焊接结构课件0 (1)

黎明 1 第一章第一章 绪论绪论 1 焊接结构的基本内容 1 从焊接力学的角度出发 研究和论述焊接结构 特别是焊接接头的经济 合理性与安全可靠性 傻大黑粗的焊接结构未必可靠 细小单薄未必经济 2 分析介绍焊接结构设计与生产制造的基本方法及其基本理论 即从基本理论入手 介绍焊接结构应该怎么制造和为什么这样制造 2 焊接结构有什么优点 焊接结构有什么优点 1 焊接接头的比强度高 重量轻 焊前准备简单 制造成本低 焊接接头的比强度高 重量轻 焊前准备简单 制造成本低 2 焊接结构设计和制造灵活性大 尺寸大小 几何形状 结构材料焊接结构设计和制造灵活性大 尺寸大小 几何形状 结构材料 没有限没有限 制 焊接结构制造 可以巧用型材 可以连接不同的材料 可以同铸 锻 胶 制 焊接结构制造 可以巧用型材 可以连接不同的材料 可以同铸 锻 胶 铆铆 等工艺方法组成联合焊接结构 焊接结构便于更新换代 组成灵活的柔性生等工艺方法组成联合焊接结构 焊接结构便于更新换代 组成灵活的柔性生 产线 产线 3 密封性好 成品率高 焊接缺陷少 容易修补 密封性好 成品率高 焊接缺陷少 容易修补 3 焊接结构有什么特点 焊接结构有什么特点 1 焊接结构整体性强 刚度大 对应力集中很敏感 历史上灾难性的事故很焊接结构整体性强 刚度大 对应力集中很敏感 历史上灾难性的事故很 多 多 2 焊接结构和焊接接头的应力集中系数变化范围很大 焊接结构和焊接接头的应力集中系数变化范围很大 KT 1 7 甚 甚 至 至 10 3 若不采取措施焊接结构有较大的焊接应力和变形 可达材料的若不采取措施焊接结构有较大的焊接应力和变形 可达材料的 s 甚至 甚至 b 4 焊接接头的组织 性能有较大的不均匀性 焊接接头的组织 性能有较大的不均匀性 第二章第二章 焊接应力与变形焊接应力与变形 第一节第一节 焊接应力与变形原理分析焊接应力与变形原理分析 1 关于应力变形的一些基本概念 两物体或一物体的两部分相互作用时 两物体或一物体的两部分相互作用时 物体内有相互作用力 物体内有相互作用力 力除以横截面积 即单力除以横截面积 即单 位面积的力称为位面积的力称为应力应力 显然 同一受力物体 截面积不同的地方 其应力大小不同 显然 同一受力物体 截面积不同的地方 其应力大小不同 受受 力物体会发生变形 但它的体积基本不变 力物体会发生变形 但它的体积基本不变 单位长变形为单位长变形为应变应变 应力应力 s 时时 变形或应变变形或应变 是弹性的是弹性的 E 称为称为弹性模量弹性模量 E 应力应力 达到达到 或超过或超过 s时 会发生塑性变形或时 会发生塑性变形或塑性应变塑性应变 p 总的内应变总的内应变 N s p 2 焊接应力及变形的基本原理与研究方法 焊接变形各种各样 千差万别 归纳起来也有六七种 焊接应力残留在构件 中看不见 摸不着 更觉复杂 难以琢磨 因为焊接应力变形能给构件和生产生 活带来巨大危害 掌握控制焊接应力变形尤其显得很重要 似乎也很难 重点重点 黎明 2 火焰成形 火焰矫形与焊接应力变形的原理基本相通 其中火焰成形的情况 最简单 火焰矫形次之 焊接时加热温度更高 还有填充金属 焊接应力变形的 情况更复杂一些 如果利用人们已经知道的常识 忽略一些影响相对较小 比较 微观的变化因素 只对成形 矫形 应力变形 做简单的事实求是的定性分析 问题就简单多了 我们先分析平板火焰成形情况 火焰成形是利用高温火焰 对较大较薄平板 如图 1 a 中的一点进行快速加热 如放大图 1 b c 所示 我们把受热点简化为一个的单元立方体 单元 llV 体受热要膨胀 线膨胀量与其线长度 和温差成正比 其比例系数称为l lT 线膨胀系数 它的长 宽 增加 厚度增加 1 其中 厚度ll lTl 增量 1也可同样计算 1 受热单元体体积要增大 但其 TV 四周受到冷金属的重重拘束包围无法自由膨胀 固体在受力时体积基本不变 不 会因为受力而增大或减小 但会发生变形 受拉伸会伸长变细 受压缩会缩短墩 粗 受热单元体 abcdefgh 的长宽方向有受热膨胀趋势 受相邻冷金属的阻T 碍顶压无法增长 而变成内部压缩弹性变形 顶压应力为 T 就像金属棒在长度方向受到顶压会被墩粗一样 受热单元体TE E abcdefgh 在长度方向会被墩粗 宽度方向也一样 而增厚 T 32 a a l l b