第二章 焊接力学分析(3)
焊接工程学(第二章)-1ppt课件
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六、电焊条的选用原则
1、从焊件的力学性能和化学成分考虑：
部不受电弧光的辐射和灼伤。有手持式和头
盔式两种。面罩的护眼玻璃有减弱电弧光并
过滤红外线、紫外线的作用。
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五、电焊条的分类
1、按焊条用途分
结构钢焊条——焊接碳钢和低合金高强钢；
钼和铬钼耐热钢焊条——焊接珠光体耐热钢和 马氏体耐热钢；
低温钢焊条——焊接低温工作的结构钢；
铸铁焊条——用于补焊铸铁构件；
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物理熔剂：在气焊铝及其合金时，熔池 表面会形成一层Al2O3薄膜，该薄膜不 能被酸性或碱性熔剂中和，会阻碍焊 接过程的进行。此时，可用有物理作 用的熔剂将Al2O3溶解，从而获得高质 量焊缝。
物理熔剂有氯化钾、氯化钠、氯化锂、 氟化钾、氟化钠、硫酸氢钠等。
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气焊熔剂的选择：应根据母材金属在气焊过
焊接普通碳素钢时采用H08A、H08Mn、H08 MnA焊丝；焊接优质碳素钢和低合金结构钢 时采用H08Mn、H08MnA、H10Mn2、H10 Mn2MoA焊丝。
铸铁用焊丝：分灰铸铁焊丝和合金铸铁焊丝两
种。
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2、气焊熔剂
A、气焊熔剂的作用
气焊过程中，被加热的熔化金属极易与周围 空气中的氧或火焰中的氧化合生成氧化物， 使焊缝中产生气孔和夹渣等缺陷。为防止金 属的氧化及消除已经形成的氧化物，在焊接 有色金属、铸铁和不锈钢等材料时，必须采 用气焊熔剂。
焊接力学与焊接结构基础
焊接力学与焊接结构基础【原创版】目录一、焊接力学概述二、焊接结构的基本概念三、焊接结构的力学性能四、焊接结构的疲劳性能五、焊接结构的缺陷及其影响六、焊接结构的设计原则与方法正文一、焊接力学概述焊接力学是研究焊接过程中力学现象的学科，它主要研究焊接接头的形成机理、力学性能以及焊接结构在使用过程中的受力分析。
焊接力学不仅关注焊接过程中金属的塑性变形，还涉及焊接结构的强度、刚度和稳定性等性能。
二、焊接结构的基本概念焊接结构是由焊接件通过焊接方法连接而成的结构。
焊接结构具有许多优点，如重量轻、生产成本低、结构简单等，因此在许多行业中得到了广泛应用。
焊接结构的类型有很多，如梁、柱、桁架等，其形式也有所不同，如有焊缝、无焊缝等。
三、焊接结构的力学性能焊接结构的力学性能主要取决于焊接质量、焊接材料和母材的性能。
焊接质量好的结构具有较高的强度、刚度和疲劳性能。
焊接材料和母材的性能对焊接结构的力学性能也有很大影响，如强度、硬度、韧性等。
四、焊接结构的疲劳性能焊接结构的疲劳性能是指在交变载荷作用下，焊接结构能承受一定次数的循环加载而不破坏的能力。
焊接结构的疲劳性能受到很多因素的影响，如焊接质量、焊接结构形式、载荷类型等。
为了提高焊接结构的疲劳性能，需要采取一定的设计措施和工艺方法。
五、焊接结构的缺陷及其影响焊接结构在焊接过程中可能会产生一些缺陷，如焊缝裂纹、气孔、夹杂等。
这些缺陷会对焊接结构的力学性能产生不良影响，如降低强度、刚度，加剧疲劳损伤等。
因此，在焊接过程中要尽量减少缺陷的产生，以保证焊接结构的使用性能。
六、焊接结构的设计原则与方法焊接结构的设计原则主要包括以下几点：保证结构的强度、刚度和稳定性；尽量简化结构形式，降低生产成本；考虑焊接变形和残余应力的影响；遵循材料力学和焊接力学的基本规律。
焊接结构的设计方法主要包括经验法、解析法和数值法等。
经验法是根据实际工程经验进行设计的方法，适用于简单的焊接结构；解析法是通过力学方程求解焊接结构问题的方法，适用于复杂的焊接结构；数值法是利用计算机模拟焊接结构的力学性能，可以更精确地预测焊接结构的性能。
焊接过程中的热力学与力学分析
焊接过程中的热力学与力学分析在现代制造业中，焊接是一项不可或缺的工艺，它能够将两个或多个金属零件永久性地连接在一起。
然而，焊接过程中的热力学和力学变化对焊接连接的质量和性能起着重要的影响。
本文将从热力学和力学两个方面，探讨焊接过程中的相关分析。
热力学是研究能量转化和传递的科学，而焊接过程中的能量转化主要包括热量的生成和传导。
当焊接电弧或火焰作用于金属表面时，会产生高温。
热量的生成主要取决于焊接材料的特性，比如导热性、电导率和熔点。
在焊接点周围，金属会受到高温的影响，温度上升，形成热影响区。
由于不同材料之间热扩散系数的不同，热影响区的形状和尺寸会发生变化。
焊接过程中的力学变化主要来自于热引起的热应变和残余应力。
