焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)和管理課件

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(shí)分配 焊接應(yīng)力與變形；1012學(xué)時(shí) 焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度： 焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度 自學(xué)； 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂 4學(xué)時(shí)； 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞 4學(xué)時(shí)。 4、主要教學(xué)參考書(shū) 【1】田錫唐主編.焊接結(jié)構(gòu) 北京:機(jī)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(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編 焊接手冊(cè)(第三卷)，焊接結(jié)構(gòu) 北京:機(jī)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(jī)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(jì) 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(diǎn)及其在工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位。 掌握要點(diǎn)： 1、焊接結(jié)構(gòu)自身的優(yōu)點(diǎn)與焊接工藝優(yōu)勢(shì)； 2、焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)引起充分注意的問(wèn)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(guó)家5055； b.我國(guó)目前水平已達(dá)4045%. 可見(jiàn)，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(guó)家（日本、美國(guó)、德國(guó)）約為45%，我國(guó)約為25%。2005年中國(guó)焊接結(jié)構(gòu)用鋼量為37%,工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(fèi)國(guó)

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(guó)家人均鋼產(chǎn)量為600kg/p.y，我國(guó)鋼產(chǎn)量突破6000萬(wàn)t，人均55kg/p.y。2006年世界鋼產(chǎn)量為12.39億t，我國(guó)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(guó)鋼產(chǎn)量將達(dá)到5億t左右，同時(shí)我國(guó)正在努力從鋼材大國(guó)向鋼材強(qiáng)國(guó)的方向發(fā)展。1.1.2 焊接結(jié)構(gòu)的分類(lèi)、應(yīng)用領(lǐng)域梁柱桁架和塔桅結(jié)構(gòu)板殼結(jié)構(gòu)運(yùn)輸裝備用板殼結(jié)構(gòu)機(jī)器結(jié)構(gòu) 第一章 緒論1.1.2 焊接結(jié)構(gòu)的分類(lèi)、應(yīng)用領(lǐng)域 汽車(chē)、鐵路車(chē)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(jiàn)焊接工程師也會(huì)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(dòng)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(jī)機(jī)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(jī)械集團(tuán)為神華公司制造的中國(guó)第一個(gè)煤直接液化裝置的加氫反應(yīng)器，直徑5.5m長(zhǎng)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(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)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(hào)飛船航天員活動(dòng)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(guó)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(chǎng)的鳥(niǎo)巢式鋼結(jié)構(gòu)重5萬(wàn)噸，是世界之最。焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的領(lǐng)域杭州灣大橋?yàn)槿镐摻Y(jié)構(gòu)斜拉橋。西氣東輸?shù)墓芫€長(zhǎng)4000km，是中國(guó)第一條高強(qiáng)鋼（X70）大直徑長(zhǎng)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(wàn)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(wàn)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(diǎn)及前景展望從“十一五”規(guī)劃的二十項(xiàng)國(guó)家重大技術(shù)

6、裝備的研制項(xiàng)目可以看出，在百萬(wàn)千瓦級(jí)核電機(jī)組、超超臨界火力發(fā)電機(jī)組成套設(shè)備、高水頭超大容量水電機(jī)組、大型抽水蓄能機(jī)組、30 60萬(wàn)瓦級(jí)循環(huán)硫化床（CFB）鍋爐的成套技術(shù)裝備、百萬(wàn)噸級(jí)大型乙烯成套設(shè)備、百萬(wàn)噸級(jí)大型對(duì)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(jiàn)，焊接在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)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(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(qiáng)，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(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)接頭等強(qiáng)性：焊縫與母材不同質(zhì)，強(qiáng)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(jī)械、仿生非光滑犁壁、自動(dòng)控制記憶合金、噴涂、堆焊1.2 焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)工藝靈活，適應(yīng)性強(qiáng)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu) 采用分部件裝焊、現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)揚(yáng)長(zhǎng)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(jì)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品檢驗(yàn)、生產(chǎn)應(yīng)用、 保養(yǎng)維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)！ 無(wú)論結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)部門(mén)，還是結(jié)構(gòu)的使用部門(mén)，都要有強(qiáng)烈的質(zhì)量意識(shí)并且有嚴(yán)格的質(zhì)量管理體系作為保障！哪個(gè)環(huán)節(jié)有疏漏都可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。有時(shí)甚至是災(zāi)難性的！結(jié)束語(yǔ)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(diǎn)和難點(diǎn)！ 要求掌握： 1. 焊接應(yīng)力與變形的基本知識(shí)和分類(lèi)方法； 2. 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)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(shí)2.1.1 內(nèi)應(yīng)力的概念內(nèi)應(yīng)力定義 指在無(wú)外力作用下平衡于物體內(nèi) 部的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力特點(diǎn) 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(diǎn)：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(huì)裂？ 2、 鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件中有無(wú)內(nèi)應(yīng)力？ 3、 熟好的西瓜為什么容

