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1、过程装备制造 授课教师:刘强 2004.06 Chapter 1 焊接接头与焊接规范焊接接头与焊接规范 Welding joint and welding parameter 本章重点本章重点:1.焊接温度场焊接温度场 2.焊接规范的选择焊接规范的选择 3.焊接规范对焊缝形状的影响焊接规范对焊缝形状的影响 4.焊接接头形式及焊缝代号焊接接头形式及焊缝代号 本章难点本章难点:1.焊接温度场的影响及分布焊接温度场的影响及分布 2.焊接规范选择及对焊缝形状焊接规范选择及对焊缝形状 的影响的影响 序 一、一、焊接过程焊接过程(welding process):从焊接开始到形 成优良的接头的过程 :从焊
2、接开始到形 成优良的接头的过程 二、二、焊接工艺焊接工艺(welding technology):焊接过程的 一整套的技术规定包括(焊前准备、 焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接顺序、焊接 的最佳选择、焊后热处理) :焊接过程的 一整套的技术规定包括(焊前准备、 焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接顺序、焊接 的最佳选择、焊后热处理) 三、三、焊接接头焊接接头(welding joint) 四、四、接头设计接头设计(joint design): 根据工艺条件确定的根据工艺条件确定的 热影响区 熔合区 焊缝 焊缝尺寸 坡口形式、尺寸 接头形式 接头 形式 int) int) int) ) int)
3、 int) int) int) int) int) jobuttlock jobuttscarf jomuff flangeedge joedge joshapedcross jolap joTT jocornor jobutt 锁底对接( 斜对接( 套管( 卷边( 端接接头( 十字接头( 搭接接头( 形接头( 角接接头( 对接接头( 2.1 焊接温度场焊接温度场 (welding temperature field) 温度场定义温度场定义:某一瞬时 工件上各点的温度 :某一瞬时 工件上各点的温度T分布 称为温度场 分布 称为温度场 T工件上某点某一瞬时 的温度 工件上某点某一瞬时 的温度 x
4、, y, z工件上某点的空 间坐标 工件上某点的空 间坐标 t时间时间 tzyxfT,= 研究温度场的方法研究温度场的方法 1. 特点:各线面不相交,存在 温度差(梯度) 特点:各线面不相交,存在 温度差(梯度) 2. 温度梯度 (单位长度上的温度变化) 温度梯度 (单位长度上的温度变化) 等温线法 等温线法 S TT T = 21 温度场的分类温度场的分类 壮的等温面向前移动 相当于半个鸡蛋壳稳定的温度场 形成相对空间坐标,与时间无关 只取决于的速度移动各点的温度 同样以线运动,温度场与热源 做匀速直恒功率的电源在工件上移动稳定温度场 间便饱和不稳定的,经过一段时 ,开始是恒定热功率作用于焊
5、件准稳定温度场 随时间变化不稳定温度场 时间变化工件上各点的温度不随稳定温度场 ( 2.2 规范的选择规范的选择 2.2.1 电弧对金属的加热 实际焊接热功率称为有效 功率,用 电弧对金属的加热 实际焊接热功率称为有效 功率,用q u表示 表示 -电弧热效率,主 要决定于,焊接方法, 焊接规范, 焊接材料的种类 电弧热效率,主 要决定于,焊接方法, 焊接规范, 焊接材料的种类 SJIUq uu /= u u 焊接方法 手工电弧焊 焊接方法 手工电弧焊 厚药皮厚药皮 0.5-0.65 埋弧自动焊埋弧自动焊0.77-0.99 钨极氩弧焊钨极氩弧焊 交流交流 0.68-0.65 钨极氩弧焊钨极氩弧焊
6、 交流交流 0.78-0.85 熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊 焊钢焊钢 0.65-0.69 熔化极氩弧焊熔化极氩弧焊 焊铝焊铝 0.70-0.85 电弧焊时的热量分配电弧焊时的热量分配 焊接规范的选择焊接规范的选择 焊接规范的定义焊接规范的定义:焊接时, 焊接电流 :焊接时, 焊接电流I(welding current) 电弧电压 ) 电弧电压U (arc voltange), 焊接速度 , 焊接速度VH (welding speed), 进条速度进条速度VT的数值的大小 焊接线能量 的数值的大小 焊接线能量(energy input)是焊接规范的一个综合指标,它 表示单位长度焊缝上投入的有效热量