当金属被加热到高温时，它会发生热膨胀，即热应变。
热应变会导致材料的尺寸发生变化，特别是在焊接接头和母材之间。
如果材料之间的尺寸不匹配，可能会导致应力集中并引发裂纹。
此外，当焊接过程结束后，材料冷却时会发生残余应力。
残余应力是由于热导致的不均匀冷却而引起的，它可能导致材料的扭曲和变形。
为了减少焊接过程中的负面影响，可以进行一些热力学与力学分析。
首先，对于热力学分析，可以通过计算焊接点周围的热影响区大小来评估焊接过程的影响范围。
这可以提供焊接参数的参考，以达到所需的焊接质量。
其次，力学分析可以通过模拟焊接过程中的温度场和应变场来预测残余应力的大小和分布。
这有助于确定焊接接头和母材之间的尺寸匹配程度，以避免应力集中和裂纹的发生。
此外，热力学与力学分析还可以用于优化焊接工艺。
通过模拟不同焊接参数下的热影响区、残余应力和应变场，可以找到最佳的焊接参数组合。
这可以提高焊接的质量和效率，并减少材料的浪费。
此外，热力学与力学分析还可以用于预测焊接接头的寿命。
通过研究焊接接头中的应力集中和裂纹扩展，可以评估焊接接头的可靠性和使用寿命。
总之，焊接过程中的热力学和力学变化对焊接连接的质量和性能有着重要的影响。
通过热力学与力学分析，可以评估焊接过程的影响范围，预测残余应力和应变场，优化焊接工艺，并预测焊接接头的寿命。
焊接力学与焊接结构基础
焊接力学与焊接结构基础摘要：一、焊接力学简介1.焊接力学的定义2.焊接过程中的力学现象3.焊接力学在焊接技术中的重要性二、焊接结构基础1.焊接结构的分类2.焊接接头的种类与性能3.焊接残余应力的产生与影响三、焊接力学在焊接结构设计中的应用1.焊接应力的控制2.焊接变形预测与控制3.焊接结构的疲劳分析与设计四、焊接力学在焊接工艺中的应用1.焊接参数对焊接结构的影响2.焊接过程模拟与优化3.焊接质量控制与检测正文：焊接力学与焊接结构基础是焊接技术中的重要组成部分，它们对焊接接头性能、焊接残余应力、焊接变形等方面有着重要影响。
本文将对焊接力学与焊接结构基础进行简要介绍。
一、焊接力学简介焊接力学主要研究焊接过程中力学现象的发生、发展和变化规律。
它涉及材料的热力学、热传导、流体力学等多个领域。
焊接力学在焊接技术中具有重要意义，它可以指导焊接工艺的制定，优化焊接参数，提高焊接质量。
1.焊接力学的定义焊接力学是研究焊接过程中各种力学现象的学科，包括热力学、热传导、流体力学等方面。
2.焊接过程中的力学现象焊接过程中，涉及材料的热变形、残余应力、焊接变形等力学现象。
3.焊接力学在焊接技术中的重要性焊接力学可以指导焊接工艺的制定，优化焊接参数，提高焊接质量。
二、焊接结构基础焊接结构基础主要包括焊接结构的分类、焊接接头的种类与性能以及焊接残余应力的产生与影响等方面。
1.焊接结构的分类焊接结构主要分为对接焊缝、角焊缝、T 型焊缝等。
2.焊接接头的种类与性能焊接接头主要分为对接接头、角接接头、T 型接头等，不同类型的接头具有不同的性能。
3.焊接残余应力的产生与影响焊接过程中，由于温度变化、材料收缩等因素，会产生残余应力。
残余应力会对焊接结构的性能和使用寿命产生影响。
三、焊接力学在焊接结构设计中的应用焊接力学在焊接结构设计中的应用主要包括焊接应力的控制、焊接变形预测与控制以及焊接结构的疲劳分析与设计等方面。
1.焊接应力的控制通过优化焊接参数，可以控制焊接残余应力的大小和分布，提高焊接结构的性能。
第二章 焊接力学分析(1)
T n
为温度在n方向上的偏
温度梯度是一个向量，垂直于等温面，以温度增加
的方向为正。
热量传输方向指向温度降低的方向，与温度梯度方
向相反。
二、傅里叶定律（热传导定律）
单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度q
（J/(s˖mm2)或 W/mm2）。
物体等温面上的热流密度与该处等温面的负温度梯 度成正比，即
正态分布热源（高斯热源）：实践证明，在电弧，束 流和火焰接焊时，更有效的方法是采用热源密度 q* 为正态度分布的表面热源，即假设热量按概率分析 中的高斯正态分布函数来分布：
* q* qmax exp(kr 2 )
积分得：
q q (r )dF q
* F 0
* kr 2 max
焊接工艺制定中，常用焊接线能量（即单位长度焊
缝的热输入 ）作为焊接规范（焊接电流、焊接电压、
焊接速度）的一个综合指标，表示为
qW
式中，
IU
v
qW为焊接线能量（J/mm）, v为焊接速度。 qW对焊缝成形、热影响区组织和焊接生产率等有较
大影响。
钢和铝常用熔焊方法的热功率数据
焊接方法 有效热功率 Φ[kJ/s] 1— 20 5— 100 焊接速度 v[mm/s] ＜5 ＜15 焊接线能量 qw[kJ/mm] ＜3.5 ＜2 热效率
e
2 rdr
q
k
* * qmax , qmax
k
q
