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焊接结构电子教案绪 论 一、焊接结构的特点一、焊接结构的特点一、焊接结构的特点一、焊接结构的特点 （1）焊接结构的优点 1）焊接接头的强度高,2）焊接结构设计的灵活性大,3）焊接接头密封性好,4）焊接结构适用于大型或重型的、单件小批量生产的简单产品结构的制造,5）焊前准备工作简单,6）结构的变更与改型快，而且容易。（2）焊接结构的不足 1）在焊接过程中，焊缝处容易产生各类焊接缺陷，2）焊接结构对于脆性断裂、疲劳破坏、应力腐蚀和蠕变破坏等都比较敏感,3）焊接结构中存在残余应力和变形，4）焊接会改变材料的部分性能，使焊接接头附近变为一个不均匀体 5）对于一些高强度的材料，因其焊接性能较差，更容易产生焊接裂纹等缺陷。(3)减小焊接不足的措施 1）合理的设计结构，正确的选择材料，2）采用适宜的焊接设备和制定正确的焊接工艺，3）良好的焊接技术及严格的质量控制。2焊接结构在工业发展中的作用 （1）焊接结构被广泛地应用于工业生产的各个部门。（2）焊接结构是许多高新技术产品不可缺少的组成部分。（3）焊接结构的质量直接影响工业生产产品的质量和使用可靠性。因此，焊接结构在推动工业生产发展、技术进步以及促进国民经济发展过程中都发挥着重要的作用。二、本课程的性质和主要内容二、本课程的性质和主要内容 （1）主要任务 使学生掌握焊接结构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。（2）主要内容 1）焊接结构的基本知识，2）焊接结构生产工艺过程的专业理论知识。三、本课程的能力目标及学习方法三、本课程的能力目标及学习方法 1本课程的能力目标 （1）了解组成焊接结构的基本构件，掌握焊接接头、焊缝的种类及焊缝代号的识别方法，掌握焊接接头疲劳破坏和脆性断裂的相关知识。（2）掌握焊接应力与变形的概念、产生的原因、分布规律，以及控制和消除残余应力与变形的措施。（3）掌握焊接结构生产中常用的备料和成形加工方法。（4）掌握焊接结构的装配方法与装配工艺，能够根据结构的特点及生产规模选择合适的装配方法；掌握焊接结构的焊接工艺。（5）具备对一般焊接结构进行工艺性审查、焊接工艺评定及工艺过程分析的能力，并在此基础上编制焊接结构生产工艺规程。（6）掌握焊接结构生产中常用工艺装备的功用、结构特点、工艺装备适用范围和使用要求，并初步具有选用装焊夹具的能力。（7）了解焊接生产中安全技术方面的基本知识。2本教材的学习方法 （1）理论联系实际，综合运用本专业已经学习过的基础知识和专业知识，并根据实际条件和自身特点调整自己的学习方法。（2）加强现场教学和参观，加深学生的感性认识，还可以通过多媒体教学等手段开阔学生的视野，培养学生分析问题和解决问题的能力。第一章 焊接结构基本知识1.1 焊接结构基本构件焊接结构基本构件1.2 焊接接头的基本知识焊接接头的基本知识第一节第一节 焊接结构基本构件焊接结构基本构件一、机器零部件焊接结构一、机器零部件焊接结构 1 切削机床的焊接机身,2减速器箱体焊接结构。二、压力容器焊接结构二、压力容器焊接结构 1压力容器的分类及应用压力容器的分类及应用 （1）按工艺用途分类）按工艺用途分类 1）反应压力容器：用于完成介质的物理、化学反应。2）换热压力容器：用于完成介质的热量交换。3）分离压力容器：用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等。4）储存压力容器：用于盛装生产用的原料气体、液体、液化气体等。（2）按设计压力分类）按设计压力分类 1）低压容器（代号L）0.1MPaP1.6MPa 2）中压容器（代号M）1.6MPaP10MPa 3）高压容器（代号H）10MPaP100MPa 4）超高压容器（代号U）P100MPa 2压力容器的焊接结构压力容器的焊接结构 圆柱形容器由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔接管以及支座等六大部件组成，并通过焊接构成一个整体。三、梁、柱焊接结构三、梁、柱焊接结构 1焊接梁焊接梁 梁是在一个或两个主平面内承受弯矩作用的构件。2焊接柱焊接柱 柱是主要承受压力并将受压载荷传递至基础的构件。四、船舶焊接结构四、船舶焊接结构 现代船舶的船体已采用全焊接结构，按其结构特点，从上到下，以贯通首尾的上甲板为界，分为主船体和上层建筑两部分。船体外板及甲板形成主船体的水密性外壳，其中外板包括平板龙骨、船底板、舭列板、舷侧板、舷顶列板等。