7、用 是焊接规范的一个综合指标,它 表示单位长度焊缝上投入的有效热量用qL表示表示 qL= J/cm VH= cm/s L焊缝长度焊缝长度 t焊接时间焊接时间 HH u V UI V q = t L 焊接规范的重要性焊接规范的重要性 规范 温度场 成型 焊缝质量 手工电弧焊焊接规范的选择手工电弧焊焊接规范的选择 电弧电压一般为电弧电压一般为2025V,由于高温会导致药 皮的脱落,所以温度应控制在 ,由于高温会导致药 皮的脱落,所以温度应控制在400C,电流不 能太大,根据经验公式 ,电流不 能太大,根据经验公式: I焊接电流焊接电流 k系数系数一般一般k=30-60 d焊丝直径焊丝直径 dKI=
8、 埋弧自动焊接规范的选择埋弧自动焊接规范的选择 1.电流的选择: 一种是根据焊缝熔深选择, 另一种是根据焊条直径选择 2.进条速度VT的选择:要保证电弧不断的稳定的燃 烧,必须使进条速度等于溶化速度 单位时间溶化的焊条的重量g/h 单位时间送进的焊条的重量g/h IkS= 10010110 2 =ddI Ik TT = TTT VF= 埋弧自动焊接规范的选择埋弧自动焊接规范的选择2 -焊条截面积焊条截面积 -焊条比重焊条比重 Conclusion: 3.焊接速度焊接速度VH的选择的选择: Conclusion: 4.电弧电压的选择电弧电压的选择:一般为:一般为2040V T F = T T T
9、 F IK V = H H H F IK V 2.3 焊缝形状特征焊缝形状特征 焊缝形状特征焊缝形状特征 形状系数形状系数 基体金属比基体金属比 填充系数填充系数 注注:焊缝成形:焊缝成形(appearance of weld)-熔焊时, 液态焊缝金属冷凝形成的焊缝外形 熔焊时, 液态焊缝金属冷凝形成的焊缝外形 23 . 1= S C H FF F + = 0 0 126 0 = H C 基体金属熔化截面积 堆焊金属截面积 H F F0 焊接电流对焊缝形状的影响焊接电流对焊缝形状的影响 对熔深影响最大(正比),熔宽和增高量影响不大对熔深影响最大(正比),熔宽和增高量影响不大 电弧电压对焊缝形状
10、的影响电弧电压对焊缝形状的影响 对熔宽影响最大(正比),熔深和增高量有所下降对熔宽影响最大(正比),熔深和增高量有所下降 焊接速度对焊缝形状的影响焊接速度对焊缝形状的影响 随着焊接速度的 增加,焊接线能 量减小,熔宽明 显变窄,增高量 有所增加,熔深 逐渐减小。 随着焊接速度的 增加,焊接线能 量减小,熔宽明 显变窄,增高量 有所增加,熔深 逐渐减小。 焊丝直径对焊缝形状的影响焊丝直径对焊缝形状的影响 焊丝直径增加,电弧摆动作用加 强,熔宽增加,当焊接电流不 变,随着焊丝直径的减小,电流 密度有所增加,熔深也相应增加。 焊丝直径增加,电弧摆动作用加 强,熔宽增加,当焊接电流不 变,随着焊丝直径
11、的减小,电流 密度有所增加,熔深也相应增加。 2.4 焊接接头型式及焊缝代号焊接接头型式及焊缝代号 (welding symbols) 1. 焊接接头的基本型式焊接接头的基本型式,对接焊接边缘分 为: ,对接焊接边缘分 为:卷边,平对,卷边,平对,V型,型,X型,型,K型,型,U 型型等坡口,目的是为了确保接头的质量 及其经济性,坡口尺寸按照 等坡口,目的是为了确保接头的质量 及其经济性,坡口尺寸按照GB985-88和和 GB986-88 2.焊缝代号及标注方法焊缝代号及标注方法:按照:按照GB324-88规 定 规 定 常用焊接方法的代号常用焊接方法的代号 焊接方法焊接方法 字母代号字母代号
