焊接结构生产教案设计--上

授课过程：
相互认识，介绍教学方式和考核方式：
考核：平时40％，包括作业、课堂纪律、课堂提问等；考试60％。

学习的五个步骤：
1、初步了解；
2、重复为学习之母；
3、开始使用；
4、融会贯通；
5、再次加强。

教学的五大步骤：解释；示范；开始演练；纠正错误；重复演练。

§0 绪论（1）
一、《焊接结构生产》是一门什么课程？
《焊接结构生产》是中等职业学校焊接专业的一门主干课程，是一门实践性很强的专业课程。

通过学习，我们要具备焊接生产的基础知识和基本技能，为今后从事焊接专业或相关专业的工作打下基础。

二、本课程的教学内容和学习要求
我们要学习的基本内容和要达到的能力要求有以下几个方面（学生参看课本目录）
1、焊接会产生应力和变形，是影响焊接结构质量的重要因素，要求掌握
焊接应力与变形的概念，产生的原因、分布的规律，知道减少应力和变形的方法、措施，能够对简单的焊接变形进行矫正；（第一章为重点）2、焊接接头是焊接结构的基本元素，通过学习焊接接头的组成、焊缝的
种类和焊接接头的基本型式，掌握焊接接头的工作应力分布和接头设计要点，并了解脆性断裂与疲劳破坏的基本知识；（在第二章一、二、四节作详细介绍）
3、在了解焊接结构的基础上，学习焊接结构生产过程的第一步，掌握常
用的备料和成型加工方法，能根据产品图样和生产规律分析备料和成型加工的工艺，并能根据工况选用相应的焊接设备和工艺装备；（第三、四章划线、放样、下料、弯曲、成形的方法和设备）
4、（第五、六章焊接结构装配和焊接工艺及其装备）理解其工艺过
程，具备根据现场生产条件，选择工艺装备，分析和实施一般焊接结构装配，焊接工艺规程的能力；
5、焊接结构工艺过程的制定，要进行工艺性分析和审查后方可执行，所
以要求理解其工艺性审查目的、内容和基本步骤，（第七、八、九章）通过典型焊接工艺的举例，使我们能够对一般焊接结构进行工艺性分析和制订焊接工艺；
6、（第十章）了解一般焊接生产车间的平面布置、生产组织的环节和安
全生产、质量管理方面的基本知识。

怎么学：（通过学习五个步骤讲解也可）
1、理论联系实践，捕捉焊接结构的实际问题，学习分析、解决工程问题
的基本方法；
2、摸索总结焊接结构生产的共同特点和规律，
3、亲自动手，结合实训，广泛参与多种焊接结构的生产实践。

三、焊接结构的概念及其应用（绪论）
（一）焊接的概念（提问回顾）
焊接：通过加热或加压或两者并用，并且用或者不用填充材料，使工件达到原子间的结合的一种方法。

（二）焊接结构的概念
焊接结构是将各种经过轧制的金属材料及铸、锻等坯料采用焊接方法制成能够承受一定载荷的金属结构。

（三）焊接结构的广泛应用
国民经济的各个领域：
石油与化工机械、重型与矿山机械，冶金建筑；交通运输业；能源工业；
国防工业；航空航天；海上平台、海底作业机械等。

焊接结构用钢量，各国均已占钢材消费量的40～60％。

四、焊接结构的特点：优点
其他结构无法比拟的优点：
1、焊接可方便地实现：
（1）多种不同形状和不同厚度的钢材（或其他金属材料）的连接；
（2）不同种类的金属材料（铸钢件、锻压件）的连接；
（3）使焊接结构的材料分布合理，不同性能材料应用更恰当；
举例：
A 大型齿轮轮缘（节约钢材）
B 半轴（简化工艺）
2、是金属原子间的连接，刚度大、整体性好，外力作用不会产生过大的变形
焊接接头的强度、刚度可达到与母材相近，能承受载荷；保证产品的气密性和水密性
3、焊接结构的零件或部件可直接通过焊接方法连接，不需附加任
何连接件
4、与其他加工方法相比，焊接结构的生产一般不要大型、特殊和昂贵的设备，生产厂投资少，见效快
5、焊接结构特别适用于几何尺寸大而形状复杂的产品，结构分解分别加工然后，以小拼大总体装配焊接成一个整体结构（船体、桁架、球形容器等）
6、使用一些型材时。