船底板承受垂直于板平面的水压力，故在船体中采用纵向（沿船长方向）和横向（沿船宽方向）骨架给予加固，其焊接结构如图1-10所示。五、焊接结构生产工艺过程简介五、焊接结构生产工艺过程简介 焊接结构生产工艺过程，是根据生产任务的性质、产品的图纸、技术要求和工厂条件，运用现代焊接技术、相应的金属材料加工和保护技术、无损检测技术，来完成焊接结构生产的各个工艺过程。1生产准备生产准备 （1）技术准备 首先研究将要生产的产品清单，其次研究和审查产品施工图纸和技术条件，最后制定出工艺文件及质量保证文件。（2）物质准备 根据产品加工和生产工艺的要求，订购原材料、焊接材料以及其他辅助材料，并对生产中的焊接工艺设备、其他生产设备和工夹量具，进行购置、设计、制造或维修。2材料加工工艺材料加工工艺 （1）金属材料的预处理 主要包括验收、储存、矫正、除锈、表面保护处理和预落料等工序。（2）基本元件加工 主要包括划线（号料）、切割（下料）、边缘加工、冷热成形加工、焊前坡口清理等工序。3装配与焊接装配与焊接 装配是将加工好的零件，采用适当方法，按照产品图样的要求组装成产品结构的工艺过程。而焊接则是将已装配好的结构，用规定的焊接方法和焊接工艺，使零件牢固连接成一个整体的工艺过程。4质量检验与安全评定质量检验与安全评定 焊接产品的质量包括整体结构质量和焊缝质量。第二节第二节 焊接接头的基本知识焊接接头的基本知识一、焊接接头的组成及其基本形式一、焊接接头的组成及其基本形式1焊接接头的组成焊接接头的组成 焊接接头由焊缝金属、熔合区和热影响区组成，如图1-11所示。2焊接接头的基本形式焊接接头的基本形式（1）对接接头 两板件端面通过焊接形成135180夹角，（2）搭接接头 两板件部分重叠起来进行焊接所形成的接头,（3）T形（十字）接头 将一个焊件的端面与另一焊件的表面构成直角或近似直角，用角焊缝连接起来的接头，（4）角接接头 两板件端面构成30135夹角的焊接接头。二、焊缝的基本形式二、焊缝的基本形式 1对接焊缝 （1）坡口形式的选择 对接焊缝的焊接接头可采用卷边、平对接或加工成V形、U形、X形、K形等坡口，如图1-16所示。坡口形式的选择取决于板材厚度、焊接方法和工艺过程。通常必须考虑以下几个方面：1）可焊到性或便于施焊，2）节省焊接材料，3）坡口易加工，4）焊接变形小。（2）坡口尺寸的选择 1）坡口角度，2）根部间隙，2角焊缝角焊缝 角焊缝按其截面形状可分为平角焊缝、凹角焊缝、凸角焊缝和不等腰角焊缝四种，如图1-17所示。三、焊缝代号三、焊缝代号 1焊缝代号的组成焊缝代号的组成 （1）基本符号 表示焊缝端面（坡口）形状的符号，（2）辅助符号 表示焊缝表面形状特征的符号，（3）补充符号 为了补充说明焊缝某些特征而采用的符号，（4）焊缝尺寸符号 用来代表焊缝的尺寸要求，（5）指引线 由箭头线和基准线组成，箭头指向焊缝处，基准线由两条互相平行的细实线和虚线组成，2识别焊缝代号的基本方法识别焊缝代号的基本方法 1）根据箭头的指引方向了解焊缝在焊件上的位置。2）看图样上焊件的结构形式 识别出接头形式。3）通过基本符号可以识别焊缝形式、基本符号上下标有坡口角度及对装间隙。4）通过基准线的尾部标注可以了解采用的焊接方法、对焊接的质量要求以及无损检验要求。3焊缝代号应用实例焊缝代号应用实例第二章 焊接应力与变形2.1 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生2.2 焊接变形焊接变形2.3 焊接残余应力焊接残余应力第一节第一节 焊接应力与变形的产生焊接应力与变形的产生一、应力和变形的基础知识一、应力和变形的基础知识 1应力应力 作用在物体单位截面上的内力叫做应力,。应力分为工作应力和内应力。2变形变形 物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。按照物体变形的性质不同，变形可以分为弹性变形和塑性变形。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：（1）平截面假定 假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。（2）金属性能不变的假定 假定在焊接过程中材料的某些热物理性质，不随温度的变化而变化。（3）金属屈服点假定 假定在500以下，屈服点与常温相同，不随温度的变 化而变化；在500600之间，屈服点呈线性下降；600以上时屈服点为零，呈全塑性状态。（4）焊接温度场假定 在焊接热源作用下构件上各点的温度在不断地变化，可以认为达到某一极限热状态时，温度场不再改变，这时的温度场称为极限温度场。