焊接结构学(绪论)
焊接结构学知识重点
《焊接结构学》重点归纳第一章 绪论1、焊接结构的优点：（1）焊接接头系数大；（2）水密性和气密性好；（3）重量轻，省材料；（4）厚度基本不受限制；（5）结构设计简单；（6）生产周期短，成本低。
2、焊接结构的特点：（1）焊接结构的应力集中范围比铆接结构大；（2）焊接结构是非均匀体，焊接接头具有较大的性能不均匀性；（3）焊接结构具有较大的焊接应力和变形；（4）焊接结构的整体性强，止裂性差；（5）焊接结构对材料敏感；（6）焊接接头对温度敏感。
第三章 焊接应力和变形1、内应力是指在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。
2、内应力分类：按照分布范围可分为宏观内应力、微观内应力和超微观内应力。
按产生机理可分为温度应力（热应力）、残余应力、相变应力和安装应力。
热应力是由于构件受热不均匀产生的。
3、基本概念（1）焊接瞬时应力：随焊接热循环过程而变化的应力。
（2）焊接残余应力：焊后在室温条件下，残余在构件中的内应力。
（3）焊接瞬时变形：随焊接热循环过程而变化的变形。
（4）焊接残余变形：焊后在室温条件下，残留在工件上的变形。
4、内部变形率：T εεε-e =若|ε|<εs ，则为弹性变形，恢复到原始T 0时，长度不变。
若|ε|>εs ，则为弹性变形、塑性变形，若ε<0，则为压缩变形；若ε>0，则为拉伸变形，恢复到原始T 0时，长度比初始长度减小△L p 。
5、影响焊接应力与变形的主要因素（1）焊缝及其附近不均匀加热的范围和程度，也就是产生热变形的范围和程度。
影响因素包括焊缝的尺寸、数量、位置、母材的热物理性能（导热系数、比热及热膨胀系数）和力学性能（弹性模量、屈服极限）、焊接工艺方法（气焊、焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电子束焊等等）、焊接规范参数（电流、电压、速度、预热温度、焊后缓冷及焊后热处理等）、施焊方法（直通焊、跳焊、分段退焊等）。
（2）焊件本身的刚度和受到周界的拘束程度，也就是阻止焊缝及其附近产生热变形的程度。
焊接结构生产教案
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。
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；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；3、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；4、（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。
焊接技术绪论
2、西电东送工程
图0-3 三峡水轮机转子
3、钢桥建设
图0-4 杭州湾跨海大桥
4、船舶制造
图0-5 导弹驱逐舰“哈尔滨号”
5、建筑钢结构
图0-6 建筑钢结构—鸟巢
6、航空航天制造
图0-7 大型空间环境模拟仓
本教材讲述的主要内容为： 1）焊接热过程，焊缝金属的构成、有害元素的影 响等熔焊基础。 2）焊接应力与变形，焊接焊缝与接头的基本形式 及标注方法。 3）常用金属材料的焊接及各种熔化焊方法。 4）焊接质量检验。
3.提高焊接生产率 4.焊接机器人和智能化 稳定和提高焊接质量，保证焊接产品的均一性；提 高生产率，一天可24小时连续生产；可在有害环境 下长期工作，改善了工人劳动条件；降低了对工人 操作技术要求；可实现小批量产品焊接自动化；为 焊接柔性生产线提供了技术基础。
三、焊接技术在现代制造业中的应用 1、西气东输工程
一、焊接定义、分类及其特点 1、金属连接方式 在金属结构和机器的制造中，经常需要用一定的连 接方式将两个或两个以上的零件按一定形式和位置 连接起来。 2、焊接的定义 焊接就是通过加热或加压，或两者并用，并且用或 不用填充材料，使焊件达到结合的一种加工工艺方 法。
3、焊接分类 按照焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接 方法分为熔焊、压焊和钎焊三类。 4、焊接的特点 （1）主要优点 1）焊接结构不受外形尺寸限制，可以方便地拼成 尺寸很大的工程结构； 2）与铆接或螺栓连接相比，焊接结构的重量较轻， 没有铆钉或螺钉的附加重量； 3）与铸造相比，可方便制成空心结构或封闭结构；
“绪论”课后复习思考题与课堂提问 复习工程力学、结构力学
“轴心拉压杆”课后思考题与课堂提问（1）
钢结构基本原理
1 轴心受力构件中的刚性杆、柔性杆是如何规定的？* 2 残余应力对压杆整体稳定有何影响？综述残余应力对构件静力强 度、疲劳强度、稳定和刚度的影响。 3 压杆整体稳定系数 1 ，在工程计算中只要保证压杆不发生整 体失稳，是否就能保证压杆的承载安全？ 4 轴心压杆整体失稳和强度破坏在性质上、表现特征上有什么不同 ？ 5 轴心受压构件截面上有无剪力？如有，则是如何产生的？其沿构 件轴线方向是如何分布的？ 6 能否用NE/NP来定义压杆整体稳定系数 ？其中NE为欧拉力。 7 根据边缘屈服准则，从式（5-28）推导出（5-30）。 8 压杆的稳定承载力与钢材强度有无关系？* f 9 轴心压杆的通用长细比 的物理意义是什么？用它来表达 E 长细比有什么优点？