12、 焊接方法焊接方法 字母代号字母代号 手工电弧手工电弧 焊焊 S冷压焊冷压焊L 氩弧焊氩弧焊A埋弧自动埋弧自动 焊焊 Z 气焊气焊Q埋弧半自 动焊 埋弧半自 动焊 B 电渣焊电渣焊DCO2保护 焊 保护 焊 C 基本 代号 辅助 符号 补充 符号 补充 符号应用实例 尺寸 符号 指引线 埋弧自动焊埋弧自动焊 手工电弧焊手工电弧焊 氩弧焊氩弧焊 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 1 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 2 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 3 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 4 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 5 焊接
13、 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 6 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 7 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 8 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 9 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 10 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 11 焊接 的接 头形 式及 尺寸 的国 家标 准 12 焊缝 代号 的国 家标 准 1 焊缝 代号 的国 家标 准 2 焊缝 代号 的国 家标 准 3 焊缝 代号 的国 家标 准 4 Chapter 2 焊接变形与应力 Stress and reform of welding 本章重点本章重点:1.杆件
14、的均匀加热、冷却过程的变形与应力杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形焊接残余变形 4.预防和矫正残余变形的方法预防和矫正残余变形的方法 5.焊接残余应力焊接残余应力 6.焊接残余应力的调节及消除措施焊接残余应力的调节及消除措施 本章难点本章难点:1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力 2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力 3.焊接残余变形焊接残余变形 4.焊接残余应力焊接残余应力 3.1 焊接应力与变形的基本概念
15、1.按应力的 分布范围 2.根据结构中 的空间位置 围平衡的应力超微观应力:在晶格范 内相互平衡的应力微观应力:在晶粒范围 范围平衡的应力宏观应力:在整个焊接 . 3 . 2 . 1 焊接应力产生的原因及分类焊接应力产生的原因及分类 1 的三个方向作用三向应力:应力沿构件 的两个方向作用双向应力:应力沿构件 的一个方向作用单向应力:应力沿构件 . 3 . 2 . 1 焊接应力产生的原因及分类 2 3.根据应力与焊 缝的相对位置 根据应力与焊 缝的相对位置 4.根据应力产生 、作用的时间 根据应力产生 、作用的时间 5.根据应力 形成原因 根据应力 形成原因 向与焊缝垂直横向应力:应力作用方 向
16、与焊缝平行纵向应力:应力作用方 . 2 . 1 应力残余应力:焊后留下的 现的应力瞬时应力:焊接过程出 . 2 . 1 受阻属组织转变时体积变化组织应力:由于接头金 力变形受到拘束引起的应拘束应力:由于焊件热 均匀加热引起的应力温度应力:由于焊件不 . 3 . 2 . 1 焊接变形产生原因及分类 1 1.自由变形:自由变形:当金属物体温度发生变化,或发生了 相变,其尺寸和形状就要发生变化,如果这种变 化没有受到外界的阻碍而自由的进行。 当金属物体温度发生变化,或发生了 相变,其尺寸和形状就要发生变化,如果这种变 化没有受到外界的阻碍而自由的进行。 单位长度的自由变形量:单位长度的自由变形量:
17、010 TTLLT= = = 0 L LT T 01 TT 焊接变形产生原因及分类 2 2.外观变形外观变形:当金属物在温度变化过程中受到阻 碍,不能完全的自由变形,把能表现出来的这部 分变形,称为外观变形 。 :当金属物在温度变化过程中受到阻 碍,不能完全的自由变形,把能表现出来的这部 分变形,称为外观变形 。 3.内部变形内部变形:把未表现出来的那部分变形,称为内 部变形 ; :把未表现出来的那部分变形,称为内 部变形 ; 0 0 0 L L = T LLL= 0 0 L L = 焊接残余变形的基本类型 厚度方向上的错边 度或胀不一致,所引起的长错边变形:两焊件热膨 现波浪形,在焊薄板中出
