焊接结构(完整)

序言1、课程背景材料成型与控制专业方向限选课；焊接专业的主干课；IWE培训中——国际焊接工程师必修课、考试课。它对于从事焊接结构生产、设计、管理、安装、维修、质量控制等方面技术工作的人员都是十分重要的。焊接结构•2.教学安排本课程总学时为24学时。其中：理论学时为20学时——由张元钟老师负责讲授；实验学时为4学时•3、主要教学内容及学时分配焊接应力与变形；10～12学时焊接结构强度：焊接结构的静载强度—自学；焊接结构的脆性断裂—4学时；焊接结构的疲劳破坏—4学时。•4、主要教学参考书【1】田锡唐主编.焊接结构北京:机械工业出版社,1996【2】焦馥杰主编.焊接结构分析基础上海科技文献出版社,1998【3】中国机械工程学会焊接学会编焊接手册(第三卷)，焊接结构北京:机械工业出版社,1992【4】方洪渊主编.焊接结构学北京:机械工业出版社，2005【5】贾安东著焊接结构生产与设计天津:天津大学出版社,1987第一章绪论•本章提要：本章主要介绍焊接结构的应用特点及其在工业生产与经济建设中的地位。掌握要点：1、焊接结构自身的优点与焊接工艺优势；2、焊接结构应引起充分注意的问题！1.1焊接结构应用的广泛性—工业地位1.1.1焊接结构的用钢量指标比较用钢量比率＝(焊接结构用钢量/钢的总产量)×100%a.美、德、日、英等发达国家—50～55％；b.我国目前水平—已达40~45%.可见，焊接结构用钢量比率之大！第一章绪论焊接结构用钢量•焊接结构用钢量80年代工业发达国家（日本、美国、德国）约为45%，我国约为25%。•2005年中国焊接结构用钢量为37%,工业发达国家达到50%以上。•同年钢产量达到3.49亿吨，成为世界最大的钢材生产与消费国，而焊接结构的用钢量也突破1.3亿吨。人均钢产量•90年代重工业成熟国家人均钢产量为600kg/p.y，我国钢产量突破6000万t，人均55kg/p.y。•2006年世界钢产量为12.39亿t，我国钢产量为4.2亿t，占全世界钢产量的34%，人均300kg/p.y。•2010年我国钢产量将达到5亿t左右，同时我国正在努力从钢材大国向钢材强国的方向发展。1.1.2焊接结构的分类、应用领域梁柱桁架和塔桅结构板壳结构运输装备用板壳结构机器结构第一章绪论1.1.2焊接结构的分类、应用领域汽车、铁路车辆、船舶、航空、航天、锅炉、压力容器、石油化工、建筑、公交、家电、电子、核能、军工等诸多领域都有应用。—可见焊接工程师也会大有用武之地！第一章绪论焊接结构应用的领域埋弧焊——自动焊接锅炉汽包焊接结构应用的领域•水电装备•三峡水利枢纽的应用•导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等•其中马氏体不锈钢转轮直径10.7m高5.4m重440t，为世界最大的铸－焊结构转轮焊接结构应用的领域•加氢反应器•2005年底由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径5.5m长62m厚337mm重2060t，为当今世界最大、最重的锻－焊结构加氢反应器•采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接5天。焊接结构应用的领域焊接结构应用的领域•神舟7号飞船航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。焊接结构应用的领域•国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶；奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重5万吨，是世界之最。焊接结构应用的领域•杭州湾大桥为全焊钢结构斜拉桥。•西气东输的管线长4000km，是中国第一条高强钢（X70）大直径长输管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板－焊形式的焊接管。焊接结构应用的领域•船体是典型的板－焊结构。2005年总吨位12121万吨，占世界造船总量的17%，居于日、韩之后，稳居世界第三位，正向年产2500万吨的世界水平迈进。