武汉理工大学2011级焊接结构复习

1、武汉理工大学 2011 级焊接结构课复习题 焊接结构课复习题（） 第一章 序论 1. 什么是焊接结构 ?它有何优缺点 ? 答：全焊结构，铆焊接构，栓焊结构 3 种结构的总称就叫焊接结构。 焊接结构的优点： 1、连接效率高 2、水密性和气密性好 3、重量轻 4、成本低、制造周 期短 5、厚度不受限制 缺点： 1.应力集中变化范围大 2.有较大的应力和变形 3.有较大的性能不均匀性，且对 材料敏感 4.焊接接头的整体性导致止裂困难 5. 焊接接头缺陷难以避免 ,具有隐蔽性。 第二章 焊接应力与变形 1. 何谓内应力？内应力有何性质及推论？ 答：在没有外载荷作用时，平衡于物体内部的应力叫内应力。 性

2、质：自身平衡 ，不稳定性 推论： 内应力的波形图至少应该是三波形的， 因为单波形，两波形都不能满足合 力为零，合力矩为零。 2. 内应力的分类？热应力和组织应力概念。 答：按内应力产生的原因来分 ：有热应力和组织应力。焊接应力的平衡范围较大，属 于宏观内应力。 热应力 ：也叫温度应力，是由于构件受热不均匀而引起的应力。 组织应力： 金属冷却时，在刚性恢复温度之下产生相变导致体积变化而引起的应力叫 组织应力。（对于低碳钢，刚性恢复温度是 600 度，而它的奥氏体转变温度是 600700 度之间， 600度以下没有相变发生，所以低碳钢不存在组织应力） 按内应力平衡的范围分第一，二，三类内应力。 按

3、内应力产生的时间来分 ：有瞬时应力和残余应力 利用三等份板条中间 外观应变 e 3. 何谓自由变形、 外观变形、 内部变形？搞懂他们的相互关系。 板均匀加热的模型理解焊接应力与变形产生的原因？ 答：1.自由应变 T：当某一金属物体的温度有了改变，或发生了相 变，它的尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的 任何阻碍而自由地进行，这种变形称之为自由变形。如果增加一个 一个约束条件，自由应变 T 就不能完全表现出来，表现出来的部分为 而未表现出来的部分就叫 内部应变 。（弹性内部应变 S和塑性内部应变 p）在温度 恢复到 T0 之后，塑性内部应变将保留下来，这样原杆件将缩短 三等分板条的

4、力学模型 : 如果中间部分的温度上升小，出现的不可见变形处于弹性范 围内，当温度恢复到原始状态，则刚才出现的应力和变形都会消失,不会有残余应力和 变形出现 . 如果中间部分的温度上升大， 温度恢复后， 中间部分受拉应力而两侧部分则 受压应力。 4. 研究焊接应力与变形的基本假设。 答： 1.热物理性能的简化 :设材料的热物理参数不随温度变化 2.在 500度以下屈 服极限 s为常量， 500600之间，线性下降到 .大于 600度认为材料丧失弹性。 3. 平截面假设 :构件的某截面在加热前是平面，那么加热变形后仍然保持平面。 5. 焊缝的纵向收缩和横向收缩是以焊缝为参照系的 ,而与焊件的纵横无

5、关。 6. 各种焊接变形（收缩变形，弯曲变形，角变形、波浪变形、焊接错边、扭曲变形） 武汉理工大学材料学院 2011 级任波制作 武汉理工大学 2011 级焊接结构课复习题 的产生原因，影响因素和控制措施。 答：纵向收缩变形 ：不均匀加热压缩塑性变形相当于力缩短力偏离构 件中心弯曲 影响纵向变形的因素（ 6 点）：多层焊的焊接纵向变形比单层焊小 ,间断焊的纵向收缩 变形比连续焊小 （与线能量有关 ）;构件中心与焊缝中心距离大的，弯曲变形也大，因为 距离大，促使焊件变形的力的力矩也越大。 横向收缩变形 : 1.堆焊 原因：加热不同时 前后各点温度不同 膨胀受阻 压 缩塑变 横向收缩 影响因素 ：