焊接结构比轧制经济
五、焊接结构的不足和获得优质焊接结构的方法
不足：
1、焊缝的各类焊接缺陷如果修复不当或缺陷漏检，会产生过大应力集中，降低承载
2、焊接结构是整体大刚度结构，如果裂纹扩展，将难以制止；对脆性断裂、疲劳、应力腐蚀和蠕变破坏较敏感
3、有焊接残余应力和变形，将影响外观质量和外形尺寸，后续加工困难，强度影响
4、焊接会改变材料性能，使焊接接头附近变为焊接不均匀体，包括有：
几何不均匀体（截面改变和焊接变形）
力学不均匀体（应力集中和焊接残余应力）
化学不均匀体（成分不均匀）
金属组织不均匀体（金相组织结构不均匀）
5、高强度和特种材料，焊接性能差，易产生焊接裂纹等缺陷。

问题：怎样获得优质焊接结构?
获得优质焊接结构的方法：
1、合理的结构设计；
2、正确的材料选择；
3、合适的焊接设备；
4、正确的焊接工艺；
5、良好的焊接技艺；
6、必要的质量检测。

课堂小结：
1、本次课主要是了解本课程学习的主要内容和要求；分析焊接结构的概念、特点（包括优点和缺点），同时了解了获得优质焊接结构的方法。

2、重点是掌握焊接结构的概念及其特点。

课堂复习题：
1、学习的五个步骤？
2、焊接结构的优点（6个方面）和缺点（5个方面）？
课后作业：
1、焊接结构的优点和缺点有哪些？怎样获得优质的焊接结构？
授课日期
课堂记录
课后小结
授课总结
授课过程：
复习回顾：
1、学习方法的重复。

2、预习情况的提问。

授新过程：
§1第一章焊接应力与变形
A 结构件在焊接时，由于局部加热而造成温度分布不均匀，进而造成不均匀分布的塑性变形，最终导致焊件在焊后产生残余应力和残余变形。

B 本章内容简介及要点，学习时间的安排以及学习方法。

§1－1 焊接应力与变形的产生
一、焊接应力与变形的基本概念：
（一）内应力与焊接应力
1、内应力：
A 概念：
指结构上在没有外力作用的情况下，平衡于物体内部的应力。

B 特点：
内应力在物体内部构成一平衡力系。

C 形成原因：
由于物体内部成分不均匀、金相组织及温度变化等因素造成物体内部的不均匀变化而引起的应力。

D 存在环境：
E 分类：
（1）根据内应力所涉及的范围，分为：宏观内应力、微观内应力和超微观内应力。

宏观内应力：分布范围较大，范围与结构尺寸相当，相对于工件轴线有明显方向性；
微观内应力：在一个或几个晶粒范围内平衡，相对于工件轴线没有明显的方向性；主要由于金相组织的变化所引起的；
超微观内应力：范围大小用晶格尺寸来衡量。

（2）按其产生的原因分为：温度应力、装配应力和残余应力。

温度应力：
又称：热应力或温差应力。

由于构件受热不均匀而存在温度差异，各处的膨胀变形或收缩变形不一致，互相约束而产生的内应力。

装配应力：
多发生在结构装配或安装过程中。

残余应力：
由于结构受热不均匀所造成的应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度恢复原始均匀状态后，构件中仍然残存的部分内应力。

