焊缝基础知识.ppt

第一章焊缝连接的特点 焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法 其优点是 构造简单 任何形式的构件都可直接相连 用料经济 不削弱截面 接连的密闭性好 结构刚度大 其缺点是 在焊缝附近的热影响区内 钢材的金相组织发生改变 导致局部材料变脆 焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低 焊接结构对裂纹很敏感 局部裂纹一旦发生 恩容易扩展到整体 低温冷脆问题较为突出 第二章手工电弧焊的原理 通电后 在涂有药皮的焊条和焊件之间产生电弧 电弧提供热源 是焊条的焊丝溶化 滴落在被电弧所吹成的小凹槽熔池中 由电焊条药皮形成的熔渣和气体覆盖着熔池 防止空气中的氧 氮等气体与溶化后的液体金属接触 避免形成脆性易裂的化合物 焊缝金属冷却后与连接件练成一体 手工电弧焊的焊条应与焊接钢材相适应 例如Q235钢采用E43型焊条 Q345钢采用E50型焊条 焊条型号中E electrodes 表示焊条 两位数字为熔敷金属的最小抗拉强度 第三章钢结构的连接 钢结构的构件是有型钢 钢板等通过连接构成的 各构件再通过安装连接架构成整个结构 因此 连接在钢结构中处于重要的枢纽地位 在进行连接的设计时 必须遵守安全可靠 传力明确 构造简单 制造方便和节约钢材的原则 钢结构的连接方法可分为焊接连接 铆钉连接 螺栓连接和轻型钢结构用的紧固件链接等 而我们基地用的最多的就是焊接连接 及手工电弧焊 第四章焊缝连接形式及焊缝形式 焊缝连接形式按被连接钢材的相互位置可分为对接 搭接 T形连接和角部连接四种 这些连接所采用的焊缝主要有对接焊缝和角焊缝 对接连接主要用于厚度相同或者相近相同的两构件的相互连接 搭接连接适用于不同厚度的构件的连接 T形连接省工省料 常用于制作组合截面 焊缝形式 对接焊缝按所受力的方向分为正对接焊缝和斜对接焊缝 角焊缝可分为正面叫焊缝 侧面角焊缝和斜焊缝 按照施焊位置可分为平焊 横焊 立焊和仰焊 平焊施工方便 立焊和横焊要求焊工的操作水平较高 仰焊的操作条件最差 焊缝质量不易保证 而我们中心主要采用的是平焊 第五章焊缝缺陷 焊缝缺陷指焊接过程中产生于焊缝金属或附近热影响区表面或内部的缺陷 常见的缺陷是有裂纹 焊瘤 烧穿 弧坑 气孔 夹渣 咬边 未熔合 为焊透等 以下是我拍到的我厂内几张焊缝有缺陷的照片 未焊透 弧坑 烧穿 咬边 没有缺陷的 第六章焊缝质量的检验 焊缝缺陷的存在将削弱焊缝的受力面积 在缺陷处引起应力集中 故对连接的强度 冲击韧性及冷弯性能等均有不利影响 因此 焊缝质量的检验极为重要 焊缝质量的检验一般可用外观检验和内部无损伤检验 前者检查外观缺陷和几何尺寸 后者检查内部缺陷 内部不损检测目前广泛采用超声波检验 一般尺寸形状缺陷包括 1 焊缝形状和外形平整度不合格 2 焊接变形超标 3 烧穿 未焊透 咬边 为填满等 这类缺陷产生的原因是 焊工技术低 工作粗心 焊接规范不合适 焊接准备工作不良 4 大量夹渣 组织结构缺陷包括气孔 非金属夹渣 偏析 裂纹 过热 淬硬 这类缺陷产生的原因是 焊接材料选择不好 不合适 焊接方法规范不合适 胡洛工件刚性及导热 第七章对接焊缝的构造和计算 对接焊缝包括焊透的对接焊缝和T形对接与角接组合焊缝 这些都是我们中心常见的焊缝 接下来我们将对这些焊缝受力的计算做一个简单的介绍 对接焊缝的强度与所用的钢材的牌号 焊条型号及焊缝质量的检验标准等因素有关 如果焊缝中不存在任何缺陷 焊透金属的强度时高于母材的 但是由于焊接技术问题 焊缝中可能有气孔 夹渣 咬边 未焊透等缺陷 实验证明 焊透缺陷对受压 受剪的对接焊缝影响不大 故可认为受压 受剪的对接焊缝与母材强度相等 但受拉的对接焊缝对缺陷甚为敏感 当缺陷面积与焊接截面积之比超过5 时 对接焊缝的抗拉强度将明显下降 由于对接焊缝是焊件截面的组成部分 焊缝中的应力分布情况基本与焊件原来的情况相同 故计算方法与构建的强度计算一样 1 轴心受力的对接焊缝 在对接接头和T形接头中 垂直于轴心受拉力与轴心压力N的对接焊缝 