焊接结构21.1课件

1、材料科学与工程学院焊 接 结 构材料科学与工程学院2013年10月1焊接概念 第一章 绪 论焊接：通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力永久性结合在一起的连接方法。焊接：两种或两种以上材质（同种或异种），通过加热或加压或二者并用，来达到原子之间的结合而形成永久性连接的工艺过程。 1焊接概念 第一章 绪 论焊接所必须的温度与压力的关系 2焊接特点 第一章 绪 论现代材料焊接与连接技术的特点 现代生活离不开的量大、面广技术 发达国家钢铁产量60%要成为焊接结构，我国目前已达45%。涵盖国民经济、国防军工的各个角落（天上、地面和水下）。 无所不能的“姻缘”技术 金属金属（

2、黑色、有色、轻金属、贵金属焊接） 金属非金属（有机、无机材料连接、胶结） 非金属非金属（连接、胶结）2焊接特点 第一章 绪 论美国国家航空和宇宙航行局NASA直径8.41米航天飞机外部助推燃料贮箱，采用FSW（摩擦搅拌焊接）。2焊接特点 第一章 绪 论采用FSW焊接Ariane 5 发动机主承力框2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论 美国Eclipse航空公司采用263条FSW焊缝取代了7000多个螺栓紧固件，节约了大量的成本，新一代商用喷气客机N500于2002年6月通过了FAA的认证，现已批量生产。2焊接特点 第一章 绪 论 马自达汽车公司是第一个

3、将搅拌摩擦焊应用于汽车车身制造的汽车制造商，采用该技术制造2004款马自达RX-8铝合金材质的后门以及引擎罩。2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论 鸟巢的主要结构是由24个桁架组成。在“鸟巢”工程焊接中，主要应用了焊条电弧焊、实芯CO2半自动焊、药芯焊丝CO2气体保护焊。在拼装中还采用了埋弧焊。建筑 钢结构焊接技术戴为志、刘景凤2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论2焊接特点 第一章 绪 论 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

4、、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接成所需要结构，段结构重量减轻。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。2焊接特点 第一章 绪 论 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

5、展，对于各种厚度或形式状复杂的待焊接，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。2焊接特点 第一章 绪 论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2焊接特点 第一章 绪 论 2、对应力集中敏感 焊接结构具有整体性，其刚度大，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处理。2焊接特点 第一章 绪 论 3、焊接接头的性能不均匀 焊接金属是由母材料和填充金属在

6、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。3发展历程 第一章 绪 论 连接，英文为JOINING，它应包括： 熔化焊接 WELDING 硬钎焊 BRAZING 软钎焊 SOLDERING 粘接 ADHESIVE，BONDING 铆接 RIVETING 国外将WELDING和JOINING严格分开 国内习惯用“焊接”一词替代1-3种连接方法3发展历程 第一章 绪 论 一门新兴又古老的技术，

7、最重要的发展历程如下：3000BC： 铜-金，铅-锡的焊接秦兵马俑出土的铜马车（2230年前）3发展历程 第一章 绪 论 一门新兴又古老的技术，最重要的发展历程如下：1882年： 别纳尔多斯（H. H. ）发明电弧 焊1885年： 美国汤姆逊（E. Thomson）发明电阻对焊1910年： 发明厚皮焊条电弧焊1930年： 发明TIG焊接法40年代： . 等创造埋弧自动焊方法，扩散焊50年代： 发明气保护焊，电渣焊，电子束焊，摩擦焊，超声 波焊60年代： 发明激光焊，等离子焊，爆炸焊70年代： 磁力脉冲焊90年代： 发明搅动摩擦焊（FSW），激光-电弧组合焊 3发展历程 第一章 绪 论 20世纪

