焊接变形、应力和强度.doc

焊接变形、应力和强度焊接工艺问答七、焊接变形、应力和强度1试述焊接残余变形的种类。焊接过程中焊件产生的变形称为焊接变形。焊后，焊件残留的变形称为焊接残余变形。焊接残余变形有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等共六种，见图1，其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式，在不同的焊件上，由于焊缝的数量和位置分布不同，这两种变形又可表现为其它几种不同形式的变形。2焊件在什么情况下会产生纵向收缩变形?焊件焊后沿平行于焊缝长度方向上产生的收缩变形称为纵向收缩变形。当焊缝位于焊件的中性轴上或数条焊缝分布在相对中性轴的对称位置上，焊后焊件将产生纵向收缩变形，其焊缝位置见表1。焊缝的纵向收缩变形量随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积的增加而减少，其近似值见表2。表2焊缝纵向收缩变形量的近似值(mm/m)对接焊缝连续角焊缝间断角焊缝0.150.30.20.400.1注：表中所表示的数据是在宽度大约为15倍板厚的焊缝区域中的纵向收缩变形量，适用于中等厚度的低碳钢板。3试述焊缝的横向收缩变形量及其计算。焊件焊后在垂直于焊缝方向上发生的收缩变形称为横向收缩变形，横向收缩变形量随板厚的增加而增加。低碳钢对接接头、T形接头和搭接接头的横向收缩变形量，见表3、表4。对接接头横向收缩变形量的近似计算公式，见表5。表5对接接头横向收缩变形量的近似计算公式坡口形式横向缩短量计算公式Y形双Y形L横=0.1+0.6L横=0.1+0.4-板厚(mm)。当两板自由对接、焊缝不长、横向没有约束时，横向收缩变形量要比纵向的大得多。4焊件在什么情况下会产生弯曲变形?如果焊件上的焊缝不位于焊件的中性轴上，并且相对于中性轴不对称(上下、左右)，则焊后焊件将会产生弯曲变形。如果焊缝集中在中性轴下方(或下方焊缝较多)则焊件焊后将产生上拱弯曲变形；相反如果焊缝集中在中性轴上方(或上方焊缝较多)，则焊件焊后将产生下凹弯曲变形。又如果焊件相对焊件中性轴左、右不对称，则焊后将产生旁弯，焊件产生弯曲变形的焊缝位置，见表6。5试述焊件产生角变形的原因及其数值。焊接时，由于焊接区沿板材厚度方向不均匀的横向收缩而引起的回转变形称为角变形见图1b。产生角变形的原因是，焊缝的截面总是上宽下窄，因而横向收缩量在焊缝的厚度方向上分布不均匀，上面大、下面小，结果就形成了焊件的平面偏转，两侧向上翘起一个角度。电渣焊缝由于焊缝厚度均匀，所以焊后焊件基本上不产生角变形。有色金属和薄板，由于焊接过程中熔池承托不住焊件的重量，使两侧板下垂，结果会引起相反方向的角变形。低碳钢对接接头在自由状态下，焊后角变形的实验值，见表7。6试述波浪变形和扭曲变形产生的原因。波浪变形焊后构件产生形似波浪的变形称为波浪变形。薄板对接焊后，存在于板中的内应力，在焊缝附近是拉应力，离开焊缝较远的两侧区域为压应力，如压应力较大，平板失去稳定就产生波浪变形，见图1d。此外，当焊件上的几条角焊缝靠得很近时，由每角焊缝所引起的角变形连贯在一起也会形成波浪变形，见图2。波浪变形通常产生在薄板结构中。扭曲变形构件焊后两端绕中性轴相反方向扭转一角度称为扭曲变形，见图1e。如果构件的角变形沿长度上分布不均匀和纵向有错边，则往往会产生扭曲变形。如图3a所示工字梁的四条角焊缝在定位焊后不采用适当夹具，按图3b所示的焊接方向(相邻焊缝反向)进行焊接，这时角变形沿着焊缝长度逐渐增大，使构件扭转，即构件扭转，即产生扭曲变形。7如何利用合理的装配焊接顺序来控制焊接残余变形?不同的构件形式应采用不同的装配焊接方法。1)结构截面对称、焊缝布置对称的焊接结构，采用先装配成整体，然后再按一定的焊接顺序进行生产，使结构在整体刚性较大的情况下焊接，能有效地减少弯曲变形。例如，工字梁的装配焊接过程，可以有两种不同方案，见图4。若采用图4b所示的边装边焊顺序进行生产，焊后要产生较大的上拱弯曲变形；若采用图4c所示的整装后焊顺序，就可有效地减少弯曲变形的产生。2)结构截面形状和焊缝不对称的焊接结构，可以分别装焊成部件，最后再组焊在一起见图5。图5b所示的方案由于焊缝1离中性轴距离较大，所以弯曲变形较大，而图5a所示的焊缝1的位置几乎与上盖板截面中性轴重合，所以对整个结构的弯曲变形没有影响。8如何利用合理的焊接顺序来控制焊接残余变形?对称焊缝采用对称焊接当构件具有对称布置的焊缝时，可采用对称焊接减少变形。如图4所示工字梁，当总体装配好后先焊焊缝1、2，然后焊接3、4，焊后就产生上拱的弯曲变形。如果按1、4、2、3的顺序进行焊接，焊后弯曲变形就会减小。但对称焊接不能完全消除变形，因为焊缝的增加，结构刚度逐渐增大，后焊的焊缝引起的变形比先焊的焊缝小，虽然两者方向相反，但并不能完全抵消，最后仍将保留先焊焊缝的变形方向。不对称焊缝先焊焊缝少的一侧因为先焊焊缝的变形大，故焊缝少的一侧先焊时，使它产生较大的变形，然后再用另一侧多的焊缝引起的变形来加以抵消，就可以减少整个结构的变形。