焊接结构学

焊接结构学主讲教师：方洪渊教授焊接结构学–绪论•焊接技术在工业部门中应用的历史并不长，但其发展却非常迅速。短短的几十年中，焊接已在许多工业部门的金属结构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆、压力容器等几乎全部取代了铆接。此外，在机械制造业中，以往由整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接结构，目前，世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量的45%。绪论–焊接结构的特点与铆接、螺栓连接的结构相比较，或者与铸造锻造的结构相比较，焊接结构有下列特点（优点）：1、焊接接头强度高铆接、螺栓连接的结构，要在母材上钻孔，削弱了工作截面，强度下降约20%焊接；接头强度可达到与母材等强度甚至高于母材强度。绪论–焊接结构的特点2、焊接结构设计灵活性大，主要表现在：①焊接结构的几何形状不受限制：如铆、铸、锻等方法无法制造空心结构，焊接则可以；②结构的壁厚不受限制：两被连接构件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；③结构的外形尺寸不受限制：对大型结构可分段制成部件，现场组焊、锻、铸、工艺则不允许；④可利用标准或非标准型材组焊接成所需要结构，段结构重量减轻。焊缝减少；⑤可与其它工艺方法联合使用：铸—焊锻—焊栓——焊冲压—焊接等联合的金属结构；⑥可实现异种材料的连接：同一结构的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物尽其用。绪论–焊接结构的特点3、焊接接头密封性好气密性，水密性均优于其它方法，特别是在高温，高压容器上，只有焊接接头才是最理想的连接形式。4、焊前准备工作简单由于近年来数控精密气割设备的发展，对于各种厚度或形式状复杂的待焊接，不必预划线就能直接从板料上切割出来，一般不用再机械加工就可投入装配焊接。绪论–焊接结构的特点5、易于结构的变更和改型铸造—铸型（木型）锻造—开模具周期长、成本高焊接、则快速、简便、投资少6、适用于制作大型或重型、结构简单而且是单件小批量生产的产品结构结构大简单批量小焊接占优势结构小复杂批量大铸锻占优势7、成品率高一旦出现缺陷，可以修复、很少产生废品。绪论–焊接结构的特点焊接结构所存在的问题（缺点）：1、存在较大的焊接应力和变形焊接（局部加热）—内应力—变形—工艺缺欠—承载能力（刚度、强度、稳定性）下降—尺寸精度，尺寸稳定性下降—校形—增加工作量—增加成本绪论–焊接结构的特点焊接结构所存在的问题（缺点）：2、对应力集中敏感焊接结构具有整体性，其刚度大，焊缝的布置、数量和次序等都会影响到应力分布，对应力集中敏感，而应力集中是疲劳，脆断等破坏的起源，因此在焊接结构设计时要妥善处理。绪论–焊接结构的特点焊接结构所存在的问题（缺点）：3、焊接接头的性能不均匀焊接金属是由母材料和填充金属在焊接热作用下熔合而成的铸造组织，靠近焊接金属的母材（近缝区）受焊接热的影响，组织和性能发生变化（谓之热影响区），因此，焊接接头在成分，组织和性能上都是一个不均匀体，其不均匀程度远远超过了铸、锻件，这种不均匀性对结构的力学行为，特别是断裂行为有重要影响。焊接结构学–绪论二、焊接性分析•焊接作为一种制造技术或生产手段，其目的是要获得具有优异的连接质量和优秀的使用性能的产品（或构件）。但是由于焊接过程的复杂性和众多的影响因素、非线性问题，瞬时作用以及温度的相关性效应等等，使得要正确描述在各种情况下产生的焊接变形和焊接残余应力，准确把握产品质量变得非常困难。•在实际工作中，人们采用焊接性的概念。作为一个分类系统，它在考虑焊接残余应力和焊接变形的影响方面有一定的意义。随着科学技术的不断发展和进步，现在已经有可能将焊接性分解为热学、力学，显微结构等过程，从而降低了焊接性各种现象的复杂性。绪论–焊接性分析1、构件焊接性与焊接冶金课程中介绍的，“材料焊接性”的概念相比，构件焊接性含义更广泛，它可以包含以下几方面内容：“材料的焊接适应性”、“设计的焊接可靠性”和“制造的焊接可行性”。焊接残余应力和焊接变形是焊接性的多要组成部分，它影响到冷、热裂纹、影响使用性能并妨碍制造过程。