“连接”课前预习思考题与课堂提问（1）
钢结构基本原理
1 焊缝按构造区分有哪两种基本形式？（§8.2） 2 焊接对钢材性质和钢构件会造成哪些影响？(§8.2 §8.5） 3 对接焊缝和角焊缝相比，受力性能有何不同？各有何优缺点？ 4 对接焊缝的强度计算公式的理论依据是什么？ 5 直角角焊缝连接有哪些构造要求？何故？ 6 焊缝中可能存在哪些缺陷？还有哪些可能影响构件力学性能的 问题？ 7 性能等级同为8.8级的A级普通螺栓与高强度螺栓承压型连接在 对螺栓和螺栓孔的要求方面有何不同？对其连接的强度设计值又 有何不同？何故？ 8 高强度螺栓的承压型连接和摩擦型连接中一个螺栓的抗剪、抗 拉和同时抗剪和抗拉的承载力设计值的计算各有何不同？何故？ 9 摩擦型高强螺栓连接与承压型高强螺栓连接在受力机制、设计 方法、施工要求等方面有何异同？
“压弯构件”课前预习思考题与课堂提问
钢结构基本原理
焊接结构学(绪论)
进行准确的载荷与应力分析，确保结构安 全承载。
遵循国家和行业的相关标准和规范，确保 结构设计符合安全要求。
05
CATALOGUE
焊接结构的制造与质量控制
焊接结构的制造工艺流程
焊接材料选择
根据焊接要求和材料特性选择合适的焊接材 料。
焊接方法选择
根据产品要求和生产条件选择合适的焊接方 法，如电弧焊、激光焊、电阻焊等。
结构细节设计
对关键部位和细节进行精细化设计， 提高结构的整体性能。
考虑制造和装配过程
优化设计以降低制造成本和装配难度 。
焊接结构设计中的安全因素
疲劳强度考虑
环境因素影响
评估焊接结构的疲劳性能，确保在预期寿 命内安全使用。
考虑温度、湿度、腐蚀等环境因素对焊接 结构的影响。
载荷与应力分析
遵循相关标准和规范
考虑焊接工艺性
确保焊接过程易于实施，减少焊接缺陷和变 形。
优化材料选择
根据使用要求和工艺条件，选择合适的焊接 材料，降低成本。
保证结构的稳定性
焊接结构应具有足够的刚度和稳定性，防止 变形和失稳。
焊接结构的优化设计
结构形式优化
根据实际需求和限制条件，选择合理 的结构形式和布局。
焊接接头设计
优化焊接接头形式和尺寸，提高焊接 质量和结构的可靠性。
04
THANKS
感谢观看
焊接工艺评定
对焊接工艺进行评定，确保焊接工艺的可靠 性和稳定性。
焊接操作
按照焊接工艺要求进行焊接操作，确保焊接 质量。
焊接质量控制的方法与标准
质量检验
对焊接产品进行质量检验，包括外观检查、无损检测、力学性能测试等。
质量控制标准
制定并执行焊接质量控制标准，确保焊接产品质量符合要求。
焊接结构(完整)
2.1.4 焊接应力与变形机理分析
• 提要：这里通过对小试件均匀线性加热与冷却过
程热循环中的热变形与热应力循环 的分析，使我 们深刻理解焊接应力与变形的产生过程及残余应 力与变形的产生机理。 • 方法：利用应力、应变循环图直观分析。 • 基本概念：自由变形，外观变形，内部变形。
• 基本符号： △ L T
第一章 绪论
1.1.2 焊接结构的分类、应用领域
梁 柱 桁架和塔桅结构 板壳结构 运输装备用板壳结构 机器结构
第一章 绪论
1.1.2 焊接结构的分类、应用领域
汽车、铁路车辆、船舶、航空、航天、 锅炉、压力容器、石油化工、建筑、 公交、家电、电子、核能、军工等诸 多领域都有应用。
—可见焊接工程师也会大有用武之地！
1.2 焊接结构的优点—技术优势
• 工艺灵活，适应性强 • 大型复杂结构 采用分部件装焊、现场装焊 -船舶、锅炉、桁架结构、石油管线、桥梁 • 特殊产品 空心球、水箱、电子束焊加工齿 轮、水泥电线杆 • 工艺方法灵活，选择范围宽；操作位置及焊
接方法
• 成本低廉，质量可靠。
第一章 绪论
1.3 焊接结构的特点—扬长避短
焊接结构应用的领域
焊接结构应用的领域
埋弧焊——自动焊接锅炉汽包
焊接结构应用的领域
• 水电装备 • 三峡水利枢纽的应用 • 导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座 等 • 其中马氏体不锈钢转轮直径10.7m 高 5.4m 重440t，为世界最大的铸－焊结 构转轮
焊接结构应用的领域
• 加氢反应器 • 2005年底由第一重型机械集团为神华公 司制造的中国第一个煤直接液化装置的加 氢反应器，直径5.5m长62m厚 337mm重2060t，为当今世界最大、最 重的锻－焊结构加氢反应器 • 采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间 隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接5 天。
焊接结构学教材解读