6、线能量 q，板厚 ：板厚增加，使得板的刚度增加抵抗变形的能力增加。 横向变形沿焊缝长度上的分布是不均匀的，沿着焊接方向从小到大逐渐增长，到一定 长度后趋于稳定，因为先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后 者产生一个更大的横向压缩变形。 2. 对接接头： 一方面 ：有间隙时：热膨胀 间隙 横向收缩 无间隙时：热膨胀 挤压使厚度（冷却后向外侧膨胀的部分恢复，厚度方向的变 形不可恢复）横向收缩 另一方面：焊缝的纵向收缩影响横向变形，纵向变形 间隙 横向收缩 影响因素： 坡口角度、间隙 横向收缩 ，焊缝金属量 横向收缩， 线能量 横向收缩 角变形 原因：横向收缩变形在厚度方向上的不均匀

7、分布，正面的横向收缩大，背面 的横向收缩小。 影响因素 ：堆焊 角变形随线能量 qn变化的关系是随线能量 qn的上升，角变形由小到大， 达到峰值后又下降。角变形随板厚的变化也如此。 对接接头 影响角变形的主要因素 是坡口角度、焊接层数以及焊缝截面形状。 坡口角度上下收缩差角变形，对于同样的坡口形式多层焊比单层焊 角变形大，焊接层数越多，角变形越大。用对称坡口如： X 型坡口、双 U 型坡口取代 型坡口有利于减少角变。 波浪变形： 板架结构焊后是否失稳的判据为： （焊接残余压应力） w cr （薄 板的抗失稳临界压应力） 降低焊接残余压应力 w的方法：采用小的焊接线能量， 采用间断焊， 采用能量

8、密度高 的焊接方法。增大薄板的抗失稳临界压应力 cr 的方法：增加板厚，增加骨架，减小 骨架间距，但这些效果都不好，所以对薄板框架结构很难做到焊后不失稳，应当寻找 一种新型来取代薄板框架结构，这就是新型的压筋结构。 焊接错边： 分为厚度上的错边和纵向错边 原因： 装配不善，对接边的热不平衡，刚度不等。焊接错边在长焊缝上有逐步积累作 用，所以一般不宜用直通焊焊长焊缝，可采用跳焊、分段退焊；对于环形焊缝应当对 称施焊，跳焊 ,而不是顺着一个方向焊 ,以防错边积累。 螺旋形变形（扭曲变形） 原因：角变形沿焊缝长度方向分布不均匀以及工件的纵向 错边。 措施：改变焊接顺序和方向。将俩条相邻的焊缝同时同方

9、向焊接。 7. 预防焊接变形的设计措施，工艺措施各有那些？ 答： 设计措施 ：（ 1）合理地选择焊缝尺寸和形式：在保证结构的承载能力的条件下， 设计时应尽量采用小的焊缝尺寸 （2）尽可能减少不必要的焊缝 （3）合理地安排焊 缝的位置：焊缝应尽可能安排在接近结构中和轴的地方，并尽可能对称于截面中和轴。 武汉理工大学材料学院 2011 级任波制作 武汉理工大学 2011 级焊接结构课复习题 工艺措施 ：（ 1）严格对加工装配工序的要求（ 2）预留收缩余量（ 3）反变形法，事先 估计好结构变形的大小和方向然后在装配时给一个相反方 向的变形与焊接变形相抵消。 （ 4）刚性固定法用来防止角 变形和波浪变

10、形效果比较好。 （ 5）合理地选择焊接方法和 规范，选用能量密度高的焊接方法可以有效的防止焊接变 形，CO2 焊就比手弧焊变形小，气焊变形最大，真空电子 束焊和激光焊能量密度最大焊缝很窄变形极小。 例：如图：对于这样一个不对称的工字型结构 ,如果用相同的焊接规范 进行焊接，则焊缝 1、2 造成的弯曲将大于 3、4，如果把 1、2 焊缝适 当分层焊接，每层用小线能量 , 则有可能使上下绕曲变形相互抵消 （6） 合理地选择装配焊接顺序 8. 能分析不同的装配焊接顺序对焊接变形的影响。 例：方案一先组合槽钢 （A） 和若干隔板 （B），即先焊 3 缝，出现 上绕 f3：再组合（ A+B）和 C，先焊

