焊接结构(完整)

1、序序 言言 1、课程背景课程背景材料成型与控制专业方向限选课；材料成型与控制专业方向限选课； 焊接专业的主干课焊接专业的主干课； IWEIWE培训中培训中国际焊接工程师必修课、考试课。国际焊接工程师必修课、考试课。 它对于从事焊接结构生产、设计、管理、安装、维修、质量它对于从事焊接结构生产、设计、管理、安装、维修、质量 控制等方面技术工作的人员都是十分重要的。控制等方面技术工作的人员都是十分重要的。 焊接结构 2.教学安排教学安排 本课程总学时为本课程总学时为24学时学时。 其中：其中： 理论理论学时为学时为20学时学时 由由张元钟张元钟老师负责讲授；老师负责讲授； 实验实验学时为学时为4学时

2、学时 3、主要教学内容及学时分配主要教学内容及学时分配 焊接应力与变形；焊接应力与变形；1012学时学时 焊接结构强度：焊接结构强度： 焊接结构的静载强度焊接结构的静载强度 自学；自学； 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂 4学时；学时； 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏 4学时。学时。 4、主要教学参考书 【1】田锡唐主编.焊接结构 北京:机械工业出版社,1996 【2】焦馥杰主编.焊接结构分析基础 上海科技文献出版社,1998 【3】中国机械工程学会焊接学会编 焊接手册(第三卷)，焊接结构 北京:机械工业出版社,1992 【4】方洪渊主编. 焊接结构学 北京:机械工业出版社，2005

3、 【5】贾安东著 焊接结构生产与设计 天津:天津大学出版社,1987第一章 绪论 本章提要本章提要： 本章主要介绍焊接结构的应用特点及其在工业生产与经济建设中的地位。 掌握要点掌握要点： 1、焊接结构自身的优点与焊接工艺优势焊接结构自身的优点与焊接工艺优势； 2、焊接结构应引起充分注意的问题！焊接结构应引起充分注意的问题！1.1 焊接结构应用的广泛性焊接结构应用的广泛性工业地位1.1.1 焊接结构的用钢量指标用钢量指标比较 用钢量比率用钢量比率( (焊接结构用钢量焊接结构用钢量/ /钢的总产量钢的总产量 ) ) 100%100% a.美、德、日、英等发达国家5055； b.我国目前水平已达40

4、45%. 可见，焊接结构用钢量比率之大！ 第一章 绪论焊接结构用钢量 焊接结构用钢量80年代工业发达国家（日本、美国、德国）约为45%，我国约为25%。 2005年中国焊接结构用钢量为37%,工业发达国家达到50%以上。 同年钢产量达到3.49亿吨，成为世界最大的钢材生产与消费国，而焊接结构的用钢量也突破1.3亿吨。人均钢产量 90年代重工业成熟国家人均钢产量为600kg/p.y，我国钢产量突破6000万t，人均55kg/p.y。 2006年世界钢产量为12.39亿t，我国钢产量为4.2亿t，占全世界钢产量的34%，人均300kg/p.y。 2010年我国钢产量将达到5亿t左右，同时我国正在努

5、力从钢材大国向钢材强国的方向发展。1.1.2 焊接结构的分类、应用领域焊接结构的分类、应用领域梁柱桁架和塔桅结构板壳结构运输装备用板壳结构机器结构 第一章 绪论1.1.2 焊接结构的分类、应用领域焊接结构的分类、应用领域 汽车、铁路车辆、船舶、航空、航天、锅炉、压力容器、石油化工、建筑、公交、家电、电子、核能、军工等诸多领域都有应用。 可见焊接工程师也会大有用武之地！第一章 绪论焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域埋弧焊埋弧焊自动焊接锅炉汽包自动焊接锅炉汽包焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域 水电装备 三峡水利枢纽的应用 导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等 其中马氏体不锈钢转轮直径10.

6、7m 高5.4m 重440t，为世界最大的铸焊结构转轮焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域 加氢反应器 2005年底由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5.5m长62m厚337mm重2060t，为当今世界最大、最重的锻焊结构加氢反应器 采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接5天。焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域 神舟7号飞船航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域 国家大剧院的椭球型穹顶是世界最

7、重的钢结构穹顶；奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重5万吨，是世界之最。焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域 杭州湾大桥为全焊钢结构斜拉桥。 西气东输的管线长4000km，是中国第一条高强钢（X70）大直径长输管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板焊形式的焊接管。焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域 船体是典型的板焊结构。 2005年总吨位12121万吨，占世界造船总量的17%，居于日、韩之后，稳居世界第三位，正向年产2500万吨的世界水平迈进。第一章 绪论焊接结构制造工艺特点及前景展望 从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出，在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备

8、、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30 60万瓦级循环硫化床（CFB）锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中，焊接制造都是关键制造工艺之一。 由此可见，焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。从事焊接生产工作前景远大。第一章 绪论 1.2 焊接结构的优点焊接结构的优点技术优势技术优势 重量轻：减少材料消耗-比铆接轻1520%，比铸件轻5060% 整体性：具有高刚性：整体刚性强，传力特性好高致密性：气密性好，可制造高压容器1.2 焊接结构的优点焊接结构的优点技术优势技术优势 接

9、头等强性： 焊缝与母材不同质，强度不同 结构材质好，材料利用率高 合理利用材料： 异种材料焊接，合金锯条、容器衬里、硬质合金刀具、金刚石钻具、挖煤机械、仿生非光滑犁壁、自动控制记忆合金、喷涂、堆焊1.2 焊接结构的优点焊接结构的优点技术优势技术优势 工艺灵活，适应性强 大型复杂结构 采用分部件装焊、现场装焊-船舶、锅炉、桁架结构、石油管线、桥梁 特殊产品 空心球、水箱、电子束焊加工齿轮、水泥电线杆 工艺方法灵活，选择范围宽；工艺方法灵活，选择范围宽；操作位置及焊操作位置及焊接方法接方法 成本低廉，质量可靠。 1.3 焊接结构的特点焊接结构的特点扬长避短扬长避短 （1）存在严重的应力集中）存在严