知识点：焊接过程中可能涉及到的热源类型、焊接热源的有 效热功率、构件几何尺寸的简化、焊接热源模型
7
第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理 2.1.3 焊接热源
焊接热源的有效热功率
1. 热效率系数的定义 2. 有效热功率的数学表达
构件几何尺寸的简化
2.1 基本概念与基本原理 2.2 焊接温度场 2.3 焊接热循环 2.4 熔化区域的局部热作用
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第二章 焊接热过程 内容解读
2.1 基本概念与基本原理
2.1ห้องสมุดไป่ตู้1 电弧焊热过程概述
知识点：产热机构、散热机构、热量传递方式
2.1.2 热传播基本定律
知识点：傅立叶定律、牛顿定律、斯蒂芬-波尔兹曼定律、 导热微分方程及三类边界条件
3.2.1 简单杆件的应力与变形
知识点：自由变形、外观变形、内部变形及其相互关系，弹性范围
内的应力应变关系（胡克定律）
3.2.2 不均匀温度场作用下的应力与变形
知识点：平截面假设及其适用范围、长板条中心加热条件下弹性阶
段和塑性阶段的应力平衡条件（截面内应力之和为零）、板边加热
时的应力平衡条件（截面内的合力及合力矩为零）、利用平衡条件
2.4.2 电极的加热与熔化
知识点：电阻热的作用（焊丝和焊条上的温度场计算）、电 弧加热焊丝、电极熔化速度
2.4.3 焊接熔池模型（知识拓展内容）
知识点：控制方程组反映能量守恒、动量守恒及流体的连续 和不可压缩性、体积力、边界条件的确定
12
《焊接结构学》教材的重点及难点
第三章 焊接应力与变形 3.1 内应力的产生 3.2 焊接应力与变形的形成过程 3.3 焊接残余应力 3.4 焊接残余变形 3.5 焊接残余应力与变形的测量和调控
材料连接设备及工艺-绪论
202X年12月20日
绪 论
材料连接技术概况 可拆卸连接技术 螺栓、键、销钉等，它们通常不用于制造金属结构，而是用于零件的装配和定位工作中。
绪 论
不可拆卸连接技术
铆接、焊接和粘接等，它们通常用于金属结构或零件的制造中。
粘接：虽然工艺简单，在粘接过程中对被粘材料的组织和性能不产生任何不良影响，但是其接头强度一般较低。
国外： 已完成焊接手段的结构性转变（由手工到自动、由低效向高效转变） 焊接手段以高效、自动焊为主／焊材品种配套齐全／多专用设备和专用材料数字技术、信息技术在焊接上的应用正逐渐推广普及
关于国内焊接产业的现状和发展，可参见： 《我国制造业焊接技术现状与发展战略》
绪 论
绪 论
研究工作重心：
深入焊接过程动态特征研究；
研究焊接质量参数更直接的检测方法 ；
研究新的实时控制方法，以期实现更精确而有效的焊接过程；
3
继续改进机器人焊机的控制功能；
研究焊接CIMS系统；
针对各种具体的结构生产条件，设计研究专门的自动化焊接系统；
针对不断涌现的新材料、新结构，试验研究确定它们的焊接方法。
绪 论
焊接方法的发展
焊接方法的发明年代及发明国家
绪 论
焊接的实质与分类 焊接过程的实质： 采用物理化学方法克服被连接物体表面的凹凸不平、表面氧化物及其他表面杂质，使被连接物体能接近到原子晶格距离并形成结合力。 简言之：达到原子之间的结合
Байду номын сангаас
绪 论
熔焊：将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法。 关键：有一个能量集中、温度足够高的局部热源。 按所使用热源的不同，熔焊可分为： 电弧焊：以气体导电时产生的电弧热为热源，以电极是否熔化为特征分为熔化极电弧焊和非熔化极电弧焊两大类； 气焊：以乙炔或其他可燃气体在氧中燃烧的火焰为热源； 铝热焊：以铝热剂的放热反应产生的热为热源； 电渣焊：以熔渣导电时产生的电阻热为热源； 电子束焊：以高速运动的电子流撞击焊件表面所产生的热为热源； 激光焊：以激光束照射到焊件表面而产生的热为热源。
绪论 1
激光焊接设备与机器手 Laser Welding Equipment and A Robot
摩擦螺旋焊接
Friction Stir Welding of aluminum alloy
FSW demonstration (316L stainless steel)
Created by Hitachi for University of Cambridge
7
2000
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2001
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2002
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焊条与焊丝，1996年的产量为62.96万吨，2002年已达144.9万吨，加上进口 的焊材，总耗量达到147万多吨，成为世界最大的焊材生产与消费国家。
年 份 1996