b 1 2 3 c c 黎明 3 图 1 平板火焰 点加热 应力变形分析 因为受热单元体的厚度方向 是自由表面 没有阻碍 因此 它的体积增大 主要表现为厚度方向的增加 包括厚度方向的温升膨胀 1和长宽方向因膨胀受 阻而造成的挤压增厚 2 3三个部分 当单元体受热不多 温升不大时 其 应力变形都是弹性的 热源撤走降温复原后 温升变形和弹性应力变形自然会消 失 一切又恢复原始状态 单元体受顶压的压缩应力变形是其受热升温造成的 知道受热体材料的线膨 胀系数 弹性模量 E 温升 T 就能根据单元体 abcdefgh 的受力分析可知内内 应力应力算出算出 也能算出内应力达到 s 时所需要的加热温度 Ts 计算TE 结果表明 这个温度并不高 常见的钢 铝材料只需一百度左右的局部温升 其 挤压应力就达到材料的屈服极限了 超过这个温度 单元体 abcdefg 就会发生原 子移位产生位错 发生滑移塑性流变 产生塑性变形 这正是受热区金属会增厚 的原因 金属的弹性极限和屈服极限与温度有关 碳钢 被加热到 600 700 以后 其弹性极限和屈服极 限几乎下降为零 如图 2 所示 这时的温度称为 力学熔化温度或力学熔点 超过力学熔点 在外 力作用下引起的变形几乎全部成为塑性变形 一般情况下 火焰成形和火焰矫形的加热温度都能达到 甚至超过这个温度 重点加热区的热膨胀都变成了加热区的塑性增厚变形 仔细观察测量即可知道 这不仅是理性分析的结果 也是对客观现实的真实写照 已经增厚的加热区 此 时仍然具有较高的温度和冷却收缩能力 随后 常辅之以喷水冷却 使金属表面 尽快恢复弹性 已经增厚的受热区 冷却受缩时就产生弹性收缩力 此力也会拉 动相邻金属产生内应力 并产生人们需要的火焰成形变形效果 火焰成形是采用不同的焰道轨迹形状和适宜的冷却方法 空冷 正面水冷 背面水冷 将原本平整的钢板 加工成船板所需要的各种形貌 单曲率面 帆 形双曲率面 马鞍形双曲率面等 这和原本落后的地炉加热钢板 人工锤击成 形的方法相比 轻松 简单 效率高 这种加工工艺曾是日本的一项重大发明 大大促进了日本造船工业的发展 火焰矫形是加热焊接结构中变形 凸出鼓起 的地方 使之产生与焊接变 形相反的变形 达到矫形的目的 生产上人们简称火焰矫形为 打鼓 焊接应力变形虽较复杂 也可用粗浅的知识和普通道理 简单地定性分析焊 接应力变形的成因和规律 焊接温度场如图 3 所示 焊接时 焊丝 焊条等填充金属在空 中受热自由膨胀 并瞬间熔化 落入熔池 熔池区母材受热也瞬间熔化 无法向四周 冷金属的方向膨胀 但能向熔池和表面方 向自由膨胀 受热熔池区将热量传向四周 形成热塑性状态的热影响区 它也无法向 四周冷金属方向膨胀 只能向阻力很小的 图 3 焊接温度场 1 沿纵向的温度分布 2 等温线 3 沿横向的温度分布 图 2 低碳钢屈服极限与温度的关系 黎明 4 熔池及其表面方向膨胀 由此可见 焊缝金 属及热影响区热膨胀是半自由的 其热膨胀 基本上都变成了这个区域的厚度增加 这个 增厚区域具有很高的温度 有很强的冷却收 缩能力 在随后冷却的初期 该区域仍处于 液态或热塑性状态 其冷却收缩主要表现为 自身厚度减小的体积收缩 当该区域散热较 快的四周和 金属表面开始恢复弹性时 其冷却收缩即有弹性变形和弹性力同时产生 这个不 断增大的弹性力就是冷却收缩力 注意 冷却收缩是金属降温时的主动收缩 体 积要减小 而拉伸和压缩是受拉压金属被拉长压短 是被动的 只会变形 但体 积不会增大减小 除了拉动自身体积减小之外 也拉动周围相邻冷金属向它们 靠拢 拉得动的部分 就表现为焊接工件的焊接变形 拉不动的部分就成了存在 于焊接工件内部的弹性变形 它乘以弹性系数 即 就是弹性内应力 E 在冷却过程中 可见变形 弹塑性应力应变 p都在不断变化 最终的 结果就是焊接工件的变形及其焊接残余应力 也就是说 焊接应力和变形是由同 一个原因 同时产生的 这个原因就是焊缝及其热影响区的冷却收缩能力 显然 这个冷却收缩能力源于焊接时的不均匀加热 受热的区域相对焊接工件很小 受 热区产生了不均匀的膨胀 并具有了很强的冷却收缩能力 为其后的不均匀收缩 创造了条件 可以说 归纳起来 焊接应力变形只有一种 就是焊缝及其热影响 区的焊接收缩应力变形 各种各样的焊接应力变形都是焊接收缩力在焊接工件中 不同位置的特殊分布造成的 把加热区简化成长方体仅仅是为了便于数值分析推理 