11、 1 缝，出现上绕 f1；再焊 2 缝，出现上绕 f2；总变形 ：f1+ f2+ f3 方案二先组合 A、C，即先焊 1 缝，出现上绕 f1，不变；再组合 （A+C）和 B，先焊 2 缝，出现上绕 f2，不变；再焊 3缝，出现 下绕 f3；由于此时的中和轴与 A 、B 组合时相比下移了，所以 3 缝的中心可能变到中和轴的上方， f 3将成为下绕度。总变形 ：f1+ f2f3 方案三先组合 B、C，即先焊 2缝，绕度 f2 = 0 ；此时焊缝中心和 B、C的中性轴几乎 重合，所以产生的绕度很小，几乎为 0。再组合（ B+C）和A，先焊 1缝，出现上绕 f1； 再焊 3 缝，出现下绕 f3；总变形

12、 ：f1 f3 最小 9. 用机械和火焰矫正焊接变形的原理各是什么？ 答：机械矫正法 是利用外力使构件产生与焊接变形相反的变形，使两者抵消（使那些 缩短的部分拉长） 火焰矫正法 是利用火焰局部加热时产生的压缩塑性变形使较长部位 的金属缩短来达到矫正变形的目的。 10. 纵向焊接残余应力的分布特点及数值大小。 11. 横向焊接残余应力的分布特点及与施焊方式的关系。 答：分为两个组成部分：一是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的， 用 y表示。存在着两端部分为压应力，中间部分为拉应力的横向内应力。另一个是 由焊缝及其附近的塑性变形区横向收缩的不同时性引起的，用y表示。 y与施 焊的先后次序

13、、方向、分段方法有关。虽然焊接的方向不同， y的分布不同，但只 要掌握一点，就是 焊接收尾的地方 y一定是拉应力 。 12. 残余应力对机械加工精度的影响，对受压杆件稳定性的影响？ 武汉理工大学材料学院 2011 级任波制作 武汉理工大学 2011 级焊接结构课复习题 答：对机械加工精度会产生很大的影响 ：因为机械切削加工把一部分材料从工件上切 去的同时，把原先在那里的焊接残余应力也一起去掉了，从而破坏了工件中原来的内 应力的平衡，工件将出现变形使内应力达到新的平衡。要减小变形，提高加工精度， 可以减小每次的加工量，分几次加工，每次加工量递减，这样可以提高加工精度，但 不能彻底消除焊接应力对加

14、工精度的影响。 要想彻底消除焊接应力对加工精度的影响， 只能先消除焊接残余应力然后再进行机械加工。 对受压杆件稳定性的影响 ：降低了杆件的抗失稳能力，且影响压杆稳定的主要是残余 应力中的压应力区。 13. 残余应力对静载强度及尺寸稳定性的影响。 答：焊接残余应力对塑性材料的静载强度没有影响， 而对尺寸稳定性却有很大影响 因为要使构件全面屈服 ,不管有无残余应力需要的外载荷都是一样的。对脆性材料，焊 接残余应力降低其静载强度。 14. 在焊后的加卸载过程中，焊接残余应力及应变的变化。 答： 结论一、焊接残余应力对塑性材料的静载强度没有影响 .结论二 : 焊接结构焊后经 过一个加卸载循环 ,结构内