第一章绪论——焊接结构制造工艺特点及前景展望•从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出，在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30～60万瓦级循环硫化床（CFB）锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中，焊接制造都是关键制造工艺之一。•由此可见，焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。从事焊接生产工作前景远大。第一章绪论•1.2焊接结构的优点—技术优势•重量轻：–减少材料消耗-比铆接轻15~20%，比铸件轻50~60%•整体性：–具有高刚性：整体刚性强，传力特性好–高致密性：气密性好，可制造高压容器1.2焊接结构的优点—技术优势•接头等强性：•焊缝与母材不同质，强度不同•结构材质好，材料利用率高•合理利用材料：•异种材料焊接，合金锯条、容器衬里、硬质合金刀具、金刚石钻具、挖煤机械、仿生非光滑犁壁、自动控制记忆合金、喷涂、堆焊1.2焊接结构的优点—技术优势•工艺灵活，适应性强•大型复杂结构采用分部件装焊、现场装焊-船舶、锅炉、桁架结构、石油管线、桥梁•特殊产品空心球、水箱、电子束焊加工齿轮、水泥电线杆•工艺方法灵活，选择范围宽；操作位置及焊接方法•成本低廉，质量可靠。1.3焊接结构的特点—扬长避短（1）存在严重的应力集中（2）必然产生残余应力和变形（3）接头存在性能不均匀性（4）接头止裂性差第一章绪论•1.4焊接结构的可靠性焊接结构的可靠性焊接结构的可靠性材料焊接性结构工艺性结构性能第一章绪论质量管理体系•焊接结构的使用安全性应综合考虑到：产品设计、生产制造、产品检验、生产应用、保养维护等各个环节！无论结构的设计、制造、检测部门，还是结构的使用部门，都要有强烈的质量意识并且有严格的质量管理体系作为保障！哪个环节有疏漏都可能造成严重的经济损失。有时甚至是灾难性的！结束语第一章结束！第二章焊接应力与变形•内容提要：本章是全课程的重点和难点！要求掌握：1.焊接应力与变形的基本知识和分类方法；2.焊接应力与变形的产生机理与影响因素；3.焊接应力与变形的预防及控制措施；4.焊接变形的矫正与焊接应力的消除方法。2.1焊接应力与变形的基本知识•2.1.1内应力的概念•内应力定义—指在无外力作用下平衡于物体内部的应力。•内应力特点—拉压共存；拉压平衡；在应力分布图上至少有3块面积。•内应力别名—初始应力，锁定应力，固有应力、反作用应力等。•内应力举例—铸件，焊接件，铆接件等都存在内应力铸件中的内应力分布yx受压区受拉区铆接件中的内应力分布y铆钉工件x内应力分布焊接件中内应力的分布特点：中心区域受拉；两边区域受压。xy内应力是一种普遍存在的现象•思考：1、菜板为什么会裂？2、钢筋混凝土预制构件中有无内应力？3、熟好的西瓜为什么容易裂开？4、腹部有未愈合伤口的人为什么不敢直腰？2.1.2焊接应力的分类•按产生原因分为:（1）热应力(又称温度应力)—由于焊件经受了不协调的热变形所致。（2）相变应力—由于焊缝区不均匀的相变，引起焊缝及热影响区金属的比容变化所致。（3）拘束应力—由于工件自身或外加夹具的拘束作用产生的内应力。（4）凝缩应力—因焊缝区液态金属冷凝收缩引起的内应力。（5）氢致集中应力—因焊缝区的扩散氢在晶界或显微缺陷处聚集而形成氢压所致的内应力。•按产生时序分为：瞬时应力—焊接过程不断变化着的动态内应力。残余应力—焊后，残留于工件中的内应力。按作用范围分为：宏观内应力—作用范围可以工件来比量。微观内应力—作用范围可用晶粒尺寸来比量。超微观内应力—作用范围可用晶格尺寸来比量。2.1.2焊接应力的分类•按应力状态分为：单向应力—又称线应力，存在于窄板条结构；双向应力—又称平面应力，存在于薄板结构；三向应力—又称体积应力，存在于厚板结构。三向应力的符号表示：σx,σy,σz。σx——纵向应力，即平行焊缝方向的内应力；σy——横向应力，即垂直焊缝方向的内应力；σz——板厚方向的应力，即垂直焊缝平面的内应力。