10、重的应力集中 （2）必然产生残余应力和变形）必然产生残余应力和变形 （3）接头存在性能不均匀性）接头存在性能不均匀性 （4）接头止裂性差）接头止裂性差第一章 绪论 1.4 焊接结构的可靠性焊接结构的可靠性 焊接结构的可靠性焊接结构的可靠性材料焊接性结构工艺性 结构性能第一章 绪论 质量管理体系 焊接结构的使用安全性使用安全性应综合考虑到： 产品设计、生产制造、产品检验、生产应用、产品设计、生产制造、产品检验、生产应用、 保养维护保养维护等各个环节等各个环节！ 无论结构的设计、制造、检测部门，无论结构的设计、制造、检测部门，还是结构的使用部门，都要有强烈的质量还是结构的使用部门，都要有强烈的质量

11、意识并且有严格的质量管理体系作为保障！意识并且有严格的质量管理体系作为保障！哪个环节有疏漏都可能造成严重的经济损哪个环节有疏漏都可能造成严重的经济损失。有时甚至是灾难性的！失。有时甚至是灾难性的！结束语第一章结束！第二章 焊接应力与变形 内容提要： 本章是全课程的重点和难点！ 要求掌握： 1. 焊接应力与变形的基本知识和分类方法； 2. 焊接应力与变形的产生机理与影响因素； 3. 焊接应力与变形的预防及控制措施； 4. 焊接变形的矫正与焊接应力的消除方法。2.1 焊接应力与变形的基本知识 2.1.1 内应力的概念 内应力定义 指在无外力无外力作用作用下平衡平衡于物体内 部的应力。 内应力特点特

12、点 拉压共存；拉压平衡；在应力分 布图上至少有3块面积。 内应力别名 初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。 内应力举例铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力铸件中的内应力分布 yx 受压区受压区 受拉区铆接件中的内应力分布 y铆钉铆钉工件x内应力分布焊接件中内应力的分布 特点：中心区域受拉； 两边区域受压。xy内应力是一种普遍存在的现象 思考： 1、 菜板为什么会裂？ 2、 钢筋混凝土预制构件中有无内应力？ 3、 熟好的西瓜为什么容易裂开？ 4、 腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？2.1.2 焊接应力的分类 按产生原因分为按产生原因分为: （1）热应力热

13、应力(又称温度应力又称温度应力)由于焊件经受了不协由于焊件经受了不协调的热变形所致。调的热变形所致。 （2）相变应力相变应力由于焊缝区不均匀的相变，引起由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的比容变化所致。焊缝及热影响区金属的比容变化所致。 （3）拘束应力拘束应力由于工件自身或外加夹具的拘束由于工件自身或外加夹具的拘束作用产生的内应力。作用产生的内应力。 （4）凝缩应力凝缩应力因焊缝区液态金属冷凝收缩引起因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。的内应力。 （5）氢致集中应力氢致集中应力因焊缝区的扩散氢在晶界或因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成氢压所致的内应力。显微缺陷处聚集而形

14、成氢压所致的内应力。 按产生时序分为： 瞬时应力焊接过程不断变化着的动态内应力。焊接过程不断变化着的动态内应力。 残余应力焊后，残留于工件中的内应力焊后，残留于工件中的内应力。 按作用范围分为： 宏观内应力作用范围可以工件来比量作用范围可以工件来比量。 微观内应力作用范围可用晶粒尺寸来比量作用范围可用晶粒尺寸来比量。 超微观内应力作用范围可用晶格尺寸来比量。作用范围可用晶格尺寸来比量。2.1.2 焊接应力的分类 按应力状态分为： 单向应力又称线应力线应力，存在于窄板条窄板条结构结构； 双向应力又称平面应力平面应力，存在于薄板薄板结构结构； 三向应力又称体积应力体积应力，存在于厚板厚板结构结构。

15、 三向应力的符号表示：x , y , z 。 x 纵向应力纵向应力，即平行焊缝方向的内应力；，即平行焊缝方向的内应力； y 横向应力横向应力，即垂直焊缝方向的内应力；，即垂直焊缝方向的内应力； z 板厚方向的应力板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。，即垂直焊缝平面的内应力。2.1.2 焊接应力的分类焊接应力的分类2.1.3 焊接变形及其分类焊接变形及其分类 焊接变形焊接变形焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状的改变。的改变。 焊接变形的分类： 按产生时序分为： 瞬时变形即指焊接过程中工件的即指焊接过程中工件的动态动态变形；变形； 残余变形焊后，残留于工件中的变形

16、。焊后，残留于工件中的变形。 瞬时变形是一个过程； 残余变形是最终结果。 按焊接变形的形貌分为： 纵向收缩?L工件在焊缝方向的尺寸缩短行为；工件在焊缝方向的尺寸缩短行为； 横向收缩?B在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为；在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为； 角变形 工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移；工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移； 波浪变形薄板工件在板平面上产生的凸凹不平薄板工件在板平面上产生的凸凹不平； 弯曲变形工件轴线产生的挠曲变形； 扭曲变形工件整体产生的螺旋变形； 焊接错边工件的坡口两侧母材产生局部不平。2.1.3 焊接变形及其分类收缩变形纵向、横向角变形波浪变形失稳变形弯曲变形扭曲变形焊接

