《焊接應(yīng)力及變形》課件

焊接應(yīng)力及變形焊接過程中，材料發(fā)生熱膨脹和收縮，導(dǎo)致應(yīng)力集中和變形。這些現(xiàn)象會影響焊接接頭的強度和性能。課程目標(biāo)了解焊接應(yīng)力及變形掌握焊接應(yīng)力及變形產(chǎn)生的原因、類型、影響因素和控制方法。提升焊接質(zhì)量通過學(xué)習(xí)和應(yīng)用，提高焊接質(zhì)量，降低焊接缺陷，提升產(chǎn)品可靠性。解決焊接變形問題掌握焊接變形控制方法，有效降低焊接變形，提升產(chǎn)品精度。焊接概述焊接是將兩個或多個金屬部件通過加熱或加壓，或兩者兼而有之，使之熔化或壓接在一起，形成牢固連接的過程。焊接是現(xiàn)代工業(yè)制造中不可或缺的重要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于機械、建筑、航空航天、船舶等各個領(lǐng)域。焊接方法種類繁多，根據(jù)不同的工藝特點和應(yīng)用場景可分為熔焊、壓焊、釬焊等。焊接變形的原因11.熱輸入焊接過程中，焊接熱量集中在焊縫區(qū)域，導(dǎo)致局部溫度急劇升高，金屬材料發(fā)生熱膨脹。22.不均勻冷卻焊接完成后，焊縫和周圍金屬材料的冷卻速度不同，造成溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力。33.材料特性不同材料的熱膨脹系數(shù)和彈性模量不同，導(dǎo)致焊接變形程度不同。44.約束條件焊接工件的形狀、尺寸、夾具和支撐方式都會影響焊接變形。焊接應(yīng)力的發(fā)生熱不均勻焊接時，熱量集中在焊縫區(qū)域，導(dǎo)致材料溫度梯度。熱膨脹與收縮高溫區(qū)域膨脹，冷卻后收縮，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。相變與組織變化焊接過程中的相變和組織變化，也會導(dǎo)致應(yīng)力變化。焊接應(yīng)力的類型殘余應(yīng)力焊接完成后，材料內(nèi)部依然存在的應(yīng)力，主要分為拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力兩種。熱應(yīng)力焊接過程中，熱量輸入導(dǎo)致材料溫度不均，產(chǎn)生熱膨脹和收縮，形成熱應(yīng)力。焊接變形應(yīng)力焊接過程中，材料的收縮和變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。焊接變形的類型線形變形焊接過程中產(chǎn)生的長度變化，如焊縫的伸長或縮短。角形變形焊接過程中產(chǎn)生的角度變化，如工件的彎曲或扭曲。焊接變形的分布焊接變形通常集中在焊縫及其周圍區(qū)域。變形的大小和方向受到焊接工藝參數(shù)、焊縫幾何形狀、材料特性和工件約束條件的影響。變形通常表現(xiàn)為焊縫區(qū)域的收縮、翹曲和扭曲。焊接變形在焊縫附近區(qū)域最明顯，隨著距離焊縫的增加而逐漸減小。變形分布的形狀和大小取決于焊接工藝參數(shù)和工件的幾何形狀。焊接變形的影響因素材料特性材料的屈服強度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等性質(zhì)會影響焊接變形。高強度鋼的變形程度更小，而低強度鋼則更容易變形。焊接工藝參數(shù)焊接電流、電壓、焊接速度、焊接熱量等參數(shù)對焊接變形有顯著影響。電流越大，熱輸入越高，變形就越大。焊接接頭形式焊接接頭形式，例如對接、角接、T形接等，會影響焊接應(yīng)力和變形的分布。對接焊縫的變形通常比角接焊縫大。工件尺寸和形狀工件尺寸越大，變形就越明顯。工件形狀復(fù)雜，例如有孔洞或凹槽，也會導(dǎo)致變形增加。焊接變形的測量方法1測量儀器精密測長儀激光跟蹤儀三坐標(biāo)測量機2測量方式測量方法包括直接測量和間接測量。直接測量主要依靠測量儀器直接測量部件的尺寸變化。間接測量通常使用光學(xué)或數(shù)字技術(shù)，測量變形后的形體尺寸。3測量點選擇測量點選擇需要根據(jù)焊接件的結(jié)構(gòu)和變形特點進(jìn)行。一般選擇關(guān)鍵部位、容易變形的位置、對稱位置等。焊接變形控制的基本原理11.溫度控制焊接過程中溫度會影響材料的熱膨脹和收縮，控制焊接熱輸入可以減小變形。22.應(yīng)力平衡通過合理的焊接順序和工藝，可以平衡焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，減少變形。33.結(jié)構(gòu)支撐使用夾具、支撐等輔助裝置來固定焊接部位，防止變形。44.熱處理進(jìn)行熱處理可以消除焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，從而減小變形。焊前變形控制措施焊接工藝設(shè)計合理設(shè)計焊接工藝，選擇合適的焊接材料、焊接方法和焊接順序，可以有效控制焊接變形。