焊接結(jié)構(gòu)學(xué)教學(xué)

1、焊焊 接接 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 學(xué)學(xué) 圖0-1 各種焊接結(jié)構(gòu) 圖0-2 美豪華游輪被攔腰鋸成兩段 進(jìn)行加長改造（280米增加到302米） a-切割切割 b-焊接焊接 c-加長后形貌加長后形貌 1-焊縫 4-焊件1 4-焊件2 焊接接頭 1-焊縫 2-熔合區(qū) 3-熱影響區(qū) 4-母材2-熔合區(qū) 3-熱影響區(qū) 圖0-3 焊接接頭結(jié)構(gòu) 焊接接頭組成焊接接頭組成 焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 緒論 o 焊接技術(shù)在工業(yè)部門中應(yīng)用的歷史并不長， 但其發(fā)展卻非常迅速。短短的幾十年中，焊 接已在許多工業(yè)部門的金屬結(jié)構(gòu)中，如建筑 鋼結(jié)構(gòu)，船體，鐵道車輛、壓力容器等幾乎 全部取代了鉚接。此外，在機(jī)械制造業(yè)中， 以往由整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛

2、坯改成了 焊接結(jié)構(gòu)，目前，世界主要工業(yè)國家生產(chǎn)的 焊接結(jié)構(gòu)占到鋼產(chǎn)量的45%。 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點 與鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)相比 較，或者與鑄造鍛造的結(jié)構(gòu)相比較， 焊接結(jié)構(gòu)有下列特點（優(yōu)點）： 1、焊接接頭強(qiáng)度高 鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)，要在 母材上鉆孔，削弱了工作截面，強(qiáng) 度下降約20% 焊接；接頭強(qiáng)度可達(dá)到與母材 等強(qiáng)度甚至高于母材強(qiáng)度。 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點 2、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活性大，主要表現(xiàn)在： 焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀不受限制：如鉚、鑄、鍛等方 法無法制造空心結(jié)構(gòu)，焊接則可以； 結(jié)構(gòu)的壁厚不受限制：兩被連接構(gòu)件的壁厚可以相 差很大，薄厚均可； 結(jié)構(gòu)的外形尺寸不受限制：對大型結(jié)構(gòu)可分段制成 部

3、件，現(xiàn)場組焊，鍛、鑄工藝則不允許； 可利用標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)型材組焊成所需要結(jié)構(gòu)，使得 結(jié)構(gòu)重量減輕，焊縫減少； 可與其它工藝方法聯(lián)合使用：鑄焊 鍛焊 栓焊 沖壓焊接等聯(lián)合的金屬結(jié)構(gòu)； 可實現(xiàn)異種材料的連接：同一結(jié)構(gòu)的不同部位可按 需要配置不同性能的材料，做到物盡其用。 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點 3、焊接接頭密封性好 氣密性，水密性均優(yōu)于其它方法，特別是 在高溫，高壓容器上，只有焊接接頭才是最理 想的連接形式。 4、焊前準(zhǔn)備工作簡單 由于近年來數(shù)控精密氣割設(shè)備的發(fā)展，對 于各種厚度或形式狀復(fù)雜的待焊件，不必預(yù)劃 線就能直接從板料上切割出來，一般不用再機(jī) 械加工就可投入裝配焊接。 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點 5

4、、易于結(jié)構(gòu)的變更和改型 鑄造鑄型（木型） 鍛造開模具 周期長、成本高 焊接-則快速、簡便、投資少 6、適用于制作大型或重型、結(jié)構(gòu)簡單而且是 單件小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu) 大 簡單 批量小 焊接占優(yōu)勢 結(jié)構(gòu) 小 復(fù)雜 批量大 鑄鍛占優(yōu)勢 7、成品率高 一旦出現(xiàn)缺陷，可以修復(fù)、很少產(chǎn)生廢品。 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點 焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點）： 1、存在較大的焊接應(yīng)力和變形 焊接（局部加熱）內(nèi)應(yīng)力變形工 藝缺欠承載能力（剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性） 下降尺寸精度，尺寸穩(wěn)定性下降校 形增加工作量增加成本 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點 焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點）： 2、對應(yīng)力集中敏感 焊接結(jié)構(gòu)具有整體性，其剛度大

