《焊接变形与应力》课件

焊接变形与应力焊接变形与应力是焊接过程中常见的现象，对焊接质量和结构性能有重要影响。焊接过程中的热量输入会导致材料局部温度升高，冷却后材料体积发生变化，从而产生焊接变形。课程内容焊接变形焊接过程中，材料的热膨胀和收缩导致的形状改变。焊接变形影响零件尺寸精度和结构完整性。焊接残余应力焊接过程产生的内部应力，即使在焊接完成后仍然存在。残余应力可能导致结构疲劳、裂纹和失效。影响因素分析焊接参数、材料特性、结构设计等因素都会影响焊接变形和残余应力。控制和消除措施采用合理的焊接工艺、材料选择和结构设计来控制和消除焊接变形和应力。1.焊接变形的成因热膨胀系数差异焊接过程中的高温会使金属材料发生热膨胀。不同金属材料的热膨胀系数不同，导致焊接接头处产生应力，进而引起变形。焊接约束焊接时，周围的结构会限制焊接接头自由膨胀和收缩。这些约束力会产生应力，导致焊接变形。焊接接头形状和尺寸也会影响约束力的大小。焊接热输入焊接热输入是指焊接过程中热量输入的大小。热输入过高会导致焊接接头温度过高，热影响区更大，更容易产生焊接变形。焊接材料的特性金属材料的强度、硬度、塑性和韧性等特性也会影响焊接变形。例如，高强度钢的塑性较低，更容易产生焊接变形。2.焊接变形的类型热影响区变形热影响区是焊接过程中受热影响的区域，由于热量的不均匀分布，会发生形状变化。角变形焊接接头处由于热量的集中，会造成角部形状的变化，例如弯曲或扭曲。翘曲变形焊接过程中产生的内应力会导致工件发生翘曲变形，这是焊接变形中最常见的一种类型。缩短变形焊接过程中，金属材料的熔化和凝固会导致焊接接头的缩短变形，这会导致结构件的尺寸误差。3.焊接变形的影响因素热输入焊接热输入过大，材料温度升高，冷却速度慢，变形加大。热输入过小，焊缝金属强度低，容易产生裂纹。焊接工艺参数焊接电流、电压、焊接速度、焊接方法等参数都影响变形，需要根据材料和工件尺寸进行合理选择。材料性质不同材料的热膨胀系数、弹性模量、屈服强度等特性差异，导致变形程度不同。例如，低碳钢容易发生变形。约束条件工件的形状、尺寸、夹紧方式等对变形有较大影响。例如，约束条件越多，变形越小。4.焊接变形的控制措施11.合理的焊接工艺选择合适的焊接方法、焊接顺序、焊接参数等，可以有效地控制焊接变形。22.焊接夹具使用合适的夹具固定工件，可以防止焊接过程中工件的变形。33.预热和后热处理通过预热和后热处理可以降低焊接应力和变形，提高焊接质量。44.焊接变形补偿在焊接过程中，可以通过一些方法来补偿焊接变形，例如预留变形量、采用变形控制技术等。5.焊接变形的检测方法测量仪器常用的测量仪器包括游标卡尺、千分尺、坐标测量机等，用于测量焊件的尺寸变化和变形程度。光学测量利用光学原理进行测量，例如投影仪、光学测量系统等，可以获得焊件的整体变形情况。三维扫描三维扫描技术可以获取焊件表面的三维模型，进而分析变形情况，并进行精度评估。应变片应变片可以测量焊件表面的应变，进而推算出焊件的变形情况。6.焊接残余应力的产生热量不均匀分布焊接过程产生高温，金属快速加热冷却，导致局部区域温度梯度。热膨胀和收缩不同区域的温度变化导致金属发生不均匀膨胀和收缩。晶格畸变金属内部的晶格发生畸变，产生内应力，最终形成残余应力。7.焊接残余应力的类型第一类残余应力第一类残余应力是指焊接件内部产生的拉应力，它会降低焊接件的强度和韧性，并可能导致焊接件的脆性断裂。第二类残余应力第二类残余应力是指焊接件内部产生的压应力，它可以提高焊接件的强度和韧性，并可以防止焊接件的疲劳断裂。8.焊接残余应力的影响因素11.材料特性焊接材料的强度、塑性、热膨胀系数等都影响残余应力的大小和分布。22.焊接工艺参数焊接电流、焊接速度、焊接热输入等都会对残余应力产生显著影响。33.结构形式焊件的形状、尺寸、约束条件等都会影响残余应力的分布和大小。44.环境温度环境温度的变化会影响焊接材料的热膨胀系数，进而影响残余应力的分布。9.焊接残余应力的测量方法应变片法应变片法是一种常用的测量焊接残余应力的方法。