15、的焊接残余应力将减小到原来的 （ 1）倍 , 如果在该循环 中，= 1 的话，则可完全消除残余应力 .结论三: 焊接结构焊后经过一个加卸载循环 结构的尺寸将发生变化，出现了二次变形 . 15. 二次变形及其原理。 16. 如何调节焊接残余应力？消除焊接残余应力的方法有那些？（教材P61） 答： 调节内应力的措施： 1.采取合理的焊接顺序和方向（ 1）尽量使焊缝能自由收缩， 先焊收缩量大的焊缝。（ 2）先焊工作时受力大的焊缝。（ 3）拼板时应先焊错开的短 焊缝，再焊直通的长焊缝。 2.反变形 3.锤击或碾压焊道 4. 加热减应法 例：工字梁的对接： 1、2 两缝对结构来 说是横向焊缝， 它的横向

16、收缩要比 3 缝 的纵向收缩大， 所以应先焊收缩量大的 1、2 缝。又面板上的 1 缝工作时受力 较大，根据原则（ 2）应先焊 1缝，这样在焊后面的 2、3缝时它们的收缩能使 1 缝预 先承受压应力，提高了结构的承载能力。 消除残余应力： 1.整体高温回火 2.局部高温回火 3.机械拉伸法 4.温差拉伸法 5.振动法 17. 什么叫加热减应法？它有何作用？ 答：在结构的某些部位加热，使它产生的热膨胀带动焊接部位，产生一个与焊缝收缩 方向相反的变形，在冷却时加热区的收缩和焊缝的收缩方向相同，使焊缝能自由的收 缩，从而降低内应力。 18. 焊接残余应力的测定方法有那些？ 答：焊接残余应力的测定方法

17、按对结构损坏的程度分为全破坏法、微破坏法和非破坏 法。 第三章 焊接接头 1. 焊接接头的定义。 答：在焊件需要连接的部位，用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头。包括焊缝金 属，熔合线，热影响区，部分母材。 2. 各种接头的型式及特点。那种接头的受力是最好的？那种接头的装配要求最简单 武汉理工大学材料学院 2011 级任波制作 武汉理工大学 2011 级焊接结构课复习题 答： 对接接头 ：受力好，装配要求高，加厚高越大应力集中越大。 搭接接头 ：受力差，装配要求简单。在搭接接头中根据搭接角焊缝受力的方向可以将 搭接角焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝。 丁字（十字）接头： 在焊缝跟部和

18、趾部有较大的应力集中，角减小应力集中系数减 小，焊角尺寸增大应力集中系数也减小。 角接头， 铆焊联合结构与铆焊联合接头 3. 何为应力集中？它产生的原因有那些？对接头静载强度有无影响？为什么？ 答：接头局部区域最大应力值 max 比平均应力值高的现象。对接头静载强度无影响。 产生原因：焊缝中存在工艺缺陷如气孔，夹渣，裂纹，未焊透焊缝外形不合理 焊缝接头设计不合理 4. 对接、搭接、丁字（十字）接头降低应力集中的措施是什么？ 答：对接接头：焊缝轮廓 ：焊趾和焊跟向母材过渡越平滑应力集中越小；其次是焊缝 加厚越大应力集中越大。 焊接错边 ：错边量越大应力集中越大。 接头的角变形： 角变 形越大应力

19、集中越大。 搭接接头： 在只用侧面角焊缝焊成的搭接接头中，不但沿焊缝长度上应力分布是不均 匀的，而且在母材断面上应力分布也是不均匀的，为了改善断面上的应力分布，常增 添一条正面角焊缝，形成了联合角焊缝的搭接接头， 采用联合角焊缝的搭接接头，不 但可以改善应力分布还可以缩短搭接长度。 十字接头： 开坡口焊透或采用深熔焊接方法进行焊接。 5. 铆焊联合接头和铆焊联合结构有什么不同？它们各自在结构中的作用是什么？ 答：既有焊接接头，又有铆接接头的结构称为铆焊联合结构。 （ 1）铆接结构有较高的止裂性。 （2）铆接接头比焊接接头的刚度小，有较大的退让性 （3）铆接接头的应力集中系数比某些焊接接头的应力

