焊接结构习题

焊接结构

一、焊接结构的特点

焊接结构的特点包括：

（1）焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大。

因为焊接结构中焊缝与基本金属组成一个整体，并在外力作用下与它一起变形。因此焊缝的形状和布置必然影响应力的分布，使应力集中在较大的范围内变化。从而严重影响结构的脆断和疲劳。

（2）焊接结构有较大的残余应力和变形

绝大多数焊接方法采用局部加热，故不可避免会产生内应力和变形。焊接应力和变形不但容易引起工艺缺陷，而且影响结构的承载能力，此外还影响结构的加工精度和尺寸稳定性。

（3）焊接结构具有较大的性能不稳定性

由于焊缝金属的成分和组织与基本金属不同，以及焊接接头所经受的不同热循环和热塑性应变循环，焊接接头不同区域具有不同性能，形成一个不均匀体。（4）焊接接头的整体性

这是区别于铆接结构的一个重要特性，一方面赋予焊接结构高密封性和高刚度，另一方面由带来了问题，例如止裂性能差。

二、影响脆性断裂的因素

（一）应力状态的影响

（1）不同的应力状态：如果最大正应力首先达到正断抗力，则发生脆性断裂，如果剪应力先达到屈服极限，则产生塑性变形，形成塑性断裂，达到剪断抗力时，产生剪断。

（2）不同材料同一应力状态。

（3）缺口效应：虽然整个结构件处于单轴拉伸状态，但由于其局部设计不佳或存在缺陷导致出现三轴应力状态的缺口效应。

（二）温度的影响

随着温度的降低，出现脆性断裂的倾向变大。脆性转变温度越低，可使用温度范围越大，材料抗脆断能力好。

（三）加载速率的影响

提高加载速率会促使材料脆性破坏。当有缺口时，由于缺口处有应力、应变集中，缺口扩展速率增大，导致脆性断裂的发生。

（四）材料状态的影响

（1）厚度的影响：厚度增大，脆断倾向增大。

原因：a、厚板在缺口处易形成三轴拉应力，因为厚度方向的收缩和变形受到限制，形成所谓的平面应变状态，使材料变脆。

b、冶金因素：厚板轧制次数少，终轧温度高，组织疏松，内外层均匀性差。

（2）晶粒度影响：晶粒越细，脆性—延性转变温度越低。

（3）晶格结构：面心立方晶格较好。

（4）化学成分：C、N、O、H、S、P增加脆性，Mn、Ni、Cr、V适量加入有助于减少脆性。

三、消除残余应力的措施

（一）焊前和焊接过程中：

1、设计方面：设计时避免焊缝密集交叉；尽量采用局部减小刚度法。

2、合理施焊工艺：

（1）采用合理的焊接顺序和方向：尽量使焊缝收缩自由，避免夹固状态，先焊收缩量大的焊缝；先焊工作时受力较大的焊缝；在拼板时，先焊错开的短焊缝，后焊直通直焊缝。

（2）采用反变形法。

（3）锤击或碾压焊缝。

（4）在结构适当部位加热使之伸长，使温度场均匀。

（5）淬火倾向强的材料，焊前预热，焊后缓冷。

（二）焊后消除残余应力的措施

1、热处理法：

整体高温回火是将整个焊接结构加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度，材料的成分和组织，也和应力状态，保温时间有关。

局部高温回火处理是把焊缝周围的一个局部区域进行加热。由于其带有局部加热的性质，效果不如整体处理，只能降低应力峰值，而不能完全消除。但可以改善焊接接头的机械性能，仅限用于较简单的焊接接头。

2、机械拉伸法（过载法）

因为焊接残余内应力主要由于局部压缩塑性变形引起，而外载拉伸作用下产生的拉伸塑性变形与其方向相反，所以加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，内应力也就消除的越彻底。

3、温差拉伸法（低温消除应力法）

也是利用拉伸来抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，本法采用局部加热的温差来拉伸焊缝区。具体做法：在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧-乙炔焰矩加热，在其后一定距离用一个水管喷头冷却，两者以相同速度向前移动，这样就造成了一个两侧温度高，焊缝区温度低的温度场，两侧金属受膨胀对温度较低的区域进行拉伸。

4、振动法

试验证明：当变载荷达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中内应力逐渐降低，而且该方法设备简单、价廉、处理成本低、时间短，没有高温回火金属氧化问题。

5、爆炸法

四、疲劳断裂与解理断裂其宏、微观断口特征

疲劳断裂宏观断口有疲劳源、扩展区和瞬间断裂区，扩展区呈海滩波纹状、贝壳状花纹；微观断口为每一次应力循环将在断裂表面产生一道辉纹。

解理断裂的宏观断口平整，有金属光泽，呈现放射状人字纹花样，人字纹尖锋指向裂纹源，其微观特征形态为河流花样（河流汇合方向为裂纹扩展方向）、舌状花样、扇形花样等。

五、对接接头坡口选择的原则

对接接头坡口型式的选择主要取决于板材厚度、焊接方法和工艺过程，必须考虑：1、焊接材料的消耗量，同等厚度的接头，采用X型坡口比V型坡口能省较多材料。

2、可焊到性：要根据构件能否翻转及难易，及内外两侧的焊接条件而定。

3、坡口加工难易：V型和X型坡口可用气割或等离子切割，亦可用机械切削加工；但U型和双U型坡口一般需用刨边机加工。

4、焊接应力和变形。采用不适当的坡口型式容易产生较大的焊接变形。

六(七)、残余变形的类型。若两宽不等，中等厚度平板对焊，焊后产生哪些变形？焊接残余变形大致可分为七类：

1、纵向收缩变形；

2、横向收缩变形；

3、挠曲变形；

4、角变形；

5、波浪变形；

6、错边变形；

7、螺旋形变形；

两宽度不等，中等厚度平板对接，焊后会产生：

1、纵向收缩变形；

2、横向收缩变形；

3、挠曲变形；

4、角变形。

七（八）、横向残余应力产生原因及分布特征

横向残余应力分为两个组成部分：一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的，用σy’表示；另一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起的，用σy’’表示。

以对接接头为例，σy’和σy’’的分布

σy’：焊缝两端为压应力，中心部分为拉应力，如图所示，并且应力值的大小受焊缝长度影响，弯曲变形趋势越小。

σy’’:分布与焊接方法、分段方法以及焊接顺序有关，先焊先收缩，后焊后收缩，后收缩部分受到先收缩部分的阻碍，因而形成了后焊的受拉，先焊的受压。八（十）、角焊缝强度按剪应力τ’计算，焊缝计算高度a=K/1.414=0.7K

解：[P]=[τ’]*0.7K*2*L=100*0.7*10*2*100=140(kN)