17、变形的几点说明 1 1 区别区别伪波浪变形伪波浪变形与真正与真正波浪变形波浪变形的本质不同；的本质不同； 2 2 注意注意焊接错边与装配错边焊接错边与装配错边的本质不同；的本质不同； 3 3 注意分析各种变形的产生原因及相互关系。注意分析各种变形的产生原因及相互关系。 解释与提示：解释与提示：波浪变形本质波浪变形本质是：薄板是：薄板受压失稳受压失稳 行为；行为； 它们都是构件它们都是构件 刚性不足刚性不足 的表现形式。的表现形式。 装配错边装配错边是机械是机械装配精度不足装配精度不足所为；所为； 是是铆工铆工的责任！的责任！焊接变形的几点说明 焊接错边的本质原因是：焊接错边的本质原因是： 焊接

18、件坡口两侧母材焊接件坡口两侧母材热变形不一致热变形不一致或受热状或受热状态不同所致。具体原因可能是：态不同所致。具体原因可能是： （1）电弧偏吹；）电弧偏吹； （2）异质接头；）异质接头； （3）不等厚接头；）不等厚接头； （4）散热条件不同；）散热条件不同； （5）拘束条件不同。）拘束条件不同。各种变形的相互联系 纵向收缩纵向收缩 横向收缩横向收缩 角变形的本质角变形的本质是：横向收缩横向收缩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。 扭曲变形的本质扭曲变形的本质是：角变形角变形在焊缝长度焊缝长度方方向向上的上的不等量分布不等量分布与与不对称焊接不对称焊接所致。所致。 弯曲

19、变形可能是：弯曲变形可能是：纵向收缩和/或横向收缩造成的。即把焊缝的偏心收缩！产生的偏心力矩理解为偏心压缩！是两种是两种基本变形基本变形形式，是二形式，是二 维收缩的结果维收缩的结果！2.1.4 焊接应力与变形机理分析焊接应力与变形机理分析 提要：提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过程热循环中的热变形与热应力循环程热循环中的热变形与热应力循环 的分析，使我的分析，使我们深刻理解焊接应力与变形的产生过程及残余应们深刻理解焊接应力与变形的产生过程及残余应力与变形的产生机理。力与变形的产生机理。 方法方法：利用应力、应变循环图直观分析。：利用应力、应变循环图

20、直观分析。 基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。 基本符号：基本符号： L T Le L 应变表示：应变表示： T e 三种基本变形的定义三种基本变形的定义 自由变形自由变形 在温度变化时试件的变形不受任何限制，能够在温度变化时试件的变形不受任何限制，能够充分表现出来的变形充分表现出来的变形 外观变形外观变形 由于某种拘束作用的限制，使得试件的热变形由于某种拘束作用的限制，使得试件的热变形不能充分表现出来，把其中不能充分表现出来，把其中表现出来的部分变形表现出来的部分变形称为外观变形称为外观变形 内部变形内部变形 未表现出来未表现出来的那部分就称为的

21、那部分就称为内部变形内部变形 三种基本变形的图解 L0L可见可见， L=| L T Le| 考虑到拉压关系考虑到拉压关系应力分析的重要公式应力分析的重要公式LTLe又有又有, L= Le L T 即即, Le = L T + L三种变形的应变形式三种变形的应变形式 只要将公式 Le = L T + L 两边同除以试件两边同除以试件 的原始长度的原始长度L0，即得到各，即得到各自的应变形式：自的应变形式： e T 其中，其中， L T L0 可计算可计算 Le 可测量可测量 因而，因而， L 可间接计算得到可间接计算得到 三种变形的分析结论三种变形的分析结论： 外观变形在数值上外观变形在数值上等

22、于等于自由变形与内自由变形与内部变形的部变形的代数和。代数和。 它的应变表达式为：它的应变表达式为： e T 它的等价形式为：它的等价形式为： e T 这两个公式一定要牢记！2.1.5 试件内部的应力 提示提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束束等效于外力作用，就会产生内部变形，同样等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。会产生应力。 计算方法：计算方法： 在弹性范围内在弹性范围内 E E（ e T ） 超出弹性范围超出弹性范围则有则有 s2.1.6 材料屈服极限的变化 低碳钢应力应变曲线示意图低碳钢应力应变曲线示意图2.1.6 材料屈服极限的变

23、化 提示提示：材料的机械性能随温度的变化而变化，当材料的机械性能随温度的变化而变化，当温度变化幅度较大时，其性能变化幅度也是十分温度变化幅度较大时，其性能变化幅度也是十分惊人的！惊人的！ 低碳钢低碳钢屈服极限随加热温度的变化关系屈服极限随加热温度的变化关系500600sT500 600Ts低碳钢屈服极限的简化 500 600Ts2.1.7 TP与TS TP 指金属在升温过程中达到指金属在升温过程中达到s为为0时所对时所对 对对应临界温度。应临界温度。 TS指金属在升温过程中，内部应力达到指金属在升温过程中，内部应力达到s时时所对对应临界温度。所对对应临界温度。 举例：对于低碳钢举例：对于低碳钢

24、TP600； TS的讨论：的讨论： 分析低碳钢小试件在不同拘束条件的分析低碳钢小试件在不同拘束条件的TS ？低碳钢在绝对刚性拘束时的TS 提示提示：绝对刚性拘束绝对刚性拘束，等价等价 e 0 ！ 因此，因此， T = 达到达到TS时时, 试件中对应的应力值为试件中对应的应力值为s ！低碳钢的相关材料常数：低碳钢的相关材料常数： 12106/， E=2107 N / cm21. s =24000N / cm2计算结果 代入具体参数可得代入具体参数可得： s sE E E Es s整理后，得 s s / /（ E E ） 24000/(224000/(210107 712121010-6-6） 1