20、集中系数低，对疲劳强度有利。 （4）铆接接头在结构中形成的内应力比焊接结构的内应力低。 在同一个接头上既有铆钉又有焊缝，这样的接头叫铆焊联合接头： 吸取的不是两种技 术的优点，而是缺点，是一种不合理的接头形式。 6. 何谓应变时效？何谓动应变时效（热应变脆化）？它们的差别是什么？ 答： 塑性变形（剪切、冷作矫形）加热（ 150400）脆化叫应变时效。 加热和塑变同时脆化叫动应变时效（热应变脆化）。 差别在于前者塑变和加热不是同时进行的，而后者却是同时的。 7. 何谓高组配接头？何谓低组配接头？ 答：高组配接头：焊缝金属强度大于母材强度 低组配接头：焊缝金属强度低于母材强度也叫软层接头 8. 控

21、制相对宽度提高软层接头强度的原理是什么？ 答： 高强的母材阻碍焊缝金属的变形，使之受三向应力状态而强化。 9. 焊接接头设计的强度原则：接头和母材等强。 10. 举例说明什么是工作焊缝，什么是联系焊缝？ 答：联系焊缝：只传递部分载荷，使被联结构件产生协调变形的焊缝。 工作焊缝：传递全部载荷，一旦断裂，结构立即失效的焊缝。 11. 焊接接头强度计算的假设。（ 8 条） 答：焊趾处和加厚高等处的应力集中，对接头强度没有影响；残余应力对于接头强度 没有影响；接头的工作应力是均布的，以平均应力计算；正面角焊缝与侧面角焊缝的 武汉理工大学材料学院 2011 级任波制作 武汉理工大学 2011 级焊接结构

22、课复习题 强度没有差别；焊脚尺寸的大小对于角焊缝的强度没有影响；角焊缝是在切应力的作 高度上 用下破坏的，按切应力计算强度；角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面的最小 0.7K ；加厚高和少量的熔深对接头的强度没有影响 12. 各种焊接接头及受力形式的静载强度计算。 掌握表 3-2 中所有公式的应用， 第四章 焊接结构的脆性断裂 1. 什么是脆性断裂？它有何特点？ 答：断裂前没有或只有少量塑性变形，断裂突然发生并快速发展的一种断裂形式。 特点：断裂时工作应力很低；脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始的；温度降 低脆断倾向增加；脆性断口平齐而光亮且与正应力垂直。 2. 影响金属脆性断裂的主要

23、因素是什么？ 答：应力状态的影响，温度的影响，加载速度的影响 ，材料状态的影响。 3. 正断抗力 SOT ，剪断抗力 k，剪切屈服限 T，力学状态图，应力状态软性系数 = max/ max 概念。 答：正断抗力 SOT：试件中的最大正应力达到 Sot 时，出现正断，属于脆性断裂。 剪断抗力 k : 试件中的最大切应力达到 tk 时，产生剪断，属于塑性断裂。 剪切屈服限 T：试件中的最大切应力达到 tT 时，材料屈服，出现塑性变形。 力学状态图： 若直线先与剪切屈服限 tT 相交，则表示该种加载 方式将使试件内的最大剪应力 max首先达到剪切屈服限 tT，产 生塑性变形，达到剪断抗力 tk 时产

24、生延性断裂，若直线首先与 Sot 相交时，则表示该种加载方式将使试件内的 max首先达到 1 max Sot ，故产生脆断 max 2 1 3 应力状态软性系数 = max/ max ：表示一种加载方式的应力状态。 （在裂纹尖端缺口根部会产生三轴应力状态） 4. 应力状态、温度、加载速度对脆性断裂影响的分析。 答：温度 ：T tTSot 不变 脆性 加载速度： 加载速度 tTSot 不变 脆性 5. 用力学状态图分析为什么结构中不允许存在三向交叉焊缝？ 6. 为什么在单向应力场中的裂纹尖端缺口根部会产生三轴应力状态呢？ 答：在受力过程中由于应力集中的原因，缺口根部的应力很大，在它的作用下缺口根

