）； 例如：例如：盡量采用盡量采用沖壓焊接沖壓焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，鑄焊鑄焊結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 對于對于次要焊縫次要焊縫，可將，可將連續(xù)焊連續(xù)焊改為改為斷續(xù)焊斷續(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，不要不要過密集過密集）。2.3.3 焊接殘余變形的預(yù)防及控制措施焊接殘余變形的預(yù)防及控制措施工藝措施*1）反變形法反變形法*2）剛性固定法剛性固定法*3）限制熱場法限制熱場法*4）裝焊次序控制法裝焊次序控制法* 以下重點展開講解! 1）反變形法反變形法* 工件焊接前，人為工件焊接前，人為預(yù)制預(yù)制一個與焊接殘余一個與焊接殘余變形變形趨勢相反的變形趨勢相反的變形，以，以抵消抵消

47、將要產(chǎn)生的將要產(chǎn)生的殘余變形的工藝措施，稱為殘余變形的工藝措施，稱為反變形法。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）按圖紙下料按圖紙下料 b）焊后殘余變形）焊后殘余變形 c）預(yù)制反變形）預(yù)制反變形下?lián)舷聯(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 焊前焊前 焊后焊后 焊前焊前 焊后焊后2)剛性固定法剛性固定法利用夾具限制焊接過程中的收縮 變形的工

48、藝措施。 基本原理基本原理：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)生的熱壓縮塑性變形。 基本應(yīng)用：基本應(yīng)用：適用于控制薄板波浪變形和角變形！ 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例：工件壓板壓板 控制控制薄板薄板T形接頭的形接頭的 角變形角變形! 法蘭盤法蘭盤對稱焊接夾具對稱焊接夾具:焊縫焊縫螺栓螺栓 剛性固定法舉例 3）限制熱場法）限制熱場法* 通過控制通過控制焊接熱輸入焊接熱輸入和改善和改善冷卻條件冷卻條件來調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)熱影響區(qū)熱影響區(qū)的范圍大小，達(dá)到控的范圍大小，達(dá)到控制制變形量變形量的方法。的方法?；驹恚罕M量降低塑性變形區(qū)的寬度基本原理：盡量降低塑性變形區(qū)的寬度 b p值。值。應(yīng)用

49、舉例：應(yīng)用舉例：深入體會深入體會a）多層）多層/道焊與單道焊對比道焊與單道焊對比 單道焊 多層焊b p1b p2具有回火效果具有回火效果4）裝焊次序控制法裝焊次序控制法* 是最靈活的控制措施之一。通過改變零是最靈活的控制措施之一。通過改變零部件的部件的裝配焊接次序裝配焊接次序來調(diào)整和控制焊接來調(diào)整和控制焊接變形。變形。 基本原理基本原理：通過：通過改變改變零部件的零部件的裝配焊接裝配焊接 次序次序來來調(diào)節(jié)變形量調(diào)節(jié)變形量的大小。的大小。 基本原則基本原則：控制控制（減小減?。┳冃瘟?、變形變形量、變形對稱對稱或變形或變形抵消抵消原則。原則。 基礎(chǔ)工作基礎(chǔ)工作：做好裝配、焊接次序的組合分：做好裝配

50、、焊接次序的組合分析，找到最佳方案。析，找到最佳方案。應(yīng)用舉例 X形坡口對接接頭形坡口對接接頭：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！ 焊縫焊縫2 2 焊縫焊縫3 3 焊縫焊縫1 1 隔板隔板 蓋板蓋板 槽鋼槽鋼 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！2.3.4 焊接殘余變形的矯正焊接殘余變形的矯正 矯正方法的分類： 機械矯正機械矯正 冷矯正冷矯正 火焰矯正火焰矯正 熱矯正熱矯正 原理：原理： 機械

51、矯正機械矯正利用利用機械力機械力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與焊接使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與焊接 殘余變形殘余變形相反的相反的塑性變形塑性變形。 火焰矯正火焰矯正利用利用火焰火焰的的局部高溫加熱局部高溫加熱產(chǎn)生產(chǎn)生熱壓熱壓 縮塑性變形，縮塑性變形，使結(jié)構(gòu)局部冷卻后尺使結(jié)構(gòu)局部冷卻后尺 寸變短，以寸變短，以抵消抵消或或平衡平衡已產(chǎn)生的焊已產(chǎn)生的焊 接殘余變形。接殘余變形。以毒攻毒！以毒攻毒！機械矯正的應(yīng)用特點平板：平板：利用利用平板機或輥床平板機或輥床平板，適用于薄平板，適用于薄 板拼接后的波浪變形；板拼接后的波浪變形；碾壓：碾壓：利用利用圓盤或輪圓盤或輪輾壓焊道及其兩輾壓焊道及其兩 側(cè)，使之產(chǎn)生塑性伸長；側(cè)，使之產(chǎn)生塑性伸長

