焊接结构课件0.doc

第一章 绪论1、 焊接结构的基本内容：1 从焊接力学的角度出发，研究和论述焊接结构，特别是焊接接头的经济合理性与安全可靠性。* 傻大黑粗的焊接结构未必可靠；细小单薄未必经济。2 分析介绍焊接结构设计与生产制造的基本方法及其基本理论。重点* 即从基本理论入手，介绍焊接结构应该怎么制造和为什么这样制造？2、 焊接结构有什么优点？1 焊接接头的比强度高，重量轻；焊前准备简单，制造成本低；2 焊接结构设计和制造灵活性大：尺寸大小、几何形状、结构材料没有限制；焊接结构制造，可以巧用型材，可以连接不同的材料，可以同铸、锻、胶、铆等工艺方法组成联合焊接结构。焊接结构便于更新换代，组成灵活的柔性生产线。3 密封性好，成品率高；焊接缺陷少，容易修补；3、 焊接结构有什么特点？1 焊接结构整体性强、刚度大，对应力集中很敏感；历史上灾难性的事故很多；2 焊接结构和焊接接头的应力集中系数变化范围很大；KT = 17，甚至10；3 若不采取措施焊接结构有较大的焊接应力和变形；可达材料的s，甚至b；4 焊接接头的组织、性能有较大的不均匀性。第二章 焊接应力与变形第一节 焊接应力与变形原理分析1. 关于应力变形的一些基本概念两物体或一物体的两部分相互作用时，物体内有相互作用力，力除以横截面积，即单位面积的力称为应力，显然，同一受力物体，截面积不同的地方，其应力大小不同。受力物体会发生变形，但它的体积基本不变，单位长变形为应变。应力s时，变形或应变是弹性的，= E，称为弹性模量，= E·；应力达到或超过s时，会发生塑性变形或塑性应变p，总的内应变N =sp 。2. 焊接应力及变形的基本原理与研究方法：焊接变形各种各样，千差万别，归纳起来也有六七种；焊接应力残留在构件中看不见，摸不着，更觉复杂，难以琢磨。因为焊接应力变形能给构件和生产生活带来巨大危害。掌握控制焊接应力变形尤其显得很重要，似乎也很难。火焰成形、火焰矫形与焊接应力变形的原理基本相通，其中火焰成形的情况最简单，火焰矫形次之，焊接时加热温度更高，还有填充金属，焊接应力变形的情况更复杂一些。如果利用人们已经知道的常识，忽略一些影响相对较小，比较微观的变化因素，只对成形、矫形、应力变形，做简单的事实求是的定性分析，问题就简单多了。我们先分析平板火焰成形情况。火焰成形是利用高温火焰，对较大较薄平板（如图1 a）中的一点进行快速加热。如放大图1 b）c）所示，我们把受热点简化为一个的单元立方体。单元体受热要膨胀，线膨胀量与其线长度和温差成正比，其比例系数称为线膨胀系数。它的长、宽增加,厚度增加1,其中：;厚度增量1也可同样计算：1。受热单元体体积要增大，但其四周受到冷金属的重重拘束包围无法自由膨胀。固体在受力时体积基本不变，不会因为受力而增大或减小，但会发生变形：受拉伸会伸长变细，受压缩会缩短墩粗。受热单元体abcdefgh的长宽方向有受热膨胀趋势，受相邻冷金属的阻碍顶压无法增长，而变成内部压缩弹性变形，顶压应力为：，就像金属棒在长度方向受到顶压会被墩粗一样，受热单元体abcdefgh在长度方向会被墩粗（宽度方向也一样）而增厚：。a) b)c)3 2 1 图1 平板火焰“点加热”应力变形分析因为受热单元体的厚度方向，是自由表面，没有阻碍。因此，它的体积增大，主要表现为厚度方向的增加（包括厚度方向的温升膨胀1和长宽方向因膨胀受阻而造成的挤压增厚2、3三个部分）。当单元体受热不多，温升不大时，其应力变形都是弹性的。热源撤走降温复原后，温升变形和弹性应力变形自然会消失，一切又恢复原始状态。