預(yù)熱對于厚板或高強度鋼焊接，預(yù)熱可以降低焊接過程中的熱應(yīng)力，減小焊接變形。工件定位準(zhǔn)確定位工件，確保焊接部位處于合理的受力狀態(tài)，可以防止因定位誤差導(dǎo)致的變形。夾具使用夾具固定工件，控制焊接過程中的變形，確保焊接質(zhì)量。焊中變形控制措施焊接速度控制焊接速度影響熱輸入。速度過快會導(dǎo)致熱量分布不均，增加變形。速度過慢則會延長熱影響區(qū)，增加變形。要根據(jù)焊件的形狀和材料選擇合適的焊接速度。焊接電流控制焊接電流影響熔池尺寸和熱輸入。電流過大容易導(dǎo)致焊縫過寬、熔深過深，增加變形。電流過小則會造成焊縫過窄、熔深不足，影響焊縫質(zhì)量。焊接電壓控制焊接電壓影響電弧長度和熱輸入。電壓過高會導(dǎo)致電弧過長，容易產(chǎn)生飛濺，增加變形。電壓過低則會造成電弧過短，影響焊縫質(zhì)量。焊接工藝參數(shù)控制焊接工藝參數(shù)，如焊接方法、電極類型、保護(hù)氣體等，都會影響熱輸入和焊縫形狀，進(jìn)而影響變形。要根據(jù)焊件的具體情況選擇合適的工藝參數(shù)。焊后變形控制措施熱處理熱處理可降低焊接應(yīng)力并改善焊接接頭的機械性能。機械加工可以通過機械加工去除焊接變形，使工件達(dá)到所需的尺寸和精度。矯正通過施加外力將工件變形矯正，消除焊接過程中產(chǎn)生的變形。焊縫設(shè)計對變形的影響焊縫形狀焊縫形狀會影響焊接應(yīng)力的分布。例如，V形焊縫比坡口焊縫產(chǎn)生更大的應(yīng)力。焊縫長度和寬度也會影響變形。較長的焊縫會產(chǎn)生更大的變形，而較寬的焊縫則會產(chǎn)生更小的變形。焊縫材料焊縫材料的熱膨脹系數(shù)和屈服強度會影響焊接應(yīng)力。不同材料之間的熱膨脹系數(shù)差異會導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生更大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致更大的變形。焊縫位置焊縫位置也會影響變形。例如，靠近支撐結(jié)構(gòu)的焊縫會產(chǎn)生更小的變形。焊縫的位置也會影響焊接熱量輸入，進(jìn)而影響變形。焊接順序?qū)ψ冃蔚挠绊懞附禹樞蚝附禹樞蚴侵负附舆^程中焊縫的排列順序，不同的焊接順序會對焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生顯著的影響。應(yīng)力分布合理的焊接順序可以使焊接應(yīng)力均勻分布，降低焊接變形。焊接變形不合理的焊接順序會導(dǎo)致焊接應(yīng)力集中，容易造成焊件的變形和翹曲。焊接參數(shù)對變形的影響焊接電流電流過大，熔池過深，冷卻速度慢，變形增加。焊接速度焊接速度過快，熱量分布不均勻，變形較大；速度過慢，熱量集中，變形也較大。焊接電壓焊接電壓越高，熱輸入越高，變形也越大。焊絲直徑焊絲直徑越大，熱輸入越大，變形越大。夾具及支撐對變形的影響11.約束變形夾具和支撐可約束焊接過程中的熱變形，防止焊接件發(fā)生扭曲和變形。22.分布應(yīng)力通過合理布置夾具和支撐，可以將焊接應(yīng)力均勻分布到焊接件上，降低局部應(yīng)力集中。33.減少應(yīng)力集中夾具和支撐可以減少焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中，從而減少焊接變形的發(fā)生。44.控制冷卻速度夾具和支撐還可以通過控制冷卻速度來減緩焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而減少焊接變形。焊接熱處理對變形的影響應(yīng)力消除焊接熱處理可以消除焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，降低變形程度，提高焊接接頭的強度和韌性。組織轉(zhuǎn)變焊接熱處理可改變金屬的組織結(jié)構(gòu)，使其具有更好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，從而減少焊接變形。溫度梯度熱處理過程中溫度梯度會對金屬材料產(chǎn)生熱膨脹和收縮，從而影響焊接變形的程度和方向。冷卻速度熱處理過程中冷卻速度會影響金屬材料的晶粒尺寸和組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響焊接變形。焊接應(yīng)力及變形的數(shù)值模擬數(shù)值模擬是一種強大的工具，可以預(yù)測焊接過程中的應(yīng)力和變形。它可以幫助工程師優(yōu)化焊接設(shè)計，減少焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。數(shù)值模擬方法簡介有限元法將焊接結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，建立單元節(jié)點上的方程組，求解節(jié)點位移和應(yīng)力。