10、易裂開(kāi)？ 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(lèi)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(kuò)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(shí)序分為： 瞬時(shí)應(yīng)力焊接過(guò)程不斷變化著的動(dòng)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(lái)比量。 微觀內(nèi)應(yīng)力作用

11、范圍可用晶粒尺寸來(lái)比量。 超微觀內(nèi)應(yīng)力作用范圍可用晶格尺寸來(lái)比量。2.1.2 焊接應(yīng)力的分類(lèi)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(hào)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(lèi)2.1.3 焊接變形及其分類(lèi)焊接變形焊接工藝過(guò)程導(dǎo)致的工件尺寸或形狀的改變。焊接變形的分類(lèi)：按產(chǎn)生時(shí)序分為： 瞬時(shí)變形即指焊接過(guò)程中工件的動(dòng)態(tài)變形； 殘余變形焊后，殘留于工件中

12、的變形。 瞬時(shí)變形是一個(gè)過(guò)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(cuò)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(lèi)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(cuò)邊變形 焊接變形的幾點(diǎn)說(shuō)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(cuò)邊與裝配錯(cuò)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(cuò)邊是機(jī)械裝配精度不足所為； 是鉚工的責(zé)任！焊接變形的幾點(diǎn)說(shuō)明焊接錯(cuò)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(zhǎng)度方向上的不等量分布與不對(duì)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(jī)理分析提要：這里通過(guò)對(duì)小試件均勻線性加熱與冷卻過(guò)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(guò)程及殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)理。方法：利用應(yīng)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。基本符號(hào)： 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(shí)試件的變形不受任何限制，能夠充分表現(xiàn)出來(lái)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(lái)，把其中表現(xiàn)出來(lái)的部分變形稱為外觀變形內(nèi)部變形未表現(xiàn)出來(lái)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(jiàn)， 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(zhǎng)度L0，即得到各自的應(yīng)變形式： e T 其中， L T L0 可計(jì)算 Le 可測(cè)量 因而， L 可間接計(jì)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(jià)形式為： e T 這兩個(gè)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(guò)程的變形一旦受到拘束等效于外力作用，就會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部

16、變形，同樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。計(jì)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(jī)械性能隨溫度的變化而變化，當(dāng)溫度變化幅度較大時(shí)，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(jiǎn)化 500 600Ts2.1.7 TP與TSTP 指金屬在升溫過(guò)程中達(dá)到s為0時(shí)所對(duì) 對(duì)應(yīng)臨界溫度。TS指金屬在升溫過(guò)程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到s時(shí)所對(duì)對(duì)應(yīng)臨界溫度。舉例：對(duì)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(duì)

17、剛性拘束時(shí)的TS 提示：絕對(duì)剛性拘束，等價(jià) e 0 ！ 因此， T = 達(dá)到TS時(shí), 試件中對(duì)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(jì)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(duì)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(duì)自由拘束： e T ， 0絕對(duì)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(huì)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(diǎn)討論： （1）當(dāng)溫升T TS時(shí)，內(nèi)部變形 s ； 材料內(nèi)部沒(méi)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(méi)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(méi)有殘余應(yīng)力！ （2）當(dāng)溫升 T TS時(shí)，內(nèi)部變形 s ； 材料內(nèi)部就會(huì)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(guò)程中： 若允許試件自由收縮，熱循環(huán)結(jié)束后，試件就會(huì)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(guò)程就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，最終，就會(huì)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(shí)， 內(nèi)部變形| | s ； 這時(shí)，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(shí)，試件中不但會(huì)產(chǎn)生達(dá)到s 的拉應(yīng)力，還會(huì)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(zhǎng)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(diǎn)，在整個(gè)熱變形過(guò)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(zhǎng)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(guò)程中達(dá)到s為0時(shí)所對(duì) 對(duì)應(yīng)臨界溫度。TS指金屬在升溫