18、波浪变形:焊后构件程 移面围绕焊缝产生的角位角变形:焊后构件的平 布置偏离焊件的形心轴弯曲变形:由于焊缝的 尺寸缩短后在垂直焊缝的方向上横向收缩变形:构件焊 尺寸缩短后在平行焊缝的方向上纵向收缩变形:构件焊 . 6 . 5 . 4 . 3 . 2 . 1 纵向横向收缩变形 角变形、弯曲变形和波浪变形 杆件的均匀加热和冷却过程中的变 形和应力 简化假定简化假定: 1. 金属材料的性参数金属材料的性参数 是与温度变化无关的参数是与温度变化无关的参数 2. 金属的相变温度很高,不考虑组织应力金属的相变温度很高,不考虑组织应力 3. 材料屈服极限与温度变化关系材料屈服极限与温度变化关系 、 bS EC
19、 不同拘束条件下杆件均匀加热、冷 却时的变形和应力 1.杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的 变形和应力 杆件一端固定的自由热变形 0 = T t T 2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷 却时皆不能自由变形的变形和应力 受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力 s 0 T t 1 t 2 t ( ) ( )+ 3 t 4 t s 2p sr s T 2.杆件在拘束条件为均匀加热、冷 却时皆不能自由变形的变形和应力 受拘束杆件均匀加热、冷却过程中的变形和应力 s 0 1 t 2 t 3 t 4 t t s ( ) ( )+ 5 t 6 t 7 t 4p s T s + 500 600 C o
20、 500 C o 600 CT o s 600;|3 . 2 max T 3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨 胀,冷却时能自由收缩是的变形和应力 s 0 3.杆件在拘束条件为加热时不能自由膨 胀,冷却时能自由收缩是的变形和应力 500 600 C o 500 C o 600 4p 4p 1 t 2 t3 t 4 t 5 t T 0 T t s CT o s 600;|3 . 3 max 3.长板条(长宽比45)在不均匀 温度场作用下变形和应力 假定假定: 1.单向应力单向应力 2.线热源,厚度方向上温度是均匀的线热源,厚度方向上温度是均匀的 3.截面保持平面截面保持平面 长板条在中心加热引起
21、的纵向收缩 变形和应力 长板条非对称加热引起的变形和应力 长板条冷却后产生的残余应力和变形 残余应力的分 布是:焊缝及 近焊缝区域受 到拉应力,常 达以后随远离 焊缝依次是压 应力,拉应 力,形成三个 正负相间的应 力分布区。 残余应力的分 布是:焊缝及 近焊缝区域受 到拉应力,常 达以后随远离 焊缝依次是压 应力,拉应 力,形成三个 正负相间的应 力分布区。 4.焊接残余变形 纵向收缩变形及产生的弯曲变形 纵向收缩变形结论 长度的增大而增大焊缝绝对收缩量随焊缝 横截面面积成反比焊缝纵向收缩量与工件 积成正比线能量或主作用区的面焊缝纵向收缩量与焊接 . 3 . 2 . 1 纵向收缩量的计算 1
22、.单层焊的纵向收缩量单层焊的纵向收缩量: F构件截面积构件截面积 L构件长度构件长度 -焊缝截面积焊缝截面积 2.多层焊的收缩量多层焊的收缩量: F LFK L H = 1 H F 焊接方法CO2焊埋弧焊手工焊 低碳钢低碳钢奥氏体钢 0.0710.0760.0760.0480.0570.043 材料 K1 nK F LFKK L s H += = 851 2 12 层数 n E s s 纵向引起弯曲变形结论 反比与构件的截面惯性矩成 的距离成正比与焊缝偏离板条形心轴 积成正比与焊接线能量或堆焊面 . 3 . 2 . 1 横向收缩变形及其产生的挠曲变形 固定的刚性系数 钢板厚度 焊接线能量 大小