焊条 55.0 (87%) 72.5 (89%) 87.0 (88%) 90.0 (85%) 90.0 (83%) 100.0 (82%) 110.0 (76%)
焊接技术的应用
焊接制造的主要成就
（1）北京奥运会主场馆——鸟巢（中国八大现代建筑之一），建筑顶面呈 鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度 为42.8米。钢结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件。
（2）香港中银大厦
香港中银大厦自1982年底开始规划 设计，至1990年3月19日银行乔迁开始营 业，大厦基地面积约8400平方米，地上 70层，总高369米。结构采用4角12层高 的巨形钢柱支撑 。
绪论和第一章
弧焊电源绪论●一、焊接的重要性及弧焊电源在焊接中的应用●1．焊接的重要性焊接是一种金属连接的方法，它是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充金属，使焊件间达到原子间结合的一种加工方法。
也可以说，焊接是一种将材料永久连接，并形成具有给定功能结构的制造技术。
●国民经济的诸多行业都需要大量高档次的焊接结构。
几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产中都不同程度地依赖焊接技术。
焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性、寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。
●我国现在钢材年生产总量已经达到3亿多吨，成为世界上最大的钢材生产国和消费国。
目前，钢材是我国最主要的结构材料。
在今后20年中钢材仍将占有重要的地位。
然而，钢材必须经过加工才能成为有给定功能的产品。
由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应速度快等优点，焊接结构的应用日益增多，焊接加工的钢材总量比其它加工方法多。
●焊接电源是保证高质量焊缝的首要必备条件。
因此，发展我国制造业，尤其是装备制造业，必须高度重视焊接技术及其焊接电源的同步提高和发展。
●2．弧焊电源在焊接中的作用●电弧焊是焊接方法中应用最为广泛的一种焊接方法。
据一些工业发达国家的统计，电弧焊在焊接生产总量中所占的比例一般都在60％以上。
根据其工艺特点不同，电弧焊可分为焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊和等离子弧焊等多种。
●不同材料、不同结构的工件，需要采用不同的电弧焊工艺方法，而不同的电弧焊工艺方法则需用不同的电弧焊机。
●例如，操作方便、应用最为广泛的焊条电弧焊，需要由对电弧供电的电源装置和焊钳组成的焊条电弧焊焊机；锅炉、化工、造船等工业广为使用的埋弧焊，需要由电源装置、控制箱和焊车等组成的埋弧焊机；适用于焊接化学性活泼金属的气体保护电弧焊，需要由电源装置、控制箱、焊车（自动焊）或送丝机构（半自动焊）、焊枪、气路和水路系统等组成的气体保护电弧焊机；适用于焊接高熔点金属的等离子弧焊，则需要由电源装置、控制系统、焊枪或焊车（自动焊）、气路和水路系统等组成的等离子弧焊机。
第1章 结构力学绪论
1. 概念：将实际结构进行抽象和简化，使之既能反映实 际工程的主要受力和变形特征，同时又能使计算大大简 化。这种经合理简化，用来代替实际结构的力学模型叫 做结构的计算简图。 2. 简化原则
（1）计算简图要尽可能反映实际结构的主要受力和变形 特点，使计算结果安全可靠； （2）略去次要因素，便于分析和计算。
一、平面杆件结构的分类
1. 梁 梁是一种受弯构件，轴线常为一直线，可以是 单跨梁，也可以是多跨连续梁，其支座可以是铰支座、 可动铰支座，也可以是固定支座。如图10(a)为单跨梁， 图10(b)为多跨连续梁。
2. 拱 拱的轴线为曲线，在竖向力作用下，支座不仅 有竖向支座反力，而且还存在水平支座反力，拱内不仅 存在剪力、弯矩，而且还存在轴力。图10(c)所示为一两 铰拱。
（2）按杆件系统的轴线是否在同一平面内分：
平面结构 : 杆件系统的轴系在同一平面内，且外力也作用在该平面内 空间结构 : 杆件系统的轴系不在同一平面内，外力也作用在任意平面
（3）按内力是否静定分：
静定结构 :内、反力可由静力平衡条件求出 超静定结构 :由静力平衡和变形条件共同求解
二、课程的主要研究对象
3. 根据荷载位置的变化情况，荷载可分为固定荷载 和移动荷载。 固定荷载是指荷载的作用位置固定不变的荷载，如 所有恒载、风载、雪载等； 移动荷载是指在荷载作用期间，其位置不断变化的 荷载，如吊车梁上的吊车荷载、钢轨上的火车荷载等。
4. 根据荷载的作用性质，荷载可分为静力荷载和动 力荷载。 静力荷载的数量、方向和位置不随时间变化或变化 极为缓慢，因而不使结构产生明显的运动，例如结构的 自重和其它恒载； 动力荷载是随时间迅速变化的荷载，使结构产生显 著的运动，例如锤头冲击锻坯时的冲击荷载、地震作用 等。
