2011第1章___緒論.ppt

焊接技術,參考書目,劉會杰，焊接冶金與焊接性 張彥華，焊接力學與結構完整性原理緒論 方洪淵，焊接結構學 張秋麥，焊接檢驗 陳錚， 材料連接原理 李亞江，焊接組織性能與質量控制,緒論,焊接的本質與途徑 焊接接頭及其形成方法 焊接方法的種類和特點 焊接結構的應用、性能和特點 焊接力學與結構完整性的研究內(nèi)容與方法,1、焊接的本質與途徑,(1)焊接的概念及內(nèi)涵 按照同際焊接學會的定義，焊接是指通過加熱或加壓或二者并用，使被焊材料達到原子間的結合，從而形成永久性連接的工藝。其中，被焊的材料一般被稱為母材或工件。,1、焊接的本質與途徑,(2)實現(xiàn)焊接的途徑,通過加壓或加熱，使被焊材料之間在微觀上達到原子間的結合，在宏觀上形成永久性的連接接頭。,2、焊接接頭及其形成方法,2、焊接接頭及其形成方法,1)焊接熱過程,2)固液狀態(tài)演變過程,3)焊接化學冶金過程,4)固態(tài)相變過程,概述,焊接的本質與途徑 焊接接頭及其形成方法 焊接方法的種類和特點 焊接結構的應用、性能和特點 焊接力學與結構完整性的研究內(nèi)容與方法,3、焊接方法的種類和特點,（1）壓力焊,壓力焊設備,3、焊接方法的種類和特點,（2）釬焊,釬焊設備,3、焊接方法的種類和特點,（3）熔化焊,氣焊,電弧焊,高能束焊,電渣焊,熔焊方法的種類,氣焊是利用可燃氣體燃燒所釋放出的化學熱來實現(xiàn)焊接的方法。常用的燃氣是乙炔，故稱為氧乙炔焊。,1)氣焊,熔焊方法的種類,1)氣焊,1)氣焊,熔焊方法的種類,電弧焊是以氣體介質放電所產(chǎn)生的電弧作為熱源的焊接方法?？杉毞譃楹笚l電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極惰性氣體保護焊及等離子弧焊等。,2) 電弧焊,焊條電弧焊-手工電弧焊,焊條電弧焊-手工電弧焊,埋弧自動堆焊原理,埋弧自動堆焊原理圖 1焊絲；2焊劑；3基體；4熔化金屬；5凝固焊層金屬；6熔渣；7渣殼,電弧焊埋弧焊,電弧焊埋弧焊,電弧焊埋弧焊,電弧焊埋弧焊,電弧焊埋弧焊,埋弧焊的主要優(yōu)點： (1)生產(chǎn)效率高 (2)焊接金屬的品質良好、穩(wěn)定 電弧及熔化金屬受到焊劑的保護，沒有空氣污染。 (3)焊縫外觀非常美觀 熔化金屬凝固過程中受到熔渣的覆蓋，能夠得到美觀的焊縫外形。 (4)焊接成本低 (5)操作環(huán)境好,電弧焊埋弧焊,埋弧焊存在的問題 (1)設備費用高 (2)對坡口精度有要求 (3)焊接姿勢受到限制 (4)適用材料 (5)焊縫金屬的沖擊韌性普遍不好 (6)主要用于自動焊、長焊縫、中等以上厚度板的焊接 對于半自動焊和短焊縫，設備移動不如氣體保護電弧焊方便；埋弧焊小電流下電弧的穩(wěn)定性差，也不適合焊接薄板。,電弧焊埋弧焊,埋弧焊的應用 在造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機械及冶金機械的制造中應用最為廣泛。主要對碳素結構鋼、低合金結構鋼、不銹鋼、耐熱鋼及其復合鋼材等的各種鋼板結構進行焊接。在表面耐磨、耐腐蝕材料的堆焊方面也比其它方法更具優(yōu)勢。,電弧焊熔化極氣體保護焊,電弧焊熔化極氣體保護焊,熔化極氬弧焊,電弧焊熔化極氣體保護焊 -熔化極氬弧焊,電弧焊鎢極惰性氣體保護焊 鎢極氬弧焊(TIG焊）,電弧焊鎢極惰性氣體保護焊,鎢極氬弧焊,電弧焊等離子弧焊,熔焊方法的種類,高能束流焊是以電子束或激光束與被焊材料局部表面相互作用而產(chǎn)生的熱能作為熱源的焊接方法，因此分為電子束焊和激光束焊。,3)高能束焊,高能束流焊電子束焊,高能束流焊電子束焊,電子束焊方法因其能量密度很高而能實現(xiàn)全熔透的穿孔型焊接，可焊厚度很大焊接速度很快，焊接熱影響區(qū)很窄，焊接變形很小。它可以焊接多種類型的材料，包括活性材料、耐熱材料、異種材料以及尺寸不同的材料。,這種焊接方法的缺點是設備造價很高，同時需要真空環(huán)境和x射線防護設施，對工件的裝配和對中也有非常高的要求。