三、焊接应力与变形产生的原因三、焊接应力与变形产生的原因 1焊件的不均匀受热焊件的不均匀受热 （1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 （2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 TTs 可能出现以下三种情况：1）如果杆件加热时自由延伸，冷却时限制收缩，那么冷却后杆件内既有残余应力又有残余变形，如图2-3 b所示。2）如果杆件加热时不能自由延伸，可以自由收缩，那么杆件中没有残余应力只有残余变形，如图2-3 c所示。3）如果杆件受绝对拘束，那么杆件中存在残余应力而没有残余变形，如图2-3 d所示。（3）长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形 如图2-4 a所示 （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。3）焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。如果这种收缩能充分进行，则焊接残余变形大，焊接残余应力小；若这种收缩不能充分进行，则焊接残余变形小而焊接残余应力大。4）焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布都是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。2焊缝金属的收缩焊缝金属的收缩 当焊缝金属冷却，由液态转为固态时，其体积要收缩。产生焊接应力变形。3金属组织的变化金属组织的变化 钢在加热及冷却过程中发生相变，可得到不同的组织，这些组织的比容各不相同，由此也会造成焊接应力与变形。4焊件的刚性和拘束焊件的刚性和拘束 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 第二节第二节 焊接变形焊接变形 一、焊接变形的分类及其影响因素一、焊接变形的分类及其影响因素 按焊接变形对整个焊接结构的影响程度，可分为局部变形和整体变形；按焊接变形的特征，可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形，这五种基本变形形式如图2-6所示。1收缩变形收缩变形 （1）纵向收缩变形 如图2-7所示 纵向收缩变形量一般随长度的增加而增加；焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小；压缩塑性变形量与纵向收缩变形量成正比，其大小与焊接方法、焊接参数、焊接顺序以及母材的热物理性质有关。（2）横向收缩变形 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 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。（2）横向收缩引起的弯曲变形 如果焊缝的横向收缩在结构上分布不对称时，会引起构件的弯曲变形。如图2-13所示。4波浪变形波浪变形 波浪变形常发生于板厚小于6mm的薄板焊接过程中，又称之为失稳变形。5扭曲变形 在一些框架、杆件或梁柱等刚性较大的焊接构件上，往往会发生扭曲变形。如图2-15所示。二、焊接变形的危害二、焊接变形的危害 首先，零件或部件的焊接残余变形，给装配带来困难，进而影响后续焊接的质量。其次过大的残余变形需进行矫正，增加结构的制造成本。另外，焊接变形还会降低焊接接头的性能和承载能力。三、控制焊接变形的措施三、控制焊接变形的措施 1控制焊接变形的设计措施 （1）选择合理的焊缝尺寸和坡口形式 1）选择合理的焊缝截面尺寸；2）选择合理的坡口形式。（2）合理选择焊缝长度和数量 （3）合理安排焊缝位置 2控制焊接变形的工艺措施控制焊接变形的工艺措施 （1）留余量法 （2）反变形法 （3）刚性固定法 1）将焊件固定在刚性平台上；2）将焊件组合成刚性更大或对称的结构；3）利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束；4）利用临时支撑增加结构的拘束。（4）选择合理的装配焊接顺序 1）正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴；2）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧；3）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。