23、为横向收缩变形 得到通过热变形计算和实验 = L L q q B B 对接接头横向变 形的实验数据 丁字接头及搭接 接头横向收缩 横向收缩变形结论 变形小横板上的热能量越小,丁字接头:立板越厚, 越大,横向收缩小角焊缝:板越厚,刚度 坡口角度的增大而增大随焊丝金属量,板厚和 自动焊手工焊变形量:气焊 . 4 . 3 . 2 . 1 横向引起弯曲变形 横向引起弯曲 变形与焊缝到 焊件形心的距 离成正比 横向引起弯曲 变形与焊缝到 焊件形心的距 离成正比 角变形 1.焊缝横向收缩 引起的弯曲角 变形 焊缝横向收缩 引起的弯曲角 变形 2.焊缝金属收缩 引起的倾斜角 变形 焊缝金属收缩 引起的倾斜角
24、 变形 对接接头角变形 丁字接头和搭接 接头的角变形 波浪变形 原因原因:薄板在承受压 应力,当其中的压应 力达到 :薄板在承受压 应力,当其中的压应 力达到-临界应力,薄 板将出现波浪变形失 去承载能力,称之为 失稳。 临界应力,薄 板将出现波浪变形失 去承载能力,称之为 失稳。 22 2 2 1 12B A B Ek cr = = 错边变形 原因原因:主要是 焊接过程中对 接边的热量不 平衡,装配不 善会造成错边 :主要是 焊接过程中对 接边的热量不 平衡,装配不 善会造成错边 5.预防和矫正焊接残余变形的方法 1.合理设计合理设计:1.选 用对称截面的 结构,焊缝布 置对称,在设 计时,
25、安排焊 缝尽可能使焊 缝对称于截面 的中性轴 选 用对称截面的 结构,焊缝布 置对称,在设 计时,安排焊 缝尽可能使焊 缝对称于截面 的中性轴 1.合理设计 2.合理的选择焊缝的尺寸和形式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,尽量采用较小的焊缝尺寸 :在保证结构的承载 能力的条件下,尽量采用较小的焊缝尺寸 3.尽可能减少焊缝的数量尽可能减少焊缝的数量:用型钢代替钢板,用断续 焊代替连续焊 :用型钢代替钢板,用断续 焊代替连续焊 2.工艺措施 1. 正确的确定装配、焊接顺序正确的确定装配、焊接顺序 不正确的装配次序:工字构 件,先丁字,然后在装另一块 盖板,焊后仍有较大的挠
26、度 不正确的装配次序:工字构 件,先丁字,然后在装另一块 盖板,焊后仍有较大的挠度 丁字丁字 工字工字 正确应该是,先点固成工字, 然后焊接,注意次序 正确应该是,先点固成工字, 然后焊接,注意次序 L L EJ LeP f 8 2 2, 1 = I I EJ LeP f 8 2 4, 3 = 2.工艺措施 2.选择适当的施焊次序和方向选择适当的施焊次序和方向 原则:原则: 翻转辅助时间的交替焊,尽可能增加截面对称的构件应对称 最后焊,对构件变形影响大的先焊离构件形心轴近的 缝时,先焊少的一侧当结构形心轴两侧有焊 . 3 . 2 . 1 反变形法 定义定义:构件在焊前预制成与 变形方向相反的变
27、形,这种 方法可以防止弯曲变形,和 角变形。 :构件在焊前预制成与 变形方向相反的变形,这种 方法可以防止弯曲变形,和 角变形。 刚性固定法 在无反变形的情况下,将 构件加以固定来限制焊接 变形,(在焊法兰盘 上),防止角变形和波浪 变形较好 在无反变形的情况下,将 构件加以固定来限制焊接 变形,(在焊法兰盘 上),防止角变形和波浪 变形较好 合理的选择焊接的方法和焊接规范 选择线能量较低的焊 接方法,采用多层焊 代替单层焊 选择线能量较低的焊 接方法,采用多层焊 代替单层焊 矫正残余变形的方法 1.机械矫正法机械矫正法:将变形的构 件中的尺寸较短的部分 通过机械力作用,使之 产生塑性延展变形
28、,而 恢复和达到形状的要 求,可以利用螺旋、气 动、液压的器具来加外 力 :将变形的构 件中的尺寸较短的部分 通过机械力作用,使之 产生塑性延展变形,而 恢复和达到形状的要 求,可以利用螺旋、气 动、液压的器具来加外 力 矫正残余变形的方法 2.火焰矫正法火焰矫正法:利用 火焰加热时产生的 局部压缩变形使较 长部分在冷却后缩 短来消除变形(不 适用于具有晶间腐 蚀倾向的不锈钢和 淬硬倾向较大的钢 材) :利用 火焰加热时产生的 局部压缩变形使较 长部分在冷却后缩 短来消除变形(不 适用于具有晶间腐 蚀倾向的不锈钢和 淬硬倾向较大的钢 材) 6.焊接残余应力 焊接残余应力分布 :厚度方向上的应力