2、焊接应力：
A 焊接应力：
是在没有外力作用时的内应力，它在构件中自身平衡。

B 包括：焊接瞬时应力和焊接残余应力
焊接瞬时应力：金属件在焊接过程中存在的温度应力；
焊接残余应力：焊接终止时，构件冷却后保留下来的残余应力。

（二）焊接变形：
几个基本概念：
变形：物体受外力作用，出现形状、尺寸的变化。

弹性变形和塑性变形：在外力去除后，物体能恢复原来形状和尺寸的称弹性变形。

自由变形和非自由变形：按物体变形的拘束条件来分。

焊接变形：在焊接过程中，没有外力作用，也造成物体变形。

1、自由变形、外观变形和内部变形：
（1）自由变形：――自由变形率εT
金属物体在无拘束条件下，由于某种原因使它的尺寸和形状发生变化。

（2）外观变形（可见变形）：――可见变形率εe
能够用肉眼直接观察到的变形。

（3）内部变形（真正变形）：――内部变形率ε
金属内部原子间的相对位移。

2、焊接变形：
焊接变形：焊接而引起焊件尺寸和形状的改变。

瞬时变形：焊接过程中产生的变形。

焊接残余变形：焊后残存于焊件中的变形。

（三）确定金属材料焊接应力和变形的工作假设：
1、焊接温度场假设：
温度场：将焊接过程中的某一瞬间，焊接接头中各点的温度分布。

假设：达到某一极限热状态后，温度场不再改变，这时温度场称为极限温度场。

2、力学和物理性能的假定：
（1）平截面假设：
（2）金属性能的假设：
（3）金属屈服点假设：
（4）应力应变关系的假设：
课堂小结：
1、内应力和焊接应力：
内应力：根据内应力所涉及的范围，分为：宏观内应力、微观内应力和超
微观内应力。

按其产生的原因分为：温度应力、装配应力和残余应力。

焊接应力包括：焊接瞬时应力和焊接残余应力
2、焊接变形：
焊接而引起焊件尺寸和形状的改变为焊接变形。

其中，焊接过程中产生的变形为瞬时变形；焊后残存于焊件中的变形为焊接残余变形。

3、确定金属材料焊接应力和变形的五个工作假设。

课后作业：
Pg61 题1 在分析焊接应力与变形时有何假设？
Pg61 题2 焊接过程中，按应力分布的范围可分为哪几种？按应力形成的原因分，应力可分为哪几种？
授课日期
课堂记录
课后小结
授课总结
授课过程：
复习回顾：
1、焊接过程中，按应力分布的范围可分为哪几种？按应力形成的原因
分，应力可分为哪几种？
2、什么是焊接变形和焊接残余变形？
3、在分析焊接应力与变形时有何假设？
授新过程：
§1第一章焊接应力与变形
§1－1 焊接应力与变形的产生
二、焊接应力和变形产生的原因
1、受拘束杆件在热循环过程中的应力与变形：
一般杆件（钢棒）在均匀加热和温度变化时，它的尺寸和形状要发生变化，分为四种状态。

（1）自由状态下：
加热－延伸；冷却－恢复；不存在内应力。

（2）自由延伸－限制收缩的状态下：
加热－自由延伸；冷却－收缩受到限制；钢棒内产生压应力。

（3）限制延伸－自由收缩状态下：
受热――不能自由延伸；产生压应力；冷却――自由收缩－钢棒缩短；不存在残余应力。

（4）限制延伸－限制收缩状态下：
加热――延伸受限制－产生压应力；冷却――收缩受限制－钢棒内产生拉应力（收缩应力）。

四种情况要绘图讲解，说明压缩塑性变形和拉伸塑性变形产生残余现象的状况。

加热过程中产生的压缩塑性变形是产生残余变形和应力的主要原因。

图2－1 钢棒加热时的变形情况
2、焊接应力与变形的产生：
焊接过程的加热是移动的热源，也不是沿焊件方向同时加热，且热量在焊件内的传播速度低于焊接速度，因此沿焊件长度方向上各个截面的温度都是不相同的。