其中：q—热源有效功率[J/s]； k—表示热源集中程度的系数[1/mm2]； r—圆形热源内某点与中心的距离。
双椭球热源
前半部分椭球内热源分布为
《焊接结构力学》课件
03
发展趋势
现代焊接结构力学正朝着精细化、交叉化和数值化的方向发展，涉及的领域越来越广泛，研究的问题越来越复杂。
01
早期研究
焊接结构力学起源于20世纪初，当时焊接技术开始广泛应用于工业生产。
02
学科形成
20世纪中叶，随着材料科学和力学理论的不断发展，焊接结构力学逐渐形成一门独立的学科。
02
高性能材料焊接
随着新材料的发展，高性能材料的焊接将成为未来发展的重要挑战，需要不断提高焊接技术的水平。
跨学科融合
焊接结构力学涉及到多个学科领域，如材料科学、力学、热学等，需要加强跨学科的融合和交流，推动焊接结构力学的发展。
THANKS
感谢您的观看。
04
CHAPTER
焊接结构的强度与稳定性
在静力载荷作用下，焊接结构能够承受的最大应力。
静载强度定义
材料类型、焊接工艺、结构形式等。
影响因素
通过实验测试和有限元分析进行评估。
评估方法
确保焊接结构在静载条件下具有足够的强度和稳定性。
实践应用
05
CHAPTER
焊接结构的失效与安全评定
断裂、变形、疲劳、腐蚀等。
焊接应力的分布
焊接应力的产生
影响因素
焊接变形的影响因素包括焊接工艺、材料性质、焊缝位置和尺寸、结构形式等。
控制方法
采用合理的焊接顺序、预热和后热处理、反变形法等措施可以有效控制焊接变形。
测量方法
焊接残余应力和变形的测量方法包括应力释放法、X射线衍射法、超声波法等。
评估内容
评估焊接结构的残余应力和变形对结构强度、疲劳寿命和稳定性等方面的影响。
《焊接结构力学》ppt课件
目录
《焊接结构力学》课件
焊接结构的疲劳强度
疲劳强度定义
焊接结构在交变载荷作用下所能承受的最大 应力。
影响因素
交变载荷的频率、幅值、波形以及材料的抗 疲劳性能等。
评估方法
通过疲劳试验和疲劳寿命预测模型进行评估 。
实践应用
提高焊接结构的疲劳强度，延长其使用寿命 ，降低因疲劳断裂而引发的安全事故。
焊接结构的稳定性分析
稳定性定义
[ 感谢观看 ]
通过焊接结构力学的研究，可以优化 焊接工艺、提高焊接结构的性能和寿 命，从而降低生产成本和维护成本。
焊接结构力学的发展历程
20世纪初，焊接技术开始广泛应用于工 业生产，但当时的焊接结构力学研究尚 处于起步阶段。
20世纪中叶，随着材料科学和力学的不断发 展，焊接结构力学逐渐形成独立的学科领域 。
进入21世纪，随着计算机技术和数 值模拟方法的快速发展，焊接结构 力学的研究更加深入和广泛，为实 际工程应用提供了更加可靠的依据 。
CHAPTER 04
焊接结构的强度与稳定性
焊接结构的静载强度
静载强度定义
在静力载荷作用下，焊接结构所能承 受的最大应力。
影响因素
材料种类、焊接工艺、结构形式等。
评估方法
通过实验测试和有限元分析进行评估 。
实践应用
确保焊接结构在静载条件下具有足够 的强度和稳定性，防止结构发生脆性 断裂或塑性变形。
影响因素
焊接结构在受到外力作用时保持其原有平 衡状态的能力。
结构的几何形状、载荷类型和大小、材料 的弹性模量和泊松比等。
评估方法
通过稳定性分析和失稳实验进行评估。
实践应用
确保焊接结构在受到外力作用时具有足够 的稳定性，防止结构发生屈曲或失稳现象 ，造成结构破坏或倒塌。
第二章 焊接力学分析(2)
y / MPa
L / mm
气割清根后自动焊
0～0.8 -200
双面自动焊 y 的分布
②平板对接接头的y （手工焊）
50º
100 0～1.5
25
y / MPa
分段退焊 直通焊
L / mm
0 -100 -200
100
300
500
700
900
1100
2～ 3
-300
手工焊 y 的分布
（3） 厚板中的残余应力
b t E t E b
b
1）纵向收缩所引起残余应力y
y'
y'
y'
y'
（a)加热阶段
（b）冷却阶段
离焊缝越远，应力值越小
焊缝长度
2）横向收缩不同时引起 y 原因：焊缝完成不同时 先焊部分限制后焊 部分的横向收缩 y的演变过程
二维 x
（2）小孔（盲孔）释放法 属于半破坏法 （3）套孔法 属于半破坏法 （4）逐层铣削法 二、物理法 磁性法、超声波法、X 射线衍射法、
硬度法等。
2.3 热变形与应力
内应力：是在没有外力作用的条件下平衡于 物体内部的应力。 其主要特点是在物体内部构成平衡的力学 系统，即内力之和与内力矩之和为零。 内应力按照其分布的尺度范围可分为三类： （1）第一类内应力：又称为宏观内应力 （2）第二类内应力：又称为微观内应力 （3）第三类内应力：又称为超微观内力
（4）拘束状态下焊接残余应力
（5）相变应力
（5）相变应力
二、典型焊件的残余应力分布
（1）封闭焊缝的焊接残余应力
焊接的技术分析2
ห้องสมุดไป่ตู้
