焊接结构学复习资料

内应力：指在没有外力的条件下平衡与物体内部的应力。

特点：拉压共存，拉压平衡，至少3块面积。

内部变形率取负值
横向残余应力分布：σy(x)=σy’(x)+σy”(x)，即纵向收缩和横向收缩的共同影响。

后冷却的挤压先冷却的。

影响残余应力分布的因素：1焊缝长度的影响2工件宽度的影响3焊缝分布的影响4焊缝形状的影响5焊接次序的影响6拘束的影响7相变的影响8其他工艺措施的影响。

残余应力的影响：静载强度、刚度、杆件受压稳定性、构件精度和尺寸稳定性、应力腐蚀开裂。

焊接残余变形的分类：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。

前三者属面内变形，后四者属于面外变形。

单层焊的纵向收缩量：△L₁=K Ah L/A。

Ah为焊缝截面积、A为构件截面积、L为构件长度、△L₁为单层焊的纵向收缩量、K为比例系数与焊接方法和材料有关。

焊接工字形焊件时应注意先焊同侧，由下到上。

产生角变形的根本原因是：横向收缩变形在厚度方向上的分布不均匀，焊缝正面的变形大，背面的变形小。

焊缝层数与叫变形的关系：对于同样的板厚和坡口形式，多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大，多道焊比多层焊角变形大。

波浪变形：失稳临界应力σcr=K（δ/B）²。

可见板厚与板宽的比值越小，临界应力越小，平板越容易出现失稳现象。

降低波浪变形可以从降低压应力和提高临界应力两方面着手。

焊接残余应力与变形的调整与控制：
焊前措施：1合理选择焊缝形状和尺寸2尽量避免焊缝的密集和交叉3合理选择肋板形状与位置4采用压形板来提高平板的刚性和稳定性5联系焊缝断续焊降低热输出总量6预变形与反变形7十字、T、角接、搭接接头角焊缝优于对接焊缝。

焊后措施：1机械方法2加热方法
火焰加热矫形：利用火焰局部加热时产生的压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后产生收缩，使之矫正。

两种方法：火焰成形，水火弯板。

三种冷却方法的比较：1产生角变形：背冷>空冷>正冷2产生的横向收缩：背冷>正冷>空冷。

焊时措施：1刚性固定法2减小焊缝的热输入3合理安排装配焊接的顺序4预拉伸法5焊时温差拉伸法6随焊激冷法7随焊碾压法8随焊锤击法9随焊冲击碾压法。

在400~200°C内发生的热塑性变形所引起的延性、韧性下降，称为热塑变脆化。

一般将该区称为蓝脆区。

焊接接头的力学性能与母材和焊缝二者之间的强度如何组配有关
“软夹层”接头的强度随相对厚度降低而上升的原因：低强度焊缝的塑性受到高强度母材的约束，使焊缝金属处于三向拉应力状态而强化的结果。

焊缝的基本形式：A.对接焊缝：根本目的：确保接头质量和其经济性
开坡口要考虑的问题：1可焊到性或便于施焊2降低焊接材料的消耗量3坡口易加工4减小或控制焊接变形。

B.角焊缝：按其承载方向分为三种：焊缝与载荷相垂直的正面角焊缝，焊缝与载荷相平行的侧面角焊缝，载荷倾斜的斜向角焊缝。

静载时，如母材金属塑性良好，角焊缝的界面形状对承载能力没有显著影响；动载时，凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高，凸角焊缝的最低。

不等腰角焊缝，长边平行与载荷方向时，承受动载效果较好。

接头的基本形式：1对接接头2搭接接头3T形接头4角接接头
各自特点：从力学角度来讲对接接头比较理想，传力效率最高，耗材少，不需要连扳；搭接
接头应力分布不均，疲劳强度低，不是焊接结构的理想接头；十字接头应避免采用单面角焊缝：角接接头见书P139（红字）
应力集中：指接头局部区域的最大应力值比平均应力值高的现象，应力集中的大小，常以应力集中系数KT=σmax/σav
产生应力集中的原因：1焊缝中存在的工艺缺陷2焊缝外形不合理3焊接接头设计不合理。