25、 部的材料将伸长，根据体积不变原理，材料在某方向上的伸长必然引起其他两个方向 即宽度和厚度方向上的收缩，但由于缺口平面上不承受应力，所以没有横向收缩，缺 口尖端以外的材料受到的应力较小，引起的横向收缩也较小，可见横向收缩是不均匀 的，使得缺口较大的横向收缩受阻，结果产生横向和厚度方向的拉伸应力，这样就在 缺口根部出现了三向应力。 7. NDT （无延性转变温度）， FTE （弹性断裂转变温度）， FTP （延性断裂转变温 度）的意义及相互的关系，测定方法。 答：NDT （无延性转变温度） 低于它材料发生平裂，高于它发生凹裂，表明温度低于 NDT 时材料断裂没有延性，断裂是脆性的。 FTE （弹

26、性断裂转变温度）： 低于它裂纹能够向低应力区扩展，高于它裂纹只能在应 武汉理工大学材料学院 2011 级任波制作 武汉理工大学 2011 级焊接结构课复习题 力达到屈服点范围内扩展，而不向低应力区扩展。 FTP （延性断裂转变温度）： 在此温度之上，断裂完全是塑性撕裂的。 FTE = NDT + 33 （ 60 F） FTP = FTE + 33（ 60 F） = NDT + 66 （120 F） NDT 还可以用简单的落锤试验求出，而不必用较昂贵的爆炸试验。 8. 转变温度的概念，冲击试验中评定钢材韧性的标准有那些？ 答：转变温度方法： 通过试验来确定材料的脆韧转变温度，把它和结构的使用温度

27、 联系起来，来评定钢材的脆性韧性行为。 标准 : 能量标准，断口标准，延性标准 9. 焊接结构的那些特点对脆断有影响？ 答：刚性大、整体性强、对应力集中敏感接头的应变时效金相组织对脆性的影 响（不出现冷裂纹的前提下减小线能量 0焊接缺陷的影响 角变形和错边的影响 残余应力的影响 （当温度在材料的转变温度以上时，残余应力对脆断没有影响；当 温度在材料的转变温度以下时，拉伸残余应力对脆断强度有不利影响 ） 10. 防止断裂引发原则 （抗裂原则 ）: 要求结构的一些薄弱环节具有一定的抗开裂性能。 止裂原则 : 一旦裂纹产生，材料应具有将其止住的能力。 开裂临界温度 Ti：在此临界温度之上，不可能引发

28、脆性裂纹。 止裂临界温度 Ta：在这个临界温度之上脆性裂纹可以被止住或者不能扩展。 在实际焊接结构的设计中： 焊接接头用抗裂原则，母材用止裂原则。 11. 预防焊接结构脆断的措施有那些？ 答： 一.正确选材 二.采用合理地焊接结构设计 1.尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中（ 1）构件截面改变的地方，设计成平缓过 渡，不要形成尖角。（ 2）尽量采用应力集中系数小的对接接头。（ 3）不同厚度的对 接接头应采用圆滑过渡。（ 4）将焊缝设计布置在便于焊接和检验的地方 .（5）避免焊 缝密集。 2.尽量减少结构的刚度 3.不采用过厚的截面 4.对次要焊缝的设计， 应与主要焊 缝一样给予足够重视。 5

29、.减少和消除焊接残余拉应力的不利影响。 三、用断裂力学方法 评定结构安全性 第五章 焊接接头和结构的疲劳强度 1. 何谓金属的疲劳？疲劳和脆断的异同。 答： 结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后仍发生断裂的 现象叫金属的疲劳 相同点 不同点 疲劳 脆断 低应力作用下破坏 加载次数 多次 少次 断裂时变形很小 裂纹扩展速率 慢 快 断裂都具有突然性，危害大 温度影响 小 大 影响断裂的因素大部分相同 断口 疲劳辉纹 结晶状 2. 疲劳的类型。 答：应力疲劳，（应力低，频率高，裂纹扩展速率小）。 应变疲劳，（应力高，频率低，裂纹扩展速率大） 3. 何谓变动载荷？典型变动载荷及其特性。 答：变动载荷是指载荷的大小、方向或大小