火焰成形 火焰矫形 焊接应力变形的加热区未必是方的圆的 但是不管它们的加热区及其热影响区是 什么形状 都是在周围冷金属的重重包围之中 快速的加热 升温 膨胀 体积 增加 都仅仅能造成了自身的增厚 并不影响我们定性分析得出的结论 3 焊接应力变形过程简要分析 两个物体或一个物体的两个部分相互作用时 物体内有相互作用力 在力的 传递过程中 横截面积不同的地方 其内应力 应变 的大小是不同的 应 力 s 时 变形或应变 是弹性的 比值 E 称为弹性模量 E 应力 达到或超过 s 时 会发生塑性变形或塑性应变 p 总 的内应变 N s p 纤维端点单元体受力图纤维端点单元体受力图 纵向 横向受压 垂直板纵向 横向受压 垂直板 面的方向受力很小面的方向受力很小 可忽可忽 略不计 略不计 黎明 5 外力或工作载荷引起的应力 称为工作应力 物体内部由于内部温度 金相 组织 化学成分 以及内部不同部分之间的相互拘束等不同或不均匀 会在 金属内部产生不均匀的内部变形 因而在金属内部不同部分之间会产生相互作 用或内应力 简言之 由于物体内部的原因引起的应力称为内应力 关于变形的一些基本概念 见关于变形的一些基本概念 见 3 3 页图 页图 1 可见变形可见变形 e 物体虽受拘束 但实际上仍可测得出来 或看得见的变形 物体虽受拘束 但实际上仍可测得出来 或看得见的变形 量 量 重点重点 始终不受拘束的始终不受拘束的 自由温度变形自由温度变形 T T 冷却收缩中的自由温度变形冷却收缩中的自由温度变形 T p N s s 看不见的内部变形看不见的内部变形 N e T 可见变形可见变形 e 板条中板条中 O 纤维纤维 L0 1 板条板条 A 的限制的限制 板条板条 B 的阻挡的阻挡 s p e N 受热后受热后 f 去掉拘束的自由变形去掉拘束的自由变形 B O A 图 4 焊接试板内力分析 A B C 三个相邻的全宽度单位长板条 单位长金属纤维在板条 O 的热影响区中 两个测量点之间有一两个测量点之间有一 个单位长金属纤维个单位长金属纤维 黎明 6 关于变形的一些基本概念 见关于变形的一些基本概念 见 3 3 页图 页图 2 可见变形可见变形 e 物体虽受拘束 但实际上仍可测得出来 或看得见的变形 物体虽受拘束 但实际上仍可测得出来 或看得见的变形 量 量 e 0 0 表示伸长 表示伸长 e 0 0 表示伸长 表示伸长 f 表示伸长 表示伸长 T 表示拉伸 表示拉伸 e 表示压缩 表示压缩 6 内部塑性变形内部塑性变形 p 内部变形中去掉拘束也不能恢复的部分 内部变形中去掉拘束也不能恢复的部分 p e T s 表示压缩塑性变形 表示压缩塑性变形 7 内部弹性变形内部弹性变形 内部变形中去掉拘束后可以恢复 能表现出来的部分 内部变形中去掉拘束后可以恢复 能表现出来的部分 e T p 表示压缩弹性变形 表示压缩弹性变形 2 焊接热应变循环 组织铁素体珠光体渗碳体奥氏体马氏体 点阵类型体心立方体心立方斜方面心立方正方 比容 cm3 g0 1270 12860 130 123 0 125 0 127 0 131 线胀系数 10 6 C14 512 52311 5 黎明 7 吸热相变收缩吸热相变收缩 放热放热 相变膨胀相变膨胀 LY12常规常规 焊等温线焊等温线 示意图示意图 LY12常常 规焊缝规焊缝 冷却收缩方向冷却收缩方向热裂纹断口表面放大图像热裂纹断口表面放大图像 黎明 8 随焊冲击碾压防裂随焊冲击碾压防裂 技术的原理与技巧技术的原理与技巧 焊缝表面冷凝焊缝表面冷凝 结晶方向结晶方向 冲冲 击击 传传 力力 杆杆 后后座座消消 振振弹弹簧簧 橡橡皮皮 后后座座 冲冲击击气气缸缸 前前 碾碾 压压 轮轮 碾碾压压 轮轮座座 焊焊接接电电弧弧中中心心位位置置 焊接方向 焊焊件件 后后碾碾 压压轮轮 碾碾压压轮轮 导导向向支支 架架 下下缸缸排排气气 整整流流罩罩 上上缸缸 排排气气 整整流流 罩罩 上上缸缸 排排气气 孔孔 扭扭 簧簧 压压簧簧 冲冲击击活活塞塞 调调速速阀阀 气气动动冲冲击击碾碾压压轮轮 低低压压 储储气气 筒筒 压压力力 表表 3 3 减减压压 阀阀 2 2 0 0 6 6M MP Pa a 0 0 2 2M MP Pa a 0 0 8 8M MP Pa a 冲冲 击击 碾碾 压压 气气 路路 图图 近近端端 储储气气筒