焊接结构全书课件汇总整本书电子教案(最新)
（4）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与 变形 如图2-5 a所示 ，
由上述讨论可知：
1）对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高 于 材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却 后，构件必然有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。
影响因素很多，如热输入、接头形式、装配间隙、板 厚、焊接方法以及焊件的刚性等 。
2．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
生变化的变形叫角变形，如图2-9所示。 （1）平板堆焊的角变形
角变形的大小与焊接热输入、板厚等因素有关，当然 也与焊件的刚性有关。
（2）对接接头的角变形 角变形的大小与坡口形式、坡口角度、焊接层数、焊接
顺序等有关。
（3）T形接头角变形 T形接头的角变形可以看成是由立板相对于水平板的回
转与水平板本身的角变形两部分组成 。
3．弯曲变形
弯曲变形是由于焊缝的中心线与结构截面的中性轴不 重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀而 引起的。
（1）纵向收缩引起的弯曲变形
如图2-12所示，弯曲变形的大小与塑性变形区的中心线 到焊件截面中性轴的距离（偏心距s）成正比，与焊件的 刚度成反比。
物体的变形还可按拘束条件分为自由变形和非自由变形。
3．焊接应力与焊接变形 焊接过程结束后，残留在焊接结构中的应力与变形，称
为焊接残余应力和焊接残余变形。
二、研究焊接应力与变形的几个假定
由于金属在焊接过程中其物理性能和机械性能都会发生
变化，所以产生焊接应力与变形的原因比较复杂，为了分析 问题方便，对金属材料作以下假定：
2.1 焊接应力与变形的产生 2.2 焊接变形 2.3 焊接残余应力
焊接结构学
绪论 – 焊接性分析
主要影响因素 化学成分 相变、显微组织 焊接温度循环 焊后热处理 构件形状 负载条件 氢含量 目标参数
Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο Ο 硬度 强度 延展性 冷列敏感性 热烈敏感性 层状撕裂敏感性 回火脆性 松弛脆性 耐腐蚀性
第一节 基本概念和基本原理
• • • • • •
从上述分析可以看出，要分析焊接热过程，我 们要处理几方面的问题： 热源：即热量的来源；其产热的机构，性质、分布、 效率等。 热量传输方式：涉及到传导、对流、辐射等等 传质问题：流体流动（在熔池内、环境气体、飞溅） 相变问题：潜热、热物理参数变化 位移问题：热源与工件相对位置变化、工件变形等。 力学问题；电弧力、重力、等离子流力、热应力、 拘束力、相变应力等。 综上，可见焊接热过程是一个十分复杂的问题， 涉及到多学科的知识，因此，在求解这一问题将要 对各方面的知识加以综合利用。
焊接结构学
焊接结构学 – 绪论
• 焊接技术在工业部门中应用的历史并不
长，但其发展却非常迅速。短短的几十 年中，焊接已在许多工业部门的金属结 构中，如建筑钢结构，船体，铁道车辆、 压力容器等几乎全部取代了铆接。此外， 在机械制造业中，以往由整铸整锻方法 生产的大型毛坯改成了焊接结构，目前， 世界主要工业国家生产的焊接结构占到 钢产量的45%。
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
Ο Ο
Ο Ο Ο
Ο Ο Ο Ο Ο Ο
绪论,第一章金属的结构与结晶
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1、过冷现象：金属的实际结晶温度低于 理论结晶温度（熔点）。 2、过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实 际结晶温度Tn之差。 △T=Tm-Tn>0 3、同一成分的金属，冷却速度愈大，则 过冷度也愈大。 4、临界过冷度（△Tk）：过冷度有一最 小值，若过冷度小于这个值，结晶过程 就不能进行。
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(二)结晶过程的微观现象
原子密度最大的晶面是（111），
晶向是［110］。
51
52
(四)晶体的各向异性
由于晶体中不同晶面和晶向上的原子 密度不同，因而晶体在不同方向上的性能 有所差异。 如冷轧硅钢片，当易于磁化的〈100〉 晶向平行于轧制方向时，得到优异的磁导 率。
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§ 1-2金属的实际结构和缺陷