8、拥有的连接方法：电弧焊18种，硬钎焊11种，软钎焊8种，扩散焊4种，固态焊接9种，电阻焊9种，氧乙炔焊4种，其它焊10种。 另外还有热喷涂13种，氧切割9种, 电弧切割7种, 其它切割6种。4焊接学科形成 第一章 绪 论 焊接技术的迅速发展是建筑在其它学科发展的基础上 冶金化学、物理冶金、材料力学、电工电子学以及计算机等，消化吸收和发展这些学科，使焊接从一门技艺变为一门科学的制造技术。推动这一发展的动力，是焊接技术在重大工程中的应用以及因此而产生的后果 政府极大关注而投入大量资金进行研究，由此促进了焊接科学的发展，形成了焊接冶金学、焊接设备理论及焊接（断裂）力学三大学科领域。其中焊接断裂力学的

9、形成，不仅推动了焊接工程的应用，也推动了力学学科的发展。4焊接学科组成 第一章 绪 论获得可靠性能接头改善性能延长寿命提供合理连接手段结构生产辅助与改进熔化焊压力焊钎焊组合焊铆接、粘接焊接方法和设备应力应变断裂强度安全评定表面改性焊接力学焊接性焊接工艺规范焊接材料传热、传质焊接冶金学表面工程焊接检验切割CAW焊接生产设计其 它焊接与连接学科5材料焊接性 第一章 绪 论焊接结构自身矛盾示意图母材焊缝HAZ焊接接头示意图 第一章 绪 论5材料焊接性焊接性 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，它可以包含以下几方面内容：“材料的焊接适应性”、“设计的焊接可靠性”和“

10、制造的焊接可行性”。 第一章 绪 论5材料焊接性影响焊接性的因素 根据上述分类，可将影响焊接的因素按下面的方式分类：影响焊接性的因素与材料有关的因素与制造有关的因素与设计有关的因素母材和填充材料的类型(化学)成分和显微组织结构的形状、尺寸、支撑条件和负载，焊缝类型，厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形状，焊接顺序，多层焊，定位焊。夹紧、预热和焊后热处理。 第一章 绪 论5材料焊接性 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

11、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”的复杂性。 第一章 绪 论5材料焊接性主要影响因素主要特征值合金元素含量相、显微组织、晶粒尺寸冷却时间、奥氏体化时间退火时间和温度板厚、焊缝类型等效应力、三轴度焊条药皮、水分次要特征值碳当量焊接性指数脆性指数裂纹敏感性指数（脆性）转变温度目标参数硬度强度延展性冷列敏感性热烈敏感性层状撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蚀性次要影响因素焊条类型焊接方法焊接参数焊缝类型预热温度层数稀释率烧穿，夹杂物化学成分 相变、显微组织 焊接温度循环 焊后热处理 构件形状 负载条件 氢含量影响焊接接头强度的主要

12、因素 第一章 绪 论5材料焊接性焊接性可以分解为温度场、应力和变形场以及显微组织状态场。 第一章 绪 论5材料焊接性 焊接残余应力和变形是焊接性的一个重要组成部分，他们可能引起冷、热裂纹、脆性断裂和早期不稳定；变形影响使用性能并且妨碍制造过程。拉伸残余应力降低疲劳强度和抗蚀性能；压缩残余应力减小稳定性极限。 第一章 绪 论6本课内容 本课程从焊接应力与变形、焊接接头的性能特征、应力分布、断裂特征和疲劳强度方面进行分析。要求掌握焊接结构的主要特性，理解其原理、规律和控制途径；最后介绍典型焊接结构实例，为正确分析焊接结构的工艺性和合理性，为解决有关设计和工艺问题打好基础。焊接结构的脆性断裂疲劳强度

13、焊接结构设计绪 论焊接接头焊接应力与变形 第一章 绪 论6本课内容7关于本课程教学： -课堂讲课为主 -阅读、习题、讨论参考书籍：焊接结构田锡唐，机械工业出版社，1997，10焊接热效应D.拉达伊，机械工业出版社，1997，连接结构分析游敏，郑小玲，华中科技大学出版社，2004焊接结构与生产设计编写组，天津大学出版社，1995焊接变形的控制与矫正付荣柏，机械工业出版社，2006 第一章 绪 论 第二章 焊接应力与变形基本概念杆件的变形与应力长板条的变形与应力焊接残余变形矫正焊接残余变形方法调节焊接残余应力焊接残余应力焊接残余应力测定焊接应力与变形 第二章 焊接应力与变形2.1 内应力及变形的基