5、，焊縫 的布置、數(shù)量和次序等都會影響到應(yīng)力分 布，對應(yīng)力集中敏感，而應(yīng)力集中是疲勞、 脆斷等破壞的起源，因此在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 時要妥善 緒論 焊接結(jié)構(gòu)的特點 焊接結(jié)構(gòu)所存在的問題（缺點）： 3、焊接接頭的性能不均勻 焊接金屬是由母材和填充金屬在焊接熱作用 下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材 （近縫區(qū)）受焊接熱的影響，組織和性能發(fā)生 變化（謂之熱影響區(qū)），因此，焊接接頭在成 分，組織和性能上都是一個不均勻體，其不均 勻程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了鑄、鍛件，這種不均勻性對 結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，特別是斷裂行為有重要影響。 焊接結(jié)構(gòu)學(xué) 緒論 二、焊接性分析 o 焊接作為一種制造技術(shù)或生產(chǎn)手段，其目的是要 獲得具有優(yōu)

6、異的連接質(zhì)量和優(yōu)秀的使用性能的產(chǎn) 品（或構(gòu)件）。但是由于焊接過程的復(fù)雜性和眾 多的影響因素、非線性問題，瞬時作用以及溫度 的相關(guān)性效應(yīng)等等，使得要正確描述在各種情況 下產(chǎn)生的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，準(zhǔn)確把握產(chǎn) 品質(zhì)量變得非常困難。 o 在實際工作中，人們采用焊接性的概念。作為一 個分類系統(tǒng)，它在考慮焊接殘余應(yīng)力和焊接變形 的影響方面有一定的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷 發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)有可能將焊接性分解為熱 學(xué)、力學(xué)，顯微結(jié)構(gòu)等過程，從而降低了焊接性 各種現(xiàn)象的復(fù)雜性。 緒論 焊接性分析 1、構(gòu)件焊接性 與焊接冶金課程中介紹的， “材料焊接性”的概念相比， 構(gòu)件焊接性含義更廣泛，它 可以包含以

7、下幾方面內(nèi)容： “材料的焊接適應(yīng)性”、 “設(shè)計的焊接可靠性”和 “制造的焊接可行性”。 焊接殘余應(yīng)力和焊接變 形是焊接性的重要組成部分， 它影響到冷、熱裂紋、影響 使用性能并妨礙制造過程。 焊接性的定義焊接性的定義 緒論 焊接性分析 2、影響焊接性的因素 根據(jù)上述分類，可將影響焊接的因素按下面 的方式分類： 影影 響響 焊焊 接接 性性 的的 因因 素素 與材料有關(guān)的因素與材料有關(guān)的因素 與制造有關(guān)的因素與制造有關(guān)的因素 與設(shè)計有關(guān)的因素與設(shè)計有關(guān)的因素 母材和填充材料母材和填充材料 的類型的類型( (化學(xué)化學(xué)) )成成 分和顯微組織分和顯微組織 結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、 支撐條件

8、和負(fù)載，焊支撐條件和負(fù)載，焊 縫類型，厚度和配置縫類型，厚度和配置 焊接方法、焊速，焊接操焊接方法、焊速，焊接操 作，坡口形狀，焊接順序，作，坡口形狀，焊接順序， 多層焊，定位焊。夾緊、多層焊，定位焊。夾緊、 預(yù)熱和焊后熱處理。預(yù)熱和焊后熱處理。 緒論 焊接性分析 從狹義上來說，焊接性可理解為所需求 的強(qiáng)度性能、焊接接頭的強(qiáng)度受到化學(xué)分成 或溫度循環(huán)等主要影響因素的支配，而這些 因素又受到如焊縫類型，或預(yù)熱溫度等的影 響，強(qiáng)度行為可用一些主要的或物理特征值 來描述，而這些特征值又可能涉及另一些次 要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影 響強(qiáng)度性能的不完全的可變因素圖，由此， 可看出“焊接性”的