20、過(guò)程中，內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到s時(shí)所對(duì)對(duì)應(yīng)臨界溫度。長(zhǎng)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(shí)際狀態(tài) 平面變形 各自獨(dú)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(méi)有塑性變形，即p 0； 單元體內(nèi)每個(gè)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(méi)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(méi)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(zhǎng)板條中心焊接試件分析提示： 1. 加熱最高溫度遠(yuǎn)超過(guò)TP; 2

21、. 最大塑性變形P遠(yuǎn)超過(guò)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(shí)的應(yīng)力分布 長(zhǎng)板條中心焊接+加熱至最高溫度狀態(tài)seT P特點(diǎn):應(yīng)力場(chǎng)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(zhǎng)；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(zhǎng)板條一側(cè)堆焊時(shí)的變形與應(yīng)力分布會(huì)是怎樣？2.2 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)理2.2.1 低碳鋼小試件在均勻線性加熱與冷卻時(shí)的 應(yīng)力與變形循環(huán)提示：通過(guò)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(shí)的應(yīng)力與變形循環(huán),揭示焊接應(yīng)力與變形的機(jī)理。分析方法： 運(yùn)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(duì)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?yàn)?0 ，所以p 0 ！tT, T ,e,0t0 t1 t2變形充分! 應(yīng)力為零! 故沒(méi)有任何應(yīng)力，也沒(méi)有殘余變形！eT絕對(duì)剛性拘束（2）絕對(duì)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(wú)殘余應(yīng)力與殘余變形！ T

23、, T ,e,t0 t1 t2tTe（2）絕對(duì)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(wú)殘余變形！T, T,e,tt0b) TMAX= 300 |max|s |p max| = 2 s t1t2t3t4Te對(duì)比（3）（2）絕對(duì)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(wú)殘余應(yīng)力與殘余變形！ | p max| = 2 s t0 t1 t2 100200300有殘余變形，無(wú)殘余應(yīng)力！t0 t1 t2

24、t3 t4 絕對(duì)剛性拘束（3）絕對(duì)剛性拘束 a）TMAXTS= 100|max| s ,p= 0無(wú)殘余應(yīng)力與殘余變形！T, T ,e,t0 t1 t2+100200300有殘余應(yīng)力，無(wú)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(wú)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(duì)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(wú)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(duì)剛性拘束條件（5）TMAX600，絕對(duì)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(diǎn)分析結(jié)論 1.只要|max| s ,p

26、 = 0 ,盡管有瞬時(shí)應(yīng)力,但是不會(huì)有殘余應(yīng)力和殘余變形; 2.只要 |max|s， 即p0，就會(huì)產(chǎn)生殘余現(xiàn)象： 在允許自由收縮時(shí),就會(huì)表現(xiàn)為充分的殘余變形，而沒(méi)有殘余應(yīng)力； 在絕對(duì)剛性拘束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，甚至產(chǎn)生拉伸塑性變形，而沒(méi)有殘余變形； 在彈性拘束時(shí)，二者兼而有之。各自大小因拘束條件變化。拘束偏強(qiáng)，應(yīng)力大，變形小；反之，應(yīng)力減小，變形大。 3.在Tmax TP時(shí)， |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(jī)理在焊接過(guò)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(huì)受到周?chē)溆步?/p>