25、00 100 即在绝对刚性拘束下，只要温度升高即在绝对刚性拘束下，只要温度升高100100 低碳钢小试件便达到屈服状态！低碳钢小试件便达到屈服状态！2.1.8 典型拘束状态的表征 绝对自由拘束绝对自由拘束： e T ， 0 绝对刚性拘束绝对刚性拘束： T ，e 0 弹性拘束：弹性拘束： e T ， 0 上述几种上述几种拘束状态的表征，在以后的拘束状态的表征，在以后的应力分析中会经常提到！应力分析中会经常提到！2.1.9 残余变形残余变形与残余应力残余应力 关于小试件的几点讨论：关于小试件的几点讨论： （1）当温升当温升T TS时，内部变形时，内部变形 s ； 材料内部材料内部没有塑性变形没有塑

26、性变形，即，即p 0； 材料处于材料处于完全弹性状态完全弹性状态。 因此，加热循环结束后，试件也因此，加热循环结束后，试件也没有没有 任何残余变形。任何残余变形。试件最终恢复原始状试件最终恢复原始状 态，所以，其内部也态，所以，其内部也没有残余应力没有残余应力！ （2）当温升当温升 T TS时，内部变形时，内部变形 s ； 材料内部材料内部就会产生就会产生塑性变形塑性变形， 即即|p | 0；(假设假设 s ) 材料处于材料处于弹弹塑性状态塑性状态。 因此，在冷却过程中：因此，在冷却过程中： 若允许试件自由收缩，热循环结束后，试件若允许试件自由收缩，热循环结束后，试件就会产生就会产生尺寸缩短尺

27、寸缩短|p |的的 残余变形残余变形！ 若不允许试件自由收缩，那么，冷却过程就若不允许试件自由收缩，那么，冷却过程就会产生会产生拉应力拉应力，最终，就会产生，最终，就会产生残余拉应力残余拉应力！ 2.1.9 残余变形残余变形与残余应力残余应力2.1.9 残余变形残余变形与残余应力残余应力 （3）当温升当温升 T TS时，时， 内部变形内部变形| | s ； 这时，材料内部这时，材料内部产生的产生的塑性变形塑性变形一旦一旦达到：达到： |p | s 的状态，那么，冷却终了的状态，那么，冷却终了时，试件中不但会产生达到时，试件中不但会产生达到s 的拉应力，的拉应力，还会产生新的拉伸塑性变形还会产生

28、新的拉伸塑性变形p ！ 这就是所谓的这就是所谓的热塑性变形循环热塑性变形循环！2.1.10 长板条中心加热试件分析 分析前提分析前提平面变形假设平面变形假设 表述：表述：试件上处在同一平面的点，在整个试件上处在同一平面的点，在整个热变形过程中始终保持在同一平面上！热变形过程中始终保持在同一平面上！ 联想：材料力学中的联想：材料力学中的平面变形假设平面变形假设！ 加热条件：加热条件：长板条中心加热长板条中心加热 1) TMAX TS 2) TMAX TS 外观变形外观变形等于等于自由变形与内部变形的自由变形与内部变形的代数和代数和 e T 内应力内应力 E E（ e T ） 或或 s TP 指金

29、属在升温过程中达到指金属在升温过程中达到s为为0时所对时所对 对对应临界温度。应临界温度。 TS指金属在升温过程中，内部应力达到指金属在升温过程中，内部应力达到s时时所对对应临界温度。所对对应临界温度。 长板条中心加热试件分析具体分析1) TMAX TS 的最高温度状态的最高温度状态T假象状态假象状态 实际状态实际状态 平面变形平面变形 各自独立各自独立|max | s Te 冷却终了： 由于由于TMAX TS ，故内部变形故内部变形 s ； 单元体内部单元体内部没有塑性变形没有塑性变形，即，即p 0； 单元体内每个小窄条处于单元体内每个小窄条处于完全弹性状态完全弹性状态。 因此，加热循环结束

30、后，单元体因此，加热循环结束后，单元体没有没有 任何残余变形，任何残余变形，最终恢复到原始状态。最终恢复到原始状态。 所以，单元体内部也所以，单元体内部也没有任何残余应力没有任何残余应力！具体分析 2) TMAX TS具体分析s|max | s p 加热状态加热状态冷却终了冷却终了中心受压，两边受拉中心受压，两边受拉 中心受拉，两边受压中心受拉，两边受压ee 2.1.12 长板条中心焊接试件分析长板条中心焊接试件分析 提示： 1. 加热最高温度远超过加热最高温度远超过T TP P; ; 2. 最大塑性变形最大塑性变形P P远超过远超过s； 因此，因此， 应力分布图出现新的变化；应力分布图出现新

31、的变化； 残余应力的峰值将达到残余应力的峰值将达到s 。加热至最高温度时的应力分布加热至最高温度时的应力分布 长板条中心焊接长板条中心焊接+加热至最高温度状态加热至最高温度状态seT P特点:应力场两边受拉,中部受压;总体平衡！中心区中心区应力为零;压缩塑性变形最大；外观变形平移伸长；材料处于三种状态： a）弹性状态； b）弹塑性状态； c）完全塑性状态。冷却至室温的应力分布图 残余应力分布Pe 冷却终了：冷却终了：两边受压，中心受拉；两边受压，中心受拉； 峰值应力达到峰值应力达到ss，产生拉伸塑性变形，产生拉伸塑性变形 P P课后思考题 长板条一侧堆焊时的变形与应力分布会是怎样？2.2 焊接