9、復(fù)雜性。 緒論 焊接性分析 主要影響因素主要影響因素主要特征值主要特征值 合金元素含量合金元素含量 相、顯微組織、晶粒尺寸相、顯微組織、晶粒尺寸 冷卻時間、奧氏體化時間冷卻時間、奧氏體化時間 退火時間和溫度退火時間和溫度 板厚、焊縫類型板厚、焊縫類型 等效應(yīng)力、三軸度等效應(yīng)力、三軸度 焊條藥皮、水分焊條藥皮、水分 次要特征值次要特征值 碳當(dāng)量碳當(dāng)量 焊接性指數(shù)焊接性指數(shù) 脆性指數(shù)脆性指數(shù) 裂紋敏感性指數(shù)裂紋敏感性指數(shù) （脆性）轉(zhuǎn)變溫度（脆性）轉(zhuǎn)變溫度 目標(biāo)參數(shù)目標(biāo)參數(shù) 硬度硬度 強(qiáng)度強(qiáng)度 延展性延展性 冷列敏感性冷列敏感性 熱烈敏感性熱烈敏感性 層狀撕裂敏感性層狀撕裂敏感性 回火脆性回火脆性

10、松弛脆性松弛脆性 耐腐蝕性耐腐蝕性 次要影響因素次要影響因素 焊條類型焊條類型 焊接方法焊接方法 焊接參數(shù)焊接參數(shù) 焊縫類型焊縫類型 預(yù)熱溫度預(yù)熱溫度 層數(shù)層數(shù) 稀釋率稀釋率 燒穿，夾雜物燒穿，夾雜物 化學(xué)成分化學(xué)成分 相變、顯微組織相變、顯微組織 焊接溫度循環(huán)焊接溫度循環(huán) 焊后熱處理焊后熱處理 構(gòu)件形狀構(gòu)件形狀 負(fù)載負(fù)載 條件條件 氫含量氫含量 影響焊接接頭強(qiáng)影響焊接接頭強(qiáng) 度的主要因素度的主要因素 緒論 焊接性分析 焊接過程涉及 到熱學(xué)、力學(xué)、金相 學(xué)等多方面知識，將 焊接性分解成溫度場、 應(yīng)力和變形場、顯微 組織狀態(tài)場，這對焊 接殘余應(yīng)力和焊接變 形的數(shù)值分析處理很 有價值。 溫度場、應(yīng)

11、力與變形場及顯微組織狀態(tài)場溫度場、應(yīng)力與變形場及顯微組織狀態(tài)場 的分解和相互影響的分解和相互影響 緒論 焊接性分析 “焊接性焊接性”是一個復(fù)雜是一個復(fù)雜 的問題，以往對焊接性的描的問題，以往對焊接性的描 述多數(shù)為定性的語言描述，述多數(shù)為定性的語言描述， 已經(jīng)發(fā)展了一些實驗方法，已經(jīng)發(fā)展了一些實驗方法， 可以針對某一具體情況或特可以針對某一具體情況或特 定的性能參數(shù)來定量描述，定的性能參數(shù)來定量描述， 但全面，宏觀上對焊接性進(jìn)但全面，宏觀上對焊接性進(jìn) 行定量描述卻十分復(fù)雜，也行定量描述卻十分復(fù)雜，也 十分困難。隨著科學(xué)技術(shù)的十分困難。隨著科學(xué)技術(shù)的 發(fā)展，特別是計算機(jī)和數(shù)值發(fā)展，特別是計算機(jī)和數(shù)值 模擬技術(shù)的進(jìn)步，將模擬技術(shù)的進(jìn)步，將焊接性焊接性 分解成溫度場，應(yīng)力和變形分解成溫度場，應(yīng)力和變形 場和顯微組織狀態(tài)場，場和顯微組織狀態(tài)場，這對這對 于定量分析焊接問題具有重于定量分析焊接問題具有重 要意義。要意義。 顯微組織轉(zhuǎn)變的影響顯微組織轉(zhuǎn)變的影響 緒論本課程的內(nèi)容和范圍 o 從前述內(nèi)容可以看出，焊接結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量問題 涉及到三個主要方面，即熱