其强度应按下式计算 或者 为焊缝计算长度 t为连接件的较小厚度 对T形接头为腹板厚度 fwt fwc为对接焊缝的抗拉抗压强度设计值 2 承受弯矩和剪力联合作用对接的焊缝 当对接接头受弯矩和剪力的联合作用 由于焊缝截面是矩形 正应力和剪应力图形分别为三角形和抛弧线形 其最大值应分别满足下列强度条件 Wx为焊缝截面模量 Sw为计算剪应力处焊缝截面面积矩 Iw为焊缝截面惯性矩 第八章角焊缝的构造和计算 角焊缝是最常用的焊缝 按截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝 承受轴心力作用时角焊缝连接的计算用盖板的对接连接当焊件受轴心力 且轴心力通过连接焊缝的中心时 可认为焊缝应力是均匀分布的 对于矩形盖板 可按下式计算正面角焊缝承担的内力 第九章焊接残余应力和焊接变形 一 焊接残余应力的成因焊接残余应力 weldingresidualstresses 简称焊接应力 有沿焊缝长度方向的纵向焊接应力 垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力 1 纵向焊接应力 焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程 在施焊时 焊件上产生不均匀的温度场 焊缝及其附近温度最高 可达1600 以上 而邻近区域温度则急剧下降 图3 4 1 不均匀的温度场产生不均匀的膨胀 温度高的钢材膨胀大 但受到两侧温度较低 膨胀量较小的钢材所限制 产生了热塑性压缩 焊缝冷却时 被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短 但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力 在低碳钢和低合金钢中 这种拉应力经常达到钢材的屈服强度 焊接应力是一种无荷载作用下的内应力 因此会在焊件内部自相平衡 这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力 图3 4 1c 2 横向焊接应力 横向焊接应力产生的原因有二 一是由于焊缝纵向收缩 使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形 但实际上焊缝将两块钢板连成整体 不能分开 于是两块板的中间产生横向拉应力 而两端则产生压应力 图3 4 2b 二是由于先焊的焊缝已经凝固 会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀 使其发生横向塑性压缩变形 当焊缝冷却时 后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力 而先焊部分则产生横向压应力 在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力 图3 4 2c 焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果 图3 4 2d 3 厚度方向的焊接应力 在厚钢板的焊接连接中 焊缝需要多层施焊 因此 除有纵向和横向焊接应力 x y外 还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力 z 图3 4 3 在最后冷却的焊缝中部 这三种应力形成同号三向拉应力 将大大降低连接的塑性 二 焊接残余变形的成因 在焊接过程中 由于不均匀的加热 在焊接区局部产生了热塑性压缩变形 当冷却时焊接区要在纵向和横向收缩 势必导致构件产生局部鼓曲 弯曲 歪曲和扭转等 焊接残余变形 weldingresidualdeformations 包括纵 横向收缩 弯曲变形 角变形和扭曲变形等 图3 4 4 且通常是几种变形的组合 任一焊接变形超过验收规范的规定时 必须进行校正 以免影响构件在正常使用条件下的承载能力 十焊接应力和变形结结构工作的影响 一 焊接应力的影响1 