29、 力:垂直焊缝方向上的应 :焊缝方向上的应力 Z Y X . 3 . 2 . 1 1.纵向应力的分布X 1.纵向应力的分布X 横向应力的分布 分段倒退焊 端向中间焊从中间向两端焊或从两 的直通焊从焊缝的一端到另一端 焊接顺序引起的 力纵向收缩引起的横向应 . 3 . 2 . 1 . 2 . 1 Y 横向应力的分布 另一端的直通焊 从焊缝的一端到 从两端向中间焊 从中间向两端焊或 横向应力的分布 倒退焊 分段 厚板中的残余应力分布 封闭焊缝中的残余应力分布 组织应力相变应力 焊接残余应力的影响 1. 对静载强度的影响对静载强度的影响 2. 对机械加工精度的影响对机械加工精度的影响 原因:焊件在不
30、经过焊后消应力处理,内部存在着 相互平衡的应力,当进行机械加工时,如切削 掉焊件的一部分承受残余应力金属,则焊件会 重新变形(二次变形)以使残余应力重新分布 来保持平衡,焊件不断的切削,就会不断的变 形,加工精度难以保证 原因:焊件在不经过焊后消应力处理,内部存在着 相互平衡的应力,当进行机械加工时,如切削 掉焊件的一部分承受残余应力金属,则焊件会 重新变形(二次变形)以使残余应力重新分布 来保持平衡,焊件不断的切削,就会不断的变 形,加工精度难以保证 ,材料发生局部破坏至应力峰值不断增加,直 产生应力的均匀化过程脆性材料,构件不可能 性变形能力,无影响塑性材料,有足够的塑 b . 2 . 1
31、 焊接残余应力的影响 3 对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响(研究不够充 分) (研究不够充 分) 4 对应力腐蚀的影响对应力腐蚀的影响 原因:拉应力和介质、腐蚀共同作 用下产生裂纹的一种现象,拉应 力越大,发生应力腐蚀开裂的时 间越早。 原因:拉应力和介质、腐蚀共同作 用下产生裂纹的一种现象,拉应 力越大,发生应力腐蚀开裂的时 间越早。 5 对结构刚度的影响对结构刚度的影响 结论:在静载下,焊件经过一次加 载,卸载后,以后再次加载,只 要其大小不超过前一次,残余应 力不再起作用,外载也不影响焊 件内部残余应力的分布 结论:在静载下,焊件经过一次加 载,卸载后,以后再次加载,只 要其大小不超过前
32、一次,残余应 力不再起作用,外载也不影响焊 件内部残余应力的分布 7.焊接残余应力的调节及消除措施 1.调节残余应力的措施调节残余应力的措施 1.1设计措施设计措施: 设计上减小焊接应力的 核心是正确布置焊 缝,以避免应力叠 加 设计上减小焊接应力的 核心是正确布置焊 缝,以避免应力叠 加 设计原则 减小应力集中 面突变处,应力最严重的区域和断焊缝尽量不布置在工作 式采用刚性较小的接头形 尽量避免三轴交叉焊缝 离为容器上相邻焊缝最小距 合相关要求相邻焊缝最小距离要符焊缝不止应避免集中, 尺寸和长度下,尽量减少焊缝截面在保证结构强度的前提 . 5 . 4 . 3 100 3 . 2 . 1 mm
33、 t 工艺措施 工艺原则 焊接时预热和跟踪加热 锤击或碾压焊缝 的自由度反变形法来增加焊缝处 的焊缝时,可采用刚性较大、自由度较小在焊接封闭焊缝后其他 然后在焊直通的长焊缝 开的短焊缝在拼板时,应先拼焊错 焊缝先焊工作时受力较大的 先焊收缩量较大的焊缝 方向采用合理的焊接顺序和 . 4 . 3 . 2 . 3 . 2 . 1 . 1 消除残余应力的措施 扭曲共振法 弯曲共振法 残余应力的交变应力来消除部分振动法:利用振动产生 机械拉伸法 热)两侧压应力区域局部加热塑性法(在焊接接头 织与性能)高温回火(改变金相组 . 2 . 1 . 4 . 3 . 2 . 1 注:振动法的优点,从应力消除效果
34、看,振动法比用同样大 小的静载拉伸效果好,且具有设备简单,价廉,处理成本 低,时间短,无高温回火的金属氧化问题等优点。 注:振动法的优点,从应力消除效果看,振动法比用同样大 小的静载拉伸效果好,且具有设备简单,价廉,处理成本 低,时间短,无高温回火的金属氧化问题等优点。 8.焊接残余应力的测定 1.应力测定方法的分类应力测定方法的分类 按其对结构的是否破坏来分按其对结构的是否破坏来分 按测试原理分按测试原理分 无损法 半破坏法 全破坏法 . 3 . 2 . 1 射线法 应力释放法 X. 2 . 1 应力释放法 原理:利用构件在机加工后应力部 分释放,回产生变形来重新分布应 力来达到平衡,利用应