9如何利用合理的焊接方向来控制焊接残余变形?为控制焊接残余变形而采用的焊接方向，有以下几种：长焊缝同方向焊接如T形梁、工字梁等焊接结构，具有互相平行的长焊缝，施焊时，应采用同方向焊接，可以有效地控制扭曲变形，见图6a。逆向分段退焊法同一条或同一直线的若干条焊缝，采用自中间向两侧分段退焊的方法，可以有效地控制残余变形，见图6b。跳焊法如构件上有数量较多又互相隔开的焊缝时，可采用适当的跳焊，使构件上的热量分布趋于均匀，能减少焊接残余变形，见图6c。10如何利用反变形法来控制焊接残余变形?为了抵消焊接残余变形，焊前先将焊件向与焊接残余变形相反的方向进行人为的变形，这种方法称为反变形法。例如，为了防止对接接头产生的角变形，可以预先将对接处垫高，形成反向角变形见图7a。为了防止工字梁翼板焊后产生角变形，可以将翼板预先反向压弯见图7b。在薄壳结构上，有时需在壳体上焊接支承座之类的零件，焊后壳体往往发生塌陷，为此，可以在焊前将支承座周围的壳壁向外顶出，然后再进行焊接见图7c。采用反变形法控制焊接残余变形，焊前必需较精确地掌握焊接残余变形量，通常用来控制构件焊后产生的弯曲变形和角变形，如反变形量留得适当，可以基本抵消这两种变形。11如何利用刚性固定法来控制焊接残余变形?焊前对焊件采用外加刚性拘束，强制焊件在焊接时不能自由变形，这种防止焊接残余变形的方法称为刚性固定法。采用压铁防止薄板焊后的波浪变形见图8。刚性固定法简单易行，适用面广，不足之处是焊后当外加刚性拘束卸掉后，焊件上仍会残留一些变形，不能完全消除，不过要比没有拘束时小得多。另外，刚性固定法将使焊接接头中产生较大的焊接应力，所以对于一些抗裂性较差的材料应该慎用。12如何利用散热法和自重法来控制焊接残余变形?散热法焊接时用强迫冷却的方法将焊接区的热量散走，减少受热面积从而达到减少变形的目的，这种方法称为散热法，利用散热法减少薄板的焊接变形见图9。图9b是将焊件浸入水中进行焊接(常用于小容器焊接)。图9c是用水冷铜块进行冷却。散热法不适用于焊接淬硬性较高的材料。自重法利用焊件本身的质量在焊接过程中产生的变形来抵消焊接残余变形的方法称为自重法。如一焊接梁上部的焊缝明显多于下部，见图10a，焊后整根梁产生下凹弯曲变形。为此焊前将梁放在两个相距很近的支墩上，见图10b，首先焊接梁的下部两条直焊缝，由于梁的自重和焊缝的收缩，将使梁产生弯曲变形，焊毕，将支墩置于两头，并使梁反身搁置，随后焊接梁的上部，由于支墩是置于梁的两头，梁的自重弯曲变形与第一次相反，不仅如此，上部焊缝的收缩变形方向也与下部焊缝收缩变形的方向相反，因此焊后梁的弯曲变形得以控制，见图10c。13如何利用机械矫正法矫正焊接残余变形?利用手工锤击或机械压力矫正焊接残余变形的方法叫机械矫正法。手工锤击矫正薄板波浪变形的方法，见图11。图11a表示薄板原始的变形情况，锤击时锤击部位不能是突起的地方，这样结果只能朝反方向突出，见图11b，接着又要锤击反面，结果不仅不能矫平，反而要增加变形。正确的方法是锤击突起部分四周的金属，使之产生塑性伸长，并沿半径方向由里向外锤击，见图11c，或者沿着突起部分四周逐渐向里锤击，见图11d。利用机械力矫正焊接残余变形的方法，见图12。图12a是利用加压机构矫正工字梁焊后的弯曲变形。图12b是利用圆盘形辗轮辗压薄板焊缝及其两侧，使之伸长来消除薄板焊后的残余变形。手工锤击矫形劳动强度大，技术难度高，但无须设备，适用于薄板的焊后矫形。机械矫正效率高、速度快、效果好，但须要加压机构等设备，适用于中、大型焊件焊后的矫形。14如何正确进行火焰矫正焊接残余变形?利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，以达到矫正变形的目的称火焰加热矫正法。火焰加热矫正法矫正焊件残余变形时要注意以下事项：1)加热用火焰通常采用氧乙炔焰，火焰性质为中性焰，如果要求加热深度小时，可采用氧化焰。2)对于低碳钢和低合金结构钢，加热温度为600800，此时焊件呈樱红色。3)火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种，其中三角形加热适用于厚度大、刚性强的焊件。4)加热部位应该是焊件变形的突出处，不能是凹处，否则变形将越矫越严重。5)矫正薄板结构的变形时，为了提高矫正效果，可以在火焰加热的同时用水急冷，这种方法称为水火矫正法。对于厚度较大而又比较重要的构件或者淬硬倾向较大的钢材，不可采用水火矫正法。6)夏天室外矫正，应考虑到日照的影响。因为中午和清晨原加热效果往往不一样。7)薄板变形的火焰矫正过程中，可同时使用木锤进行锤击，以加速矫正效果。15试述用电磁锤法矫正焊接残余变形的工作原理。电磁锤法又称强电磁脉冲矫正法，其矫正焊件变形的过程如下：把一个由绝缘的圆盘形线圈组成的电磁锤放置于焊件待矫正处，从已充电的高压电容向其放电，于是在线圈与焊件的间隙中出现一个很强的脉冲电磁场，见图13。