2.1.2焊接应力的分类2.1.3焊接变形及其分类•焊接变形—焊接工艺过程导致的工件尺寸或形状的改变。•焊接变形的分类：•按产生时序分为：瞬时变形—即指焊接过程中工件的动态变形；残余变形—焊后，残留于工件中的变形。瞬时变形是一个过程；残余变形是最终结果。•按焊接变形的形貌分为：•纵向收缩ᅀL—工件在焊缝方向的尺寸缩短行为；•横向收缩ᅀB—在垂直焊缝方向的尺寸缩短行为；•角变形β—工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移；•波浪变形—薄板工件在板平面上产生的凸凹不平；•弯曲变形—工件轴线产生的挠曲变形；•扭曲变形—工件整体产生的螺旋变形；•焊接错边—工件的坡口两侧母材产生局部不平。2.1.3焊接变形及其分类收缩变形——纵向、横向角变形波浪变形——失稳变形弯曲变形扭曲变形焊接变形的几点说明•1区别伪波浪变形与真正波浪变形的本质不同；•2注意焊接错边与装配错边的本质不同；•3注意分析各种变形的产生原因及相互关系。•解释与提示：波浪变形本质是：薄板受压失稳行为；——它们都是构件刚性不足的表现形式。•装配错边是机械装配精度不足所为；——是铆工的责任！焊接变形的几点说明•焊接错边的本质原因是：焊接件坡口两侧母材热变形不一致或受热状态不同所致。具体原因可能是：（1）电弧偏吹；（2）异质接头；（3）不等厚接头；（4）散热条件不同；（5）拘束条件不同。各种变形的相互联系•纵向收缩•横向收缩•角变形的本质是：横向收缩在厚度方向上的不等量分布所致。•扭曲变形的本质是：角变形在焊缝长度方向上的不等量分布与不对称焊接所致。•弯曲变形可能是：纵向收缩和/或横向收缩造成的。即把焊缝的偏心收缩！产生的偏心力矩理解为偏心压缩！是两种基本变形形式，是二维收缩的结果！2.1.4焊接应力与变形机理分析•提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过程热循环中的热变形与热应力循环的分析，使我们深刻理解焊接应力与变形的产生过程及残余应力与变形的产生机理。•方法：利用应力、应变循环图直观分析。•基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。•基本符号：△LT△Le△L•应变表示：εTεeε三种基本变形的定义•自由变形•—在温度变化时试件的变形不受任何限制，能够充分表现出来的变形•外观变形•—由于某种拘束作用的限制，使得试件的热变形不能充分表现出来，把其中表现出来的部分变形称为外观变形•内部变形•—未表现出来的那部分就称为内部变形三种基本变形的图解L0△L可见，△L=|△LT－△Le|考虑到拉压关系应力分析的重要公式△LT△Le又有,△L=△Le－△LT即,△Le=△LT+△L三种变形的应变形式•只要将公式△Le=△LT+△L两边同除以试件的原始长度L0，即得到各自的应变形式：εe＝εT＋ε其中，△LT＝L0·α·Τ可计算△Le可测量因而，△L可间接计算得到•三种变形的分析结论：外观变形在数值上等于自由变形与内部变形的代数和。它的应变表达式为：εe＝εT＋ε它的等价形式为：ε＝εe－εT这两个公式一定要牢记！2.1.5试件内部的应力•提示：小试件均匀加热过程的变形一旦受到拘束—等效于外力作用，就会产生内部变形，同样会产生应力。•计算方法：在弹性范围内σ＝E·ε＝E（εe－εT）超出弹性范围则有σ＝σs2.1.6材料屈服极限的变化•低碳钢应力应变曲线示意图2.1.6材料屈服极限的变化•提示：材料的机械性能随温度的变化而变化，当温度变化幅度较大时，其性能变化幅度也是十分惊人的！•低碳钢屈服极限随加热温度的变化关系500600σsT500600Tσs低碳钢屈服极限的简化500600Tσs2.1.7TP与TS•TP——指金属在升温过程中达到σs为0时所对对应临界温度。•TS——指金属在升温过程中，内部应力达到σs时所对对应临界温度。•举例：对于低碳钢TP＝600℃；•TS的讨论：——分析低碳钢小试件在不同拘束条件的TS＝？℃低碳钢在绝对刚性拘束时的TS•提示：1.绝对刚性拘束，等价εe≡0！因此，ε≡－εT=－α·Τ2.达到TS时,试件中对应的应力值为－σs！3.低碳钢的相关材料常数：α