件内的焊接应力，焊接残余应力对焊接结构的强 度、耐蚀性和尺寸稳定性等使用性能有影响。 • 二、焊接残余应力的分布 焊接残余应力的分布 • 1、纵向残余应力σx的分布 • 作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残 余应力。
• 2、横向残余应力σy的分布 • 垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。 • （1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的 横向残余应力σ΄y 图1-8a • （2）横向收缩所引起的横向残余应力σ΄΄y • 总之，横向残余应力的两个组成部σ΄y、σ΄΄y同 时存在，焊件中的横向残余应力σy是由σ΄y、 σ΄΄y合成的，但它的大小要受σs的限制。
（4）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应 力与变形
• 2、焊缝金属的收缩 • 当焊缝金属冷却、由液态转为固态时，其体积要 收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此， 焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的 变形，同时在焊缝中引起残余应力。 • 3、金属组织的变化 • 钢在加热及冷却过程中发生金相组织的变化，这 些组织的比体积不一样，也会造成焊接应力与变 形。
4.焊件的刚性和拘束 • 焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变 形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及 受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接 应力越小。 • 刚性——是指焊件抵抗变形的能力。 • 拘束——是指焊件周围物体对焊接变形的约束。
第二节 焊接残余应力及分布
• 一、焊接残余应力 焊接残余应力 是焊件焊完冷却后残留在焊
焊接力学与焊接结构基础
焊接力学与焊接结构基础文章主题：焊接力学与焊接结构基础[序言]焊接是一种常用于金属结构连接的方法，通过熔化的焊接材料填充并形成焊缝，将两个互相接触的金属件连接在一起。
焊接力学是研究焊接过程中的应力、变形和裂纹等力学性质的学科，而焊接结构基础则是研究焊接结构设计和分析的基础理论。
本文将就焊接力学与焊接结构基础展开讨论，并探讨其在实际工程中的应用。
[1] 焊接力学的基本概念与原理焊接力学研究焊接过程中的应力和变形问题，主要包括焊接接头的受力分析、应力和变形的计算方法以及裂纹的形成和扩展等。
在焊接接头中，焊缝和热影响区是应力和变形集中的区域，需要通过合理的设计和选材来降低应力集中和变形量。
焊接过程中的热应力、残余应力和载荷应力等也会对焊接结构的性能产生重要影响，需要进行全面的分析和评估。
[2] 焊接结构基础的主要内容和方法焊接结构基础包括焊接结构设计原理、焊接材料选择、焊接连接的计算方法和焊接结构的极限状态设计等内容。
焊接结构的设计要考虑材料的力学性能、焊缝的强度、安全系数等因素，保证焊接结构在使用过程中具备足够的强度和刚度。
还需要考虑焊接过程中的热影响区、残余应力和应力腐蚀等问题，以确保焊接结构的安全可靠性。
[3] 焊接力学与焊接结构基础的应用焊接力学与焊接结构基础在实际工程中的应用十分广泛。
它们可以用于焊接接头的设计和分析，通过合理的参数选择和设计优化，提高焊接接头的质量和可靠性。
在焊接结构的评估和检验过程中，焊接力学与焊接结构基础也能提供重要的理论指导，以判断焊接结构是否满足设计要求。
焊接力学与焊接结构基础在焊接工艺的优化和改进方面也具有重要作用，通过对焊接过程中的应力和变形进行分析和优化，来提高焊接结构的质量和工艺性能。
[总结]通过对焊接力学与焊接结构基础的综述与分析，我们了解到焊接力学和焊接结构基础是理解和应用焊接技术的重要基础。
在实际工程中，合理地应用焊接力学与焊接结构基础，可以提高焊接接头的质量和性能，确保焊接结构的安全可靠。
第二章 焊接力学分析(3)
构件在Pf作用下产生的纵向收缩 Pf L L A p dA L EA A
p
• 式中，A — 构件截面积， Ap — 塑性变形 区面积， E — 材料弹性模量， L — 构件 长度， P — 塑性应变。
影响因素：
（1）焊接规范 与焊接线能量qW成正比
（2）焊接方法
（3）材料的热物理参数
α 屈服强度、弹性模量、热膨胀系数α
α越大，变形越大
（4）多层焊时，塑性变形区相互重叠，其纵
向收缩比单层焊小
（5）间断焊的纵向收缩变形比连续焊小
钢质细长构件纵向收缩量的估算
单层焊的纵向收缩量
k1 AW L L A
式中，A — 构件截面积（mm2）， AW — 焊缝截面积（mm2）， L — 纵向收缩量（mm）， L — 构件长度（mm）， 系数k1与焊接方法和材料有关。