由此产生一个比较均匀(与机械锤相比)的压力脉冲，使该处产生与焊件变形反向的变形，用以矫正焊件的变形。电磁锤法适用于电导率大的材料如铝、铜等板壳结构的矫形。对电导率小的材料则需在焊件与电磁锤之间放置铝或铜质薄板。电磁锤法矫正变形的优点在于：1)焊件表面没有撞击的锤痕。2)矫形能量可精确地控制。3)无需挥动锤头，可在比较窄小的空间内进行工作。16如何利用合理的焊接顺序和方向来控制焊接残余应力?1)先焊变形收缩量较大的焊缝，使基能较自由地收缩。如一个带盖板的双工字钢构件见图14，由于对接焊缝的收缩量大于角焊缝的收缩量，所以应先焊盖板的对接焊缝1，后焊盖板和工字梁之间的角焊缝2。2)先焊错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。如一拼板结构见图14b，应先焊焊缝1、2，后焊焊缝3。如相反，则由于焊缝1、2的横向收缩受到限制，将产生很大的拉应力。3)先焊在工作时爱力较大的焊缝，使内应力合理分布，见图14c。在接头两端留出一段翼缘角焊缝不焊，先焊受力最大的翼缘对接焊缝1，然后再焊腹板对接焊缝2，最后焊翼缘预留的角焊缝3。这样，焊后可使翼缘的对接焊缝承受压应力，腹板对接焊缝承受拉应力。角焊缝留在最后焊可以保证腹板对接焊缝有一定的收缩余地，同时也有利于在焊接翼缘对接焊缝时，可以采取反变形措施来防止产生角变形。17如何利用降低结构局部刚度来控制焊接残余应力?结构的刚度增加时，焊后的残余应力将显著加大。因此，在条件许可时，焊前采取一定的工艺措施，将焊接区域的局部刚度降低，将有效地减少焊接残余应力。如一镶块结构的焊件，由于焊缝呈封闭形刚度较大，见图15。为减少焊接区域的局部刚度，可以将平板少量翻边(图15a)，或将镶块压凹(图15b)，焊接时由于焊缝能自由收缩(将平板或镶块拉平)，使残余应力大为减少。18如何利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力?焊接残余应力产生的根本原因是，由于焊缝在冷却过程中的纵向收缩和横向收缩，因此焊后利用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力，据测定，利用锤击法可使应力减少1/21/4。进行锤击焊缝时，焊件温度应当维持在100150之间或在400以上，避免在200300之间进行，因为此时金属正处于蓝脆性阶段，若锤击焊缝容易造成断裂。多层焊时，除第一层和最后一层焊缝外，每层都要锤击。第一层不锤击是为了避免产生根部裂纹，最后一层焊缝通常焊得很薄，主要是为了消除由于锤击而引起的冷作硬化。19如何利用高温回火来消除焊接残余应力?焊件用来消除焊接残余应力的高温回火分整体和局部两种方式。整体高温回火将整个焊件放在炉中加热到一定温度然后保温一段时间再冷却。同一种材料，回火温度越高，时间越长，残余应力就消除得越彻底。通过整体高温回火可以将80%90%的残余应力消除掉，这是生产中应用最广泛的一种方法。各种材料的回火温度，见表8。含钒低合金钢在600620加回火后，塑性、韧性下降(回火脆性)，回火温度宜选550560。表8各种材料的回火温度()碳钢及低中合金钢奥氏体钢铝合金镁合金钛合金铌合金铸铁580680850105025030025030055060011001200600650回火时间随焊件厚度而定，钢按每毫米壁厚12min计算，但不宜低于30min，不必高于3h，因为残余应力消除效率随时迅速降低，过长的处理时间是不必要的。局部高温回火只对焊缝及其附近的局部区域进行加热消除残余应力。消除应力的效果不如整体高温回火，但方法设备简单。常用于比较简单的、拘束度较小的焊接结构，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接头等焊接残余应力的消除。局部高温回火可采用气体、红外线、间接电阻或工频感应加热等。20如何利用机械接伸法来消除焊接残余应力?产生焊接残余应力的根本原因是焊件焊后产生了压缩残余塑性变形。因此，焊后对焊件进行加载拉伸，产生拉伸塑性变形，它的方向和压缩残余变形相反，结果使压缩残余变形减小，因而焊件中的焊接残余应力亦随之同步减小。机械拉伸消除应力法对于一些焊后需要进行液压试验的焊接容器特别有意义，因为液压试验时容器所承受的试验压力均大于容器的工作压力，例如钢制压力容器其试验压力为容器工作压力的1.25倍，所以容器在进行液压试验的同时，对容器材料进行了一次相当于机械拉伸的膨胀，从而通过液压试验，消除了部分焊接残余应力。21如何利用温差拉伸法来消除焊接残余应力?温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。温差拉伸法的具体方法是：在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰炬进行加热，在焰炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动见图16。