14、本概念一、内应力及其产生原因内应力定义：在没有外力作用下，平衡于 物体内部的应力。特征：1）在结构内部自身形成平衡的 力系； 2）内应力分布范围很广。1 基本概念1 基本概念 第二章 焊接应力与变形内应力的分类（按分布范）1、第一类内应力（宏观内应）：在较大范围内平衡，大小可与物体尺寸来比量。2、第二类内应力（细观内应）：平衡范围大小可与晶粒尺寸来比量。（大约0.011mm)。3、第三类内应力（微观内应）：平衡范围大小可与晶格尺寸来比量。（大约10-610-2mm)。内应力的分类（按产生原因）1、温度应力（热应力）：构件受热不均匀导致温度差异，各部位热膨胀或收缩变形不一致，相互约束而产生的。2

15、、残余应力：由于温度或其他原因导致材料局部区域产生塑性变形，而残存的内应力。3、相变应力：材料发生相变时产生的应力。1 基本概念 第二章 焊接应力与变形1 基本概念 第二章 焊接应力与变形二、自由变形、外观变形和内部变形1、自由变形（LT）： 物体在温度变化或者发生相变时,他的尺寸和形状可能发生变化,如果这种变化没有受到外界的任何阻碍而自由的进行,这种变形称为自由变形。 单位长度上的变形量：1 基本概念 第二章 焊接应力与变形2、外观变形（Le）： 当物体在温度变化过程中受到阻碍，使他不能完全自由的变形，只能部分的表现出来，我们把表现出来的这部分变形称为外观变形。e= Le/ L03、内部变形

16、（L）： 不能表现出来的这部分变形称为内部变形。L = (LT Le )= Le LT = L/ L0 = e- T1 基本概念 第二章 焊接应力与变形L= E= E(e- T)LTLeLLT1 基本概念 第二章 焊接应力与变形 以金属杆为例，讨论其在均匀加热、冷却过程中的受力和变形情况： 如果加热过程中受到阻碍，则产生内部变形。1)、 1 s,则 s,则 s。杆件中产生塑性变形，数值大小为P= (e- T) s。当温度恢复到原来温度时，如果杆件自由收缩，则比原来长度缩短LP ，不产生内应力。1 基本概念 第二章 焊接应力与变形三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力 （一）、有关力学和物理

17、性能的假设： 1)、平面假设： 构件在受纵向力或弯矩作用而变形时，构件中的 平截面始终保持是平面。 2)、金属性能的假设： 材料的热物理性能不随温度的变化而变化，如密度、热膨胀系数、比热容、热导率、导温系数、弹性模量、泊松比等。1 基本概念 第二章 焊接应力与变形3)、金属屈服点的假设： 对材料的屈服点与温度关系曲线进行简化。低碳钢为例，其在500 oC以下时屈服极限不变，600 oC以上时完全是塑性状态，即屈服强度为0。4)、应力应变关系的假设： 材料呈理想的弹塑性状态，既材料屈服后不发生强化。金属屈服极限与温度的关系1 基本概念 第二章 焊接应力与变形（二）、在长板条中心加热 实验方法：如

18、图2-4，在一块长板条（长为L宽为B厚为）中间用电阻丝间接加热。 温度场建立：在板条上出现一个中间高、两侧低的不均匀温度场，板条长度方向上的温度场可视为均匀的。1 基本概念 第二章 焊接应力与变形结果：中间温度高，变形率大；两侧相应的减小，形成锯齿状截面。变形与应力分析：1）假设长板条由相互独立的小窄条组成（每个小窄条之间能够传热），每个小窄条自由变形，如图2-5a。 T = (T1 T0 )2）实际上：组成板条的小窄条之间相互牵连和约束的整体，截面必须保持平面。由于温度场是对称的，端面只作平移。移动距离为e。+ -结果：板条中间受压应力，两侧受拉应力，三个区域的应力相互平衡。e1 基本概念

