焊接結(jié)構(gòu)講課

1、焊接結(jié)構(gòu)第一章 緒論,一、焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 金屬結(jié)構(gòu)：建筑鋼結(jié)構(gòu)、船體、鐵道車輛、壓力容器、航天器－－全部或部分取代鉚接、整鑄、整鍛 應(yīng)用比例：焊接結(jié)構(gòu)占鋼產(chǎn)量的45％,焊接結(jié)構(gòu)實(shí)例,二、焊接結(jié)構(gòu)與鉚接結(jié)構(gòu)比較,1、節(jié)省材料2、省工：無(wú)需打孔3、設(shè)備投資少4、密封性好,三、焊接結(jié)構(gòu)與鑄造鍛壓結(jié)構(gòu)相比較,1、不需要砂型工序簡(jiǎn)單、周期短2、比鑄件節(jié)省材料3、軋制材料焊接質(zhì)量好舉例：,成本對(duì)比a)>

2、;b)>c),批量生產(chǎn)有時(shí)比鑄造經(jīng)濟(jì),,四、焊接結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn),1.應(yīng)力集中比鉚接大 如右圖所示2.焊接應(yīng)力與變形大3.性能不均勻：組織、力學(xué)性能4.整體性強(qiáng)： 高剛度、高密封,第二章 焊接應(yīng)力與變形,§2-1 內(nèi)應(yīng)力及變形的基本概念一、內(nèi)應(yīng)力及產(chǎn)生原因按分布范圍分為：第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀，工程中主要研究對(duì)象）第二類內(nèi)應(yīng)力（晶粒尺寸）第三類內(nèi)應(yīng)力（晶格尺寸）,內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因分類：溫度應(yīng)力及殘余

3、應(yīng)力,㈠溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力）產(chǎn)生條件：受熱不均勻溫度均勻結(jié)果：應(yīng)力殘留或消失,舉例,㈡殘余應(yīng)力,產(chǎn)生原因：不均勻加熱產(chǎn)生條件：局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形或相變,二、自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形,自由變形：⊿LT=α·L0(T1-T0) εT=⊿LT /L0 = α·(T1-T0) 外觀變形：⊿Leεe =⊿Le /L0內(nèi)部變形：⊿L =－(⊿LT － ⊿ Le)ε =⊿L /L0,低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

4、 σ = E· ε=E (εe － εT),,三、長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形和應(yīng)力,研究的前提條件：平面假設(shè)原理㈠長(zhǎng)板條中心加熱,截取板條的單位長(zhǎng)度研究,,,,,,,,溫度低，無(wú)塑性變形,應(yīng)力平衡：,溫度高，產(chǎn)生塑性變形，殘余應(yīng)力：,,,,,㈡非對(duì)稱加熱（一側(cè)加熱）,b)和c)兩種情況為不平衡力矩，不能發(fā)生,內(nèi)應(yīng)力平衡條件為：,截面有轉(zhuǎn)動(dòng)，所以εe 非常數(shù)，是x的線性函數(shù),,,,,,,板條平均伸長(zhǎng)率為：,板條曲率為：,

5、結(jié)論：當(dāng)ε﹥?chǔ)舠時(shí)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形（如圖2－7）；當(dāng)ε﹤εs時(shí)不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形；,四、焊接引起的內(nèi)應(yīng)力及變形㈠焊接應(yīng)力與變形的特殊性,金屬高溫性能隨溫度變化對(duì)于低碳鋼,典型焊接溫度場(chǎng)平面假設(shè)的適用條件：①焊接速度快②材料導(dǎo)熱慢（鋼）,㈡受拘束體在熱循環(huán)中的應(yīng)力與變形的演變過(guò)程,彈性狀態(tài)，無(wú)殘余應(yīng)力,,有塑性變形及殘余應(yīng)力,殘余應(yīng)力等于材料屈服極限,㈢焊接應(yīng)力應(yīng)變的演變過(guò)程,㈣焊接熱應(yīng)變循環(huán),近縫