一、多晶体结构 1、单晶体：内部的晶格位向完全一致的 晶体。
九江长江大桥 : 跨度216 米,始建于 1973年12月，1992年公路桥建成通车，
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§0-2 影响金属材料性能的因素 一、化学成分 组成金属材料的各种元素的种类及其浓 度（一般用重量百分数）。 成分 铝 抗拉强度(MPa) 20-80 延伸率 （%） 32-40
铜
纯铁
200-240
250-330
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3、显微组织：用100-2000倍的显微镜所观 察到的组织。（反映了晶粒的种类、形状、 大小以及各种晶粒的相对数量和相对分布）
通常所说的组织就是指显微组织。
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第一章
金属的结构与结晶
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§1-1金属的晶体结构 一、晶体的概念 1、晶体：原子(离子)呈规则排列的物质。 2、晶体结构（结构）：构成晶体的原子在 三维空间的具体的排列方式。 3、晶格：表示晶体中原子排列形式的空间 格子。 建立：原子简化成点，用假想线连接点。
结构力学 第1章 绪论
2. 根据荷载的分布范围，荷载可分为集中荷载和分 布荷载。 集中荷载是指分布面积远小于结构尺寸的荷载，如 吊车的轮压，由于这种荷载的分布面积较集中，因此在 计算简图上可把这种荷载作用于结构上的某一点处。 分布荷载是指连续分布在结构上的荷载，当连续分 布在结构内部各点上时叫体分布荷载，当连续分布在结 构表面上时叫面分布荷载，当沿着某条线连续分布时叫 线分布荷载，当为均匀分布时叫均布荷载。
一般可取纵向边框架、纵向中框架、横向边框架和 横向中框架共四榀作为计算单元。 由于现浇整体式框架结构的梁柱结点是现浇成整体 的，纵梁和横梁的梁端弯矩可通过该结点进行传递和分 配，所以该结点一般认为是刚结点 刚结点。柱下端一般与基础 刚结点 整体浇注在一起，可简化为固定支座 固定支座，见图9(b）、(c)。 固定支座
一、计算简图的概念和简化原则 1. 概念：将实际结构进行抽象和简化，使之既能反映实 际工程的主要受力和变形 受力和变形特征，同时又能使计算大大简 受力和变形 化。这种经合理简化，用来代替实际结构的力学模型 力学模型叫 力学模型 做结构的计算简图 计算简图。 计算简图 2. 简化原则 （1）计算简图要尽可能反映实际结构的主要受力和变形 特点，使计算结果安全可靠； （2）略去次要因素，便于分析和计算。
5 ．荷载 荷载的简化 荷载 荷载的简化是指将实际结构构件上所受到的各种荷 载简化为作用在构件纵轴上的线荷载、集中荷载或力偶。 在简化时应注意力的作用点、方向和大小。 6 ．材料性质 材料性质的简化 材料性质 在力学计算中一般都把各构件材料假设为均匀、连续、 各向同性、完全弹性或弹塑性的，但对于混凝土、钢筋 混凝土、砖、石等材料有一定程度的近似性。
3. 刚架 刚架由梁、柱组成，梁、柱结点多为刚结点， 柱下支座常为固定支座，在荷载作用下，各杆件的轴力、 剪力、弯矩往往同时存在，但以弯矩为主。如图10(d)所 示。 4. 桁架 由若干杆件通过铰结点连接起来的结构，各 杆轴线为直线，支座常为固定铰支座或可动铰支座，当 荷载只作用于桁架结点上时，各杆只产生轴力，如图10(e) 所示。 5. 组合结构 即结构中部分是链杆，部分是梁或刚架， 在荷载作用下，链杆中往往只产生轴力，而梁或刚架部 分则同时还存在弯矩与剪力，如图10(f)所示。
焊接结构力学总结
焊接结构力学总结绪论1. 焊接的三个过程a) 冶炼i. 热循环的三个特点：1. 加热速度很快；2. 在最高温度下停留时间很短；3. 各点按照不同的冷却速度进行冷却。
ii. 热循环的四个参数：加热速度；加热的最高温度；在相变温度以上停留时间；冷却速度。
iii. 冷却有先后，导致非均质不连续：成分，组织，性能，尺度不连续iv. 收缩有先后，导致残余应力及残余变形不均匀b) 铸造：焊缝凝固时接头的力学性能c) 热处理2. 焊接结构的特点a) 焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大；b) 焊接接头是一个非均质体，焊接接头具有较大的性能不均匀性；c) 焊接接头的刚性大，整体性强，止裂性能较差；d) 在焊接生产中易产生缺陷：如裂纹等；e) 焊接制造对材料敏感；f) 焊接接头对低温、高温敏感。
3. 焊接结构优点a) 焊接接头系数高；b) 水密性和气密性好；c) 重量轻，省材料；d) 焊接结构的厚度基本上不受限制；e) 结构设计简单；f) 生产周期短，成本低。
焊接应力与变形1. 内应力与变形的基本概念a) 内应力及其产生原因；i. 概念.：在没有外力的条件下，平衡于物体内部的应力。