这样就形成了一个两侧温度高(其峰值约为200、焊接区温度低(约为100)的温度差。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，所以就可消除部分焊接残余应力，据测定，消除的效果可达50%70%。温差拉伸法的参数，见表9。表9温差拉伸法参数钢板厚度(mm)焰炬宽度(mm)焰炬中心距(mm)焰炬移动速度(mm/min)8 10 15 17 20 25 30 35 4060 100 100 100 100 100 100 100 100115 125 180 180 180 180 180 180 180600 400 500 300 250 200 175 150 125 22如何利用振动法和爆炸法来消除焊接残余应力?振动法利用偏心轮和变速电动机组成的激振器使焊接结构发生共振产生循环应力，可使焊接残余应力逐渐降低，这种方法称为振动法。振动法消除残余应力的效果取决于激振器和构件支点的位置、激振频率和时间。其优点是所用设备简单价廉、处理费用低、时间短，也没有高温回火时金属表面氧化的问题，目前在生产中已得到应用。爆炸法通过布置在焊缝及其附近的炸药带，引爆产生的冲击波与焊接残余应力的交互作用，使金属产生适量的塑性变形，从而降低残余应力的方法称为爆炸法。采用爆炸法时炸药带的数量及安放位置，见图17。23试述影响焊接接头性能的因素有哪些。影响焊接接头性能的主要因素，可归纳为力学和材质两个方面，见图18。力学方法影响焊接接头性能的因素为接头形状的改变、焊接缺陷(如未焊透和焊接裂纹)、残余应力和残余变形。接头形状的改变，如焊缝的余高和施焊过程中可能千百万的接头错位等。材质方面影响焊接接头性能的因素为焊接热循环所引起的组织变化、焊后热处理和焊接残余变形的矫正等。焊接接头是组成焊接结构的关键部位，其性能与整个焊接结构的性能和安全有直接的关系。因此，不断地提高焊接接头的质量，是保证焊接结构安全、可靠工作的重要方面。24影响焊缝金属力学性能的因素有哪些?当焊缝金属的化学成分一定时，焊缝金属的力学性能取决于焊接层数和焊接线能量。单层焊时，焊缝金属的组织是典型的柱状晶见图19a。多层焊时，第一层焊道的柱状晶受后焊层的热作用而转化为较细的晶粒见图19b。所以，多层焊焊缝金属的力学性能，尤其是塑性比单层焊的来得好。焊缝金属的力学性能与焊接线能量的关系是增大焊接线能量，接头的冷却速度减慢，使强度、硬度均减少，这一点在焊接高强钢时更为明显，手弧焊焊接800MPa级高强钢时，焊缝金属的强度和焊接线能量的关系见图20。25试述焊接接头热影响区力学性能变化的状况。强度和塑性的变化低碳钢和调质钢热影响区强度和塑性的变化见图21a。在1200左右的粗晶区，强度增高，塑性降低。韧性的变化低碳钢和调质钢热影响区韧性的变化见图21b。在1200以上至熔合区出现韧性低值，最低位置在熔合线上。焊接线能量越大，高温停留时间越长，越容易因晶粒粗大而使韧性降低。含氮的低碳钢、低合金高强钢在势影响区400200(蓝脆温度)内会因塑性变形而引起韧性下降，这现象称为热应变脆化。26试述焊接接头和坡口的选择原则。接头强度对接接头具有最好的受力条件，是各种接头中优先考虑应用的接头形式。焊接工艺性这是指焊接接头的可焊到性、可探伤性和减少接头的腐蚀程度。焊接材料的消耗量同样厚度的接头，用双V形的坡口代替Y形坡口能节省较多的焊接材料、电能和工时，焊件越厚节省的越多。坡口加工Y形和双V形坡口可用氧气切割或等离子弧切割，亦可用机械切削加工。形、双形坡口只能用刨边机加工，在圆筒体上应尽量少开形坡口，因加工困难。焊接变形采用不适当的坡口形状容易产生较大的焊接变形。如平板对接的Y形坡口，其角变形就大于Y形坡口。27什么是焊接接头的可焊到性?焊接接头焊接时，为保证获得理想的接头质量，必须让焊条、焊丝或电极能方便地达到欲焊部位，这就是对接头可焊到性的要求，见图22。图中用角焊缝连接的接头共五组，左边是不合理的设计，因为箭头所指部位形成尖角，难以焊到。右边为合理设计，避免了尖角。图中对接接头中上图为不合理设计，因其坡口角度和根部间隙过小，使箭头所指部位难以焊到。下图为合理设计，加大了坡口角度和根部间隙，避免了焊不到的可能性。28什么是焊接接头的可探伤性?焊接接头的可探伤性是指接头检测面的可接近性。射线探伤的可接近性是指胶片的位置能使使整个焊缝处于探伤范围内并使可能出现的缺陷成像，见图23。图中左侧所示接头无法射线探伤或者探出的结果不准确，改进后的右侧接头才能较好地完成射线探伤。超声探伤对接头检测面的可接近性要求较低，但所有存在间隙的T形接头和未熔透的对接接头，都不能或者只能有条件地进行超声检测。29如何提高焊接接头的耐腐蚀性?腐蚀介质与金属表面直接接触时，在缝隙内和其它尖角处常常发生强烈的局部腐蚀，这是由于该处积存有少量静止溶液和沉积物。防止和减小这种腐蚀的方法是：第一，力求采用对接接头，焊缝焊透，不采用单面焊根部有未焊透的接头；第二，要避免接头缝隙及其形成的尖角和结构死区，要使液体介质能完全排放、便于清洗，防止固体物质在结构底部沉积，见图24。