焊接结构学复习资料

一、焊接结构的特点：优点1）与铆接相比可以节省大量的金属材料 2）焊前准备工作简单，比较省工

3）焊接结构具有比铆接好得多的气密性 4）焊接接头强度高

5）焊接结构设计灵活性大

6)成品率高，一旦出现缺陷可以修复

缺点1）焊接结构的应力集中变化范围比铆接大 2)焊接结构存在较大的应力与变形 3）存在较大的性能不均匀性

4）焊接接头的整体性，对应力集中敏感 二、焊接热过程的复杂性表现：1）局部性或不均匀性 2）瞬时性或非稳态性 3）移动性

三、1）热导率定义: 物体等温面上的热流密度q*[J/mm2s]与垂直于该处等温面的负温度梯度成正比，与热导率 成正比，热导率表示物质传导热量的能力。

2）对流传热定律：由牛顿定律，某一与流动的气体或液体接触的固体的表面微元，其热流密度q与对流换热系数 和固体表面温度与气体或液体的温度之差（T-T0）成正比:

3）辐射传热定律：根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：受热物体单位时间内单位面积上的辐射热量，即其热流密度q与其表面温度为4次方成正比: 四、导热微分方程： T2T2T2T1Qv(222)

tcxyzct

五、导热微分方程的边界条件常分为三类： 1）已知边界上的温度值

2）已知边界上的热流密度分布

3）已知边界上物体与周围介质间的热交换 六、热源空间尺寸形状的简化：

1）点热源：作用于半无限体或立方体表面层,可模拟立方体或厚板的堆焊,热量向X、Y、Z三个方向传播。

2）线热源：对应薄板，热量二维传播。将热源看成是沿板厚方向上的一条线，在厚度方向上，热能均匀分布，垂直作用于板平面。

3）面热源：作用于杆的横截面上，可横拟电极端面或磨擦焊接时的加热，认为热量在杆截面上均匀分布，此时只沿一个方向传热。

七、焊接温度场：焊接过程中，焊件上（包括内部）某瞬时的温度分布。可以用等温线或等温面来表示。 准稳定温度场：如果忽略焊接加热过程的起始阶段和收尾阶段，则作用于无限体上的匀速直线运动的热源周围的温度场是准稳定温度场。

1）作用于无限大体的移动点热源的等温线：封闭的椭圆形

八、焊接热循环：焊接过程中，焊件上某点温度有低到高，达到最大值后，又由高到低随时间的变化称为焊接热循环。参数：1）加热速度2）加热的最高温度3）冷却速度4）高温停留时间

§ 焊接应力与变形

一、内应力:在没有外力作用下平衡于物体内部的应力。 1）温度应力：是由构件不均匀受热引起的

2）残余应力：如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生了塑性变形，当温度恢复原始的均匀状态后，就产生了残余应力。 二、自由变形 、外观变形 、内部变形 ： ; 三、焊接残余变形：（一） 纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩； （二） 横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩； （三） 挠曲变形：构件焊后发生挠曲；纵、横向收缩均可引起。 （四） 角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移； （五） 波浪变形：焊后构件呈波浪形；

（六） 错边变形：焊接过程中，两焊间的热膨胀不一致，引起长度和厚度方向 上的错边。 （七） 螺旋形变形：焊后构件上出现的扭曲。 四、1）纵向收缩变形

塑性变形区：在焊接时，焊缝及其附近的金属由于在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形，这个区域称之为塑性变形区。

影响因素：a、焊接规范b、焊缝长度c、材质的影响d、相变 2）横向收缩变形

直接原因是来自焊缝冷却时的横向收缩，间接原因是来自焊缝的纵向收缩。a、纵向收缩的影响：中间拉，两端压b、横向收缩的影响：最后焊的地方——拉应力 影响因素：a、焊接方法与顺序b、焊缝长度c、拘束度 3）角变形

角变形的根本原因是横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。 影响因素：a、热输入b、板厚 4）焊接错边