52、； 特別適特別適 用于塑性好的鋁合金；用于塑性好的鋁合金；錘擊錘擊：適用于局部角變形（如客車鋼結(jié)構(gòu)適用于局部角變形（如客車鋼結(jié)構(gòu) 總裝之前的矯正）；總裝之前的矯正）；專機專機：適用于大型結(jié)構(gòu)（如客車廠適用于大型結(jié)構(gòu)（如客車廠350t350t側(cè)側(cè) 墻矯直機墻矯直機）?；鹧娉C正的應(yīng)用特點 火焰矯正三要素：火焰矯正三要素：位置、形狀、溫度。位置、形狀、溫度。 火焰加熱火焰加熱位置位置選擇：選擇： 使火焰加熱區(qū)使火焰加熱區(qū)新產(chǎn)生的殘余變形新產(chǎn)生的殘余變形與與已經(jīng)產(chǎn)生已經(jīng)產(chǎn)生 的殘余的殘余 變形變形相互抵消相互抵消！ 火焰加熱火焰加熱形狀形狀選擇：選擇： 火焰加熱形狀有：火焰加熱形狀有：點狀、帶狀、三角

53、形等。點狀、帶狀、三角形等。 應(yīng)用時要應(yīng)用時要恰當(dāng)選擇恰當(dāng)選擇！ 火焰加熱火焰加熱溫度溫度選擇：選擇： 火焰加熱火焰加熱溫度溫度一般選擇為：一般選擇為：550650火焰矯正舉例 梁結(jié)構(gòu)撓曲變形的矯正梁結(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. 避免在同一位置避免在同一位置重復(fù)加熱；重復(fù)加熱； 2. 避免加熱區(qū)在矯正時承受避免加熱區(qū)在矯正時承受拉應(yīng)力拉應(yīng)力； 3. 避免加熱區(qū)選在避免加熱區(qū)選在承受拉應(yīng)力的位置承受拉應(yīng)力的位置； 4. 加熱部位加熱部位應(yīng)有依托應(yīng)有依托； 5. 加熱區(qū)要有加熱區(qū)要有足夠的大小足夠的大小和和適當(dāng)分布適當(dāng)

54、分布； 6. 避免對避免對熱敏感材料熱敏感材料使用使用 。2.3.5 火焰成型技術(shù)簡介火焰成型技術(shù)簡介 火焰成型概述：火焰成型概述： 火焰不但可以火焰不但可以矯正變形矯正變形，而且可以用，而且可以用于于板材成形板材成形。尤其在某些。尤其在某些特殊曲面的成型特殊曲面的成型中已有應(yīng)用中已有應(yīng)用。 火焰成型原理：火焰成型原理： 利用利用橫向收縮橫向收縮和和角變形角變形兩種殘余變形。兩種殘余變形。 火焰成型要點：火焰成型要點： 盡量造成工件正面與被面的溫差！產(chǎn)生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。更大的熱壓縮塑性變形。2.3.5 火焰成型技術(shù)簡介火焰成型技術(shù)簡介 應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例

55、： 成型曲面。成型曲面。 2.4 焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力 內(nèi)容提要：1.了解了解焊接殘余應(yīng)力的焊接殘余應(yīng)力的危害危害； 2.掌握掌握焊接殘余應(yīng)力的焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律分布規(guī)律； 3.了解了解影響影響焊接殘余應(yīng)力分布的焊接殘余應(yīng)力分布的因素因素 以便以便改善改善焊接殘余應(yīng)力的焊接殘余應(yīng)力的分布分布； 4.掌握掌握調(diào)控調(diào)控及及消除消除焊接殘余應(yīng)力的方法焊接殘余應(yīng)力的方法 以便處理實際工程問題以便處理實際工程問題。1 1）對產(chǎn)品制造工藝的影響對產(chǎn)品制造工藝的影響 a a）影響構(gòu)件的）影響構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性尺寸穩(wěn)定性及及加工精度加工精度； b b）嚴(yán)重時，導(dǎo)致焊接）嚴(yán)重時，導(dǎo)致焊接裂紋裂紋產(chǎn)生，造成