左图为不合理设计，右图为改进后的合理设计。30什么是应力集中?由于焊缝的形状和焊缝位置的不同，焊接接头受外力作用后工作应力的分布是不均匀的，其最大应力值max比平均应力值m高，这种情况称为应力集中。应力集中的大小，常以应力集中系数KT表示：max KT=m在焊接接头中产生应力集中的原因是：焊缝中的工艺缺陷气孔、夹渣、裂纹、未焊透等缺陷都会在其周围引起应力集中，其中尤以裂纹和未焊透引起的应力集中最为严重。不合理的焊缝外形对接焊缝的余高过大、角焊缝过于凸起，均会在焊趾处形成较大的应力集中。设计不合理的焊接接头接头截面的突变、加盖板的对接接头、只有单侧焊缝的T形接头等均会引起应力集中。31试述对接接头工作应力的分布。对接接头由于焊缝余高造成构件表面不平滑，在焊缝与母材过渡的焊趾处引起应力集中，其工作应力的分布见图25。在正面焊缝的焊趾处，应力集中系数KT为1.6，背面焊缝的焊趾处，应力集中系数KT为1.5。KT的大小与余高和焊缝向母材过渡的半径有关，减小过渡半径和增大余高，均使KT增加，因此不应当增加余高的方法来增加焊缝的承载能力，有关标准规定，余高应控制在03mm之间，不得超出。应力集中对动载结构的疲劳极限十分不利，因此承受动载荷的结构，焊缝的余高应趋于零，对重要的动载结构，可采用磨平余高或增大过渡圆弧的措施来降低应力集中，增加疲劳极限。对接接头外形的变形与其它接头相比是不大的，所以它的应力集中较小，且易于降低和消除，不但静载可靠，疲劳极限也较高，这是一种最好的接头形式。32试述十字接头(T形接头)工作应力的分布。由于十字接头(T形接头)焊缝向母材过渡较急剧，造成应力分布极不均匀，在角焊缝的根部和过渡处会产生很大的应力集中，见图26。图26a是未开坡口下面焊缝的应力分布，由于整个厚度没有焊透，焊缝根部应力集中很大，并且随角的减小而减小，随焊脚尺寸的减小而增大。图26b是开坡口并焊透后的应力分布，此时应力集中大大降低。因此，重要的十字接头(T形接头)应该开坡口，采用全焊透结构，以降低应力集中。33试述搭接接头工作应力的分布。根据搭接角焊缝的受力方向，可以将搭接角焊缝分为：与受力方向垂直的正面角焊缝(L3段)、与受力方向平行的侧面角焊缝(L1，L5段)、介于两者之间的斜向角焊缝(L2、L4段)，见图27a。正面搭接角焊缝的应力分布见图27b。在根部A点和焊趾B点产生较大的应力集中，减小角可以降低B点的应力集中系数。侧面搭接角焊缝的应力分布见图27c。应力分布的特点是两端大，中间小，而且焊缝较短时应力分布较均匀，因此通常要求侧面角焊缝的长度不得大于焊脚尺寸的50倍。联合搭接角焊缝的应力分布见图27d。由于在侧面角焊缝的基础上增添了正面角焊缝，由正面角焊缝承担一部分外力，使A-A截面上的正应力max和切应力max均降低，应力集中得以改善。因此，在设计搭接接头时，增添正面角焊缝，不但可以改善应力分布，还可以缩短搭接长度。搭接接头的应力集中比对接接头大得多，因此在目前制造的焊接结构中，大多已将搭接接头改为对接接头。34试述盖板接头工作应力的分布。仅有侧面角焊缝的盖板接头，在盖板范围内各横截面上正应力的分布非常不均匀，靠近侧面焊缝的部位应力最大，远离焊缝并在构件的轴线位置上应力最小，见图28a。增添正面角焊缝后，各横截面的正应力分布得到明显的改善，应力集中大大降低，见图28b。焊接工艺问答七、焊接变形、应力和强度35试述应力集中对结构静载强度的影响。各种焊接接头都有不同程度的应力集中，当母材具有足够的塑性时，结构在静开车破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。例如，侧面搭接接头在加载时，如果母材和焊缝金属都有较好的塑性，其切应力的分布是不均匀的，见图29。继续加载，焊缝的两端点达到屈服点s，则该处应力停止上升，而焊缝中段各点的应力因尚未达到s，故应力随加载继续上升，到达屈服点的区域逐渐扩大，应力分布曲线变平，最后各点都达到s。如再加载，直至使焊缝全长同时达到强度极限，最后导致破坏。36什么是工作焊缝?什么是联系焊缝?焊接结构上的焊缝，根据其载荷的传递情况，可分为两种：一种焊缝与被连接的元件是串联的，承担着传递全部载荷的作用，一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，见图30a、图30b，其应力称为工作应力。另一种焊缝与被连接的元件是并联的，仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称为联系焊缝，见图30c、图30d，其应力称为联系应力。设计时，不需计算联系焊缝的强度，只计算工作焊缝的强度。37举例说明对接接头爱拉(压)时的静载强度计算。平面内,平面外,举个简单的例子,也就是你在看pkpm的手册里面,特别是关于板这个概念用得多.1关于板的面内面外,通常刚性板假定面内刚度无穷大,面外刚度为零,面内就是你站在地面,目光平视看到的板的方向就是面内方向,即水平方向的板的刚度,(个人认为)这个时候如果视板为一个构件,简单的认为其轴向刚度无穷大.