焊接性的定义绪论–焊接性分析2、影响焊接性的因素根据上述分类，可将影响焊接的因素按下面的方式分类：影响焊接性的因素与材料有关的因素与制造有关的因素与设计有关的因素母材和填充材料的类型(化学)成分和显微组织结构的形状、尺寸、支撑条件和负载，焊缝类型，厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形状，焊接顺序，多层焊，定位焊。夹紧、预热和焊后热处理。绪论–焊接性分析从狭义上来说，焊接性可理解为所需求的强度性能、焊接接头的强度受到化学分成或温度循环等主要影响因素的支配，而这些因素又受到如焊缝类型，或预热温度等的影响，强度行为可用一些主要的或物理特征值来描述，而这些特征值又可能涉及另一些次要的或工艺的特征值，下图为一张仅限于影响强度性能的不完全的可变因素图，由此，可看出“焊接性”的复杂性。绪论–焊接性分析主要影响因素主要特征值合金元素含量相、显微组织、晶粒尺寸冷却时间、奥氏体化时间退火时间和温度板厚、焊缝类型等效应力、三轴度焊条药皮、水分次要特征值碳当量焊接性指数脆性指数裂纹敏感性指数（脆性）转变温度目标参数硬度强度延展性冷列敏感性热烈敏感性层状撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蚀性次要影响因素焊条类型焊接方法焊接参数焊缝类型预热温度层数稀释率烧穿，夹杂物化学成分相变、显微组织焊接温度循环焊后热处理构件形状负载条件氢含量影响焊接接头强度的主要因素绪论–焊接性分析焊接过程涉及到热学、力学、金相学等多方面知识，将焊接性分解成温度场、应力和变形场、显微组织状态场，这对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。温度场、应力与变形场及显微组织状态场的分解和相互影响绪论–焊接性分析“焊接性”是一个复杂的问题，以往对焊接性的描述多数为定性的语言描述，已经发展了一些实验方法，可以针对某一具体情况或特定的性能参数来定量描述，但全面，宏观上对焊接性进行定量描述却十分复杂，也十分困难。随着科学技术的发展，特别是计算机和数值模拟技术的进步，将焊接性分解成温度场，应力和变形场和显微组织状态场、这对于定量分析焊接问题具有重要意义。显微组织转变的影响绪论–本课程的内容和范围•从前述内容可以看出，焊接结构的性能和质量问题涉及到三个主要方面，即热场（温度场），应力和变形场以及显微组织状态场，其对应的基本理论分别为热学（传热学、）、力学（流体力学、材料力学、弹塑性力学、断裂力学）和金相学（金属学、冶金学、金属力学性能等）。•关于显微组织状态场的问题，重点在焊接冶金学中解决，关于应力和变形场以及结构强度等问题则是本课程的主要内容。而热场问题，由于没有安排专门的课程来介绍，而其又是焊接过程的重要基础，因此，在本学课程中一并解决，因此，本课程的主体思路为：焊接过程加热—应力—变形—接头性能—结构特征—焊接结构产品（实例分析）第一章焊接热过程第一章焊接热过程•除冷压焊等极个别的特例之外，其它焊接过程都需要加热，即热过程是伴随焊接过程始终的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在热过程的问题，如：工件在焊前进行预热和焊接之后进行的冷却和热处理等过程。因此，热过程在决定焊接质量和提高焊接生产率等方面具有重要意义。•焊接的热过程是一个十分复杂的问题，从30年代由罗塞舍尔和雷卡林开始进行了系统研究，到目前，已取得很大进展，但尚未得到圆满解决。这一问题的复杂性主要表现在以下几个方面：第一章焊接热过程①焊接热过程的局部性或不均匀性与热处理工艺不同，多数焊接过程都是局部进行加热的，只有在热源直接作用下的区域受到加热，有热量输入，其它区域则存在热量损耗，（举例：电弧焊、电阻焊等），受热区域的金属熔化，形成焊接熔池，这正是引起残余应力和变形的根源。②焊接热源的相对运动由于焊接热源相对于工件的位置在不断发生变化，这就造成了焊接热过程的不稳定性。第一章焊接热过程③焊接热过程的瞬时性（非稳态性）由于金属材料中热的传播速度很快，焊接将必到用高度集中的热源，这种热源可以在极短的瞬间内将大量的热量由热源传递给工件，这就造成了焊接热过程的时变性和非稳态特性，例如，在最不利的情况下，构件的初始温度可达到-40℃，（在哈尔滨冬天的室外），而焊接熔池的最高温度可以达到金属汽化的温度（钢的沸点为3000℃），而熔池的形成是在很短时间内完成的，因此其加热速度之快，常可以达到1500℃/S以上。