32、应力与变形的产生机理焊接应力与变形的产生机理 2.2.1 低碳钢小试件在低碳钢小试件在均匀线性均匀线性加热与冷却时的加热与冷却时的 应力与变形循环应力与变形循环 提示：提示：通过几种典型拘束条件下通过几种典型拘束条件下, ,低碳钢小试件在低碳钢小试件在线性线性加加热与冷却时的应力与变形循环热与冷却时的应力与变形循环, ,揭示焊接应力与变形的机揭示焊接应力与变形的机理。理。 分析方法：分析方法： 运用运用自由变形、外观变形、内部变形自由变形、外观变形、内部变形的关系的的关系的图解法图解法得出分析结论。得出分析结论。 典型拘束条件：典型拘束条件： （1 1）完全自由）完全自由 （2 2）绝对刚性）

33、绝对刚性 （3 3）加热刚性拘束，冷却自由收缩）加热刚性拘束，冷却自由收缩 （4 4）弹性拘束）弹性拘束 完全自由状态完全自由状态具体分析（1 1）完全自由，特征：）完全自由，特征： e e T T ， 0 0结论：因为 0 ，所以p 0 ！tT, T ,e,0t0 t1 t2变形充分变形充分! 应力为零应力为零! 故没有任何应力，也没有残余变形！eT（2）绝对刚性拘束胀绝对刚性拘束胀 特征：特征：e 0， T T 完全自由收缩完全自由收缩 特征：特征：e T Ta）TMAXTS= 100|max| s ,p= 0无残余应力与残余变形！ T, T ,e,t0 t1 t2tTe（2）绝对刚性拘束

34、胀绝对刚性拘束胀 特征：特征：e 0， T T 完全自由收缩完全自由收缩 特征：特征： e T T100200300有残余应力，无残余变形！T, T,e,tt0b) TMAX= 300 |max|s |p max| = 2 s t1t2t3t4Te（3）（2 2）绝对刚性拘束胀）绝对刚性拘束胀 特征：特征： e e 0 0， T T 完全自由收缩完全自由收缩 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 无残余应力与残余变形！ | p max| = 2 s t0 t1 t2 100

35、200300有残余变形，无残余应力！t0 t1 t2 t3 t4 （3 3）绝对刚性拘束）绝对刚性拘束 a）TMAXTS= 100|max| s ,p= 0无残余应力与残余变形！T, T ,e,t0 t1 t2+100200300有残余应力，无残余变形！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（4）弹性拘束弹性拘束 特征：特征：0eT， 0（4 4）弹性拘束）弹性拘束 T, T ,e,a）TMAXTS|max| s ,p= 0无残余应力与残余变形！t0 t1 t2+ 100200300有残

36、余应力和残余变形！特征：特征：e e 1/3 1/3 T Tt0 t1 t2 t3 t4 tb) TMAX= 300 |max|s | p max| = 1.5s tT, T ,e,TeP（4）弹性拘束弹性拘束 特征：特征：0eT， 0（4）弹性拘束弹性拘束 特征：特征：e T T, T ,e,T, T ,e,a）TMAXTS b) TMAX= 300 |max| s ,p= 0 |max|s 无残余应力与残余变形！ | p max| = 1.5s t0 t1 t2+ 100200300有残余应力和残余变形！31PTe（5 5）T TMAXMAX600600，绝对刚性拘束条件分析，绝对刚性拘束

37、条件分析t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7600500100300T, T ,e,t几点分析结论 1.只要只要|max| s ,p = 0 ,尽管尽管有瞬时应力有瞬时应力,但是但是不会有残余不会有残余应力和残余变形应力和残余变形; 2.只要只要 |max|s， 即即p0，就会产生残余现象就会产生残余现象： 在允许自由收缩时,就会表现为充分的残余变形，而没有残余应力； 在绝对刚性拘束时，就会产生较高的残余应力，甚至产生拉伸塑性变形，而没有残余变形； 在弹性拘束时，二者兼而有之。各自大小因拘束条件变化。拘束偏强，应力大，变形小；反之，应力减小，变形大。 3.在在T Tmax TP时，时

38、， |p max | T ，将加剧残余现象！将加剧残余现象！焊接残余应力与变形的产生机理 在焊接过程中，具热胀冷缩特性的金属材料，必然受到焊接热循环的局部高温加热和急剧冷却作用； 因此，焊缝区金属的急剧膨胀和冷却收缩至少会受到周围冷硬金属的拘束作用。 这种热变形严重的不协调与较强的拘束行为在加热过程必然造成焊缝区金属产生较大的热压缩塑性变形；由于焊缝区金属不仅达到完全塑性状态s0；甚至达到物理熔点,因而受到的压缩作用更为强烈，|P P max max | |远远超过s 。焊接残余应力与变形的产生机理 在随后的冷却过程中，其尺寸就会变短。 但是，这种行为在周围冷硬金属的弹性拘束下，照例不会自由收

39、缩；因而必然产生拉伸效应。 最终，在试件中必然同时产生残余应力和变形，甚至产生较大的拉伸塑性变形，导致材料的塑性耗竭又称之为热应变脆化！符号简记 试件加热过程： T =T |P | S ; e； 试件冷却过程： T ， P 试件尺寸弹性拘束弹性拘束TS, TP,弹性拘束弹性拘束 TP sP弹性拘束弹性拘束 T P“Pe2.2.2 焊接应力与变形的演变过程分析 分析方法： 分析不同时刻的应力分析不同时刻的应力 平衡及演变过程特征平衡及演变过程特征在焊接试件中取出单元体1B 基本思路： 在单元体内，沿焊缝方向的温度场近似均匀，在板宽方向其温度场对称分布； 将单元体沿焊缝方向细分为若干小条，每个小条