焊后有较大的挠度。
（2）焊前先点固成工形
截面梁，再按括号内的
顺序进行焊接，无挠度
钢制构件单道焊缝引起的挠度估算
k1 AW eL2 f 8I
式中， e － 焊缝到构件中性轴的距离（偏心距）
L － 构件长度 AW － 焊缝截面积 I － 构件截面惯性矩 k1 － 系数可由表2-1查得 多层焊或双面角焊缝的挠度以上式的结果乘以 与纵向收缩公式中相同的系数k2。
→横向收缩↓
两种横向变形方向是相反的，最终的变形是两种变
形的综合结果。
横向收缩变形计算公式
2 qW B t c
式中，μt 为横向刚度系数
有坡口间隙时取 0.75 - 0.85
无坡口间隙时取 0.5 - 0.7
比较简单的工程经验公式
B 0.18
焊接结构力学教学课件-第二章
主讲：史菲
2-1 2-2 2-3
内应力及变形的基本概念 焊接残余变形 焊接残余应力
2
章节核心内容
本章重点： 1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形不应力 2.长板条在丌均匀温度场作用下的变形不应力 3.焊接残余变形 4.预防和矫正残余变形的方法 5.焊接残余应力 6.焊接残余应力的调节及消除措施
1. 焊缝横向收缩引起 的弯曲角变形
图2-13 焊缝横向收缩引起的弯曲变形
2. 焊缝金属收缩引起 的倾斜角变形
图2-14 焊缝金属收缩引起的倾斜角变形
35
（一）堆焊时产生的角变形
平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区金属 的阻碍受挤压，压缩塑性变形。 焊接面压缩塑性变形>背面 角变形。
影响因素：
分布范围
2）根据结构 中的空间位置
1.单向应力：应力沿构件的一个方向作用 2.双向应力：应力沿构件的两个方向作用 3.三向应力：应力沿构件的三个方向作用
4
3）根据应力不焊 缝的相对位置 4）根据应力产生 、作用的时间 5）根据应力 形成原因
1.纵向应力：应力作用方向与焊缝平行 2.横向应力：应力作用方向与焊缝垂直
13
三、长板条在丌均匀温度场作用下的变形和应力
1.在板条中心对称加热
2.非对称加热（一侧加热）
14
加热过程 冷却过程
图2-3 长板条中心加热和冷却时的应力与变形 a)原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却过程
15
加热过程 冷却过程
a)
b) d)
c)
e)
图2-4 长钢板边缘一侧加热和冷却时的应力与变形 a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形 d)假设各板条的收缩 e)冷却后的变形
焊接结构力学
主要特征值
合金元素含量 相、显微组织、晶粒尺寸 冷却时间、奥氏体化时间 退火时间和温度 板厚、焊缝类型 等效应力、三轴度 焊条药皮、水分
次要特征值
碳当量 焊接性指数 脆性指数 裂纹敏感性指数 （脆性）转变温度
次要影响因素
焊条类型 焊接方法 焊接参数 焊缝类型 预热温度 层数 稀释率 烧穿，夹杂物
绪论 – 焊接性分析
1、构件焊接性
与焊接冶金课程中介绍的， “材料焊接性”的概念相比， 构件焊接性含义更广泛，它 可以包含以下几方面内容： “材料的焊接适应性”、 “设计的焊接可靠性”和 “制造的焊接可行性”。 焊接残余应力和焊接变 形是焊接性的多要组成部分， 它影响到冷、热裂纹、影响 使用性能并妨碍制造过程。
焊接性的定义
绪论 – 焊接性分析
2、影响焊接性的因素
根据上述分类，可将影响焊接的因素按下面 的方式分类：
母材和填充材料 的类型(化学)成 分和显微组织 结构的形状、尺寸、 支撑条件和负载，焊 缝类型，厚度和配置
焊接方法、焊速，焊接操 作，坡口形状，焊接顺序， 多层焊，定位焊。夹紧、 预热和焊后热处理。
绪论 – 焊接结构的特点
5、易于结构的变更和改型
铸造—铸型（木型） 锻造—开模具 周期长、成本高 焊接、则快速、简便、投资少
6、适用于制作大型或重型、结构简单而且 是单件小批量生产的产品结构
结构 结构 大 小 简单 复杂 批量小 批量大 焊接占优势 铸锻占优势
7、成品率高
一旦出现缺陷，可以修复、很少产生废品。
第一章
焊接热过程
①焊接热过程的局部性或不均匀性 与热处理工艺不同，多数焊接过程都是局部 进行加热的，只有在热源直接作用下的区 域受到加热，有热量输入，其它区域则存 在热量损耗，（举例：电弧焊、电阻焊 等），受热区域的金属熔化，形成焊接熔 池，这正是引起残余应力和变形的根源。 ②焊接热源的相对运动 由于焊接热源相对于工件的位置在不断发生 变化，这就造成了焊接热过程的不稳定性。
焊接物理基础
电弧焊基础兰州理工大学焊接系本科生学习整理第一章焊接电弧1. 焊接方法分类焊接方法分为熔焊、钎焊、和压焊三大类熔焊：熔焊是在不施加压力的情况下，将待焊处的母材加热熔化以形成焊缝的焊接方法。