,高能束流焊激光束焊,高能束流焊激光束焊,電渣焊,電渣焊是以熔渣作為導電介質，利用電流通過熔渣產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，熔化工件材料（母材）和填充金屬的焊接方法。,電渣焊,電渣焊特點,電渣焊具有非常高的熔敷率，無論工件多厚，均單道焊完，而且沒有角變形。,它的缺點是輸入的熱量大，接頭在高溫下停留時間長、焊縫附近容易過熱，焊縫金屬呈粗大結晶的鑄態(tài)組織，沖擊韌性低，焊件在焊后一般需要進行正火和回火熱處理。 只適用于垂直位置焊接，而且熱輸入很高，易造成焊縫及熱影響區(qū)晶粒的嚴重粗化，使接頭韌性顯著降低。,4、焊接結構的應用、性能和特點,4、1 焊接結構的應用,航空航天,航空航天,航空航天,航空航天,長三甲運載火箭一級殘骸,航空航天,摩擦焊,1)待焊接的對接或搭接件放置于墊板上，并被夾緊。 2)用圓形夾持器上的特型指棒對工件旋轉。 3)焊接時邊旋轉，邊插入焊接接頭中，當它與工件相接觸時，摩擦熱迅速加熱接觸的材料，夾持器沿著縫隙向前行走,并在作用力下使特型指棒擠壓接觸材料，使材料成為塑性狀態(tài)，特型指棒向前行走時，攪拌受到擠壓的塑性材料，由前向后流動，待夾持器移走后，塑性材料冷卻，形成固態(tài)焊接。,現(xiàn)代造船業(yè),焊接應力與變形直接影響到船舶結構的連接質量和使用安全 。,石油天然氣管道,石油天然氣管道,管道焊接質量是長輸管道系統(tǒng)安全運行的關鍵之一，管道焊接過程中不可避免地存在各種各樣的焊接缺陷、焊接殘余應力、焊接區(qū)材料組織性能劣化、外力損傷及接頭細節(jié)引起的應力應變集中，加之管道輸送壓力和所用鋼級的提高及其運行條件的變化，因此，防止焊接接頭的斷裂破壞，確保長輸管道系統(tǒng)的安全可靠具有重要意義。,海上平臺,核反應堆壓力容器,核反應堆壓力容器,由于殼壁較厚，多層焊時產(chǎn)生的殘余應力大，需經(jīng)多次消除應力熱處理。因此，要求核反應堆壓力容器用高強度低合金鋼必須具有良好的焊接性，以避免裂紋的產(chǎn)生，并保證焊縫和熱影響區(qū)有較好的塑性和低溫沖擊韌度。對輻照區(qū)的焊縫，則要求具有足夠的塑性、韌性儲備，以確保核反應堆壓力容器長期安全、可靠地運行。,核反應堆壓力容器,工作平臺,電廠設備 壽命評估,電廠設備壽命評估,電廠設備壽命評估,4、2 焊接結構的性能,(1)結構效能 效能是在規(guī)定的條件下結構達到規(guī)定使用目標的能力，即結構完成任務的能力。結構效能就是指結構系統(tǒng)分配給各個構件部分所應具有的能力。 結構效能是結構的作用與其固有性能的綜合體現(xiàn)。在結構選材和成型工藝制定時要進行效能分析，以優(yōu)化制造過程。,4、2 焊接結構的性能,(2)壽命周期費用 壽命周期費用是在預期的焊接結構壽命周期內(nèi)，結構的論證、研制、生產(chǎn)、使用保障及退役所付出的一切費用之和。 焊接結構效能不僅取決于它的性能，而且有賴于它的可靠性、維修性、保障性和安全性等因素，這些因素同時決定了結構的壽命周期費用。材料和焊接工藝對結構壽命周期費用的影響往往被忽視，在現(xiàn)代焊接結構制造中必須予以重視。,4、2 焊接結構的性能,(3)結構的可靠性與維修性 結構的可靠性是結構在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠性是要求結構在長期反復使用過程中不出或少出故障，處于可用的時間長。 對于材料和焊接件的可靠性而言，最重要的是掌握材料和焊接件性能的可靠性數(shù)據(jù)及其影響因素，應用統(tǒng)計學方法分析這些數(shù)據(jù)的分布規(guī)律按照結構的可靠性要求對材料和焊接結構的質量與壽命進行評估。,4、2 焊接結構的性能,(3)結構的可靠性與維修性 結構的維修性是結構在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復到規(guī)定狀態(tài)的能力。維修性是研究結構是否容易維修的問題，目的是縮短結構的非可用時間。