ii. 分类1. 分布范围…：宏观应力，微观应力，超微观应力2. 结构中的空间位置…：单向应力，双向应力，三向应力3. 与焊缝的相对位置..：纵向应力，横向应力4. 产生，作用的时间..：瞬时应力，残余应力5. 应力形成原因…：温度应力，拘束应力，组织应力b) 变形i. 自由变形.（焊接变形发生的原因）ii. 外观变形.iii. 内部变形.c) 四个基本假定….i.ii.iii.iv. 平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。
金属性质不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。
焊接温度场假定：假定焊接温度场不随时间而改变。
金属屈服点假定：1.2.3. 在500℃以下，屈服点与常温相同，不随温度而变化；500℃~600℃之间，屈服点迅速下降；600℃以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。
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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
影响焊接接 头强度的主 要因素
2.影响构件焊接性的因素
总结
焊接结构的性能和质量涉及到三个主要方面 : 热场(温度场)、应力和变形场以及显微组织状态场。 其对应的基本理论分别为热学 (传热学)、力学 (流 体力学、材料力学、弹塑性力学、断裂力学)和金相学 (金属学、冶金学、金属力学性能等)。
发动机-钛合金，KM6-不锈钢）
•航空：波导、雷达、铝合金、铜合金、高温合金 •舰船：超高速舰艇45-50m/s（采用钛合金或15-5PH，氩弧焊） •核潜艇：高强钢大量使用（980钢，300m）；俄国，钛合金，1000m •桥梁：九江长江大桥、西陵长江大桥、南浦大桥、杨浦大桥等为高强钢结构 •压力容器：如600MW核电站压力壳，壁厚256mm，热壁加氢反应器壳体，厚
(6)焊接结构的成品率高 一旦出现缺陷可以修复，因此很少产生废品。
1.1焊接结构的特点
焊接结构也存在如下不足之处:
(1)存在较大的焊接应力和变形
由于焊接过程是一个局部不均匀加热的过程，不均匀的温度场会导致热应 力的产生，并由此造成残余塑性变形和残余应力，以及引起结构变形。由此 而引发的工艺缺欠会影响到结构的刚度、强度和稳定性，从而导致结构承载 能力降低。为避免这类问题，常需要进行消除应力处理和校正变形，因而会 增加工作量和生成本产本。
如图1-1所示。
焊接残余应力和焊接变形是焊接性 的重要组成部分，它影响到冷、热裂纹的 产生，影响使用性能并妨碍制造过程。
图1-1构件焊接性的定义
2.影响构件焊接性的因素
影
与材料有关的因素
响
构
件
焊 接
与设计有关的因素
性
的
因
素
与制造有关的因素
母材和填充材料的类型（化 学）成分和显微组织
结构形状、尺寸、支撑条件和 负载、焊缝类型、厚度和配置
在EI及国家核心期刊发表过的论文10余篇
科研成果荣获省部级一等奖一项，三等奖一项
论文荣获省三等奖一项
课程教学大纲的介绍-课程主要内容
1.绪论 ➢焊接结构的特点 ➢构件焊接性含义 ➢失效事故危害性的概述 2.焊接热过程 ➢介绍基本概念及基本原理 ➢焊接温度场及焊接热循环 3.焊接应力与焊接变形 ➢内应力的产生 ➢焊接应力与变形的形成过程 ➢焊接应力与变形的类型 ➢焊接应力与变形的测量和调控
第一章 绪论
—焊接的重要性
➢重要的先进制造技术 ➢焊接已在金属结构制造中几乎全部取代了铆接。 ➢机械制造业，以整铸整锻大型毛坯改成了焊接结构 ➢目前，世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量 的50-60％。
绪论-焊接结构的重要性
•航天：不锈钢、铝合金、钛合金制造发动机、高压容器（前苏联大推力火箭
4.焊接接头 ➢焊接接头的一般性能 ➢焊接接头工作应力分布和工作 性能 ➢焊接接头的静载强度计算 5.焊接结构的脆性断裂 ➢金属材料断裂及其影响因素 ➢材料断裂的评定方法 ➢焊接结构抗裂和止裂评定方法 预防焊接结构脆断的措施
课程教学大纲的介绍-课程主要内容
6.焊接接头与结构的疲劳强度 ➢疲劳失效特征 ➢疲劳试验及疲劳图
9.焊接结构的失效分析(补充的内容) ➢失效分析的思路与分析方法 ➢焊接结构失效特征及分析 ➢焊接缺欠的评定实例
课程教学大纲的介绍-主要参考文献
•《焊接结构学》方洪渊编著，机械工业出版社，2008.4 •《焊接工程师》方洪渊编著，机械工业出版社，2008.4 《焊接工程缺欠分析与对策》陈伯蠡编著，机械工业出版社， 1998.1 •《焊接结构断裂行为及评定》霍立兴编著，机械工业出版 社，2000.6 •《断裂韧性测试》褚武扬等编著，科学出版社，1979 •《焊接结构无损检测技术》李生田编著，机械工业出版社， 2000.5
度210mm，采用机器人焊接
•工程机械：汽车、摩托车、自行车