19、第二章 焊接应力与变形 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形如果温度分布是x的函数，则应力平衡条件为： 温度场对称与中心轴，故 ，截面只作平移。 外观变形e可由上式求出。1 基本概念 第二章 焊接应力与变形1、加热温度低时，内应力() 小于材料的屈服极 限(s) ，温度是x的函数 ，此时， 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形2、加热温度高时，板条中心C区产生较大的内部变形，如果C区的内部变形率大于材料屈服时的变形率，则在C区产生塑性变形。若自由收缩，板条中心C区的长度将缩短，其缩短量是温度存在时C区产生的压缩塑性变形量。实际上，板条中心C区受到两侧的约束，截面保持平面，产生新的应力。即中心受

20、拉，两边受压。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形假设板条中心C区的变形规律为 ，则残余应力为：残余应力和变形表达为： 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形 总 结： 在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心受压，两边受拉。同时平板端面向外平移（伸长）。1)、如果此时不产生塑性变形，即s，当温度恢复到原始状态后，内应力消失，平板端面亦恢复到原来的位置。2)、如果此时产生塑性变形，即s，当温度恢复到原始状态时，还会出现由于不均匀塑性变形引起的残余应力，其符号与温度应力大致相反，同时板条端面向内平移（缩短），即为残余变形。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形（三）、非对称加热 实验方法：

21、如图2-6，在一块长板条（长为L宽为B厚为） 一侧用电阻丝间接加热。 温度场建立：在板条上产生一个相对于中心不对称的不均匀温度场，使板条产生变形和应力。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形 加热过程中产生的热应力： T :自由变形率 e :外观变形率 em :板条的平均变形率 eB :板条右侧的应变率 eO :板条左侧的应变率 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形 如果加热温度是x的函数 ，则内应力平衡条件为：即板条在加热过程中的外观变形：端面平移和角位移。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形由于截面有转动，因此e并非常数，而是x的线性函数。其中 为板条曲率， 为曲率半径。 1 基本概念

22、第二章 焊接应力与变形 联合上面三个式子，即可求得eB和eO 。还可以进一步求出应力的分布。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形长板条一侧加热与冷却后的残余应力与变形 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形 总 结： 如果在加热时板条中的内部变形率小于金属屈服限时的变形率，则当温度恢复到原始温度时，板条中不存在残余应力，也不出现残余变形。 如果在加热时，板条中的内部变形率大于金属屈服时的变形率，则板条中将出现压缩塑性变形。冷却时，板条恢复到原始温度，其中将出现残余应力。板条也产生残余弯曲变形和收缩变形，但方向与加热时相反。变形位置则由平衡条 件来决定。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形四、

23、焊接引起的内应力与变形（一）、焊接应力与变形的特殊性 焊接应力与变形与上述的不均匀温度场引起的应力和变形的基本规律是一致的，但有其特殊性和复杂性，主要有下面三个因素决定为： 1）、温差大，从熔点到室温； 2）、材料物理和力学性能变化大。 3）、可能出现相变，从而引起材料物理和力学参量的 变化。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形焊接引起的内应力与变形的复杂性：1、温差大，材料物理和力学性能变化大；以低碳钢平板沿中心焊接为例说明。 焊接过程中出现一个温度场，在接近热源处取一截面，如图：内应力分析： 假设金属端面从AA移到A1A1，则AA1即为e 1 第二章 焊接应力与变形 基本概念(1)、在D

24、D区域内，温度超过 600 o C， 。不产生应 力，不参与内应力平衡。(2)、在DC和DC区域内，温 度从600 o C 降到500 o C， 内应力随 增加而上。(3)、在CB和CB区域内， |e-T | s ，内应力 等于 。(4)、在BA和BA区域，弹性 变形， 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形2、温度分布不均匀程度很大。焊接热源并不是沿焊缝同时加热，与前面分析的模型有较大差别。 1 基本概念 第二章 焊接应力与变形（二）、受拘束体在热循环中的应力与变形演变过程 取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，将该棒均匀加热，然后冷却。为了便于分析，把加热和冷却过程中的温度都看成是时