27、屬的拘束作用。這種熱變形嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)與較強(qiáng)的拘束行為在加熱過(guò)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(diǎn),因而受到的壓縮作用更為強(qiáng)烈，|P max |遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)s 。焊接殘余應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)理在隨后的冷卻過(guò)程中，其尺寸就會(huì)變短。但是，這種行為在周?chē)溆步饘俚膹椥跃惺?，照例不?huì)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(shí)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(hào)簡(jiǎn)記試件加熱過(guò)程： T =T |P | S ; e；試件冷卻過(guò)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(guò)程分析分析方法： 分析不同時(shí)刻的應(yīng)力 平衡及演變過(guò)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(chǎng)近似均勻，在板寬方向其溫度場(chǎng)對(duì)稱分布； 將單元體沿焊縫方向細(xì)分為若干小條，每個(gè)小條近似看作一個(gè)小試件； 然后，運(yùn)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(guò)程不同時(shí)刻的應(yīng)力與變形循環(huán)。熱源過(guò)后試件某一截面四個(gè)典型的時(shí)刻：t1進(jìn)入冷卻后600等溫線最寬(bp區(qū))的時(shí)刻；t2最高溫度為600的時(shí)刻；t3最高溫度為400以下的某時(shí)刻；t4恢復(fù)到室溫的時(shí)刻。 通過(guò)典型時(shí)刻的對(duì)比，看清演變的動(dòng)向和趨勢(shì)

29、！請(qǐng)注意： 在等速焊接條件下，同一截面上的不同時(shí)刻的演變過(guò)程與同一時(shí)刻不同截面上的溫度場(chǎng)和應(yīng)力狀態(tài)是等效的！t1時(shí)刻的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)： 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(chǎng)滿足拉壓平衡關(guān)系。兩側(cè)t2時(shí)刻的的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)：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(kuò)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(chǎng)明顯變化；中心從無(wú)到有；壓應(yīng)力區(qū)向兩側(cè)移動(dòng)；兩側(cè)原來(lái)的拉應(yīng)力區(qū)有所減小兩側(cè)t3時(shí)刻的

30、的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)：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(kuò)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(chǎng) 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(dòng)； 兩側(cè)的拉應(yīng)力區(qū)進(jìn)一步減小。t4時(shí)刻的的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)： 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)降溫幅度小； t4時(shí)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(chǎng)明顯變化； 中心拉應(yīng)力區(qū)有所擴(kuò)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(guò)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(shí)刻的 T 的分布規(guī)律 ； 認(rèn)清e(cuò) 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(shí)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(huì)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(shí)需調(diào)修；否則，會(huì)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(cuò)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(cuò)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(jì)成本：矯正變形需投入設(shè)備、耗費(fèi)工時(shí)、浪費(fèi)能源；有甚者，以至無(wú)法矯正而報(bào)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(qiáng)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(duì)中及冷卻影響焊接錯(cuò)邊及變形量； 8）間隙與點(diǎn)固裝配間隙大小，點(diǎn)固焊道數(shù)量、 點(diǎn)固長(zhǎng)度、位置等；影響焊接錯(cuò)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(duì)稱焊、多層、多道焊， 分段退焊， 錘擊焊道，短弧焊，減少擺動(dòng)等。2.3.3 焊接殘余變形的預(yù)防及控制措施設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)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(chǎng)法*4）裝焊次序控制法* 以下重點(diǎn)展開(kāi)講解!1）反變形法* 工件焊接前，人為預(yù)制一個(gè)與焊接殘余變形趨勢(shì)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(yùn)用應(yīng)不失時(shí)機(jī)，具體分為：下料反變形在下料工序?qū)嵤谎b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(duì)于縱向收縮和橫向收縮反映在長(zhǎng)度與寬度尺寸上預(yù)先加余量； 對(duì)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(méi)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(shí)例梁結(jié)構(gòu)裝配變截面法應(yīng)用背景：大連起重機(jī)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(shí)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(guò)程中的有利時(shí)機(jī)，作為主要控制點(diǎn)，適時(shí)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(shí)，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(shí)例加熱減應(yīng)區(qū)法補(bǔ)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(shí)例預(yù)拉伸焊接法應(yīng)用背景：客車(chē)側(cè)墻生產(chǎn)（參見(jiàn)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(diǎn)： 在未焊接立柱、橫梁之前，對(duì)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(diǎn)！ 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(kāi)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(jiǎn)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(guò)程的應(yīng)力與變形來(lái)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(guò)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(guò)程產(chǎn)生較大的拉伸塑性變形，以抵償加熱過(guò)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(pán)對(duì)稱焊接夾具:焊縫螺栓 剛性固定法舉例 3）限制熱場(chǎng)法* 通過(guò)控制焊接熱輸入和改善冷卻條件來(lái)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。基本原理：盡量降低塑性變形區(qū)的寬度 b p值。應(yīng)用舉例：深入體會(huì)a）多層/道焊與單道焊對(duì)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(chǎng)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(guò)改變零部件的裝配焊接次序來(lái)調(diào)整和控制焊接變形。 基本原理：通過(guò)改變零部件的裝配焊接 次序來(lái)調(diào)節(jié)變形量的大小。 基本原則：控制（減?。┳冃瘟俊⒆冃螌?duì)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(duì)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(duì)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(lèi)： 機(jī)械矯正 冷矯正 火焰矯正 熱矯正原理： 機(jī)械矯正利用機(jī)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(jī)械矯正的應(yīng)用特點(diǎn)平板：利用平板機(jī)或輥床平板，適用于薄 板拼接后的波浪變形；碾壓：利用圓盤(pán)或輪輾壓焊道及其兩 側(cè)，使之產(chǎn)生塑性伸長(zhǎng)； 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(chē)鋼結(jié)構(gòu) 總裝之前的矯正）；專(zhuān)機(jī)：適用于大型結(jié)構(gòu)（如客車(chē)廠350t側(cè) 墻矯直機(jī)）?；鹧娉C正的應(yīng)用特點(diǎn)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(diǎn)狀、帶狀、三角形等。 應(yīng)用時(shí)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(diǎn)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(guò)大，火焰矯正，減小拱度加熱區(qū)火焰矯正注意之點(diǎn)！ 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(shí)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(duì)熱敏感材料使用 。2.3.5 火焰成型技術(shù)簡(jiǎn)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。火焰成型原理： 利用橫向收縮和角變形兩種殘余變形?；鹧娉尚鸵c(diǎn)： 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(jiǎn)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(shí)際工程問(wèn)題。1）對(duì)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(shí)，導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生，造成產(chǎn)品返修， 甚至報(bào)廢?。ㄨT鐵補(bǔ)焊時(shí)極易發(fā)生）2）對(duì)結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度的影響 a）塑性好的材料沒(méi)有影響能實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(qiáng)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(duì)壓桿穩(wěn)定性的影響 實(shí)質(zhì)：降低構(gòu)件的有效承載截面！ 使其抗彎能力不足。4）對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響 實(shí)質(zhì)：降低構(gòu)件的有效承載截面！ 使其剛度下降。5）對(duì)應(yīng)力腐蝕