面外方向就是水平板的垂直方向,就是你站在楼板上,你自身身体的方向,就是面外方向,这个时候视为其抗弯刚度为零(GA和EA一般是不考虑的),也即分析时不考虑.框架结构分析时,特别是在大学期间手算框架时有明显的体现的,全焊透对接接头的各种受力情况见图31。图中F为接头所受的拉(压)力，Q为切力，M1为平面内弯矩，M2为垂平面弯矩。受拉时的强度计算公式为西格玛Ft=tL1 F受压时的强度计算公式为=L1式中F-接头所受的拉力或压力(N)；L-焊缝长度(cm)；1-接头中较薄板的厚度(cm)；-接头受拉(t)或受压()时焊缝中所承受的应力(N/cm2)t-焊缝受拉时的许用应力(N/cm2)-焊缝受压时的许用应力(N/cm2)计算例题两块板厚为5mm、宽为500mm的钢板对接焊在一起，两端受28400N的拉力，材料为Q235-A钢，试校核其焊缝强度。解：查表得t=14200 N/cm2。根据已知条件，在上述公式中，F=28400N，L=500mm=50cm，1=5mm=0.5cm，代入计算为F 28400t=1136N/cm214200N/cm2 L1 500.5该对接接头焊缝强度满足要求，结构工作安全。38举例说明对接接头受剪切时的静载强度计算。受剪切时的强度计算公式为陶Q=L1式中Q-接头所受的切力(N)；L-焊缝长度(cm)；1-接头中较薄板的厚度(cm)；-接头焊缝中所承受的切应力(N/cm2)；-焊缝许用切应力(N/cm2)计算例题两块板厚为10mm的钢板对接焊，焊缝受29300N的拉力，材料为Q235-A钢，试设计焊缝的长度(钢板宽度)。解：查表得=9800 N/cm2。根据已知条件，在上述公式中，Q=29300N，1=10mm=1cm，代入计算为Q 28400 L=2.99cm=29.9mm119800取L=30mm。即当焊缝长度(板宽)为30mm时，该对接接头焊缝强度能满足要求。39举例说明对接接头受弯矩时的静载强度计算。受水平板面内弯矩的强度计算公式为6M1=t1 L2受垂直板面内弯矩的强度计算公式为6M2=t12 L式中M1-水平板面内弯矩(N/cm2)；M2-垂直板面弯矩(N/cm2)；L-焊缝长度(cm)；1-接头中较薄板的厚度(cm)；-接头受弯矩作用时焊缝中所承受的应力(N/cm2)；t-焊缝受弯时的许用应力(N/cm2)。计算例题两块厚度相同钢板的对接接头，材料为16MnR钢，钢板宽度为30mm，受垂直板面弯矩300000 Ncm，试计算焊缝所需的厚度(板厚)。解：查表得t=20100 N/cm2。根据已知条件，在上述公式中，M2=300000 Ncm，L=300mm=30cm，代入计算为取1=18mm，即当焊缝厚度(板厚)为18mm时，该对接接头焊缝强度能满足要求。40举例说明搭接接头受拉(压)时的静载强度计算。各种搭接接头的受力情况，见图32。三种焊缝的计算公式为正面搭接焊缝受拉(压)的计算公式为F=1.4KL侧面搭接焊缝受拉(压)的计算公式为F=1.4KL联合搭接焊缝受拉(压)的计算公式为F=0.7KL式中F-搭接接头受的拉(压)力(N)；K-焊脚尺寸(cm)；L-焊缝长度(cm)；L-正、侧面焊缝总长(cm)；-搭接接头角焊缝受的切应力(N/cm2)；-焊缝金属许用切应力(N/cm2)；计算例题将100mm10mm的角钢用角焊缝搭接在一块钢板上见图33。受拉伸时要求与角钢等强度，试计算接头的合理尺寸K和L应该是多少?解：从材料手册查得角钢断面积S=19.2cm2；许用应力=16000 N/cm2，焊缝许用应力=10000 N/cm2。角钢的允许载荷为F=S=19.216000=307200 N假定接头上各段焊缝中的切应力都达到焊缝许用切应力值，即=。若取K=10mm，采用手弧焊，则所需的焊缝总长为F307200L=43.9cm 0.7K0.7110000角钢一端的正面角焊缝L3=100mm，则两侧焊缝总长度为339mm。根据材料手册查得角钢的拉力作用线位置e=28.3mm，按杠杆原理，则侧面角焊缝L2应承受全部侧面角焊缝载荷的28.3%。28.3L2=339=96mm 100另外一侧的侧面角焊缝长度L1应该为100-28.3 L1=339=243mm 100取L1=250mm，L2=100mm。41举例说明搭接接头受弯矩时的静载强度计算。搭接接头受弯矩的情况，见图34a。计算公式为式中M-作用在接头上的外加弯矩(N/cm2)；K-焊脚尺寸(cm)；H-搭接板宽度(cm)；-焊脚的许用切应力(N/cm2)。计算例题由三面焊缝组成的悬臂搭接接头(图34)，当焊缝总长为500mm，K=10mm时，h=300mm在梁的端头作用一弯矩M=2800000 Ncm，试验计算接头是否安全?已知焊缝作用切应力=10000 N/cm2。42举例说明搭接接头受偏心载荷时的静载强度计算。