单元体受顶压的压缩应力变形是其受热升温造成的。知道受热体材料的线膨胀系数、弹性模量E、温升T，就能根据单元体abcdefgh的受力分析可知内应力算出。也能算出内应力达到s时所需要的加热温度Ts。计算结果表明，这个温度并不高，常见的钢、铝材料只需一百度左右的局部温升，其挤压应力就达到材料的屈服极限了。超过这个温度，单元体abcdefg就会发生原子移位产生位错，发生滑移塑性流变，产生塑性变形。这正是受热区金属会增厚的原因。图2 低碳钢屈服极限与温度的关系金属的弹性极限和屈服极限与温度有关。碳钢被加热到600700以后，其弹性极限和屈服极限几乎下降为零，如图2所示。这时的温度称为力学熔化温度或力学熔点。超过力学熔点，在外力作用下引起的变形几乎全部成为塑性变形。一般情况下，火焰成形和火焰矫形的加热温度都能达到，甚至超过这个温度，重点加热区的热膨胀都变成了加热区的塑性增厚变形，仔细观察测量即可知道，这不仅是理性分析的结果，也是对客观现实的真实写照。已经增厚的加热区，此时仍然具有较高的温度和冷却收缩能力。随后，常辅之以喷水冷却，使金属表面尽快恢复弹性，已经增厚的受热区，冷却受缩时就产生弹性收缩力，此力也会拉动相邻金属产生内应力，并产生人们需要的火焰成形变形效果。火焰成形是采用不同的焰道轨迹形状和适宜的冷却方法（空冷、正面水冷、背面水冷），将原本平整的钢板，加工成船板所需要的各种形貌（单曲率面、帆形双曲率面、马鞍形双曲率面等）。这和原本落后的地炉加热钢板，人工锤击成形的方法相比，轻松、简单、效率高，这种加工工艺曾是日本的一项重大发明，大大促进了日本造船工业的发展。火焰矫形是加热焊接结构中变形凸出鼓起 的地方，使之产生与焊接变形相反的变形，达到矫形的目的。生产上人们简称火焰矫形为“打鼓”。焊接应力变形虽较复杂，也可用粗浅的知识和普通道理，简单地定性分析焊接应力变形的成因和规律。焊接温度场如图3所示。图3 焊接温度场1沿纵向的温度分布2等温线 3沿横向的温度分布焊接时，焊丝、焊条等填充金属在空中受热自由膨胀，并瞬间熔化，落入熔池；熔池区母材受热也瞬间熔化，无法向四周冷金属的方向膨胀，但能向熔池和表面方向自由膨胀；受热熔池区将热量传向四周，形成热塑性状态的热影响区，它也无法向四周冷金属方向膨胀，只能向阻力很小的熔池及其表面方向膨胀。由此可见，焊缝金属及热影响区热膨胀是半自由的：其热膨胀基本上都变成了这个区域的厚度增加。这个增厚区域具有很高的温度，有很强的冷却收缩能力。在随后冷却的初期，该区域仍处于液态或热塑性状态，其冷却收缩主要表现为自身厚度减小的体积收缩。当该区域散热较快的四周和金属表面开始恢复弹性时，其冷却收缩即有弹性变形和弹性力同时产生。这个不断增大的弹性力就是冷却收缩力（注意：冷却收缩是金属降温时的主动收缩，体积要减小；而拉伸和压缩是受拉压金属被拉长压短，是被动的，只会变形，但体积不会增大减小），除了拉动自身体积减小之外，也拉动周围相邻冷金属向它们靠拢：拉得动的部分，就表现为焊接工件的焊接变形，拉不动的部分就成了存在于焊接工件内部的弹性变形，它乘以弹性系数，即，就是弹性内应力。在冷却过程中，可见变形、弹塑性应力应变、p都在不断变化，最终的结果就是焊接工件的变形及其焊接残余应力。也就是说，焊接应力和变形是由同一个原因，同时产生的。这个原因就是焊缝及其热影响区的冷却收缩能力。显然这个冷却收缩能力源于焊接时的不均匀加热。受热的区域相对焊接工件很小，受热区产生了不均匀的膨胀，并具有了很强的冷却收缩能力，为其后的不均匀收缩创造了条件。