35、力应变关系 来求出应力。属于此法的有切条 法,车削法,刨削法,套孔法,小 孔法。 应力释放法 1.切条法切条法:将待测焊件划 分几个区域,在各区 待测点上贴应变片或 加工机械引申计的标 距孔然后测原始读 数,然后切断,然后 在读数根据 可以算出应力。 :将待测焊件划 分几个区域,在各区 待测点上贴应变片或 加工机械引申计的标 距孔然后测原始读 数,然后切断,然后 在读数根据 可以算出应力。 XX E= 应力释放法 2.车削法车削法:此法多 用于测圆柱零件 堆焊后的残余应 力分布 :此法多 用于测圆柱零件 堆焊后的残余应 力分布 应力释放法 3.小孔法小孔法:是应力破坏性 最小的一种,原理是:
36、在应力场中钻一个小 孔,应力平衡受到破 坏,钻孔周围的应力 重新调整,测得孔附 近的应变片的变化, 可用弹性力学推算小 孔处的应力。 :是应力破坏性 最小的一种,原理是: 在应力场中钻一个小 孔,应力平衡受到破 坏,钻孔周围的应力 重新调整,测得孔附 近的应变片的变化, 可用弹性力学推算小 孔处的应力。 应力释放法 4.套孔法套孔法:采用套料 钻或管形电火花加 工环形孔来释放应 力,在孔内预先贴 上应变片,可以算 出表面残余应力, 切削深度为 :采用套料 钻或管形电火花加 工环形孔来释放应 力,在孔内预先贴 上应变片,可以算 出表面残余应力, 切削深度为 0.60.8D,破坏 性不大。 ,破坏
37、 性不大。 X射线衍射法 原理原理:晶体在应力的作用 下,原子间距发生变化,其 变化与应力大小成正比,当 用 :晶体在应力的作用 下,原子间距发生变化,其 变化与应力大小成正比,当 用X射线,以掠角入射到晶 体表面时,如果能满足 射线,以掠角入射到晶 体表面时,如果能满足 2dSin=n ,则,则X射线在反射 方向因干涉而加强 射线在反射 方向因干涉而加强 缺点缺点: 用设备昂贵对被测表面要求高,所 只能测表面应力 . 2 . 1 Chapter 3 焊接接头的强度计算 Intensity calculation of welding joint 本章重点:1.焊接接头的应力集中 2.焊接接头
38、的应力分布 3.焊缝静载强度计算 本章难点:1.焊接接头的应力分布 2.焊缝静载强度计算 1.焊接接头的应力集中 1 应力集中的概念 1.1定义 由于焊接的形状和焊缝布置的特点,焊接 接头工作应力的分布是不均匀的,其最大 应力比平均应力值高,这种情况称 应力集中。 1.2 表达式: max m m T max = 焊接接头中存在应力集中的影响因素 焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、 咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬 边、未焊透较为严重。 不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起 不同程度的应力集中。 接头型式:不同接头型式引起应力集中不 同。 制造过程中的缺陷。 焊接残余应力。 2.电弧焊焊
39、接接头的应力分布 1 对接接头的应力分布对接接头的应力分布 对接接头的焊缝形状 产生了结构不连续 性,因而引起不同的 应力分布,在焊缝与 母材的过渡处引起应 力集中,最大应力集 中部位在焊趾。 应力集中系数: sin1+=k r h T 对接接头的应力分布2 对接接头的焊缝形状 产生了结构不连续 性,因而引起不同的 应力分布,在焊缝与 母材的过渡处引起应 力集中,最大应力集 中部位在焊趾。 对接接头的焊缝形状 产生了结构不连续 性,因而引起不同的 应力分布,在焊缝与 母材的过渡处引起应 力集中,最大应力集 中部位在焊趾。 应力集中系数: 应力集中系数: sin1+=k r h T 丁字接头(十
40、字接头)的应力分布 十字接头有熔透和未熔 透两种 十字接头有熔透和未熔 透两种 未熔透的十字接头, 在焊趾和焊根处有较 大的应力集中系数, 其中以焊根处为最大。 熔透的十字接头有较 小的应力集中系数。 搭接接头的应力分布 正面角焊缝正面角焊缝:把与力作用 方向垂直的焊缝 焊缝根部A点、焊趾 B点应力集中严重 焊趾B点的应力集中 系数随角焊缝的斜边 的夹角 而变 减小 、增大熔深焊 透根部和增大底边焊 脚长度,可使减小 T 侧面搭接角焊缝 斜向搭接角焊缝 点焊接头的应力分布 单排点焊接头的 应力分布(如图) 单排点焊接头的 应力分布(如图) 多排点焊以两端 焊点受力最大 (如图) 多排点焊以两端