设有一块低碳钢平板条，沿中心线堆焊一条焊缝，其焊接应力和变形分析如下：
（1）温度分布不均匀产生焊接应力与变形：
A 焊接加热时：
板条沿焊缝长度产生伸长变形，在焊缝及其附近产生压缩应力；远离焊缝区的两侧产生拉应力。

B 焊接结束后：
板条产生缩短的残余变形，同时在焊缝及其附近产生残余拉应力；远离焊缝的两侧产生残余压应力。

（2）焊缝金属收缩引起焊接应力与变形：
焊接结束后，焊缝由液态冷却凝固为固态的焊缝金属，由于体积收缩受阻，将会在焊缝中引起残余应力，同时由于焊缝金属的收缩也将引起整个焊接件的变形。

同一条焊缝的先后冷却相互影响，也会导致焊接应力与变形的产生。

另外，焊件的刚性和约束，以及焊缝尺寸、数量、焊缝在结构中的位置、材料物理性质、焊接工艺参数和焊接方法等，也将对焊接应力和变形的产生起到一定的影响作用。

由此可知：
（1）焊后焊件必然有焊接残余应力和焊接残余变形：对构件进行不均匀加热，加热过程中构件产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然由残余应力和残余变形；
（2）通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反；（3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩；收缩充分，焊接残余应力小，收缩不充分，焊接残余
应力大；
（4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的；焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。

课堂小结：
1、一般杆件在热循环过程中的应力和变形分四种情况。

加热过程中产生的压缩塑性变形是产生残余变形和应力的主要原因。

2、焊接应力和变形由（1）温度分布不均匀（2）焊缝金属收缩（3）焊件的刚性和约束、焊缝尺寸、材料物理性能、焊接工艺方法等因数影响。

课后作业：
1、焊接应力和变形产生的主要原因是什么？试分析一下详细情况。

授课过程：
复习回顾：
1、一般杆件在热循环过程中的应力和变形情况怎样？
2、有哪些因数影响焊接应力和变形？
授新过程：
§1第一章焊接应力与变形
§1－2 焊接变形（1）
一、焊接变形的分类及其影响因素：
（一）、焊接变形的分类及产生的原因：
A分类：
1、根据焊接变形对整个焊接结构的影响程度。

焊接残余变形可分为两大类：
局部变形和整体变形。

2、按焊接变形的特征，焊接变形分为六种基本变形形式：
收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、错边变形和扭曲变形等。

B产生原因：
1、收缩变形：
收缩变形：焊件尺寸比焊前缩短的现象。

可分为：纵向和横向收缩变形。

（1）纵向收缩变形；
指焊后产生的沿焊缝轴线方向尺寸的收缩。

是由于不均匀的加热、钢板自重等原因所引起。

纵向收缩变形的影响因素：
1）焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小
2）焊缝的长度越长，焊件的纵向收缩量越大
3）多层焊时每层焊缝所产生的压缩塑性变形比单层焊时小，
单层焊和双层焊的塑性变形区对比
a)单层焊b)双层焊
4）焊件的原始温度提高，焊后纵向收缩量增大
5）线膨胀系数大的材料，焊后纵向收缩量大
（2）横向收缩变形：
焊后产生的垂直焊缝轴线方向的收缩。

一般对接接头的横向收缩随板厚的增加而增加；同样的板厚，坡口角度越大，横向收缩量越大。

带间隙平板对接焊的横向收缩变形过程
横向收缩变形的影响因素：
1）横向收缩变形总是随焊接热输入增大而增加。

2）装配间隙增加，横向收缩也增加，如图1-323）横向收缩量沿焊缝长
度方向分布不均匀，一般焊缝的横向收缩沿焊接方向是由小到大，逐渐增大到一定程度后便趋于稳定。

4）定位焊缝越长，装夹的拘束程度越大，横向收缩变形量就越小
5）对接接头的横向收缩量是随焊缝金属量的增加而增加大的
6）焊接方法对横向收缩量也有影响。

7）角焊缝的横向收缩要比对接焊缝的横向收缩小得多。

2、角变形：
角变形：焊后由于焊缝的横向收缩使得两连接件间相对角度发生变化的变形。

在焊接对接接头、T型接头、搭接接头等都可产生角变形。

角变形的影响因素
1）当热输入一定时，板厚越大，角变形越大，但当板厚大到一定程度时，角变形反而减小。

2）板厚一定，热输入增大，角变形也增加，但热输入增大到一定程度时，角变形反而减小
3）对接接头坡口截面不对称的焊缝，其角变形大；坡口角度越大，角变
形越大
4）多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大。