第一章焊接热过程由以上几点可以看出焊接的热过程是十分复杂的问题，这给分析研究工作带来了许多困难，但是如果我们能够了解和掌握焊接热过程的基本规律，能够准确知道工件任一位置在任一时刻的状态和温度，则对控制焊接质量，调整焊接工艺参数，清除焊接应力，减小焊接变形，预测接头性能等方面均具有重的意义。第一章焊接热过程到目前为止，世界上许多国家的焊接工作者对焊接热过程进行了大量的系统的研究工作，但距离上述要求还存在着差距，这主要是因为在解决一些复杂的焊接传热问题时间不得不提出一些数学上的假设和推导，这一方面的经典工作是由前苏联的雷卡林完成的，雷卡林的工作对一些相对简单的情况给出一些解析解，但其结果常存在很大偏差，有时偏差量常常可以达到100%，近期有限元理论和数值分析技术的发展，使一些复杂问题的计算得以进行，因而使计算模型的建立可以更接近实际情况，准确程度也明显提高，但仍没有达到完全实用化的程度，并且许多复杂的理论问题也未得到很好的解决，因此，焊接热过程目前仍然是国际焊接界研究的热点问题之一。第一章焊接热过程•本章以最常规的MIG焊为例来讨论焊接热源，热场、流场的基本规律和焊接热过程的计算方法，以及焊接热循环的有关问题，目的是为讨论焊接冶金、应力、变形、热影响区等建立基础。第一章焊接热过程第一节基本概念和基本原理第二节整体温度场第三节焊接热循环第四节对熔化区域的局部热作用第一节基本概念和基本原理一、电弧焊热过程概述首先，我们来分析一下最典型的焊接过程--MIG焊接时都有哪些因素会影响到热过程。1、产热机构电弧热：焊接过程中热量的最主要的来源，利用气体介质中的放电过程来产生热量，来熔化焊丝和加热工件；电阻热：焊接电流过焊丝和工件时，将产生热量；相变潜热：母材和焊丝发生熔化时将产生相变潜热；变形热：构件变形时将产生变形热第一节基本概念和基本原理一、电弧焊热过程概述2、散热机构环境散热：处于高温的工件和焊丝向周围介质散失热量；飞溅散热：飞溅除发生质量损失之外，同时也伴有热量损失。第一节基本概念和基本原理一、电弧焊热过程概述3、热量传递方式热传导：工件和焊丝中高温区域的热量将向低温区域传导；对流换热：焊接熔池内部，由于各处温度不同，加上电弧的冲击作用产生强迫对流，工件表面处，周围气体介质流过时带走热量；辐射换热：电弧本身处于极高温度，将向周围的低温物体发生辐射，并传递热量；热焓迁移：（1）具有高温的熔滴从焊丝向母材迁移，在传质同时传热；（2）飞溅从熔池向四周飞散，同时传质传热。第一节基本概念和基本原理从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我们要处理几方面的问题：•热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、效率等。•热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等•传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅）•相变问题：潜热、热物理参数变化•位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。•力学问题；电弧力、重力、等离子流力、热应力、拘束力、相变应力等。综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题，涉及到多学科的知识，因此，在求解这一问题将要对各方面的知识加以综合利用。第一节基本概念和基本原理二、焊接热源一般来说，必须由外界提供相应的能量才能实现基本的焊接过程，也就是说有能源的存在是实现焊接的基本条件。到目前为止，实现金属焊接所需要的能量从基本性质来看，包括有电能，机械能、光辐射能和化学能等。第一节基本概念和基本原理--焊接热源1、焊接热源的类型及特征（1）电弧焊热源电弧焊时，热量产生于阳极与阴极斑点之间气体柱（弧柱、热等离子体）的放电过程。焊接过程采用的是直接弧，阳极斑点和阴极斑点直接加热母材和焊丝（或电极材料）。电弧柱