,4、2 焊接結構的性能,(4)焊接結構的風險與結構完整性 焊接結構在制造和使用過程中都帶有一定的風險。風險由兩部分組成：一是危險事件出現(xiàn)的概率；二是一旦危險出現(xiàn)，其后果嚴重程度和損失的大小。,4、2 焊接結構的性能,(4)焊接結構的風險與結構完整性 在焊接結構制造和使用過程中，應對風險有足夠的認識。 焊接結構的風險性與結構的完整性密切相關，保證結構的完整性是降低技術風險的關鍵。材料及焊接質量是結構完整性的基礎，因此，必須從防范風險的角度來重視材料及焊接技術。,4、3 焊接結構的優(yōu)點,與鉚接接頭相比，焊接接頭的承載能力強。,焊接結構的水密性和氣密性好。,節(jié)省材料，減輕結構質量。,焊接結構的厚度不受限制。,焊接結構設計簡單生產(chǎn)效率高。,4、3 焊接結構存在的問題,(1)焊接應力與變形 由于焊接過程是局部加熱，不可避免地產(chǎn)生內(nèi)應力和變形。若加熱時產(chǎn)生較大拉伸應力，會導致焊接裂紋或開裂。焊后的殘余應力對結構的強度、剛度、穩(wěn)定性以及尺寸精度都有較大的影響。,4、3 焊接結構存在的問題,(2)焊接接頭性能的不均勻性 焊接接頭是一個組織性能不均勻體。焊縫、熱影響區(qū)和母材之間的強度和韌性存在不同程度的非匹配性，這種非匹配性對整個結構的強度和斷裂行為產(chǎn)生顯著的影響，是焊接結構“合于使用”評定中需要考慮的重要因素。,4、3 焊接結構存在的問題,(3)應力集中 焊接結構的應力集中包括接頭區(qū)焊趾、焊根及焊接缺陷引起的應力集中和結構截面突變造成的結構應力集中。若在結構截面突變處有焊接接頭，則其應力集中更為嚴重。應力集中對結構的脆性斷裂和疲勞強度有很大的影響，應采取合理的結構設計和工藝，控制焊接結構的應力集中。,4、3 焊接結構存在的問題,(4)整體性 整體性使焊接結構具有良好的水密性和氣密性，但同時也帶來了問題。整體性使結構的剛性增大，增大了對應力集中的敏感性。由于整體性強，一旦有裂紋產(chǎn)生并擴展，裂紋就難以被止住。而在鉚接結構中，如果有裂紋產(chǎn)生并擴展時，裂紋擴展到板材邊緣和鉚釘孔處便終止，鉚接接頭起到限制裂紋繼續(xù)擴展的作用。,4、3 焊接結構存在的問題,(5)焊接缺陷 焊接過程的快速加熱和冷卻使得局部材料在極不平衡的條件下發(fā)生熔化、凝固及固態(tài)相變，在焊接區(qū)常常會產(chǎn)生裂紋、氣孔、未焊透和夾渣等焊接缺陷。焊接缺陷往往是結構破壞的根源，因此，在焊接生產(chǎn)中對焊接缺陷進行檢測和判別是保證焊接質量的重要手段。在焊接結構使用過程中，監(jiān)測缺陷行為并進行評價，對于保證焊接結構的完整性具有重要意義。,5、焊接力學與結構完整性的研究內(nèi)容與方法,5、1 研究內(nèi)容,(1)焊接熱力效應 焊接通常是在材料連接區(qū)(焊接區(qū))處于局部塑性或熔化狀態(tài)下進行的，為使材料達到形成焊接的條件，需要高度集中的熱輸入。因此，在材料的焊接過程中要利用焊接熱源對焊接區(qū)進行加熱，使其熔化(熔化焊)或進入塑性狀態(tài)(固相焊接)，隨后在冷卻過程中形成焊縫和焊接接頭。這種加熱和冷卻貫穿于材料焊接過程的始終，稱為焊接熱過程。,(1)焊接熱力效應,不均勻 的加熱,焊接應力與變形,不可逆的壓縮塑性變形,不均勻 的冷卻,殘余應力 焊接變形,焊接熱過程具有集中瞬時的特點，對材料的顯微組織狀態(tài)有很大影響，也使構件產(chǎn)生焊接應力變形。這種熱作用稱為焊接熱效應。,焊接應力與變形,5、1 研究內(nèi)容,(2)焊接結構行為,焊接接頭是由焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材組成的不均勻體，接頭的整體強度與母材金屬和焊縫金屬之間的力學組配有關。,焊接接頭性能與焊縫金屬和母材金屬的屈服強度和抗拉強度，母材金屬和焊縫金屬的應變硬化性能有關。焊接接頭強度是焊接結構承受外載作用的基本保證。,焊接接頭強度與接頭幾何形狀及焊縫與母材的強度匹配有關。