焊接时母材熔化而不施加压力是其基本特征。
压焊：压焊是焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热）才能完成焊接的方法。
焊接施加压力是其基本特征。
钎焊：钎焊是焊接事采用比母材熔点低的钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但是低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而是心爱那个连接的一种方法力气特征是焊接时母材不发生熔化，仅钎料发生熔化。
2. 焊接电弧中气体电离的种类热电离——气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。
其实质是气体粒子由于受热而产生高速运动和相互之间激烈碰撞而产生的一种电离。
场致电离——当气体中有电场作用时，气体中的带电粒子被加速，电能被转换为带电粒子的动能，当其动能增加到一定程度时，能与中性粒子产生非弹性碰撞，使之电离，这种电离称为场致电离。
光电离——中性粒子接受光辐射的作用而产生的电离现象称为光电离。
不是所有的光辐射都可以引发电离，气体都存在一个能产生光电离的临界波长，气体的电离电压不同，其临界波长也不同，只有当接受的光辐射波长小于临界波长时，中性气体粒子才可能被直接电离。
3. 焊接电弧中气体的发射有几种热发射——金属表面承受热作用而产生电子发射的现象称为热发射。
场致发射——当阴极表面空间有强电场存在时，金属电极内的电子在电场静电库仑力的作用下，从电极表面飞出的现象称为场致发射。
光发射——当金属电极表面接受光辐射时，电极表面的自由电子能量增加，当电子的能量达到一定值时能飞出电极的表面，这种现象称为光发射。
粒子碰撞发射——高速运动的粒子（电子或正离子）碰撞金属电极表面时，将能量传给电极表面的电子，使电子能量增加并飞出电极表面，这种现象称为粒子碰撞发射。
4. 阴极斑点的条件及阴极斑点的特点。
焊接结构-第二章(2011)
冷却后
σT
冷却后
加热
因此： 1.任何原因引起的伸长变形受阻时，则该伸长部分受压 应力，阻碍构件伸长的其它部分则受拉应力; 2.任何原因引起的收缩变形受阻时，则收缩部分受拉应 力，而阻碍收缩的构件的其它部分则受压应力。
3. 内应力的(特点)平衡条件
由于内应力是在没有外力的情况下产生的，所以 在任意截面，由内应力引起的力的总和以及力矩的总 和一定为零，即有:
L1
2.外观变形 假如杆件受到约束，实际只能伸长△Le，这是可见 的变形，称之为外观变形。 εe＝△Le / L0 ── 杆件的实际应变
3.内部变形
由于存在约束，杆件在自由状态下所应有的变形与实际存在的 变形有所不同，构件内部由于压缩而未表现出来的那部分变形，称 为内部变形。用△L表示。 相应地，杆件的内应变为： ε＝ △L / L0
εp ε
εs εp
b)│ε│＞│εs│，则杆件中既发生弹性变形，又发生塑性变形。 假设杆件是理想弹塑性体，杆件中的应力达到σs后，将不 再增加，但因杆的长度受到限制，出现塑变。 ε＝εp＋εs εp＝ε－εs 冷却时，塑性变形不可恢复，冷却后εs＝0
εp
ε
εs εp
若杆件冷却时自由收缩： 则：εp（保留下来）＝εe' 杆件冷却时收缩量(自由)量： △L'T＝L0·εp＝L0·(ε－εs) 残余变形其产生原因是在加热时存在拘束 若杆件冷却时完全不能收缩,εp在冷却后成为杆件的内部变形: △L'＝L0·εp ↓ (内变形) → σ＝εp·E
εe p ε εs εp
4.三种变形的关系 ε＝εe－εT ε＝εs+εp ── 产生应力
材力中：外观变形与应力相联系：σ＝E·εe 讨论内应力时：内部变形与应力：σ＝E·ε
焊接组件的受力分析
在对一个焊接组件进行受力分析的时候，个人认为有两种方法：第一种方法：假定焊缝的强度够用，不对焊缝进行受力分析。
此时对整个组件使用mechanica的实体单元进行网格划分。
因为在mechanica中会把组件中有接触面的零件均视为一个零件，组件实际上就变成了一个零件，载荷和约束已可以在零件之间传递了。
此时组件的受力分析与零件的受力分析在步骤上就没有什么区别了。
这种方法缺点是因为没有使用理想化，所以速度较慢。
而且焊缝的强度也没有校核。
优点是不用对焊接组件进行调整。
第二种方法：因为焊接件多数是标准板材、型材等，在分析时使用壳理想化可以大大加快解算速度。
这时就产生了一个问题：板材理想化后在板子的中心位置生成midsurface。
而这个midsurface多数无法与别的midsurface相连，于是造成了载荷与约束无法在零件间传递。
a)此时应使用mechanica提供的一个功能connections中的端焊、周焊或点焊将零件（midsurface)在焊缝处“连接”起来再进行受力分析。