焊接过程中对接边的热不平衡是造成焊接错边的主要原因之一。 螺旋形变形（扭曲变形）

产生原因与焊缝角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边有关。 5)波浪变形

失稳：薄板在承受压力时，当其中的压力达到某一临界值时，薄板将出现波浪变形 丧失承载能力的现象。

五、预防变形的措施——设计、工艺、焊后校正 （一）设计措施

1. 合理地选择焊缝的尺寸和形式

1）在保证焊接质量的前提下，选择工艺上可能的最小尺寸。

2）对于受力较大的丁字接头和十字接头，在保证相同强度下，采用开坡口可减少焊缝金属。 3）对接焊缝不同坡口型式焊缝金属相差很大。 4）薄板采用点焊可减少变形。 2. 尽可能减少不必要的焊缝

3. 合理的安排焊缝的位置，尽可能的对称。 （二） 工艺措施 1.反变形法 2.刚性固定法

3.合理的选择焊接方法和规范

4. 选择合理的装配焊接顺序 例：焊接梁 罐底与罐壁的焊接

（三） 矫正焊接变形的方法

1.机械矫正法 利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形，使两者相互抵消。例压机、锤击、碾压。

2.火焰加热矫正 利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，达到矫形的目的。

六、在焊接过程中调节内应力的措施 （一）合理的焊接顺序和方向

1.尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量较大的焊缝； 2.先焊工作时受力较大的焊缝。

3.拼板时先焊错开的短焊缝再焊直通的长焊缝 (二)在焊接封闭焊缝或其它刚性较大， 自由度较小的焊缝时，可采用反变形来增加自由度。 （三）锤击或碾压焊缝

（四）在结构适当部位加热使之延长 加热区的伸长带动焊接部位使它产生一个与焊缝收缩方向相反的变形，冷却时加热区和焊缝 同时收缩，降低内应力。 （五）焊后消除焊接内应力的方法 1、整体高温回火 2、局部高温回火

3、机械拉伸法（过载法）

4、温差拉伸法（低温消除应力法） 5、振动法

七、焊接残余应力的影响

（一）内应力对静载强度的影响

1.只要材料的延性足够（如中低强钢），能进行塑性变形，内应力的存在不影响构件的承载能力， 对静强度无影响

2.材料处于脆性状态(如灰铸铁），材料不能进行塑性变形，外力的增加，构件上不能产生应力的均匀化，应力峰值不断增加直至 ，发生局部破坏，导致整个构件断裂。即使静强度下降。

（二）内应力对疲牢强度的影响 （三）内应力对机械加工精度的影响 （四）内应力对受压杆件稳定性的影响 （六） 内应力对应力腐蚀开裂的影响 八、焊接残余应力的测定 （一）应力释放法 1、切条法 2、套孔法 3、小孔法 4、逐层切削法

(二) X 射线衍射法 晶体在应力作用下原子间距离发生变化，与应力成正比。无破坏性。 § 焊接接头

一、焊接接头是由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材组成。特点：不均匀性、 应力集中 1. 焊接接头是一不均匀体。（成分、几何、组织、性能） 2. 因焊缝形状和布置的不同产生不同程度的应力集中。 3. 影响接头性能的因素：力学因素和材质因素

力学影响：接头形状的不连续性、缺陷、残余应力和焊接变形

材质方面： 焊接热循环、焊缝化学成分、焊接热塑性、焊后热处理 二、焊接热影响区（HAZ）：母材因受焊接热的影响（但未溶化）而发生的金相组织和机械性能变化的区域。包括粗晶区（1200-1500c），细晶区（900-1200c），部分相变区，蓝脆区。 三、焊缝金属强度比母材高的称为高组配，比母材低称为低组配。 高组配时接头断裂多发生在母材上，低组配时多发生在焊缝上。 但强度并不等 于焊缝金属本身的强度。 四、焊缝及接头的基本形式 （一）对接焊缝：

对接焊缝开坡口的根本目的是为了确保接头的质量及其经济性，坡口型式必须考虑以下问题：

1、焊材的消耗量 2、可焊到性 3、坡口加工 4、焊接变形 (二)角焊缝

1、按其截面形状可分为四种：平角、凹角、凸角、不等腰 2、按其承载方向分为三种：焊缝与载荷垂直的正面角焊缝 焊缝与载荷平行的侧面角焊缝 焊缝与载荷倾斜的斜向角焊缝