绪论-焊接结构的重要性
KM6真空容器制造安装技术
绪论-焊接结构的重要性
(1)材质为0Cr18Ni9 (2)主容器:立式圆柱形，直径12m，高22.4m。壁厚22mm。 (3)辅容器:卧式圆柱形，直径7.5m，长15m，壁厚20mm。
绪论-焊接结构的重要性
化学成分 相变、显微组织 焊接温度循环 焊后热处理 构件形状 负载条件 氢含量
主要影响因素
目标参数
硬度 强度 延展性 冷列敏感性 热烈敏感性 层状撕裂敏感性 回火脆性 松弛脆性 耐腐蚀性
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
主要特征值
•焊后采用焊缝逐点挤压、风动锤击等矫形技术
•焊接变形控制质量达到俄罗斯“联盟”号飞船的 先进 水平，即研究工作达到国际先进水平。
绪论-焊接结构的重要性
“联盟”号载人飞船结构
轨道舱结构
绪论-焊接结构的重要性
装甲厚板铝合金炮塔
1.1焊接结构的特点
优点:与铆接、螺栓联接、铸造和锻造的结构相比
(1)焊接接头强度高 达到或高于母材 钻孔 工作截面 承载下降20% (2)焊接结构设计灵活性大 几何形状 壁厚 外形尺寸 现场组焊 标准或
绪论-焊接结构的重要性
“921”工程
存在的问题
529厂焊制的返回舱初样C1焊接变形严重超差，使 其重返大气层的隔热层无法与其粘合，控制焊接变 形及焊接应力分布成为921－3返回舱研制过程中重 大技术关键。 变形控制方案
•将整体结构合理划分为部件焊接
•优化部件组焊次序
•采用低应力少变形焊接技术
•采用合理的工装夹具、板组件整体热处理
焊接结构学
授课教师：王佳杰 授课时间：2010年秋季学期 所在单位：材料与化学工程系
自我简介
197国际质量认证内部审核员及中国金属 材料金相检验员
2008年3月-至今 攻读哈尔滨工业大学焊接博士研究生
负责参与省部级科研课题项目三项,约500万
负责和参与实际工程项目，约1000万
制造难度
KM6真空容器是空间环境模拟器的核心设备。其结构复杂，建 设周期短，制造安装技术难度大。KM6真空容器结构庞大，无法整 体运输，主要大件最终成形和组焊，机械加工必须在现场进行。
变形控制方案
采用预留间隙控制周长、分段退焊、短段加分段退焊及下厚 上薄的焊接工艺控制法兰面外变形和面内角变形的方案。为制定 正确的容器装配焊接顺序和工艺过程，进行了相应的数值模拟， 最终成功地控制了焊接变形。保证了容器的精度和真空密封，焊 接变形控制技术方面达到了国际先进水平，真空试验一次调试合 格，真空度指标优于美国和俄罗斯，经三次“神舟”号飞船测试 实际证明，完全满足使用要求。其中，直径12m精加工大法兰焊后 平面度小于0.10mm/m，法兰整体平面度1.57mm/m，其焊接精度达 到国际领先水平。
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
2.影响构件焊接性的因素
从狭义上来说，焊接性可理解为所需求的强 度性能、焊接接头的强度受到化学分成或温度循 环等主要影响因素的支配，而这些因素又受到如 焊缝类型，或预热温度等的影响，强度行为可用 一些主要的或物理特征值来描述，而这些特征值 又可能涉及另一些次要的或工艺的特征值，下图 为一张仅限于影响强度性能的不完全的可变因素 图，由此，可看出“焊接性”的复杂性。
（2）对应力集中敏感
焊接结构具有整体性，其刚度大，焊缝的布置、数量和次序等都会影响 应力分布，并对应力集中敏感，而应力集中是疲劳、脆断等破坏的起源，因 此在焊接结构设计时要妥善处理。
（3）焊接接头性能不均匀
热作用，铸造组织。焊接接头在成分、组织和性能上都是一个不均匀体。
1.2 构件焊接性
1.构件焊接性分析 与“材料焊接性”相比，构件焊接性的含义更广泛，它可以包 含: “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” 。
➢疲劳强度的物理过程和断口特 征
➢疲劳强度的计算标准 ➢影响疲劳强度的因素 ➢提高焊接接头疲劳强度的措施
➢断裂力学在疲劳裂纹扩展研究 中的应用
7.焊接结构的类型及其力学特点 ➢焊接结构的基本类型 ➢焊接结构的力学特征 ➢焊接结构事例分析 8.焊接结构设计 ➢焊接结构设计的一般原则 ➢焊接结构设计实例
显微组织状态场是焊接冶金学课程中重点要解决的问题 应力和变形场以及结构强度等问题则是焊接结构学课程 的主要内容；而热场问题，一直是我国焊接专业本科教 学活动中的一个薄弱环节。随着对焊接过程研究工作的 不断深人，以及有限元数值模拟技术的不断发展和完善， 焊接温度场这一研究焊接过程的重要基础性问题的教学 工作已经显得非常重要。
非标准型材组焊 异种材料 焊接还可与其他工艺方法联合使用
(3)焊接接头密封性好 优于其他方法，特别是在高温、高压容器上，最
理想的连接形式。
(4)焊前准备工作简单 一般不用再进行机械加工就可投人装配焊接 (5)易于结构的变更和改型 无需铸型和模具，因此成本低、周期短。
特别适合制作大型或重型、单件或小批量生产。