有的资料中提过结果中如果在焊缝处显示了高应力，那就必须专门对焊缝进行受力分析。
但是因为在connections的焊缝设定过程中，并无焊缝材料、焊缝宽度、焊接工艺的选项。
所以稳妥起见，要做下面的焊缝实体的受力分析b)人工建立焊缝的实体模型并装配到组件为了避免载荷和约束在贴合的零件面上传递，这里应人工的把零件分开一个微小的距离，使后期在mechanica分析中零件间的载荷和约束完全通过焊缝来传递进入mechanica，改用实体单元进行网格划分最后只需观察焊缝处的应力情况即可。
下例是二个低碳钢板（200x100x5)用5mm角焊缝焊在一起，焊缝长度2－50mm，一板材左侧端面固定，另一板材右侧端面受水平向右的拉力100N组件如图：[ Last edited by zlxlbean on 2004-9-29 at 11:36 ]图片附件: part.jpg (2004-9-29 11:25, 10.65 K)如上所述第一种方法，采用实体单元对组件进行受力分析,由组件直接进入mechanica，设定约束、材料、载荷，运行静态分析，得到如下结果：max_disp_mag: 4.222310e-04 0.8%max_stress_vm: 2.206539e-01 3.5%第二种方法创建midsurface,分别由零件进入mechanica，mec struct/strc model/idealizations/shells/midsurfaces-> New compress/shells only/showcompress最后组件的midsurface如图可以看出，两个midsurface之间产生的缝隙[ Last edited by zlxlbean on 2004-9-29 at 11:37 ]图片附件: shell_assem.jpg (2004-9-29 11:27, 4.63 K)创建角焊缝连接connections/welds/end welds/new,完成后出现两个焊接符号运行分析，（4秒结果就出来了）max_disp_mag: 4.190947e-04 0.0%max_stress_vm: 2.114679e-01 0.7%图片附件: weld_sym.jpg (2004-9-29 11:28, 6.86 K)如图显示vonmises,在焊缝处无高应力图片附件: shell_weld_vm.jpg (2004-9-29 11:29, 29.3 K)如图显示max shear，在焊缝处无高应力图片附件: shell_weld_shear.jpg (2004-9-29 11:29, 29.35 K)保险起见下面专门对焊缝进行分析创建焊缝实体50x5x5的角焊缝零件，装配至焊接组件，并把两块平板的贴合面分开0.5如图图片附件: solid_weld_assem.jpg (2004-9-29 11:30, 3.47 K)进入mechanica，这里假定焊缝强度不小于母材，将母材材料FE20直接指定给焊缝零件运行分析，结果如图最大剪应力7.941e+00,这是否是因为在边角处的应力集中引起的呢？图片附件: result_weld_solid.jpg (2004-9-29 11:31, 21.27 K)查看中间部位的焊缝，最大剪应力大多在0.78MPa-0.06MPa之间图片附件: nomal_shear.jpg (2004-9-29 11:32, 19.61 K)根据焊缝强度计算公式：最大剪应力=1.414*F/(K*(l1+l2))=1.414*100/(5*(50+50))=0.2828MPa个人认为出现差异的原因可能因为焊缝的金相组织非常复杂，而简单地用一种材料来对焊缝的模拟不能准确地反映材料特性，同时母材料的受热区组织也有变化，材料特性也有一定的改变，所以最终计算结果与经验公式差别比较大。
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8EI 8EI
式中，I 为构件截面惯性矩；e 为塑性区中心到断面中性轴的 距离（偏心距）。
焊缝对称的构件，工形截面梁装配次序
（1）装焊顺序：⊥→工
fT
Pf e L2 8EI
2.5 焊接残余变形
焊接残余变形：焊接后残存于结构中的变形， 或称焊接变形。
2.5.1 焊接残余变形分类 焊接残余收缩主要表现在两个方面 ： 纵向收缩－沿焊缝长度方向的收缩 横向收缩－沿着垂直于焊缝长度方向的收缩 大致可分为下列七类： （1）纵向收缩变形 （2）横向收缩变形
（3）挠曲变形（弯曲变形） （4）角变形 （5）波浪变形（失稳）
焊条电弧焊焊
低碳钢
奥氏体钢
k1
0．043 0．071~ 0．076 0．048~ 0．057
0．076
多层焊的纵向收缩量
L
k2
k1
AW A
L
式中，AW — 一层焊缝金属的截面积（mm2），
k2 = 1 + 85sn，s = σs / E ，n — 层数