它利用应变片测量焊接结构中由于残余应力产生的应变，然后根据应变和材料的弹性模量计算残余应力。X射线衍射法X射线衍射法是一种无损检测方法，它利用X射线照射焊接结构，通过分析衍射图样来测量残余应力。该方法可以精确测量表面的残余应力。钻孔法钻孔法是一种传统的测量残余应力的方法。它通过在焊接结构上钻孔，并测量钻孔引起的应变变化来计算残余应力。数字图像相关法数字图像相关法是一种新型的测量残余应力的方法。它通过在焊接结构上粘贴一些标记点，然后用数字相机拍摄图像，通过分析图像变化来计算残余应力。10.焊接残余应力的消除措施热处理热处理可以有效地消除或降低焊接残余应力。通过加热和冷却工件，可以改变材料的晶体结构，从而减小应力。机械加工机械加工可以将焊接过程中产生的变形和应力去除。例如，通过研磨、铣削或车削等方法，可以将表面上的应力层去除。应力消除通过施加与残余应力方向相反的应力，可以抵消残余应力。例如，可以采用预应力技术，在焊接前将工件预先拉伸或压缩，从而抵消焊接过程中的应力。焊接变形与残余应力的关系焊接变形和残余应力之间存在密切的联系。焊接变形是由于焊接过程中的热输入导致金属材料发生热膨胀和收缩而产生的，而残余应力则是焊接变形过程中产生的应力无法完全释放而残留在金属材料中的应力。1焊接变形焊接过程中产生的热变形2残余应力焊接变形后残留的应力3影响因素焊接参数、材料特性等4控制措施预热、冷却、工艺参数控制等焊接变形和残余应力对焊接结构的强度、稳定性和使用寿命有重要影响。因此，在焊接过程中需要采取有效的措施来控制焊接变形和残余应力，保证焊接结构的质量和安全。12.焊接结构件的热变形分析焊接过程中的热量输入会引起金属材料的温度升高，导致材料发生热膨胀和收缩。焊接热变形分析可以帮助预测焊接过程中产生的热变形量，并采取相应的措施来控制变形。热变形分析主要涉及温度场分析、应力分析和变形分析，可以利用有限元分析软件进行模拟，预测焊接过程中的温度变化、应力分布和变形趋势。13.焊接变形的理论模型1弹塑性力学模型基于材料的应力-应变关系，分析焊接过程中热应力和变形。2有限元法模型将焊接结构离散成有限个单元，模拟焊接过程中的温度场、应力场和变形场。3热弹塑性模型考虑材料的热物理特性和塑性变形，模拟焊接过程中的温度场、应力场和变形场。14.焊接变形的数值模拟建立模型首先，需要建立焊接结构的几何模型，并定义材料属性和焊接参数，例如焊缝尺寸、焊丝材料和焊接电流。网格划分将模型进行网格划分，将模型分解成多个单元，以便进行数值计算。边界条件设置焊接结构的边界条件，例如固定约束和施加载荷，以模拟实际焊接过程中的边界条件。求解分析使用有限元软件进行数值分析，计算焊接过程中产生的温度场、应力场和变形场。结果后处理对数值分析的结果进行后处理，例如绘制温度分布图、应力分布图和变形图，并分析焊接变形的影响。15.焊接变形的实验测试方法应变片法应变片法是最常用的焊接变形测试方法之一。它通过测量焊接过程中材料的应变来确定变形量。应变片法具有精度高、测量范围广、操作简单等优点。光学测量法光学测量法利用光学原理测量焊接过程中的变形。常见的测量方法包括干涉法、光栅法和光学三角测量法。光学测量法具有非接触、无损、精度高等优点，适用于测量大型焊接结构的变形。焊接结构件的形变控制精确设计优化结构设计，减少焊接应力集中，控制焊接变形。工艺控制选择合理的焊接工艺参数，控制热输入，减少焊接变形。夹具约束利用夹具限制焊接变形，保持焊接结构的几何形状。形变补偿根据焊接变形情况进行补偿，例如预留变形量或进行后期校正。焊接应力消除技术高温回火高温回火是通过将焊接结构件加热到一定温度，并保温一段时间后再缓慢冷却，以消除焊接应力。振动消除振动消除是利用机械振动产生的能量，使焊接结构件的应力发生重新分布，从而降低应力水平。喷丸处理喷丸处理是将金属丸高速喷射到焊接结构件表面，利用丸粒冲击产生的塑性变形，使应力发生重新分布。焊接变形与应力的案例分析11.桥梁焊接变形桥梁焊接过程中，由于热量集中，会导致焊接部位变形，影响桥梁结构的稳定性。22.