可以说，归纳起来，焊接应力变形只有一种，就是焊缝及其热影响区的焊接收缩应力变形。各种各样的焊接应力变形都是焊接收缩力在焊接工件中不同位置的特殊分布造成的。把加热区简化成长方体仅仅是为了便于数值分析推理。火焰成形、火焰矫形、焊接应力变形的加热区未必是方的圆的，但是不管它们的加热区及其热影响区是什么形状，都是在周围冷金属的重重包围之中，快速的加热、升温、膨胀、体积增加，都仅仅能造成了自身的增厚，并不影响我们定性分析得出的结论。3. 焊接应力变形过程简要分析纤维端点单元体受力图:纵向、横向受压；垂直板面的方向受力很小,可忽略不计。两个物体或一个物体的两个部分相互作用时，物体内有相互作用力，在力的传递过程中，横截面积不同的地方，其内应力、应变的大小是不同的。应力s时，变形或应变是弹性的，比值= E，称为弹性模量，= E·；应力达到或超过s时，会发生塑性变形或塑性应变p，总的内应变N =sp 。两个测量点之间有一个单位长金属纤维BOA图4 焊接试板内力分析A、B、C：三个相邻的全宽度单位长板条单位长金属纤维在板条O的热影响区中外力或工作载荷引起的应力，称为工作应力。物体内部由于内部温度、金相组织、化学成分，以及内部不同部分之间的相互拘束等不同或不均匀，会在金属内部产生不均匀的内部变形， 因而在金属内部不同部分之间会产生相互作用或内应力。简言之，由于物体内部的原因引起的应力称为内应力。关于变形的一些基本概念：（见3页图）1. 可见变形 e：物体虽受拘束，但实际上仍可测得出来，或看得见的变形量；ps板条B的阻挡板条A的限制可见变形e看不见的内部变形NeTspNs冷却收缩中的自由温度变形TNe重点板条中O纤维 L0 1始终不受拘束的自由温度变形T×T受热后f去掉拘束的自由变形关于变形的一些基本概念：（见3页图）2. 可见变形 e：物体虽受拘束，但实际上仍可测得出来，或看得见的变形量；e > 0表示伸长，e < 0表示缩短；3. 自由变形 f：去掉拘束时，金属表现出来的变形量；f > 0表示伸长，f < 0表示缩短；4. 自由温度变形 T：金属被加热或冷却时，在金属纤维未受机械拘束的情况下，因为温度变化而产生的变形量；T = ×T，T >表示伸长， T <表示缩短；T等于后温减去前温；不同时刻去掉拘束，其自由温度变形是不同的；5. 内部变形 N：物体因受拘束而未能表现出来的变形量；N = e - T；N >表示拉伸，e <表示压缩；6. 内部塑性变形 p：内部变形中去掉拘束也不能恢复的部分；p = e - T - s <表示压缩塑性变形；7. 内部弹性变形：内部变形中去掉拘束后可以恢复，能表现出来的部分； = e - T - p <表示压缩弹性变形；2 焊接热应变循环组织铁素体珠光体渗碳体奥氏体马氏体点阵类型体心立方体心立方斜方面心立方正方比容 cm3g0.1270.12860.130.1230.1250.1270.131线胀系数 ×10-6°C14.512.52311.5吸热相变收缩放热相变膨胀LY12常规焊等温线示意图LY12常规焊缝热裂纹断口表面放大图像冷却收缩方向焊缝表面冷凝结晶方向随焊冲击碾压防裂技术的原理与技巧随焊冲击碾压装置的实际结构图系氢11，氦22，氖102.8，氩182.8.8，氪362.8.18.8，氙862.8.18. 32.18.8，氡862.8.18. 32.18.8，锂32.1，钠112.8.1，钾192.8.8.1，铷372.8.18.8.1，铯862.8.18. 32.18.8.1，钫872.8.18. 32.18.8.1，黎明 - 11 -