44、開(kāi)裂的影響 實(shí)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(duì)動(dòng)載強(qiáng)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(gè)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(lèi)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(jiàn)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(jiàn)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(diǎn)：兩端過(guò)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(diǎn)： 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(shí)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(diǎn)：板邊為零，中心最高，分布對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(qǐng)參考教材深入理解。 材質(zhì)和預(yù)熱會(huì)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(duì)結(jié)構(gòu)總體沒(méi)有影響時(shí)完成焊接。 注意結(jié)構(gòu)瞬時(shí)中性軸的變化并適時(shí)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(bǔ)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(hù)薄弱環(huán)節(jié)之目的。靈活性強(qiáng)。 應(yīng)用：農(nóng)機(jī)部件缸體、缸蓋的補(bǔ)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(shí)，可考慮降低局部剛性！ 5）焊前機(jī)械預(yù)拉伸法 原理

50、：超前拉伸， “欲縱故擒” 。 應(yīng)用：客車(chē)側(cè)墻焊接采用！前面已介紹。 6）合理運(yùn)用多層焊道的回火效應(yīng) 多層焊時(shí),各層焊道之間具有互惠機(jī)制： 先焊焊道對(duì)后焊焊道有預(yù)熱作用; 后焊焊道對(duì)先焊焊道有回火作用。 這一點(diǎn)有時(shí)被忽視。利用好這一機(jī)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(shí)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(diǎn)：將工件加熱至650 ，保溫一

