焊接结构学教学

1、焊焊 接接 结结 构构 学学 图0-1 各种焊接结构 图0-2 美豪华游轮被拦腰锯成两段 进行加长改造（280米增加到302米） a-切割切割 b-焊接焊接 c-加长后形貌加长后形貌 1-焊缝 4-焊件1 4-焊件2 焊接接头 1-焊缝 2-熔合区 3-热影响区 4-母材2-熔合区 3-热影响区 图0-3 焊接接头结构 焊接接头组成焊接接头组成 焊接结构学 绪论 o 焊接技术在工业部门中应用的历史并不长， 但其发展却非常迅速。短短的几十年中，焊 接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑 钢结构，船体，铁道车辆、压力容器等几乎 全部取代了铆接。此外，在机械制造业中， 以往由整铸整锻方法生产的大型毛

2、坯改成了 焊接结构，目前，世界主要工业国家生产的 焊接结构占到钢产量的45%。 绪论 焊接结构的特点 与铆接、螺栓连接的结构相比 较，或者与铸造锻造的结构相比较， 焊接结构有下列特点（优点）： 1、焊接接头强度高 铆接、螺栓连接的结构，要在 母材上钻孔，削弱了工作截面，强 度下降约20% 焊接；接头强度可达到与母材 等强度甚至高于母材强度。 绪论 焊接结构的特点 2、焊接结构设计灵活性大，主要表现在： 焊接结构的几何形状不受限制：如铆、铸、锻等方 法无法制造空心结构，焊接则可以； 结构的壁厚不受限制：两被连接构件的壁厚可以相 差很大，薄厚均可； 结构的外形尺寸不受限制：对大型结构可分段制成 部

3、件，现场组焊，锻、铸工艺则不允许； 可利用标准或非标准型材组焊成所需要结构，使得 结构重量减轻，焊缝减少； 可与其它工艺方法联合使用：铸焊 锻焊 栓焊 冲压焊接等联合的金属结构； 可实现异种材料的连接：同一结构的不同部位可按 需要配置不同性能的材料，做到物尽其用。 绪论 焊接结构的特点 3、焊接接头密封性好 气密性，水密性均优于其它方法，特别是 在高温，高压容器上，只有焊接接头才是最理 想的连接形式。 4、焊前准备工作简单 由于近年来数控精密气割设备的发展，对 于各种厚度或形式状复杂的待焊件，不必预划 线就能直接从板料上切割出来，一般不用再机 械加工就可投入装配焊接。 绪论 焊接结构的特点 5

4、、易于结构的变更和改型 铸造铸型（木型） 锻造开模具 周期长、成本高 焊接-则快速、简便、投资少 6、适用于制作大型或重型、结构简单而且是 单件小批量生产的产品结构 结构 大 简单 批量小 焊接占优势 结构 小 复杂 批量大 铸锻占优势 7、成品率高 一旦出现缺陷，可以修复、很少产生废品。 绪论 焊接结构的特点 焊接结构所存在的问题（缺点）： 1、存在较大的焊接应力和变形 焊接（局部加热）内应力变形工 艺缺欠承载能力（刚度、强度、稳定性） 下降尺寸精度，尺寸稳定性下降校 形增加工作量增加成本 绪论 焊接结构的特点 焊接结构所存在的问题（缺点）： 2、对应力集中敏感 焊接结构具有整体性，其刚度大

5、，焊缝 的布置、数量和次序等都会影响到应力分 布，对应力集中敏感，而应力集中是疲劳、 脆断等破坏的起源，因此在焊接结构设计 时要妥善 绪论 焊接结构的特点 焊接结构所存在的问题（缺点）： 3、焊接接头的性能不均匀 焊接金属是由母材和填充金属在焊接热作用 下熔合而成的铸造组织，靠近焊接金属的母材 （近缝区）受焊接热的影响，组织和性能发生 变化（谓之热影响区），因此，焊接接头在成 分，组织和性能上都是一个不均匀体，其不均 匀程度远远超过了铸、锻件，这种不均匀性对 结构的力学行为，特别是断裂行为有重要影响。 焊接结构学 绪论 二、焊接性分析 o 焊接作为一种制造技术或生产手段，其目的是要 获得具有优

6、异的连接质量和优秀的使用性能的产 品（或构件）。但是由于焊接过程的复杂性和众 多的影响因素、非线性问题，瞬时作用以及温度 的相关性效应等等，使得要正确描述在各种情况 下产生的焊接变形和焊接残余应力，准确把握产 品质量变得非常困难。 o 在实际工作中，人们采用焊接性的概念。作为一 个分类系统，它在考虑焊接残余应力和焊接变形 的影响方面有一定的意义。随着科学技术的不断 发展和进步，现在已经有可能将焊接性分解为热 学、力学，显微结构等过程，从而降低了焊接性 各种现象的复杂性。 绪论 焊接性分析 1、构件焊接性 与焊接冶金课程中介绍的， “材料焊接性”的概念相比， 构件焊接性含义更广泛，它 可以包含以

