焊接结构讲课

焊接结构第一章绪论,一、焊接结构的应用金属结构：建筑钢结构、船体、铁道车辆、压力容器、航天器全部或部分取代铆接、整铸、整锻应用比例：焊接结构占钢产量的45,焊接结构实例,二、焊接结构与铆接结构比较,1、节省材料2、省工：无需打孔3、设备投资少4、密封性好,三、焊接结构与铸造锻压结构相比较,1、不需要砂型工序简单、周期短2、比铸件节省材料3、轧制材料焊接质量好举例：,成本对比a)b)c),批量生产有时比铸造经济,四、焊接结构主要特点,1.应力集中比铆接大如右图所示2.焊接应力与变形大3.性能不均匀：组织、力学性能4.整体性强：高刚度、高密封,第二章焊接应力与变形,2-1内应力及变形的基本概念一、内应力及产生原因按分布范围分为：第一类内应力（宏观，工程中主要研究对象）第二类内应力（晶粒尺寸）第三类内应力（晶格尺寸）,内应力按产生原因分类：温度应力及残余应力,温度应力（热应力）产生条件：受热不均匀温度均匀结果：应力残留或消失,举例,残余应力,产生原因：不均匀加热产生条件：局部区域产生塑性变形或相变,二、自由变形、外观变形和内部变形,自由变形：LT=L0(T1-T0)T=LT/L0=(T1-T0)外观变形：Lee=Le/L0内部变形：L=(LTLe)=L/L0,低碳钢应力应变关系=E=E(eT),三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力,研究的前提条件：平面假设原理长板条中心加热,截取板条的单位长度研究,温度低，无塑性变形,应力平衡：,温度高，产生塑性变形，残余应力：,非对称加热（一侧加热）,b)和c)两种情况为不平衡力矩，不能发生,内应力平衡条件为：,截面有转动，所以e非常数，是x的线性函数,板条平均伸长率为：,板条曲率为：,结论：当s时产生残余应力和残余变形（如图27）；当s时不产生残余应力和残余变形；,四、焊接引起的内应力及变形焊接应力与变形的特殊性,金属高温性能随温度变化对于低碳钢,典型焊接温度场平面假设的适用条件：焊接速度快材料导热慢（钢）,受拘束体在热循环中的应力与变形的演变过程,弹性状态，无残余应力,有塑性变形及残余应力,残余应力等于材料屈服极限,焊接应力应变的演变过程,焊接热应变循环,近缝区的两种情况a)无相变；b)有相变,（焊缝）金属在高温时的延性和断裂,脆性温度区热裂纹产生条件热应变脆化,焊接瞬态应力变形研究的新发展有限元法和计算机技术的应用取代简单计算,22焊接残余变形焊接残余变形的分类：分七类,纵向收缩变形横向收缩变形,挠曲变形,角变形波浪变形：薄板易发生,错边变形：长度方向和厚度方向,螺旋形变形,焊接变形影响结构尺寸的准确、美观可能降低结构承载能力（附加弯曲应力）,焊接变形可能降低结构承载能力举例二,二、纵向收缩变形以及它引起的挠曲变形,假想力作用在塑性变形区上,线能量对焊接纵向变形的影响:多层焊与单层焊,细长构件纵向收缩量的经验公式估算:,单层焊的纵向收缩量,多层焊的纵向收缩量,两面角焊缝丁字接头再乘以系数1.151.40,钢制构件的挠度估算,单道焊缝引起的挠度:,多层焊和双面角焊缝引起的挠度:,三、横向收缩变形及其产生的挠曲变形,堆焊及角焊缝,横向收缩变形与线能量和板厚的关系图236,横向收缩在焊缝长度方向上的分布图237,对接接头,留有间隙的平板对接焊的横向变形,不留间隙的平板对接焊的横向变形,沿焊缝纵向热变形对横向变形的影响,四、角变形,产生原因：横向收缩在厚度方向上的不均匀分布,堆焊,对接接头,对接焊层数与角变形的关系,对接多层焊防止角变形方法,丁字接头的角变形,五、波浪变形,产生原因：受压部位失稳,螺旋形变形,八、预防焊接变形的措施,设计措施1.合理选择焊缝尺寸和形式,开坡口的好处:减小变形节省人力物力,减小焊接变形措施:坡口选取,设计措施之二2.减少不必要的焊缝,设计措施之三3.合理安排焊缝位置焊缝尽量对称于中性轴或靠近中性轴,工艺措施,1.反变形法,2.刚性固定法,3.合理选择焊接方法和焊接规范,4.选择合理的装配焊接次序,方案一,方案二,方案三,九、矫正焊接变形的方法,机械矫正法,火焰加热矫正法,焊接角变形的利用火焰成型(水火弯板),2-3焊接残余应力,一、焊接残余应力的分布纵向残余应力,横向应力,厚板中的残余应力,电渣焊,低碳钢多层焊,拘束状态下的焊接内应力,封闭焊缝引起的内应力,相变应力,二、焊接残余应力的影响,内应力对静载强度的影响,塑性材料在平面应力状态：无影响,脆性材料或脆性状态,承载能力下降,塑性脆性力学状态的判断,内应力对机械加工精度和尺寸稳定性的影响,内应力对受压杆件稳定性的影响,内应力对刚度的影响,三、焊接过程中调节内应力的措施,采用合理的焊接顺序和方向,先焊受力大的焊缝，使之最终受压应力作用,拼板时先焊短缝，再焊直通长缝,适当采用反变形法,随焊锤击或碾压焊缝在结构适当部位加热使之伸长,四、焊后消除焊接内应力的方法,整体高温回火局部高温回火,机械拉伸法（过载法）,温差拉伸法振动法,五、焊接残余应力的测定,应力释放法1.