6、區(qū)的兩種情況a)無(wú)相變；b)有相變,（焊縫）金屬在高溫時(shí)的延性和斷裂,①脆性溫度區(qū)②熱裂紋產(chǎn)生 條件③熱應(yīng)變脆化,㈤焊接瞬態(tài)應(yīng)力變形研究的新發(fā)展有限元法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用取代簡(jiǎn)單計(jì)算,§2－2 焊接殘余變形焊接殘余變形的分類：分七類,㈠縱向收縮變形 ㈡橫向收縮變形,㈢撓曲變形,㈣角變形 ㈤波浪變形：薄板易發(fā)生,㈥錯(cuò)邊變形：長(zhǎng)度方向和厚度方向,㈦螺旋形變形,焊接變形影響結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確、美觀可能

7、降低結(jié)構(gòu)承載能力（附加彎曲應(yīng)力）,焊接變形可能降低結(jié)構(gòu)承載能力舉例二,二、縱向收縮變形以及它引起的撓曲變形,假想力作用在塑性變形區(qū)上,線能量對(duì)焊接縱向變形的影響:多層焊與單層焊,細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件縱向收縮量的經(jīng)驗(yàn)公式估算:,單層焊的縱向收縮量,多層焊的縱向收縮量,兩面角焊縫丁字接頭 再乘以系數(shù)1.15~1.40,鋼制構(gòu)件的撓度估算,單道焊縫引起的撓度:,多層焊和雙面角焊縫引起的撓度:,三、橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形,㈠堆焊及角焊縫,橫向收縮變

8、形與線能量和板厚的關(guān)系 圖2－36,橫向收縮在焊縫長(zhǎng)度方向上的分布 圖2－37,㈡對(duì)接接頭,留有間隙的平板對(duì)接焊的橫向變形,不留間隙的平板對(duì)接焊的橫向變形,沿焊縫縱向熱變形對(duì)橫向變形的影響,,四、角變形,產(chǎn)生原因：橫向收縮在厚度方向上的不均勻分布,㈠堆焊,㈡對(duì)接接頭,對(duì)接焊層數(shù)與角變形的關(guān)系,對(duì)接多層焊防止角變形方法,丁字接頭的角變形,五、波浪變形,產(chǎn)生原因：受壓部位失穩(wěn),螺旋形變形,八、預(yù)防焊接變形的措施,㈠設(shè)計(jì)措施1.合理選擇焊縫

9、尺寸和形式,開(kāi)坡口的好處:減小變形節(jié)省人力物力,減小焊接變形措施:坡口選取,設(shè)計(jì)措施之二2.減少不必要的焊縫,設(shè)計(jì)措施之三3.合理安排焊縫位置焊縫盡量對(duì)稱于中性軸或靠近中性軸,㈡工藝措施,1.反變形法,2.剛性固定法,3.合理選擇焊接方法和焊接規(guī)范,4.選擇合理的裝配焊接次序,方案一,方案二,方案三,九、矯正焊接變形的方法,㈠機(jī)械矯正法,㈡火焰加熱矯正法,焊接角變形的利用－火焰成型(水火彎板),§2-3 焊接殘余應(yīng)力

10、,一、焊接殘余應(yīng)力的分布㈠縱向殘余應(yīng)力,㈡橫向應(yīng)力,㈢厚板中的殘余應(yīng)力,電渣焊,低碳鋼多層焊,㈣拘束狀態(tài)下的焊接內(nèi)應(yīng)力,㈤封閉焊縫引起的內(nèi)應(yīng)力,㈥相變應(yīng)力,二、焊接殘余應(yīng)力的影響,㈠內(nèi)應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響,塑性材料在平面應(yīng)力狀態(tài)：無(wú)影響,脆性材料或脆性狀態(tài),承載能力下降,,塑性脆性力學(xué)狀態(tài)的判斷,㈢內(nèi)應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響,㈣內(nèi)應(yīng)力對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響,㈤內(nèi)應(yīng)力對(duì)剛度的影響,三、焊接過(guò)程中調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的措施,㈠采用合