5）多层多道焊比多层焊角变形大。

6）焊接顺序也会影响角变形的大小，
7）对于T形接头，可通过开坡口和减小焊脚尺寸来减小角变形。

几种接头的角变形
a)堆焊b)对接接头c)T形接头
课堂小结：
1、焊接变形分类：
根据焊接变形对整个焊接结构的影响程度。

焊接残余变形可分为两大类：局部变形和整体变形。

按焊接变形的特征，焊接变形分为六种基本变形形
式：
收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、错边变形和扭曲变形。

2、影响收缩变形、角变形的因素。

课后作业：
焊接变形包括哪些基本形式？
班级
焊接51 焊接52 焊接53 焊专31 三一焊41 项目
授课日期
课堂记录
课后小结
授课总结
授课过程：
复习回顾：
1、焊接变形的种类有哪些？
2、有哪些影响焊接收缩变形、角变形的因数？
授新过程：
§1第一章焊接应力与变形
§1－2 焊接变形（2）
一、焊接变形的分类及其影响因素：
（一）、焊接变形产生的原因：
3、弯曲变形：
常见于焊接梁、柱、管道等焊件。

弯曲变形是由于焊缝的收缩沿板宽上分布不对称引起的。

弯曲变形分为两种情况：焊缝纵向收缩和焊缝横向收缩所引起的弯曲变形。

大小：以挠度f的数值来度量。

挠度是焊后焊件的中性轴偏离原焊件中性轴的最大距离。

挠度越大，即弯曲变形越大。

（1）纵向收缩引起的弯曲变形：如图所示为不对称布置焊缝的纵向收缩所引起的弯曲变形。

焊缝的纵向收缩引起的弯曲变形
当焊缝位置对称或接近于截面中性轴，则弯曲变形就比较小。

（2）横向收缩引起的弯曲变形：焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时引起的
焊缝横向收缩引起的弯曲变形
4、波浪变形：
又称失稳变形，常常发生在板厚小于6MM的薄板焊接过程中。

主要原因：
（1）薄板结构焊接时纵向和横向的压应力使薄板失去稳定而造成波浪形的变形；
（2）角焊缝横向收缩引起的角变形造成的。

5、错边变形：
有长度方向和厚度方向的错边。

引起的主要原因有：
（1）装配不良；
（2）组成焊件的两零件在装夹时程度不一致；
（3）组成焊件的两零件的刚度不同或他们的热物理性质不同；
（4）电弧偏离坡口中心等。