切条法,2.套孔法3.小孔法4.激光全息照相法5.逐层铣削法,x射线衍射法,第三章焊接接头的不均匀性,31焊接接头的一般性能,一、焊接接头的概念(含义),二、焊接接头的不均匀性及其力学行为,热影响区的力学性能,1.强度和塑性,2.韧性,3.热塑变脆化,焊缝金属的力学性能,低强焊缝金属的力学性能,低组配-硬夹软高组配-软夹硬,三、焊接接头的基本形式,焊缝的基本形式1.对接焊缝,2.角焊缝,接头的基本形式,搭接接头:开槽焊和塞焊,丁字(十字)接头,角接头,3-2焊接接头的工作应力分布和工作性能,一、应力集中的定义,二、电弧焊接头的工作应力分布和工作性能对接接头,丁字接头、十字接头,搭接接头,1.正面角焊缝的工作应力分布,正面搭接焊缝的弯曲变形,2.侧面角焊缝的工作应力分布,3.联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布,4.盖板接头中的工作应力分布,三、接触焊接头的工作应力分布和工作性能,点焊接头,正应力,四、铆焊联合接头与铆焊联合结构铆焊联合接头是不合理接头形式,铆焊联合结构的优点1.刚度小2.应力集中系数低3.内应力低4.止裂性好5.减少工地焊接,保证质量,第四章焊接结构的脆性断裂4-2金属材料的断裂及其影响因素,一、金属材料断裂的形态特征,延性断裂：断裂过程宏观特征微观特征韧窝,脆性断裂：解理断裂断口发光颗粒、延晶、人字花样、河流花样、扇形花样晶界断裂断口较灰暗、穿晶、岩石花样、冰糖花样,二、影响金属脆性断裂的主要因素,应力状态的影响,温度的影响：转变温度加载速度的影响：,材料状态的影响1.厚度的影响厚板缺口轧制条件2.晶粒度的影响:转变温度3.化学成分的影响:C、N、O、H、S、P增加钢脆性，Mn、Ni、Cr、V降低钢的脆性,43金属材料断裂的能量理论,一、脆性材料：葛里菲斯理论,4-4材料断裂的评定方法,一、转变温度方法,冲击试验却贝V形缺口试验能量标准断口标准延性标准,转变温度方法试验方法断裂力学方法,爆炸膨胀试验和落锤试验爆炸试验a.平裂情况b.凹裂情况c.凹陷和局部断裂情况d.膨胀撕裂情况,落锤试验,静载试验,二、断裂力学的评定方法转变温度方法的缺点和局限性,45焊接结构的特点及其对脆断的影响,一、焊接结构刚性大整体性强,二、焊接结构制造工艺特点与脆断的关系,应变时效引起的局部脆性转变温度提高，延性韧性下降解决方法：焊后热处理金相组织改变对脆性的影响：线能量应适当选取,焊接缺陷对脆断的影响角变形和错边的影响,残余应力和塑性变形的影响分两种情况：转变温度以上及转变温度以下,46焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法,一、脆断的产生（引发）、扩展和停止临界转变温度二、焊接结构设计的两种原则防止引发原则及止裂性能三、焊接接头抗开裂性能试验韦尔斯宽板拉伸试验：适合高强钢,断裂韧性试验适合中低强度钢，全面屈服断裂力学,尼伯林科试验（动载荷抗开裂试验）,四、止裂试验,罗伯逊止裂试验（变温试验）,均温止裂试验,双重拉伸试验,47预防焊接结构脆性断裂的措施,一、正确选用材料接头各部分的要求不能盲目选用高强度材料二、采用合理的焊接结构设计减少应力集中尽量减小结构刚度,不采用过厚的截面重视附件和不受力的焊缝设计减小和消除焊接残余应力,三、用断裂力学方法评定结构的安全性重视质量监督,第五章焊接接头和结构的疲劳强度,5-1研究意义,占失效90，从应力集中出开始,52疲劳断裂过程和断口特征,断裂过程的三个阶段一、应力集中处产生初始疲劳裂纹低倍显微镜可见二、裂纹稳定扩展三、断裂瞬断或压力容器泄漏断口显微特征疲劳辉纹，扩展机理拉艾特和斯密斯模型,断口宏观特征：辐射的贝壳纹,53焊接结构中疲劳极限的常用表示法一、基本概念疲劳强度和疲劳极限,应力循环特性,二、疲劳强度的常用表示法,1.对称交变载荷,2.脉动载荷,3.拉伸变载荷,疲劳图的几种表示法,举例作业,5-5断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用,一、裂纹的亚临界扩展,亚临界扩展的两种方式：1、应力疲劳：高循环、低载荷、裂纹扩展速率小2、应变疲劳：低循环、高载荷、裂纹扩展速率高,帕瑞斯公式的两个缺点：a.未考虑平均应力对裂纹扩展速率的影响；b.为考虑裂纹扩展的加速效应福曼提出修正公式：,帕瑞斯公式与福曼公式的试验数据比较,二、疲劳裂纹扩展特性da/dNK曲线的一般关系,三、疲劳裂纹扩展寿命的估算,5-6影响焊接接头疲劳强度的因素,一、应力集中的影响,二、近缝区金属性能变化对疲劳强度的影响,三、残余应力的影响,四、缺