焊縫與母材強度匹配對焊接接頭強度有重要影響，是焊接接頭強度設計必須考慮的主要因素之一。,5、1 研究內(nèi)容,(2)焊接結構行為,焊接結構破壞大部分都是由于焊接缺陷存在引起的，從而 造成設備的整體失效。,影響焊接接頭性能的因素主要有力學和材質兩方面。,力學方面的影響包括焊接缺陷、接頭形狀的不連續(xù)性、殘余應力和焊接變形等。,材質方面的影響包括焊接熱循環(huán)引起的組織變化、熱塑性應變循環(huán)產(chǎn)生的材質變化、焊后熱處理和矯正變形引起的材質變化等。,5、1 研究內(nèi)容,(3)焊接結構完整性問題,焊接結構的完整性就是要保證焊接結構在承受外載和環(huán)境作用下的整體性要求。 焊接結構的整體性要求包括接頭的強度、結構的剛度與穩(wěn)定性、抗斷裂性及耐久性等。,焊接接頭的性能不均勻性、焊接應力與變形、接頭細節(jié)應力集中及焊接缺陷等因素對焊接結構的完整性都有不同程度的影響，焊接結構完整性分析應充分考慮這些因素的影響。,5、1 研究內(nèi)容,(3)焊接結構完整 性問題,焊接結構的完整性是整個結構的全壽命周期管理的重要內(nèi)容。從結構的設計到制造以及使用和維護等各個階段都需要考慮結構完整性問題。,研究焊接力學行為、焊接結構斷裂力學判據(jù)、損傷容限準則的耐久性，建立焊接結構合于使用評定方法，是焊接結構完整性分析的關鍵。,5、2 焊接力學與結構完整性的分析方法,(1)解析方法,應用解析方法研究焊接傳熱及應力和變形問題始于20世紀30年代。解析方法需對焊接熱過程作出與實際情況偏差較大的假設，僅適合于焊件幾何形狀簡單的場合，一般限于簡單構件的焊接傳熱分析及變形預測。,焊接是一個包括熱力耦合、熱流耦合以及熱冶金耦合的復雜過程。焊接熱作用貫穿于整個焊接結構的制造過程中，焊接熱過程直接決定了接頭的顯微組織、焊接應力與變形。解析方法是建立焊接工藝模型的主要手段，也是現(xiàn)代數(shù)值模擬方法和工程分析的重要基礎。,現(xiàn)代焊接過程解析分析以連續(xù)系統(tǒng)力學理論為基礎，通過能量、質量和動量守恒方程建立熱平衡方程與力平衡方程求解；但是應用連續(xù)系統(tǒng)力學直接求解焊接熱力問題是非常困難的。,(1)解析方法,在焊接結構強度與斷裂分析方面，采用固體力學理論直接求解焊接接頭不均勻性問題也是很困難的，多數(shù)情況下要進行簡化處理或借助于實驗進行分析，而詳盡的應力應變分析要采用數(shù)值方法進行求解。,5、2 焊接力學與結構完整性的分析方法,(2)數(shù)值模擬方法,數(shù)值模擬方法是繼采用實驗和理論方法解決工程問題的第三個重要研究方法。數(shù)值模擬可以得到比實驗和理論分析更為全面、深入、容易理解以及實驗和理論分析很難獲得的結果，其目的是在產(chǎn)品設計階段，借助建模與仿真技術及時地模擬預測、評價結構性能與可制造性，從而有效縮短產(chǎn)品的研制周期降低成本，提高質量和生產(chǎn)效率。,熱彈塑性有限元理論和固有應變理論發(fā)展成為焊接殘余應力分析和焊接變形數(shù)值模擬分析的兩種主要方法。,5、2 焊接力學與結構完整性的分析方法,(2)數(shù)值模擬方法,熱彈塑性有限元法是研究焊接應力和焊接變形的最根本的分析方法，能夠綜合考慮焊接過程的復雜非線性問題，由于熱彈塑性分析跟蹤了整個焊接熱力過程，因此它能夠較為準確地預測焊接結構中的應力和變形。,應用受到限制，用于較小的焊接結構（材料的高溫熱物理參數(shù)和力學參數(shù)缺乏；熱彈塑性分析需要較長的計算時間和較大的存儲空間）,(2)數(shù)值模擬方法,固有應變理論是為適應大型焊接結構變形分析的需要而發(fā)展起來的，它不考慮熱力耦合關系，主要研究非協(xié)調(diào)固有應變的形成機理、分布規(guī)律及影響因素，是一種研究復雜結構變形的靜態(tài)純彈性分析方法。,此外，還有采用收縮體積模型預測焊接角變形，采用特征值屈曲分析方法預測薄板結構的屈曲變形的方法。,(2)數(shù)值模擬方法,數(shù)值模