11、理的焊接順序和方向,先焊受力大的焊縫，使之最終受壓應(yīng)力作用,拼板時(shí)先焊短縫，再焊直通長(zhǎng)縫,㈡適當(dāng)采用反變形法,㈢隨焊錘擊或碾壓焊縫㈣在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位加熱使之伸長(zhǎng),四、焊后消除焊接內(nèi)應(yīng)力的方法,㈠整體高溫回火㈡局部高溫回火,㈢機(jī)械拉伸法（過(guò)載法）,㈣溫差拉伸法㈤振動(dòng)法,五、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定,㈠應(yīng)力釋放法1.切條法,2.套孔法3.小孔法4.激光全息照相法5.逐層銑削法,㈡x射線衍射法,第三章 焊接接頭的不均勻性,§

12、;3－1 焊接接頭的一般性能,一、焊接接頭的概念(含義),二、焊接接頭的不均勻性及其力學(xué)行為,㈠熱影響區(qū)的力學(xué)性能,1.強(qiáng)度和塑性,2.韌性,3.熱塑變脆化,㈡焊縫金屬的力學(xué)性能,㈢低強(qiáng)焊縫金屬的力學(xué)性能,低組配-硬夾軟高組配-軟夾硬,三、焊接接頭的基本形式,㈠焊縫的基本形式1.對(duì)接焊縫,2.角焊縫,㈡接頭的基本形式,,搭接接頭: 開(kāi)槽焊和塞焊,丁字(十字)接頭,角接頭,§3-2 焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能,一、

13、應(yīng)力集中的定義,二、電弧焊接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能㈠對(duì)接接頭,㈡丁字接頭、十字接頭,㈢搭接接頭,1.正面角焊縫的工作應(yīng)力分布,正面搭接焊縫的彎曲變形,2.側(cè)面角焊縫的工作應(yīng)力分布,3.聯(lián)合角焊縫搭接接頭中的工作應(yīng)力分布,4.蓋板接頭中的工作應(yīng)力分布,三、接觸焊接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能,點(diǎn)焊接頭,正應(yīng)力,四、鉚焊聯(lián)合接頭與鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)鉚焊聯(lián)合接頭是不合理接頭形式,鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)1.剛度小2.應(yīng)力集中系數(shù)低3.內(nèi)應(yīng)

14、力低4.止裂性好5.減少工地焊接,保證質(zhì)量,第四章 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂§4-2金屬材料的斷裂及其影響因素,一、金屬材料斷裂的形態(tài)特征,延性斷裂：斷裂過(guò)程宏觀特征微觀特征－韌窩,脆性斷裂：解理斷裂－斷口發(fā)光顆粒、延晶、人字花樣、河流花樣、扇形花樣晶界斷裂－斷口較灰暗、穿晶、巖石花樣、冰糖花樣,二、影響金屬脆性斷裂的主要因素,㈠應(yīng)力狀態(tài)的影響,㈡溫度的影響：轉(zhuǎn)變溫度㈢加載速度的影響：,㈣材料狀態(tài)的影響1.

15、厚度的影響⑴厚板缺口⑵軋制條件2.晶粒度的影響:轉(zhuǎn)變溫度3.化學(xué)成分的影響:C、N、O、H、S、P增加鋼脆性， Mn、Ni、Cr、V降低鋼的脆性,§4－3 金屬材料斷裂的能量理論,一、脆性材料：葛里菲斯理論,§4-4 材料斷裂的評(píng)定方法,一、轉(zhuǎn)變溫度方法,㈠沖擊試驗(yàn)卻貝V形缺口試驗(yàn)⑴能量標(biāo)準(zhǔn)⑵斷口標(biāo)準(zhǔn)⑶延性標(biāo)準(zhǔn),轉(zhuǎn)變溫度方法－試驗(yàn)

16、方法斷裂力學(xué)方法,㈡爆炸膨脹試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)⑴爆炸試驗(yàn)a.平裂情況b.凹裂情況c.凹陷和局部 斷裂情況d.膨脹撕裂情況,⑵落錘試驗(yàn),㈢靜載試驗(yàn),二、斷裂力學(xué)的評(píng)定方法轉(zhuǎn)變溫度方法的缺點(diǎn)和局限性,§4－5 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其對(duì)脆斷的影響,一、焊接結(jié)構(gòu)剛性大整體性強(qiáng),二、焊接結(jié)構(gòu)制造工藝特點(diǎn)與脆斷的關(guān)系,㈠應(yīng)變時(shí)效引起的局部脆性轉(zhuǎn)變溫度提高，延性韌性下降解決方法：焊后熱處理㈡金相組織改變對(duì)脆性的影響：線能量