7、下几方面内容： “材料的焊接适应性”、 “设计的焊接可靠性”和 “制造的焊接可行性”。 焊接残余应力和焊接变 形是焊接性的重要组成部分， 它影响到冷、热裂纹、影响 使用性能并妨碍制造过程。 焊接性的定义焊接性的定义 绪论 焊接性分析 2、影响焊接性的因素 根据上述分类，可将影响焊接的因素按下面 的方式分类： 影影 响响 焊焊 接接 性性 的的 因因 素素 与材料有关的因素与材料有关的因素 与制造有关的因素与制造有关的因素 与设计有关的因素与设计有关的因素 母材和填充材料母材和填充材料 的类型的类型( (化学化学) )成成 分和显微组织分和显微组织 结构的形状、尺寸、结构的形状、尺寸、 支撑条件

8、和负载，焊支撑条件和负载，焊 缝类型，厚度和配置缝类型，厚度和配置 焊接方法、焊速，焊接操焊接方法、焊速，焊接操 作，坡口形状，焊接顺序，作，坡口形状，焊接顺序， 多层焊，定位焊。夹紧、多层焊，定位焊。夹紧、 预热和焊后热处理。预热和焊后热处理。 绪论 焊接性分析 从狭义上来说，焊接性可理解为所需求 的强度性能、焊接接头的强度受到化学分成 或温度循环等主要影响因素的支配，而这些 因素又受到如焊缝类型，或预热温度等的影 响，强度行为可用一些主要的或物理特征值 来描述，而这些特征值又可能涉及另一些次 要的或工艺的特征值，下图为一张仅限于影 响强度性能的不完全的可变因素图，由此， 可看出“焊接性”的

9、复杂性。 绪论 焊接性分析 主要影响因素主要影响因素主要特征值主要特征值 合金元素含量合金元素含量 相、显微组织、晶粒尺寸相、显微组织、晶粒尺寸 冷却时间、奥氏体化时间冷却时间、奥氏体化时间 退火时间和温度退火时间和温度 板厚、焊缝类型板厚、焊缝类型 等效应力、三轴度等效应力、三轴度 焊条药皮、水分焊条药皮、水分 次要特征值次要特征值 碳当量碳当量 焊接性指数焊接性指数 脆性指数脆性指数 裂纹敏感性指数裂纹敏感性指数 （脆性）转变温度（脆性）转变温度 目标参数目标参数 硬度硬度 强度强度 延展性延展性 冷列敏感性冷列敏感性 热烈敏感性热烈敏感性 层状撕裂敏感性层状撕裂敏感性 回火脆性回火脆性

10、松弛脆性松弛脆性 耐腐蚀性耐腐蚀性 次要影响因素次要影响因素 焊条类型焊条类型 焊接方法焊接方法 焊接参数焊接参数 焊缝类型焊缝类型 预热温度预热温度 层数层数 稀释率稀释率 烧穿，夹杂物烧穿，夹杂物 化学成分化学成分 相变、显微组织相变、显微组织 焊接温度循环焊接温度循环 焊后热处理焊后热处理 构件形状构件形状 负载负载 条件条件 氢含量氢含量 影响焊接接头强影响焊接接头强 度的主要因素度的主要因素 绪论 焊接性分析 焊接过程涉及 到热学、力学、金相 学等多方面知识，将 焊接性分解成温度场、 应力和变形场、显微 组织状态场，这对焊 接残余应力和焊接变 形的数值分析处理很 有价值。 温度场、应

11、力与变形场及显微组织状态场温度场、应力与变形场及显微组织状态场 的分解和相互影响的分解和相互影响 绪论 焊接性分析 “焊接性焊接性”是一个复杂是一个复杂 的问题，以往对焊接性的描的问题，以往对焊接性的描 述多数为定性的语言描述，述多数为定性的语言描述， 已经发展了一些实验方法，已经发展了一些实验方法， 可以针对某一具体情况或特可以针对某一具体情况或特 定的性能参数来定量描述，定的性能参数来定量描述， 但全面，宏观上对焊接性进但全面，宏观上对焊接性进 行定量描述却十分复杂，也行定量描述却十分复杂，也 十分困难。随着科学技术的十分困难。随着科学技术的 发展，特别是计算机和数值发展，特别是计算机和数值 模拟技术的进步，将模拟技术的进步，将焊接性焊接性 分解成温度场，应力和变形分解成温度场，应力和变形 场和显微组织状态场，场和显微组织状态场，这对这对 于定量分析焊接问题具有重于定量分析焊接问题具有重 要意义。要意义。 显微组织转变的影响显微组织转变的影响 绪论本课程的内容和范围 o 从前述内容可以看出，焊接结构的性能和质量问题 涉及到三个主要方面，即热