如果搭接接头承受的载荷是垂直X轴方向的偏心载荷F见图35，此时焊缝中既有由弯矩M=FL引起的切应力M(由来1公式计算),又是有由切力Q=F引起的切应力Q为计算例题一偏心受载的搭接接头(图35)，已知焊缝长h=400mm，l0=100mm，焊脚尺寸K=10mm，外加载荷F=30000N，梁长L=100cm，试校核焊缝强度。焊缝的许用切应力=10000N/cm2。解：分别计算M、Q：43举例说明T形接头受平行于焊缝载荷时的静载强度计算。T形接头及其受载荷的情况，见图36a。如果接头开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属截面等于母材截面(S=h)。如果接头开I形坡口，此时产生最大切应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时作用有两个切应力：一个是由M=FL引起的M；另一个是由Q=F引起的Q。M、Q的44什么是焊接结构的疲劳断裂?疲劳断裂的过程由三个阶段所组成：1)在承受重复载荷的结构的应力集中部位产生疲劳裂纹(此时结构所受应力低于弹性极限)。2)疲劳裂纹稳定扩展。3)结构断裂。据统计，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。焊接结构较其它结构(如铆接结构)更容易产生疲劳断裂，这是因为：1)铆接结构的疲劳裂纹发展遇到钉孔或板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性，一旦产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直至整个构件断裂。2)焊接连接不可避免地存在着产生应力集中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。3)焊缝区存在着很大的残余拉应力。几个典型的焊接结构疲劳断裂事例见图37。图37a为直升飞机起落架的疲劳断裂。裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着陆2118交后发生破坏，属于低周疲劳。图37b为载重汽车底架纵梁的疲劳断裂。该梁板厚5mm，承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生疲劳裂纹而破坏，此时该车已运行30000km。45试述焊接接头形式对疲劳极限的影响。焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，将对接头的疲劳极限产生程度不同的不利影响。对接接头对接接头从焊缝至母材的形状变化不大，应力集中比其它接头要小，所以在所有的接头形式中具有最高的疲劳极限。但是过大的余高会增加应力集中，使疲劳极限下降。T形接头这种接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，应力集中系数比对接接头的应力集中系数高，因此其疲劳极限远低于对接接头。提高T形接头疲劳极限的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。搭接接头这是一种疲劳极限最低的接头形式，特别是在原来对接接头的基础上，增加盖板来进行加强，其结果适得其反，这种盖板非但没有起到加强作用，反而使原来疲劳极限较高的对接接头被大大地削弱了。46试述焊接缺陷对疲劳极限的影响。焊接缺陷对焊接接头的疲劳极限产生重大的不利影响，这种不利影响与焊接缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷(如裂纹、未熔合、未焊透)比带圆角的缺陷(如气孔、点状夹渣)影响大。表面缺陷比内部缺陷影响大。与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向大。位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余应力区内的大；位于应力集中区内的缺陷(如焊趾裂纹)的影响比在均匀应力区中同样缺陷影响大。咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下对接头疲劳极限的影响，见图38，其中A组的影响最大，B组的影响较小。47如何选用合理的结构形式来提高接头的疲劳极限?选用应力集中较小的结构形式是提高疲劳极限的重要措施，几种设计方案的正误比较，见图39。48如何利用电弧整形的方法来提高接头的疲劳极限?电弧整形的方法，是用钨极氩弧在焊接接头焊缝与母材之间的过渡区重熔一次，使焊缝与基本金属能平滑地过渡，同时减少该部位的微小非金属夹杂物，使接头部位的疲劳极限得以提高，见图40。电弧整形提高接头疲劳极限的效果，见表10。