56、產(chǎn)品返修，產(chǎn)生，造成產(chǎn)品返修， 甚至甚至報廢報廢！（鑄鐵補焊時極易發(fā)生）?。ㄨT鐵補焊時極易發(fā)生）2）對結(jié)構(gòu)靜載強度的影響對結(jié)構(gòu)靜載強度的影響 a a）塑性好的材料塑性好的材料沒有影響沒有影響能實現(xiàn)整個截面能實現(xiàn)整個截面 上的上的全面屈服全面屈服。 b b）塑性差的材料塑性差的材料有影響有影響局部首先達(dá)到材料局部首先達(dá)到材料 的強度極限！的強度極限！ c c）注意注意缺口效應(yīng)缺口效應(yīng)缺口尖端出現(xiàn)缺口尖端出現(xiàn)三向拉應(yīng)力三向拉應(yīng)力， 導(dǎo)致導(dǎo)致 材料變脆材料變脆。2.4.1 焊接殘余應(yīng)力的焊接殘余應(yīng)力的危害危害3）對壓桿穩(wěn)定性的影響對壓桿穩(wěn)定性的影響 實質(zhì)：實質(zhì)：降低降低構(gòu)件的構(gòu)件的有效承載截面有效承

57、載截面！ 使其使其抗彎能力不足抗彎能力不足。4）對結(jié)構(gòu)剛度的影響）對結(jié)構(gòu)剛度的影響 實質(zhì)：實質(zhì)：降低降低構(gòu)件的構(gòu)件的有效承載截面有效承載截面！ 使其使其剛度下降剛度下降。5 5）對應(yīng)力腐蝕開裂的影響）對應(yīng)力腐蝕開裂的影響 實質(zhì)：實質(zhì)：拉應(yīng)力拉應(yīng)力使裂紋表面的使裂紋表面的鈍化膜破壞鈍化膜破壞。 起到起到“引狼入室引狼入室”的助裂作用！的助裂作用！6 6）對動載強度的影響）對動載強度的影響 應(yīng)作辯證分析，在應(yīng)作辯證分析，在第五章第五章詳細(xì)介紹詳細(xì)介紹。壓桿穩(wěn)定性下降的分析分析 壓桿穩(wěn)定性的降低(參考圖例)sxx 殘余應(yīng)力的存在殘余應(yīng)力的存在,使使截面慣性矩截面慣性矩I IX X大大下降大大下降!相

58、當(dāng)于相當(dāng)于有效承載截面大大削弱有效承載截面大大削弱( 收縮為藍(lán)區(qū)收縮為藍(lán)區(qū))屈服區(qū)屈服區(qū)承載區(qū)承載區(qū)殘余殘余 外載外載 疊加疊加結(jié)構(gòu)剛度降低分析結(jié)構(gòu)剛度降低分析分析圖sBbp原始承載截面: : F1 = F1 = B殘余應(yīng)力存在殘余應(yīng)力存在, , bp區(qū)金屬已區(qū)金屬已經(jīng)屈服。經(jīng)屈服。使有效使有效承載截面變?yōu)? F2F2 = (B bp) 顯然顯然: : F2 F1F2 F1 即，即，承載截面下降！ 首先申明：首先申明： 1)1)焊接殘余應(yīng)力的表示方法：焊接殘余應(yīng)力的表示方法： 三個主應(yīng)力： x 縱向應(yīng)力；縱向應(yīng)力； y y 橫向應(yīng)力；橫向應(yīng)力； z z 厚度方向應(yīng)力。厚度方向應(yīng)力。 2 2）焊

59、接殘余應(yīng)力分布的表示：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；橫向應(yīng)力沿縱向的分布； y（y） 橫向應(yīng)力沿橫向的分布；橫向應(yīng)力沿橫向的分布； 余此類推。余此類推。2.4.2 焊接殘余應(yīng)力的焊接殘余應(yīng)力的分布分布（1）x（y）的分布規(guī)律）的分布規(guī)律 特征：特征：焊縫及附近焊縫及附近熱影響區(qū)受拉熱影響區(qū)受拉， 遠(yuǎn)離焊縫的母遠(yuǎn)離焊縫的母 材材 受壓；受壓； 滿足：滿足：拉壓共存拉壓共存、拉壓平衡拉壓平衡關(guān)系；關(guān)系； 分布圖分布圖至少有三塊面積至少有三塊面積。 舉例：舉例： 1）中心焊接試板中心焊接試板中心焊縫區(qū)受拉

60、，兩側(cè)母材受中心焊縫區(qū)受拉，兩側(cè)母材受壓（參見左圖）壓（參見左圖） ； 2）板邊堆焊試板板邊堆焊試板板邊焊縫區(qū)受拉，中間母材受板邊焊縫區(qū)受拉，中間母材受壓（參見右圖）壓（參見右圖） ； 3）中部橫截面中部橫截面x（y）的分布圖）的分布圖 a）中心焊接中心焊接 b b）板邊堆焊）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)：由分布特點：兩端過渡區(qū)：由0 s； 穩(wěn)定區(qū)：應(yīng)力為穩(wěn)定區(qū)：應(yīng)力為s。（3）y（x） 橫向應(yīng)力沿縱向的分布；橫向應(yīng)力沿縱向的分布； 它由兩部分構(gòu)成，即它由兩部分構(gòu)成，即 y（x） y（x）