3、应用最多的是直角等腰的，用腰长K表示其大小， 称为焊脚尺寸 （三）接头的基本形式有四种： 对接，搭接，丁字，角接

五、应力集中：焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大应力值（ ）比平均 应力值（ ）高，这种情况称为应力集中。

1） 应力集中系数 ，可用实验测得。 2） 应力集中的原因：

1、焊缝中的工艺缺陷如气孔、夹渣、裂缝和未焊透，裂缝和未焊透引起的应力集中严重。 2、不合理的焊缝外形，如加厚高过大。

3、设计不合理的焊接接头，如接头截面突变、单侧焊缝的丁字接头。 一．工作焊缝和联系焊缝 1、工作焊缝：焊缝与被连接的元件是串连的，焊缝承担着传递全部载荷的作用， 一旦断裂，结构立即失效，其应力称为工作应力。

2、联系焊缝：焊缝与被连接的元件是并连的，它传递很小的载荷，主要起元件间相互联系作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，其应力称为工作应力。 二．焊接接头强度计算的假设 1、残余应力对接头强度无影响

2、焊趾处和加厚高等处的应力集中对接头强度无影响 3、接头的工作应力是均布的，以平均应力计算 4、正面角焊缝和侧面角焊缝强度没有差别 5、焊角尺寸的大小对角焊缝强度无影响

6、角焊缝都是切应力作用下破坏的，按切应力计算强度 7、角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面的最小高度上，其值等于内接三角形高度a （计算高度），直角等腰三角形的计算高度： a==0.7K

§焊接结构的脆性断裂

一、焊接结构制造工艺的特点与脆性断裂的关系

（一）应变时效引起的局部脆性 （二）金相组织改变对脆性的影响 （三）焊接缺陷的影响 （四）角变形和错边的影响 （五）残余应力和塑变的影响 二、预防焊接结构脆性断裂的措施

造成结构的脆性断裂的基本原因是：

材料在工作条件下韧性不足；结构上存在严重的应力集中；过大的拉应力；

一．正确选择材料 基本原则：安全、经济；保证母材和焊材在使用温度下具有合格的缺口韧性。

二．采用合理的焊接结构设计

1. 尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中； 1）圆滑过度

2）尽量采用对接接头

3）不等厚对接应尽量圆滑过度

4）避免和减少焊接缺陷，应将焊缝布置在便于焊接和检验的地方 5）避免焊缝密集

2.满足使用条件下，尽量减少结构的刚度以降低应力集中和附加应力； 3.不采用过厚的截面； 4.辅助焊缝也应足够重视

5.减少和消除焊接残余拉应力的不利影响 § 焊接接头和结构的疲劳强度 一、影响焊接接头疲劳强度的因素 （一）应力集中的影响

1. 对接接头由于形状变化不大，应力集中比较小，加厚高， θ角； 2. 丁字和十字接头过渡处有明显的截面变化，应力集中系数较高； 3. 搭接接头的疲劳强度很低

（二) 近缝区金属性能变化的影响

1. 在常用的线能量下，HAZ和基本金属的疲劳强度相当接近； 2. HAZ 尺寸不大，不会降低接头的疲劳强度；

(三)残余应力的影响 消除内应力后的疲劳强度均高于未热处理的，内应力的影响在应力集中较高时更大。 (四)缺陷的影响

1. 片状缺陷比圆角形的影响大； 2. 表面缺陷比内部的影响大；

3. 与作用力方向垂直的片状缺陷比其它方向的大； 4. 位于应力集中区的缺陷比在均匀应力场的大； 5. 位于残余拉应力场内的比压应力场内的影响大； 二、提高焊接接头疲劳强度的措施 （一）降低应力集中 1. 合理的结构形式

2. 应力集中系数小的接头 a、角接改为对接； B、平滑过度

3. 角焊缝时，采取综合措施， 保证根部焊透，降低应力集中； 4. 开缓和槽； 5. 表面机加工。

（二）调整残余应力场

消除接头应力集中处的残余拉应力或使之产生压应力： a、整体热处理 b、局部处理

（三）改善材料的机械性能

表面强化处理 挤压、锤击、喷丸 四．特殊保护措施 保护涂层