4）长焊缝（1m以上）焊接时，可采用图2-30所示的方向和顺序进行焊接，来减小其焊后的收缩变形。5）相邻两条焊缝，为了防止产生扭曲变形，应按图2-31中正确的方向和顺序焊接。（5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数 （6）热平衡法 如图2-33所示。（7）散热法 如图2-34所示。四、矫正焊接变形的方法四、矫正焊接变形的方法 1手工矫正法手工矫正法 2机械矫正法机械矫正法 3火焰加热矫正法火焰加热矫正法 （1）点状加热 （2）线状加热 （3）三角形加热 火焰加热矫正焊接变形的效果取决于下列三个因素：1）加热方式 2）加热位置 3）加热温度和加热区的面积。第三节第三节 焊接残余应力焊接残余应力一、焊接残余应力的分布一、焊接残余应力的分布1纵向残余应力的分布纵向残余应力的分布 作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力，用x表示。在焊接结构中，焊缝及其附近区域的纵向残余应力为拉应力。如图2-39、2-40、2-41所示。2横向残余应力的分布横向残余应力的分布 垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力，用y表示。横向残余应力的产生原因比较复杂，一般认为它是由焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力y和由焊缝及其塑性变形区的横向收缩的不均匀和不同时性所引起的横向应力y”两部分合成得来的 （1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力 如图2-42 a所示。（2）横向收缩所引起的横向应力 如图2-44所示。3特殊情况下的残余应力分布特殊情况下的残余应力分布 （1）厚板中的焊接残余应力 如图2-45所示，（2）在拘束状态下焊接残余应力 如图2-46所示，（3）封闭焊缝中残余应力 如图2-47所示，（4）焊接梁柱中的残余应力 如图2-48所示，（5）环形焊缝中的残余应力 如图2-49所示。二、焊接残余应力对焊接结构的影响二、焊接残余应力对焊接结构的影响 1对结构强度的影响 2对构件加工尺寸精度的影响 3对受压杆件稳定性的影响 三、减小焊接残余应力的措施 1设计措施设计措施 （1）在保证结构强度的前提下，尽量减少结构上焊缝的数量 和焊缝尺寸。（2）避免焊缝过于集中，焊缝间应保持足够的距离。（3）采用刚性较小的接头形式。2工艺措施工艺措施 （1）采用合理的装配焊接顺序和方向 合理的装配焊接顺序应该能使每条焊缝尽可能自由收缩，具体应注意以下几点：1）在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由，2）收缩量最大的焊缝先焊，3）工作时受力最大的焊缝先焊，4）注意平面交叉焊缝的焊接顺序。（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差 工程中常用“预热法”和“冷焊法”减小焊接区与结构整体之间的温差。（3）降低焊缝的拘束度 （4）加热“减应区”法 四、消除焊接残余应力的措施四、消除焊接残余应力的措施 1热处理法 （1）整体热处理；（2）局部热处理。2机械拉伸法 3温差拉伸法 4锤击焊缝 5振动法第三章第三章 焊接结构强度的基本理论焊接结构强度的基本理论3.1 电弧焊接头的工作应力电弧焊接头的工作应力3.2 焊接结构的静载强度计算焊接结构的静载强度计算3.3 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏3.4 焊接结构的脆性破坏焊接结构的脆性破坏第一节第一节 电弧焊接头的工作应力电弧焊接头的工作应力 一、应力集中一、应力集中 在焊接接头中，有时会存在变形和某种焊接缺陷，造成接头几何形状突变或不连续，从而在接头受外力作用时，导致接头中工作应力分布不均匀。在几何形状突变处或不连续处应力突然增大，高于平均应力的现象，称为应力集中。引起应力集中的主要原因：1）焊缝中有工艺缺陷 如气孔、夹杂、裂纹和未焊透等。2）焊缝外形不合理 如对接焊缝的余高过大，角焊缝为凸角焊缝等。3）焊接接头设计不合理。如接头截面的突变、加盖板的对接接头等。二、电弧焊接头的工作应力分布二、电弧焊接头的工作应力分布（1）对接接头）对接接头 如图如图3-1所示。所示。