对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材 在静荷载作用下 焊接应力是不会影响结构强度的 设轴心受拉构件在受荷前 N 0 截面上就存在纵向焊接应力 并假设其分布如图3 4 5 a 所示 在轴心力N作用下 截面bt部分的焊接拉应力已达屈服点fy 应力不再增加 如果钢材具有一定的塑性 拉力N就仅由受压的弹性区承担 两侧受压区应力由原来受压逐渐变为受拉 最后应力也达到屈服点fy 这时全截面应力都达到fy 图3 4 5b 2 对结构刚度的影响构件上的焊接应力会降低结构的刚度 仍以图3 4 5为例 由于截面的bt部分的拉应力已达fy 这部分的刚度为零 则具有图3 4 5 a 所示残余应力的拉杆的抗拉刚度为 B b tE 而无残余应力的相同截面的拉杆的抗拉刚度为BtE 显然Bte B b tE 即焊接残余应力的杆件的抗拉刚度降低了 在外力作用下其变形将会较无残余应力的大 对结构工作不利 残余应力的存在将较大的影响压杆的稳定性 有关内容将在第6章介绍 3 对低温冷脆的影响焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的 必须引起足够的重视 在厚板和具有严重缺陷的焊缝中 以及在交叉焊缝 图3 4 6 的情况下 产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力 使裂纹容易发生和发展 4 对疲劳强度的影响在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点 此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域 因此 焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响 二 焊接变形的影响焊接变形是焊接结构中经常出现的问题 焊接构件出现了变形 就需要花许多工时去矫正 比较复杂的变形 矫正的工作量可能比焊接的工作量还要大 有时变形太大 甚至无法矫正 变成废品 焊接变形不但影响结构的尺寸和外形美观 而且有可能降低结构的承载能力 引起事故 减少焊接应力和变形的措施 可通过合理的焊缝设计和焊接工艺措施来控制焊接结构焊接应力和变形 一 合理的焊缝设计 1 合理的选择焊缝的尺寸和形式 在保证结构的承载能力的条件下 设计时应该尽量采用较小的焊缝尺寸 因为焊缝尺寸大 不但焊接量大 而且焊缝的焊接变形和焊接应力也大 2 尽可能能减少不必要的焊缝 在设计焊接结构时 常常采用加劲肋来提高板结构的稳定性和刚度 但是为了减轻自重采用薄板 不适当地大量采用加劲肋 反而不经济 因为这样做不但增加了装配和焊接的工作量 而且易引起较大的焊接变形 增加校正工时 3 合理地安排焊缝的位置 安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴 或者使焊缝接近中性轴 图3 4 7a c 这对减少梁 柱等构件的焊接变形有良好的效果 而图3 4 7中的 b 和 d 是不正确的 4 尽量避免焊缝的过分集中和交叉 如几块钢板交汇一处进行连接时 应采用图3 4 7 e 的方式 避免采用图3 4 7 f 的方式 以免热量集中 引起过大的焊接变形和应力 恶化母材的组织构造 又如图3 4 7 g 中 为了让腹板与翼缘的纵向连接焊缝连续通过 加劲肋进行切角 其与翼缘和腹板的连接焊缝均在切角处中断 避免了三条焊缝的交叉 5 尽量避免在母材厚度方向的收缩应力 如图3 4 7 i 的构造措施是正确的 而图3 4 7 j 的构造常引起厚板的层状撕裂 由约束收缩焊接应力引起的 二 合理的工艺措施 1 采用合理的焊接顺序和方向 尽量使焊缝能自由收缩 先焊工作时受力较大的焊缝或收缩量较大的焊缝 如图3 4 8示在工地焊接工字梁的接头时 应留出一段翼缘角焊缝最后焊接 先焊受力最大的翼缘对接焊缝1 再焊腹板对接缝2 又如图3 4 9所示的拼接板的施焊顺序 先焊短焊缝1 2 最后焊长焊缝3 可使各长条板自由收缩后再连成