40、近似看作一个小试件； 然后，运用平面变形假设平面变形假设及自由变形，外观变形，内部变形关系，分析焊接过程不同时刻的应力与变形循环。 热源过后试件某一截面四个典型的时刻： t1进入冷却后进入冷却后600等温线最宽等温线最宽(bp区区)的时刻；的时刻； t2最高温度为最高温度为600的时刻；的时刻； t3最高温度为最高温度为400以下的某时刻；以下的某时刻； t4恢复到室温的时刻。恢复到室温的时刻。 通过典型时刻的对比，看清演变的动向和趋势！通过典型时刻的对比，看清演变的动向和趋势！ 请注意：请注意： 在等速焊接条件下，同一截面上的不同时刻的演变过程与同一时刻不同截面上的温度场和应力状态是等效的！

41、 t1时刻的温度场与应力场： 600500eTPST, , 特征：两边受拉，中部受压；特征：两边受拉，中部受压； 中心区域中心区域压缩塑性变形极大压缩塑性变形极大； 最大压应力幅值为最大压应力幅值为S ！ 中心区域中心区域 TTP 出现零应力区！出现零应力区！ 应力场满足拉压平衡关系。应力场满足拉压平衡关系。两侧 t2时刻的的温度场与应力场：600e500TP T1T2PT, , 演变特征：演变特征：温度 有升有降； 中心区在急剧降温； 两侧低温区在升温！塑性区有所扩展； 压缩塑性变形区向两侧推进； 拉伸塑性变形区中心凸现。应力场明显变化；中心从无到有；压应力区向两侧移动；两侧原来的拉应力区有

42、所减小两侧 t3时刻的的温度场与应力场：600PT3T2eT P”T, , 演变特征：演变特征：温度 有升有降； 中心区在急剧降温； 两侧低温区在升温！塑性区有所扩展； 压缩塑性变形区向两侧推进； 拉伸塑性变形区在中心发展。应力场 明显变化； 中心拉应力达到s； 压应力区继续向两侧移动； 两侧的拉应力区进一步减小。 t4时刻的的温度场与应力场： P”T3T4Te T, , 演变特征：演变特征：温度 全面下降； 中心区降温幅度大； 两侧低温区降温幅度小； t4时刻总体恢复到室温室温！塑性变形区： 压缩塑性区宽度基本不变； 拉伸塑性变形继续增大。应力场明显变化； 中心拉应力区有所扩大； 两侧原有的

43、拉应力区消失； 压应力区推移至两侧。 最终形成3块面积： 中心受拉，两侧受压。中心受拉，两侧受压。演变过程小结 基本依据：1）平面变形原理； 2） e T ； 3）T TP ,S = 0 。 关键找到每一时刻的 T T 的分布规律的分布规律 ； 认清认清e 线就是应力分布图的零线。线就是应力分布图的零线。 数值关系： |P压缩压缩| max =P 拉伸 S 残余应力：残余应力：拉应力区峰值为拉应力区峰值为 S ！ 分布规律：分布规律：中心受拉，两边受压中心受拉，两边受压！2.3 焊接残余变形焊接残余变形 本节内容提要：本节内容提要：1. 认清认清焊接残余变形的焊接残余变形的实际危害实际危害；2

44、. 理解理解焊接残余变形的焊接残余变形的影响因素影响因素；3. 掌握掌握焊接残余变形的焊接残余变形的控制措施控制措施；4. 学会学会焊接残余变形的焊接残余变形的矫正方法矫正方法。 焊接工程师的基本功焊接工程师的基本功! !不仅要学懂不仅要学懂, ,而且要弄通、学精！而且要弄通、学精！2.3.1 焊接残余变形的危害焊接残余变形的危害 1）工艺性能工艺性能：影响结构成型（形状和尺寸）精度，降影响结构成型（形状和尺寸）精度，降低零部件的互换性。致使低零部件的互换性。致使装配难度提高装配难度提高，必要时需调修；，必要时需调修；否则，会影响装配质量；否则，会影响装配质量； 2）使用性能：使用性能：降低构

45、件的承载能力，甚至引起事故；降低构件的承载能力，甚至引起事故；波浪变形波浪变形容易诱发构件受压容易诱发构件受压失稳失稳；角变形及错边角变形及错边产生产生附加弯矩附加弯矩，导致，导致应力集中应力集中； 3）外观质量：外观质量：波浪变形、角变形、扭曲变形、弯曲变波浪变形、角变形、扭曲变形、弯曲变形、焊接错边，均形、焊接错边，均影响产品的外观影响产品的外观质量，应按照相关规质量，应按照相关规范加以控制；范加以控制； 4）经济成本经济成本：矫正变形需投入设备、耗费工时、浪费矫正变形需投入设备、耗费工时、浪费能源；有甚者，以至无法矫正而能源；有甚者，以至无法矫正而报废报废；损失就更大！；损失就更大！2.

46、3.2 焊接残余变形的影响因素焊接残余变形的影响因素 1）材料热物理特性涉及线胀系数线胀系数、导热系数、导热系数等； 2）结构刚性涉及整体刚性，局部刚性，附加拘束等； 3）焊接填充量涉及接头、坡口形式及角度； 4）焊缝分布及数量影响焊缝收缩力矩大小； 5）装焊顺序强调装配、焊接次序及施焊方向； 6）焊接热输入线能量焊接方法及规范； 7）电弧对中及冷却影响焊接错边及变形量； 8）间隙与点固装配间隙大小，点固焊道数量、 点固长度、位置等；影响焊接错边及变形量； 9）焊接区应力状态涉及工件支撑、初始应力等； 10）工艺操作技巧如：对称焊、多层、多道焊， 分段退焊， 锤击焊道，短弧焊，减少摆动等。2.