25、间的线性函数。1、 | | s , Tmax600oC1 基本概念 第二章 焊接应力与变形（二）杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力演变过程 1、 | | s , Tmax600oC1 基本概念 第二章 焊接应力与变形 讨论： 产生残余应力与变形的主要因素是： 热循环和拘束度1 基本概念 第二章 焊接应力与变形思考题： 取一单位长度的低碳钢棒，其两端被固定不能伸缩，先将该棒弹性压缩（ ），再将该棒均匀加热，然后冷却。分析其应力与变形演变过程。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念（三）、焊接应力与变形演变过程 图中截面I取于塑性温度区最宽处，即600 oC 等温线最

26、宽处的截面，距热源距离为vt1；截面II取于塑性温度区最窄处，即600 oC 等温线的顶点，距热源距离为vt2； III和IV截面分别距热源为vt3和vt4；截面IV认为恢复到原始状态；截面取的越多越能反应实际情况。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念1、 截面I是600 oC 等温线最宽处的截面，焊缝及近缝区产生压缩变形。2、在t2瞬时，如图所示。在冷却时，压缩塑性变形始终保持在演变过程中。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念2、 在t2瞬时，如图所示。在冷却时，压缩塑性变形始终保持在演变过程中。即在t2瞬时的自由变形T ，等于在t2瞬时的热变形(aT2)减去前一瞬时的压缩塑性变形。高温区降

27、温快，外观变形相对较小，因此近缝区的收缩受到阻碍而拉伸。焊缝中心的温度为600oC，此处的应力为0；两侧近缝区产生拉应力，数值大小等于该温度下材料的屈服极限；并产生了拉伸塑性变形。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念3、高温区冷却时，两侧低温区逐渐升温，所压缩塑性变形区的宽度逐渐增加，直到室温时为止。4、随着温度的进一步均匀化，不仅近缝区的压缩塑性变形区不断增加，而且中间的拉伸塑性变形区也在增加。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念（四）、焊接热应变循环 在焊接过程中，焊缝和近缝区金属经受了焊接热循环。与此同时，由于焊接热场的高度不均匀性所产生的瞬时应力使金属经受热塑性应变。下面将分析焊接近缝

28、区的两种情况：离焊缝稍远，最高温度低于材料的相变温度(T 700 oC )和最高温度高于相变温度(700T900 oC )。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念1、T 600 oC热循环中的应力与变形演变过程基本相似，只是外观变形随试板的整体外观变形变化而变化。 在0-t1时间，Te , 产生压应力，并逐渐增大，在t1 时刻达到材料屈服极限，出现压缩塑性变形。温度进一步上升，内应力保持不变；当温度为tp时，=0，内部变形全部为压缩变形。当温度为t3时，内部变形达到最大值。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念 当温度升到t3后，开始冷却。显然P点为冷却时拉伸应变的起始点；从t3时刻，单元条开始出

29、现拉伸塑性应变。将自由变形曲线下移与外观变形曲线相交，即为T曲线。两条曲线的距离代表拉伸应变形。t4时材料恢复弹性，随着温度的降低拉应力不断增加。 t5时，拉应力达到室温时的屈服极限，并一直保持到室温；但是拉伸塑性变形量继续增加直到温度场达到均匀态。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念2、T 高于相变温度 在0-t区间与第一种情况相同。在t 时温度达到AC1,材料开始相变，比容变小，塑性变形可能逆转。随着相变的进行，拉伸塑性变形不断增加，直到t时相变结束。此后塑性变形方向再次逆转，出现压缩塑性变形，并逐渐增加值到温度上升到t时，开始冷却。1 第二章 焊接应力与变形 基本概念 温度达到t后，产生拉伸塑性变形； t时温度降到Ar3，开始相变，比容变大，塑性变形方向变为压缩变形。直到t时相变结束后，又出现拉伸塑性应变。t8时材料恢复弹性，产生拉应力。拉应力逐渐增加， t9时拉应力达到室温