17、應(yīng)適當(dāng)選取,㈢焊接缺陷對(duì)脆斷的影響㈣角變形和錯(cuò)邊的影響,㈤殘余應(yīng)力和塑性變形的影響分兩種情況：轉(zhuǎn)變溫度以上及轉(zhuǎn)變溫度以下,,§4－6 焊接結(jié)構(gòu)抗開(kāi)裂性能與止裂性能的評(píng)定方法,一、脆斷的產(chǎn)生（引發(fā)）、擴(kuò)展和停止臨界轉(zhuǎn)變溫度二、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種原則防止引發(fā)原則及止裂性能三、焊接接頭抗開(kāi)裂性能試驗(yàn)㈠韋爾斯寬板拉伸試驗(yàn)：適合高強(qiáng)鋼,㈡斷裂韌性試驗(yàn)適合中低強(qiáng)度鋼，全面屈服斷裂力學(xué),㈢尼伯林科試驗(yàn)（動(dòng)載荷抗開(kāi)裂試驗(yàn)）,四

18、、止裂試驗(yàn),㈠羅伯遜止裂試驗(yàn)（變溫試驗(yàn)）,均溫止裂試驗(yàn),㈡雙重拉伸試驗(yàn),§4－7 預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施,一、正確選用材料㈠接頭各部分的要求㈡不能盲目選用高強(qiáng)度材料二、采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)㈠減少應(yīng)力集中㈡盡量減小結(jié)構(gòu)剛度,㈢不采用過(guò)厚的截面㈣重視附件和不受力的焊縫設(shè)計(jì)㈤減小和消除焊接殘余應(yīng)力,三、用斷裂力學(xué)方法評(píng)定結(jié)構(gòu)的安全性重視質(zhì)量監(jiān)督,第五章 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,§5-1 研

19、究意義,占失效90％，從應(yīng)力集中出開(kāi)始,§5－2 疲勞斷裂過(guò)程和斷口特征,斷裂過(guò)程的三個(gè)階段一、應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋－低倍顯微鏡可見(jiàn)二、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展三、斷裂－瞬斷或壓力容器泄漏斷口顯微特征－疲勞輝紋 ，擴(kuò)展機(jī)理－拉艾特和斯密斯模型,斷口宏觀特征：輻射的貝殼紋,§5－3 焊接結(jié)構(gòu)中疲勞極限的常用表示法一、基本概念㈠疲勞強(qiáng)度和疲勞極限,㈡應(yīng)力循環(huán)特性,,二、疲勞強(qiáng)度的常用表示法,1. 對(duì)稱交變載荷

20、,2.脈動(dòng)載荷,,3.拉伸變載荷,疲勞圖的幾種表示法,,舉例作業(yè),§5-5 斷裂力學(xué)在疲勞裂紋擴(kuò)展中的應(yīng)用,一、裂紋的亞臨界擴(kuò)展,亞臨界擴(kuò)展的兩種方式：1、應(yīng)力疲勞：高循環(huán)、低載荷、裂紋擴(kuò)展速率小2、應(yīng)變疲勞：低循環(huán)、高載荷、裂紋擴(kuò)展速率高,帕瑞斯公式的兩個(gè)缺點(diǎn)：a.未考慮平均應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響；b.為考慮裂紋擴(kuò)展的加速效應(yīng)福曼提出修正公式：,帕瑞斯公式與福曼公式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,,二、疲

21、勞裂紋擴(kuò)展特性da/dN－△K曲線的一般關(guān)系,三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算,§5-6 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素,一、應(yīng)力集中的影響,二、近縫區(qū)金屬性能變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,三、殘余應(yīng)力的影響,四、缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,§5－7 提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施,一、降低應(yīng)力集中㈠采用合理的構(gòu)件形式,㈡盡量采用應(yīng)力集中小 的焊接接頭,㈢采取綜合措施（機(jī)加工、保證熔透）,㈣開(kāi)緩和槽降低應(yīng)力集中,㈤表面機(jī)加工或電弧整