表10电弧整形后焊接接头疲劳极限提高的效果接头形式钢种(MPa级)试件截面(1mm)循环特性2106次循环下的疲劳强度极限(MPa)疲劳极限提高(%)与基本材料相比原始状态整形后对接s=340s=450s=6747012-180 115 80120 158 15050 35 90-对接低碳钢低合金钢72.5052 64116 181120 2800.96 0.86接头形式钢种(MPa级)试件截面(1mm)循环特性2106次循环下的疲劳强度极限(MPa)疲劳极限提高(%)与基本材料相比原始状态整形后对接HT60s=5342525-185250340.67搭接并具有加长的端面焊缝低合金钢-08610130-周边焊的加强板横加强肋板的连接s=312s=3417012 7012-1-195 50150 9060 80-横加强肋板的连接纵加强肋板的连接8012 80120.3 0.3188 137219 15816 15-49提高焊接接头疲劳极限的常用方法有哪些?常用提高焊接接头疲劳极限的方法，见表11。表11常用提高焊接接头疲劳极限的方法方法技术说明适用范围及优点缺点改善几何形状方法电弧气刨后补焊法砂轮修磨法钻孔法锥形砂轮磨光法TIG重熔法用碳弧气刨吹掉熔化金属后再补焊用100cm直径砂轮，60150级硅砂孔径一般为1225mm用锥形砂轮打磨焊趾磨去基材0.5mm。用30200级硅砂轮分3次连续磨光。用TIG焊不填充焊丝重熔焊趾，能消除6mm深的缺陷。适用于有很大的内部缺陷适用于对接焊缝余高，快速、容易适用于侧面节点板和个别有裂纹的细节费用低，不要求特别的设备。适用于角焊缝这是打磨法中最有效的方法适用于在车间制造的小机械部件和横向焊缝对高强钢，当裂纹起始寿命较大时，改善效果更大费用高，焊补可能产生新的缺陷不能磨掉所有缺陷仅用于穿透裂纹，延长其疲劳寿命消耗多，耗用高，难于确保质量要求焊缝表面清洁，引起焊缝表面硬化残余应力方法射水冷却法点加热法多丝锤击法喷丸锤击法单点锤击法局部加压法初始超载法热应力消除法将焊缝加热至500保持3min，然后射水使表面快速冷却在距焊缝一定位置加热至280，引起局部屈服用2钢丝组成束状锤头，对焊趾表面进行冷作加工，压缩空气压力为500100kMa喷铁或玻璃对焊趾表面进行冷作加工用直径612mm球形锤头对焊趾进行冷加工，可用电锤或气压锤。在距焊缝一定位置局部加压至屈服(23倍压应力)用拉伸法预先加载使焊缝区局部屈服在炉内加热至600，缓冷24h以上，加热速度为每10mm板厚1h不需知道裂纹起始位置，不需严格控制温度适用于大板适用于中等严重的缺口适用于平板和轻微缺口适用于较严重的缺口，无损耗适用于铝合金适用于薄板适用于小构件的纵向角焊缝高温(500)，限制冷却位置。不适用于大接头和小接头。过热可能引起冷却时的马氏体变化必须知道开裂位置，对横向焊缝无效引起较小的缺口，未建立质量控制技术要求有操作经验，仅适于水平位置要求有操作经验不适用于很大结构大构件常常不成功，冷却速度慢涂装方法均分负载层油漆镀锌阴极防护塑料、油漆、钎焊、逐层涂装易检查适用于腐蚀环境适用于发生应力腐蚀裂纹和裂纹扩展速率大于10-5mm周的严重腐蚀环境表面清洁，易凝固开裂费用高费用高50什么是延性断裂?什么是脆性断裂?根据金属材料断裂前塑性变形的大小，断裂可分为延性断裂和脆性断裂两种形式。延性断裂断裂过程是：金属材料在载荷作用下，首先产生弹性变形。当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。脆性断裂在应力低于材料的设计应力和没有显著的塑性变形情况下，金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂(裂纹扩展速度可高达1500200m/s)称为脆性断裂。脆性断裂的裂口平整，与正应力垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽。51试述应力状态对焊接结构产生脆性断裂的影响。当物体受外载时，在主平面上作用有最大正应力max(另一个与之相垂直的平面上作用有最小正应力min)与主平面成45的平面上作用有最大切应力max。如果在max达到屈服点前，max先达到抗拉强度，则结构发生脆性断裂；反之，如max先达到屈服点，则发生塑性变形及形成延性断裂。实验证明，当材料处于单向或双向拉应力作用下，呈现塑性；在三向拉应力作用下，呈现脆性。三向拉应力可能由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性所引起。虽然此时整个结构处于单向、双向拉应力状态下，但其局部地区由于设计不佳、工艺不当或产生焊接缺陷(如裂纹)，往往会出现形成局部三向应力状态的缺口效应，见图41。在三向拉应力的作用下，材料的屈服点较单向应力时提高，结果在缺口根部形成很高的局部应力而材料尚不发生屈服，使材料的塑性下降，脆性增加，成为脆断的发源地。因此，焊接结构的脆断事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。52试述温度对焊接结构产生脆性断裂的影响?什么是脆性转变温度?如果把一组开有相同缺口的试样在不同温度下进行试验，则随着温度的降低，其破坏方式会发生变化，即