計算流體力學(xué)模擬焊接過程中的熱量傳遞和流體流動，得到溫度場和流場信息。計算機輔助設(shè)計建立焊接結(jié)構(gòu)的幾何模型，并進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置。焊接應(yīng)力及變形仿真建模1幾何建模建立焊接結(jié)構(gòu)的精確幾何模型2材料屬性定義設(shè)置焊接材料和母材的力學(xué)性能3焊接工藝參數(shù)設(shè)置模擬焊接工藝參數(shù)，如電流、速度等4網(wǎng)格劃分對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以便進(jìn)行數(shù)值計算焊接應(yīng)力及變形仿真建模是數(shù)值模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過建立準(zhǔn)確的模型和參數(shù)，可以模擬焊接過程中的熱力學(xué)變化和應(yīng)力分布。焊接應(yīng)力及變形仿真分析網(wǎng)格劃分對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型離散化為有限個單元和節(jié)點。網(wǎng)格密度直接影響仿真精度和計算效率。材料特性定義焊接材料的力學(xué)性能，例如彈性模量、泊松比、屈服強度、熱膨脹系數(shù)等。邊界條件定義焊接結(jié)構(gòu)的邊界條件，包括約束條件、載荷條件、溫度條件等。熱源模擬模擬焊接熱源的能量輸入和熱量傳遞過程，例如熱源類型、熱流密度、熱傳遞系數(shù)等。求解分析利用有限元軟件求解焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形和溫度場分布。結(jié)果評估分析仿真結(jié)果，評估焊接應(yīng)力和變形對結(jié)構(gòu)性能的影響。焊接應(yīng)力及變形仿真結(jié)果應(yīng)力分布圖變形量應(yīng)力集中區(qū)域焊接殘余應(yīng)力分布焊接變形的大小和方向焊縫區(qū)域、角焊縫、薄板區(qū)域仿真結(jié)果可用于評估焊接應(yīng)力及變形對結(jié)構(gòu)的影響，指導(dǎo)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和焊接順序。焊接應(yīng)力及變形控制策略優(yōu)化焊接工藝合理選擇焊接材料、焊接方法和焊接參數(shù)，可有效降低焊接應(yīng)力及變形。使用夾具和支撐合理的夾具和支撐可以有效地約束焊接變形，減少焊接應(yīng)力。熱處理通過適當(dāng)?shù)臒崽幚恚梢杂行У亟档秃附討?yīng)力和變形。自動化焊接采用自動化焊接技術(shù)，可以提高焊接質(zhì)量，降低焊接應(yīng)力及變形。焊接應(yīng)力及變形實例分析焊接應(yīng)力及變形在實際生產(chǎn)中普遍存在。例如，在大型鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，焊接應(yīng)力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，影響整體強度和穩(wěn)定性。因此，需要采取有效的控制措施，以降低焊接應(yīng)力及變形對結(jié)構(gòu)的影響。焊接應(yīng)力及變形的實例分析有助于更好地理解焊接過程中的力學(xué)行為，并為制定合理的焊接工藝和控制措施提供指導(dǎo)。焊接應(yīng)力及變形控制總結(jié)焊接應(yīng)力及變形控制焊接應(yīng)力及變形控制是焊接工藝中的重要環(huán)節(jié)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。有效的控制措施可以降低應(yīng)力和變形，提高產(chǎn)品的可靠性。關(guān)鍵控制措施焊前預(yù)熱和焊后熱處理可以有效降低焊接應(yīng)力。合理的焊接順序和焊接參數(shù)可以有效控制焊接變形。未來發(fā)展趨勢數(shù)值模擬技術(shù)將更加完善，可以為焊接應(yīng)力及變形控制提供更精準(zhǔn)的指導(dǎo)。新的焊接材料和焊接工藝將不斷涌現(xiàn)，為控制焊接應(yīng)力及變形提供更多選擇。焊接應(yīng)力及變形控制展望11.智能化控制利用人工智能技術(shù)，實時監(jiān)測焊接過程，優(yōu)化焊接參數(shù)和控制策略。22.新材料應(yīng)用開發(fā)具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和熱性能的新材料，減少焊接應(yīng)力和變形。33.仿真技術(shù)進(jìn)步改進(jìn)焊接應(yīng)力及變形數(shù)值模擬技術(shù)，提高仿真精度，為控制提供更準(zhǔn)確的預(yù)測。44.可持續(xù)發(fā)展探索綠色環(huán)保的焊接