47、3.3 焊接残余变形的预防及控制措施焊接残余变形的预防及控制措施 设计措施1）接头局部：选择填充量小的焊缝尺寸及坡口 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）结构总体：减少焊缝数量（降低降低累积效应累积效应）； 例如：例如：尽量采用尽量采用冲压焊接冲压焊接结构，结构，铸焊铸焊结构。结构。 对于对于次要焊缝次要焊缝，可将，可将连续焊连续焊改为改为断续焊断续焊。 3）焊缝布局：合理分布焊缝（使其接近结构 中性轴或对称分布，不要不要过密集过密集）。2.3.3 焊接残余变形的预防及控制措施焊接残余变形的预防及控制措施工艺措施*1）反变形法反变形法*

48、2）刚性固定法刚性固定法*3）限制热场法限制热场法*4）装焊次序控制法装焊次序控制法* 以下重点展开讲解! 1）反变形法反变形法* 工件焊接前，人为工件焊接前，人为预制预制一个与焊接残余一个与焊接残余变形变形趋势相反的变形趋势相反的变形，以，以抵消抵消将要产生的将要产生的残余变形的工艺措施，称为残余变形的工艺措施，称为反变形法。反变形法。 反变形法的运用应不失时机，具体分为： 下料反变形在下料工序实施； 装配反变形在装配工序实施； 焊接反变形在焊接工序实施。 反变形法举例反变形法举例 ： 下料反变形措施 对于纵向收缩和横向收缩反映在长度与宽度尺寸上预先加余量； 对于挠曲变形预制拱度； a）按图

49、纸下料按图纸下料 b）焊后残余变形）焊后残余变形 c）预制反变形）预制反变形下挠下挠 上拱 平直 装配反变形举例： a）没有预制反变形 b）预制反变形 焊前焊前 焊后焊后 焊前焊前 焊后焊后 外力反变形实例梁结构装配变截面法 应用背景：大连起重机厂主梁焊接工艺 基本原理：利用装配前后截面惯性矩的变 化获得剩余变形！ 具体分析： 形梁下盖板下盖板箱形主梁生产工艺路线xx截面惯性矩及剩余变形分析： 1）由上图可知，由上图可知，形梁的截面惯性矩远小于箱形形梁的截面惯性矩远小于箱形梁的截面惯性矩，即，梁的截面惯性矩，即，J J J J口口 ； 2）在装焊前利用夹具施加给主梁的外力矩）在装焊前利用夹具施

50、加给主梁的外力矩M外外与与夹具释放后的反弹力矩夹具释放后的反弹力矩M弹弹大小相等、方向相反，大小相等、方向相反， 即，即，M外外 M弹弹 ； 3）调控状态下的挠曲变形）调控状态下的挠曲变形 f k M外外 / J 4) 反弹时的反弹时的挠曲变形挠曲变形 f t M弹弹 / J口口 综上可知综上可知: : f t f k 即获得了剩余变形即获得了剩余变形 f f k f t 。 变截面法的应用意义： 抓住产品生产过程中的有利时机，作为主要控制点控制点，适时调节主梁上拱度。 不利方面： 构件中存在装配应力! 注意配合 焊接时，应特别注意配合控制焊接区的应力状态，巩固调节效果！ 焊接反变形实例加热减

51、应区法补焊加热加热减应区减应区2加热加热减应区减应区1焊缝 双孔试板加热减应区法焊接反变形示意图双孔试板加热减应区法焊接反变形示意图基本原理：热变形协调法热变形协调法基本技巧：先拉后从 焊接反变形焊接反变形实例实例预拉伸预拉伸焊接法 应用背景：客车侧墙生产（参见结构图） 基本原理：利用反变形释放焊接应力！ 方法要点： 在未焊接立柱、横梁之前，对侧墙板进行预拉伸，使母材内部达到一定程度的拉伸效应！最好达到屈服点！ 然后进行立柱、横梁的装配、焊接，直到部件完成装焊。 最后，松开夹具，使其内部应力释放。这样，能够大大减轻侧墙的波浪变形，控制侧墙部件的平整度。侧墙结构简图 侧墙结构预拉伸示意图侧墙板立

52、柱横梁上边梁 预拉伸焊接法的深入分析： 用小试件线性加热过程的应力与变形来分析预拉伸焊接法的有效性。st0 t1 t2 t3 t4 t5 t6T,，e，et P 残余应力残余应力: 未释放夹具：应力为未释放夹具：应力为s； 释放夹具后：应力为释放夹具后：应力为 0 ！t残余变形：残余变形：未释放夹具为未释放夹具为s;释放夹具后为释放夹具后为0 !2)刚性固定法刚性固定法利用夹具限制焊接过程中的收缩 变形的工艺措施。 基本原理基本原理：力图使焊缝区在冷却过程产生较大的拉伸塑性变形，以抵偿加热过程产生的热压缩塑性变形。 基本应用：基本应用：适用于控制薄板波浪变形和角变形！ 应用举例应用举例：工件压

53、板压板 控制控制薄板薄板T形接头的形接头的 角变形角变形! 法兰盘法兰盘对称焊接夹具对称焊接夹具:焊缝焊缝螺栓螺栓 刚性固定法举例 3）限制热场法）限制热场法* 通过控制通过控制焊接热输入焊接热输入和改善和改善冷却条件冷却条件来调节来调节热影响区热影响区的范围大小，达到控的范围大小，达到控制制变形量变形量的方法。的方法。基本原理：尽量降低塑性变形区的宽度基本原理：尽量降低塑性变形区的宽度 b p值。值。应用举例：应用举例：深入体会深入体会a）多层）多层/道焊与单道焊对比道焊与单道焊对比 单道焊 多层焊b p1b p2具有回火效果具有回火效果 沉水气焊法沉水气焊法限制热场法的联想 焊接方法： 气