两面有角焊缝的丁字接头，由上面公式计算
的收缩量乘以系数1.15 ~ 1.40。（式中的AW 指一条角焊缝的截面积）
→ 膨胀受阻 → 压缩塑变 → 横向收缩
影响因素： 焊接线能量 qW：qW↑→ΔB↑ 板厚 δ：δ↑→ΔB↓
横向变形沿焊缝长度上的分布是不均匀的
横向收缩B
x
焊接方向
薄板堆焊：
B
t
2 qW c
厚板堆焊： ΔB变小
（2）角焊缝的横向收缩 与堆焊相似，立板厚度减少横板的热量
（3）横向收缩引起的挠曲变形
二、角焊缝的角变形与扭曲变形 T形接头的角变形包括两个方面： a）筋板与主板的角度变化 b）主板本身的角度变化
角变形是筋板结构焊接变形的主要问题
工字型梁的扭曲变形 原因：角变形沿焊缝长度方向分布不均匀以 及工件的纵向错边。 措施：改变焊接顺序和方向。 将两条相邻的焊缝同时同方向焊接。
L Pf L L Ap p dA
EA
A
• 式中，A — 构件截面积， Ap — 塑性变形 区面积， E — 材料弹性模量， L — 构件
长度， P — 塑性应变。
影响因素： （1）焊接规范 与焊接线能量qW成正比 （2）焊接方法 （3）材料的热物理参数 屈服强度、弹性模量α、热膨胀系数α α越大，变形越大 （4）多层焊时，塑性变形区相互重叠，其纵 向收缩比单层焊小 （5）间断焊的纵向收缩变形比连续焊小
2.5.4 角变形与扭曲变形 一、角变形 原因：横向收缩变形在厚度方向上分布不均匀
（1）堆焊角变形 原因：平板堆焊时，堆焊高温区金属的热膨胀 受到阻碍产生压缩塑性变形εP 温度：堆焊面 > 背面，εP：堆焊面 > 背面 背面在弯矩作用下甚至产生拉伸变形，冷却后 产生角变形。 角变形的大小取决于： a）塑性变形区的大小及其沿厚度方向上的分 布
多层焊或双面角焊缝的挠度以上式的结果乘以 与纵向收缩公式中相同的系数k2。
2.5.3 横向收缩变形 横向收缩变形：指垂直于焊缝方向的变形。 一、对接接头的横向收缩 (a)热膨胀↑ → 间隙↓ → 横向收缩↑ (b)热膨胀↑ →挤压使厚度↑ → 横向收缩 影响因素：焊接线能量、坡口形式
焊缝的纵向变形对横向变形有影响 纵向变形 → 间隙↑→ 横向收缩↓ 影响因素：装配刚度、功率、焊速↑ →横向收缩↓
b）板的刚度（厚度）
a）堆焊过程中角变形与焊接时间的关系 b）不同厚度的钢板表面堆焊角变形与线能量 的关系
角变形在焊缝长度上的分布
（2）对接接头的角变形 主要影响因素：焊接规范、接头形式、坡口角 度、焊接层数 坡口角度α↑→上下收缩差↑→角变形↑ 坡口角度对角变形影响最大
焊条电弧焊、合理的焊接顺序
（6）焊接错边 （7）螺旋形变形（扭曲变形）
2.5.2 纵向收缩变形与弯曲变形 一、纵向收缩变形 纵向收缩变形是焊缝及其附近压缩塑性变形区 焊后纵向收缩引起的焊件平行于焊缝长度方向 的变形。 压缩塑性变形→相当于力Pf ―→缩短 假想外加压力Pf的大小
Pf E Ap p dA
构件在Pf作用下产生的纵向收缩
f工
Pf e工L2 8EI
fT = e I工 f工 e工 I
e e工 I工 I 故 f T > f工
焊后有较大的挠度。
（2）焊前先点固成工形
截面梁，再按括号内的
顺序进行焊接，无挠度
钢制构件单道焊缝引起的挠度估算
f k1 AW eL2 8I
式中， e － 焊缝到构件中性轴的距离（偏心距） L － 构件长度 AW － 焊缝截面积 I － 构件截面惯性矩 k1 － 系数可由表2-1查得
钢质细长构件纵向收缩量的估算
单层焊的纵向收缩量
L k1 AW L A
式中，A — 构件截面积（mm2）， AW — 焊缝截面积（mm2）， L — 纵向收缩量（mm）， L — 构件长度（mm），
系数k1与焊接方法和材料有关。
系数k1的选取（表2-1）
焊接方法 材料
CO2焊
埋弧焊
低碳钢
两种横向变形方向是相反的，最终的变形是两种变 形的综合结果。
横向收缩变形计算公式
有坡口间隙时取 0.75 - 0.85 无坡口间隙时取 0.5 - 0.7
比较简单的工程经验公式
B 0.18 AW
二、堆焊及角焊缝的横向收缩 （1）堆焊的横向收缩 原因：加热不同时 → 前后各点温度不同
【例】低碳钢工字形构件如图，长5m，腹板高250mm，腹板 厚10mm，翼板宽250mm，厚12mm，四条角焊缝，每条均由 埋弧自动焊一次焊成，焊角K=8mm，计算工字形构件的纵向 收缩量。
解：每条角焊缝的截面积：
AW
1 8 8 32(mm2 ) 2
构件截面积：
A 2 250 12 250 10 8500(mm2 )
所以纵向收缩量：
L
1.15
0.073AW A
L
2
1.15
0.073
32 8500
5000
2
3.16(mm)
二、焊接错边 两焊件受热不平衡造成长度方向膨胀变形不一 致产生错边。 原因：装配不善、导热不平衡、不对称温度场、 不同热膨胀系数材料的焊接 可采用跳焊、分段退焊，防止错边积累
三、纵向收缩引起的挠曲变形