41、 焊点受力最大 (如图) 3 焊缝的静载强度计算 焊缝接头强度计算的假设焊缝接头强度计算的假设 残余应力对接头强度无影响 应力集中对接头强度无影响 接头的工作应力是均布的,以平均应力计 不计正面与侧面焊缝、焊缝的加强与减弱 和不同焊接规范引起的焊缝性能差异,而 用统一的计算截面和许用应力 焊缝接头强度计算的假设 角焊缝都是在切应力作用下破坏的。角焊缝的计算断面 在角焊缝截面的最小高度上,取内接三角形高度 为计算 高度,(如图)。 直角等要角焊缝的计算高度: 尽管加强和小量的熔深对于接头强度没有影响,但埋弧 自动焊和保护焊的熔深较大应予以考虑,其角焊缝计 算断面厚度(如图) K K 7 . 0
42、2 = 0 45)(COSPK += mmPmmK KmmK 8,8 ,8 一般取当 可取当 2 co 电弧焊接接头的静载强度计算 1.对接焊缝强度对接焊缝强度 计算公式如下: 受拉时: 受压时: 受剪时: l l P = a l P = = l Q 电弧焊接接头的静载强度计算 而内弯: 垂直弯: 综合作用: 注注:对于未焊透的对接接头,上述各式中应将中 减去未焊透深度,l取实际焊缝长度, 、 、 分别 是焊缝许用拉、压、切应力。 6 2 1 1 1 1l l M W M = 6 2 2 2 2 2l l M W M = 3)(3 22 321 22 +=+= 合 l a 搭接接头的静载强度计
43、算 1.受拉、压的塔接接头受拉、压的塔接接头 单面焊、正面或侧面塔接 焊缝的强度公式: 单面焊的正面、侧面联合 塔接焊缝的强度公式: 7 . 0 = = Kl P l P 7 . 0 = = lK P l P 受弯矩的搭接接头计算 2.受弯矩的搭接接头计算受弯矩的搭接接头计算 方法有三种: 分段计算法:分段计算法: 轴惯性矩计算法轴惯性矩计算法 最大切应力: 6 )(7 . 0 2 h KhlK M + = maxmax =y I M X 受弯矩的搭接接头计算 极惯性计算法 极惯性计算法 最大切应力: -极惯性矩, (又等于相互垂直的两个轴的计算惯性矩之和) maxmax =r I M p y
44、xp III+= p I 受偏心载荷的搭接接头计算 采用分段法或轴惯性矩法计算 采用分段法或轴惯性矩法计算 ,则按下式求合成应力: 若采用极惯性矩法计算 若采用极惯性矩法计算, 将分解成水平的(,) 和垂直的(,)两个力, 再合成: 注: 的计算是按全部焊缝计算,还是只考虑水平焊缝或只考 虑垂直焊缝,要按具体情况而定。(如图)可按全部焊缝承 受的剪力,均匀分布于全部焊缝中,其方向同P一致 22 += QM合 )sin()cos( 22 += Mm合 M M M m m sin sin 载荷平行于焊缝丁字接头强度计算 由于产生最大应力的危险点在 焊缝的最上端,同时受有两个切 应力的作用,一个是由
45、 引起的,另一个由Q=P引起的, 和相互垂直 ,所以该点的合成应力为: 若开坡口并焊透,其强度按对接接头计算,焊缝 金属截面等于母材截面(F= h),若不开坡口 时,按下式计算: LPM= 22 += QM合 = = hK P Kh LPS Q M 4.1 7.0 2 M M Q 弯矩垂直于板面的丁字头计算 如开坡口并焊接,其强度 按对接接头计算,强度计算 公式为: 当接头不开坡口,用角焊 缝连接,强度计算公式为: (其中W= ) 6 2 = l M = W M )4 . 1(6 )4 . 1( 33 K Kl + + 复杂截面构件接头的计算 计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题 计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题: 计算时要先分析受载情况: 各载荷引起的应力,确定各应力的方向、性质和位置。 确定危险点,最高合成应力,(若危险点难以确定时,应 选几个高应力点计算合成应力,其中合成应力最高处为危 险点) 计算合成应力时,最大正应力和最大切应力虽不在同一 点上,但常以最大正应力和平均切应力计算其合成应力, 偏于安全。 粗略计算时,有时把正应力作为切应力考虑,也是偏于 安全的简化计算方法。 受弯矩联接接头的强度计算 若构件
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