船体焊接变形船体焊接过程中的变形会影响船体外形，甚至导致船体结构强度下降。33.汽车焊接变形汽车焊接过程中的变形会影响汽车车身的尺寸精度和外观质量。44.航空器焊接变形航空器焊接过程中的变形会影响飞机的飞行性能，甚至导致飞行安全问题。焊接变形与应力的预防措施合理设计结构设计应尽量避免复杂形状和不规则的几何形状，减少应力集中区域。工艺控制控制焊接顺序、焊接速度、电流和电压，使热输入均匀分布，减少热变形和残余应力。材料选择选择低热膨胀系数和高屈服强度的材料，减少焊接变形和应力。预热与后热在焊接前进行预热，在焊接后进行后热处理，可以有效地控制焊接变形和应力。焊接质量检测的标准与规范国家标准GB/T8810-2008《焊接接头检验方法》行业标准JB/T4730-2008《焊接质量控制规范》国际标准ISO5817-2004《焊接接头缺陷评定》焊接质量控制的关键点11.材料选择焊接材料的选择对于焊接质量至关重要，需要考虑材料的类型、性能和焊接工艺要求。22.工艺参数控制焊接电流、电压、速度等参数的精确控制，确保焊接熔池稳定、焊缝成型良好。33.焊工技术焊工熟练程度和操作规范直接影响焊接质量，应定期进行考核和培训。44.焊接检验焊接过程中的定期检验和最终检验是确保焊接质量的关键环节，需要制定严格的检验标准和规范。22.焊接质量管理体系质量标准与规范制定严格的焊接质量标准和规范，确保焊接过程符合要求。过程控制与监控对焊接过程进行严格的监控，确保每个环节符合标准。人员培训与认证对焊接人员进行专业培训，确保他们具备必要的技能和资质。记录管理与追溯建立完整的焊接质量记录，方便追溯和分析问题。焊接技术的发展趋势智能化焊接机器人和自动化系统广泛应用，提高生产效率和焊接质量。焊接过程的智能监控和数据分析，帮助优化焊接工艺和预测焊接质量。绿色化低能耗、低污染的焊接技术和材料，实现可持续发展。减少焊接烟尘和有害气体排放，保护环境和工人健康。精准化激光焊接、电子束焊接等先进焊接技术，实现高精度、高质量焊接。焊接工艺模拟和数字化设计，提高焊接质量的可预测性和可控性。多元化特殊材料和复杂结构的焊接技术，满足新材料和新工艺的需求。焊接技术在航空航天、能源、医疗等高新技术领域的应用不断拓展。焊接工艺优化与创新11.优化焊接参数焊接电流、电压、速度等参数优化，提高焊接质量，降低成本。22.新型焊接材料开发高强度、耐腐蚀、耐高温等新型焊接材料，满足现代工业需求。33.智能化焊接应用人工智能技术，实现焊接过程的自动化、智能化，提高效率和精度。44.焊接工艺仿真利用数值模拟技术，预测焊接过程中的变形、应力等，优化焊接工艺。25.焊接工艺自动化与数字化焊接工艺自动化焊接自动化是指利用自动化设备和技术来完成焊接过程，提高焊接效率和质量。自动化焊接设备可实现焊接过程的精确控制，并减少人工操作带来的误差。焊接工艺数字化数字化焊接是指将焊接过程中的数据进行采集、处理、分析和应用，实现焊接过程的数字化管理和控制。数字化焊接可以提高焊接效率，降低成本，提升产品质量，并为焊接过程的优化提供数据支持。焊接工艺在不同应用领域的实践建筑工程焊接是大型钢结构建筑的主要连接方式，例如桥梁、高层建筑等。汽车制造汽车制造中广泛使用焊接技术，例如车身、底盘、发动机等。管道工程管道工程中焊接技术应用于各种管道的连接，例如石油、天然气管道等。航空航天航空航天领域对焊接技术要求极高，用于连接飞机、火箭等部件。焊接技术的国内外研究进展智能焊接技术人工智能和机器学习技术在焊接中的应用，例如机器人焊接、视觉检测和过程控制。新型焊接材料开发更高强度、抗腐蚀性和耐高温的焊接材料，如高强度钢、钛合金和镍合金。焊接工艺优化利用模拟和实验方法优化焊接参数，提高焊接效率和质量。焊接质量检测发展先进的检测技术，如超声波检测、X射线检测和激光扫描检测，提高焊接质量控制水平。焊接质量管理的未来展望智能化管理人工智能、大数据和云计算技术的应用将推动焊接质量管理向智能化方向发展。全球化标准焊接质量管理将更加重视国际标准的统一和协调，以适应全球化产业发展趋势。协同合作