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
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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