6、扭曲变形：
原因：装配质量不好；构件的零件形状不正确，强行装配；焊件在焊接位置搁置不当。

焊接结构的任何变形都是这六种基本变形或以不同方式的组合。

最基本的是收缩变形，由于收缩变形加上不同的影响因素，构成了其他五种基本变形形式。

（二）、影响焊接残余变形的因素
1、焊缝在结构中的位置：
焊缝在结构中的位置不对称，是造成结构整体弯曲变形的主要原因。

焊缝距离中性轴越远，焊接就越易产生弯曲变形。

2、焊接结构的刚性：
金属结构的刚性主要取决于结构的截面形状及其尺寸的大小。

衡量焊接结
构刚性大小的一个定量指标是：拘束度，拘束度有拉伸拘束度和弯曲拘束度两类。

拘束度大，即刚性越大，焊接结构就越不易变形。

（1）结构抵抗拉伸的刚性：
主要决定于结构截面积的大小。

截面积越大，拉伸拘束度越大，则抵抗拉伸的刚性就越大，变形就越小。

（2）结构抵抗弯曲的刚性：
主要看结构截面形状和尺寸大小。

（3）结构抵抗扭曲的刚性：
决定于结构尺寸大小和结构截面形状。

封闭截面形式抗扭曲刚性比不封闭截面大。

3、焊接结构的装配及焊接顺序：
焊接结构的刚性是在装配、焊接过程中逐渐增大的。

结构整体的刚性比它的零、部件刚性大。

因此尽可能先装配称整体，再焊接，可减小焊接结构的变形。

焊接顺序不合理也会引起变形。

4、其他因素：
（1）焊接材料的线膨胀系数；
（2）焊接方法：一般气焊的焊后变形比电弧焊的焊后变形大；
（3）焊接工艺参数：焊后变形随焊接电流的增大而增大，随焊接速度增大而减小；
（4）焊接方向：一条焊缝按同一方向从头至尾焊接，其焊缝越长焊后变形越大；
（5）焊接结构的自重和形状：自重较大或形状较长的焊件焊后变形较大；（6）焊缝装配间隙过大，坡口角度过大，会增加焊后的变形量。

各种影响焊接残余变形的因素并不是孤立地其作用。

（三）焊接变形对焊接结构生产的影响：
1、焊接变形尺寸变化，装配困难影响焊接结构质量
2、焊接变形矫正增加制造成本
3、焊接变形接头性能降低结构性能质量
课堂小结：
1、弯曲变形、波浪变形、错边变形和扭曲变形的概念和成因。

2、影响焊接残余变形的因素包括：
焊缝在结构中的位置、焊接结构的刚性、焊接结构的装配及焊接顺序、焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数等。

3、焊接变形对焊接结构生产的影响
课后作业：
1、影响焊接变形的因素有哪些？
2、简述焊接变形对焊接结构生产的影响。

班级
焊接51 焊接52 焊接53 焊专31 三一焊41 项目
授课日期
课堂记录
课后小结
授课总结
授课过程：
复习回顾：
1、影响焊接残余变形的因素包括哪些？
2、简述焊接变形对焊接结构生产的影响。

授新过程：
§1第一章焊接应力与变形
§1－2 焊接变形（3）
二、预防控制焊接变形的措施：
控制变形可从焊接结构的设计、生产阶段采用“积极”预防变形的工艺措
施和焊接完成后选择适当的“消极”矫正措施。

（一）、设计措施：
1、选用合理的焊缝尺寸和形状：
在保证结构有足够承载能力的前提下，尽量采用较小的焊缝尺寸。

2、尽可能减少焊缝的数量：
可采用压型结构代替肋板结构。

3、合理安排焊缝位置：
使焊缝对称于构件截面的中性轴，或使焊缝接近中性轴，可减少弯曲变形。

相同承载能力的十字接头T形接头的坡口
选择最小的焊缝尺寸选择合理的坡口形式
合理安排焊缝位置防止焊接变形
（二）、工艺措施：
1、反变形：
预先把焊件人为地制成一个变形，使这个变形与焊后发生的变形方向相反，而数值相等，已达到防止产生残余变形的方法。

2、刚性固定法：
对角变形和波浪变形较有效。

3、选择合理的装配焊接顺序：
1）大而复杂的焊接结构，先将结构简单的部件单独进行焊接，再总装成整体。

Ⅱ形梁的装配焊接方案
2）焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴，
3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧，4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称施焊，
5）长焊缝焊接时，可采用图中所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形
长焊缝的几种焊接顺序
4、选用合理的焊接方法和规范：
选用能量比较集中的焊接方法，如用CO2保护焊、等离子弧代替气焊和手工焊进行薄板焊接可减少变形量。

5、散热法：
又称强迫冷却法，是把焊接处的热量迅速散走，使焊缝附近的金属受热区域大大减小，以达到减少焊接变形的目的。

6、留余量法：。