51、定時(shí)間， 然后緩慢冷卻。 保溫時(shí)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(duì)象：對(duì)塑性好的材料適用。 應(yīng)用實(shí)例：壓力容器行業(yè)水壓試驗(yàn)（超載拉伸）可謂一舉多得！其作用有： a）檢驗(yàn)壓力容器的強(qiáng)度； b）檢驗(yàn)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(jī)理 以焊縫殘余拉應(yīng)力區(qū)為分析對(duì)象！參考下圖 未加載時(shí)，殘余拉應(yīng)力 初值為： S ； 達(dá)到超載拉伸載荷時(shí)，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(diǎn)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(shí)，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(shí)的最大拉伸應(yīng)力也不會(huì)超過(guò)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(diǎn)不同：加熱溫度不同；加熱位置不同。溫差拉伸法的實(shí)質(zhì)是：熱力拉伸。 方法要點(diǎn)：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(duì)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(jī)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(dòng)時(shí)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(chǎng)重新平衡！ 也可理解為：局部的超載拉伸。因?yàn)椋汗ぜ诮?jīng)歷振動(dòng)時(shí)，會(huì)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(huì)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(diǎn)： 合理選擇振動(dòng)參數(shù)：激振力，激振頻率， 激振部位，振動(dòng)時(shí)間等。 該法對(duì)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(diǎn)是：工件無(wú)氧化、生產(chǎn)效率高。 應(yīng)用情況： 目前市場(chǎng)已有專(zhuān)供產(chǎn)品！振動(dòng)時(shí)效法第三章 焊

54、接接頭（自學(xué)章節(jié)）內(nèi)容提要：強(qiáng)化一個(gè)基礎(chǔ) 材料力學(xué)（強(qiáng)度理論）；把握兩個(gè)關(guān)鍵 工作焊縫；應(yīng)力集中；認(rèn)識(shí)四種接頭對(duì)接接頭、T形接頭、 搭接接頭、角接接頭等。了解八點(diǎn)假設(shè)（參考教材p93內(nèi)容）應(yīng)對(duì)實(shí)際問(wèn)題 接頭靜載強(qiáng)度分析、設(shè)計(jì) 與強(qiáng)度校核！焊接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算的八點(diǎn)假設(shè)應(yīng)用背景： 針對(duì)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(qiáng)度校核時(shí)，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(jì)算； 所有的角焊縫，一律按剪應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核； 搭接接頭中的正面角焊縫與側(cè)面角焊縫等同對(duì)待； 焊接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算的八點(diǎn)假設(shè) 角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，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(qiáng)度計(jì)算的八點(diǎn)假設(shè)對(duì)于熔深超出理論根點(diǎn)的深熔角焊縫，則應(yīng)采用適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法，測(cè)量其超過(guò)根點(diǎn)的有效尺寸e，然后對(duì)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(jiǎn)介GB985-88 焊縫坡口的基本型式有： I型 不開(kāi)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(shí)或抗裂性試驗(yàn)； 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(jiǎn)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(shí)際產(chǎn)品，選擇應(yīng)用。坡口的幾個(gè)基本術(shù)語(yǔ)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(duì)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(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)考慮的八點(diǎn)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(jì)？何謂低組配和高組配接頭？哪種更合理？交錯(cuò)焊縫在設(shè)計(jì)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(lèi)文明做出了巨大的貢獻(xiàn)，這是不可磨滅的。 但是，由于人類(lèi)對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的特性 認(rèn)識(shí)不足，制造工藝不當(dāng)，維護(hù)不及時(shí)，歷史上也出現(xiàn)過(guò)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(hù)環(huán)境，創(chuàng)造更加輝煌的未來(lái)！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(chē)輛、 伴隨較強(qiáng)振動(dòng)（沖擊性）；艦船工況：冰雪季節(jié)、動(dòng)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(diǎn)：低溫、高應(yīng)力（集中）、動(dòng)載荷！ 制造這類(lèi)產(chǎn)品時(shí)，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(diǎn)。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(méi)有塑性變形； 2）脆斷時(shí)所需能量小，屬于低應(yīng)力破壞； 3）裂紋擴(kuò)展速度快（可達(dá)1800km/

59、s），具有突發(fā)性， 措不及防； 4）脆斷對(duì)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，呈顆粒或粗瓷狀，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(zhuān)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(diǎn)： 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(jì)、制造環(huán)節(jié)上存在工藝缺陷； 這些未能得以及時(shí)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(kāi)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(shí)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(yàn)技術(shù)不夠完善，并未對(duì)重要結(jié)構(gòu)采取有效的質(zhì)量跟蹤措施和及時(shí)準(zhǔn)確的無(wú)損評(píng)價(jià)。 涉及：產(chǎn)品檢驗(yàn)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)