电弧焊接头的工作应力分布和工作性能：1.对接接头：减小r和增大h，则KT增加。

当余高h为0时，KT=1，应力集中消失。

余高越小越好，最好趋于0。

对接接头是最好的接头形式，不但静载可靠，而且疲劳强度也较高。

2.T形接头：KT随θ角的减小而减小，也随焊角尺寸K的增加而减小；但联系焊缝在B点的KT随焊脚尺寸K的增大而增大。

T形接头应尽量避免在其板厚方向承受高拉应力，因轧制板材常有夹层缺陷，尤其厚板更容易出现层状撕裂，所以应将其工作焊缝转化为联系焊缝。

3.搭接接头：A正面角焊缝的工作应力分布：减小其夹角θ和增大熔深，焊透根部，可降低应力集中程度；为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离应不小于板厚的4倍。

B侧面角焊缝的工作应力分布：两端应力大，中间应力小的主要原因：搭接板材不是绝对刚体，在受力时本身产生弹性变形。

在两块板的搭接区段通过各截面的力是不同的。

C联合角焊缝的工作应力分布：在设计搭接接头时，如增添正面角焊缝，不但可以改善应力分布，还可以缩短搭接长度。

接触焊接头的工作应力分布：点焊搭接接头的应力集中比弧焊搭接接头更为严重。

工作焊缝：焊缝与被连接的元件是串联的，它承载着传递全部载荷的作用，即焊缝一旦断裂，结构就立即失效。

联系焊缝：焊缝与被连接的元件是并联的，它仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，即焊缝一旦断裂。

结构不会立即失效。

断裂方式：延性断裂，脆性断裂。

延性断裂的微观特征形态是韧窝。

解理断口的微观特征形态常出现河流花样、舌状花样、扇形花样等。

晶界脆性断裂的断口微观形态特征是明显的多面体，没有明显塑性变形，呈现不同程度的晶粒多面体，外形如岩石状花样或冰糖冰块状花样。

金属脆性断裂的主要因素：温度，应力状态，加载速度。

提高τmax/σmax值的加载方式应力状态都有利于产生塑性变形；反之则有利于脆性断裂。

裂纹张开位移COD：裂纹体受载后，裂纹尖端附近的塑性变形区将导致裂纹尖端表面张开，这个张开量就称为裂纹（尖端）张开位移。

焊接结构的两种设计原则：1防止裂纹引发原则：用引发裂纹的临界温度Ti的高低来衡量材料的抗开裂性能越好。

Ti取决于材料性能、缺陷的尖锐度、加载速率。

止裂原则：用止裂临界温度Ta来衡量材料的止裂性能，在此温度以上脆性裂纹可以被止住，或者不能扩展。

临界温度Ta随着材料的韧性的提高而降低，随着应力的提高而提高。

脆断的基本因素：1材料在工作条件下韧性不足2结构上存在严重应力集中3过大拉应力。

防止结构脆性断裂可着眼于选材、设计和制造三个途径上。

选择材料的基本原则是既要保证结构的安全使用，又要考虑经济效果。

设计有脆性断裂倾向的焊接结构的原则：1尽量减少结构或焊接接头的应力集中2尽量减少结构刚度3不采用过厚的截面4对于附件或不受力焊缝应和主要承力焊缝一样给予足够重视5减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。

疲劳：材料在变动载荷作用下，会产生微观的和宏观的塑性变形，这种塑性变形会降低材料继续承载能力兵引起裂纹，随着裂纹逐步扩展，最后导致断裂，这一过程称为疲劳。

提高疲劳的工艺措施：1降低应力集中2调整残余应力场3改善材料的表面性能4特殊保护措施。