54、焊气焊 手弧焊手弧焊 CO2焊焊 Ar弧焊弧焊 等离子弧焊等离子弧焊 脉冲脉冲Ar弧焊弧焊 激光焊激光焊 电子束焊电子束焊 超声波焊超声波焊 切割方法：切割方法： 氧乙炔火焰切割氧乙炔火焰切割 等离子弧切割等离子弧切割 激光束切割激光束切割 水下切割水下切割 水切割水切割 这些都是从限制热影响区方面所作的不懈努力！4）装焊次序控制法装焊次序控制法* 是最灵活的控制措施之一。通过改变零是最灵活的控制措施之一。通过改变零部件的部件的装配焊接次序装配焊接次序来调整和控制焊接来调整和控制焊接变形。变形。 基本原理基本原理：通过：通过改变改变零部件的零部件的装配焊接装配焊接 次序次序来来调节变形量调节变

55、形量的大小。的大小。 基本原则基本原则：控制控制（减小减小）变形量、变形变形量、变形对称对称或变形或变形抵消抵消原则。原则。 基础工作基础工作：做好装配、焊接次序的组合分：做好装配、焊接次序的组合分析，找到最佳方案。析，找到最佳方案。应用举例 X形坡口对接接头形坡口对接接头：123456123456a)b) 形梁装配焊接次序 方案1边装边焊： 焊接效果： 形梁产生较小的挠曲变形！ 方案2整体装焊 将盖板、隔板、腹板全部装配后，统一完成内部焊缝的焊接。 焊缝1盖板与隔板之间的焊缝； 焊缝2隔板与腹板之间的焊缝； 焊接效果： 形梁产生较大的挠曲变形！ 箱形梁外部焊缝的焊接次序： 先焊先焊1、2焊缝

56、焊缝 后焊后焊3、4焊缝焊缝 先焊先焊3、4焊缝焊缝 后焊后焊1、2焊缝焊缝 结论：即使焊缝分布对称，变形也不能完全 抵消！焊接区初应力的影响！ 1 23 4拱度下降拱度增大2.3.4 焊接残余变形的矫正焊接残余变形的矫正 矫正方法的分类： 机械矫正机械矫正 冷矫正冷矫正 火焰矫正火焰矫正 热矫正热矫正 原理：原理： 机械矫正机械矫正利用利用机械力机械力使结构产生与焊接使结构产生与焊接 残余变形残余变形相反的相反的塑性变形塑性变形。 火焰矫正火焰矫正利用利用火焰火焰的的局部高温加热局部高温加热产生产生热压热压 缩塑性变形，缩塑性变形，使结构局部冷却后尺使结构局部冷却后尺 寸变短，以寸变短，以抵

57、消抵消或或平衡平衡已产生的焊已产生的焊 接残余变形。接残余变形。以毒攻毒！以毒攻毒！机械矫正的应用特点平板：平板：利用利用平板机或辊床平板机或辊床平板，适用于薄平板，适用于薄 板拼接后的波浪变形；板拼接后的波浪变形；碾压：碾压：利用利用圆盘或轮圆盘或轮辗压焊道及其两辗压焊道及其两 侧，使之产生塑性伸长；侧，使之产生塑性伸长； 特别适特别适 用于塑性好的铝合金；用于塑性好的铝合金；锤击锤击：适用于局部角变形（如客车钢结构适用于局部角变形（如客车钢结构 总装之前的矫正）；总装之前的矫正）；专机专机：适用于大型结构（如客车厂适用于大型结构（如客车厂350t350t侧侧 墙矫直机墙矫直机）。火焰矫正的

58、应用特点 火焰矫正三要素：火焰矫正三要素：位置、形状、温度。位置、形状、温度。 火焰加热火焰加热位置位置选择：选择： 使火焰加热区使火焰加热区新产生的残余变形新产生的残余变形与与已经产生已经产生 的残余的残余 变形变形相互抵消相互抵消！ 火焰加热火焰加热形状形状选择：选择： 火焰加热形状有：火焰加热形状有：点状、带状、三角形等。点状、带状、三角形等。 应用时要应用时要恰当选择恰当选择！ 火焰加热火焰加热温度温度选择：选择： 火焰加热火焰加热温度温度一般选择为：一般选择为：550650火焰矫正举例1 薄板波浪变形的矫正工件工件模板模板加热点加热点加热模孔加热模孔模板手柄模板手柄电电磁磁铁铁火焰矫

59、正举例2 梁结构挠曲变形的矫正梁结构挠曲变形的矫正上拱度过大，火焰矫正，减小拱度上拱度过大，火焰矫正，减小拱度加热区火焰矫正注意之点！ 1. 避免在同一位置避免在同一位置重复加热；重复加热； 2. 避免加热区在矫正时承受避免加热区在矫正时承受拉应力拉应力； 3. 避免加热区选在避免加热区选在承受拉应力的位置承受拉应力的位置； 4. 加热部位加热部位应有依托应有依托； 5. 加热区要有加热区要有足够的大小足够的大小和和适当分布适当分布； 6. 避免对避免对热敏感材料热敏感材料使用使用 。2.3.5 火焰成型技术简介火焰成型技术简介 火焰成型概述：火焰成型概述： 火焰不但可以火焰不但可以矫正变形矫

60、正变形，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应用中已有应用。 火焰成型原理：火焰成型原理： 利用利用横向收缩横向收缩和和角变形角变形两种残余变形。两种残余变形。 火焰成型要点：火焰成型要点： 尽量造成工件正面与被面的温差！产生尽量造成工件正面与被面的温差！产生更大的热压缩塑性变形。更大的热压缩塑性变形。2.3.5 火焰成型技术简介火焰成型技术简介 应用举例：应用举例： 成型曲面。成型曲面。 2.4 焊接残余应力焊接残余应力 内容提要：1.了解了解焊接残余应力的焊接残余应力的危害危害； 2.掌握掌握焊接残余应力的焊接残余应力的分布规