（2）T形接头（十字接头）形接头（十字接头）如图如图3-2所示。所示。（3）搭接接头）搭接接头 1）正面角焊缝的工作应力分布 如图3-3所示。2）侧面角焊缝的工作应力分布 如图3-4所示。3）联合角焊缝的工作应力分布 如图3-5所示。第二节第二节 焊接结构的静载强度计算焊接结构的静载强度计算 一、工作焊缝和联系焊缝一、工作焊缝和联系焊缝 工作焊缝：焊缝与被连接的元件串联，它承担着传递全部载荷的作用，即焊缝一旦断裂，结构就立即失效，见图3-7a、b；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，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，见图3-7c、d。二、焊接接头静载强度计算的假设二、焊接接头静载强度计算的假设 工程上为了计算方便常作如下假设：1）残余应力对接头强度没有影响。2）焊趾处和余高处的应力集中对接头强度没有影响。3）接头的工作应力是均布的，以平均应力计算。4）正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别。5）焊脚尺寸K的大小对角焊缝的强度没有影响。6）角焊缝都是在切应力的作用下破坏的，按切应力计算其强度。7）角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面的最小高度上，其值等于内接三角形高a，见图3-8，a称为计算高度，直角等腰角焊缝的计算高度：8）余高和少量的熔深对接头的强度没有影响，但是，在采用熔深较大的埋弧焊和CO2气体保护焊时，应予以考虑，见图3-8。其角焊缝计算断面高度a为：a=（K+p）cos45当K8mm时，可取a等于K；当K8mm时，可取p=3mm。三、电弧焊对接接头的静载强度计算三、电弧焊对接接头的静载强度计算 静载强度计算方法，目前仍然采用许用应力法。而接头的强度计算实际上是计算焊缝的强度。因此，强度计算时的许用应力均为焊缝的许用应力。电弧焊对接接头的静载强度计算的一般表达式为:或 (3-1)式中：、为平均工作应力；、为焊缝的许用应力。计算对接接头的强度时，可不考虑焊缝余高，焊缝计算长度取实际长度，计算厚度取两板中较薄者。如果焊缝金属的许用应力与基本金属相等，则可不必进行强度计算。全部焊透的对接接头的各种受力情况见图3-9。图中F为接头所受的拉（或压）力，Fs为切力，M1为平面内弯矩，M2为垂直平面的弯矩。第三节第三节 焊接结构的疲劳破坏焊接结构的疲劳破坏 一、疲劳的定义一、疲劳的定义 疲劳定义为由重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤。二、影响焊接接头疲劳性能的因素二、影响焊接接头疲劳性能的因素 1应力集中和表面状态的影响应力集中和表面状态的影响 构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。表面状态粗糙相当于存在很多微缺口，这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高，表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲劳强度是不利的。2焊接残余应力的影响 焊接残余应力的存在，改变了平均应力 m的大小，而应力幅a却没有改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力有可能达到或超出疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。3焊接缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度影响的大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力场内的大；同样的缺陷，位于应力集中场内（如焊趾裂纹和根部裂纹）的影响比在均匀应力场中的影响大。三、三、提高焊接结构疲劳强度的措施提高焊接结构疲劳强度的措施 1降低应力集中 （1）采用合理的结构形式 优先选用对接接头，尽量不用搭接接头；重要结构最好把T形接头或角接接头改成对接接头必须采用T形接头或角接接头时，希望采用全熔透的对接焊缝。尽量避免偏心受载的设计，使构件内力的传递流畅、分布均匀。减小断面突变，当板厚或板宽相差悬殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结构上的尖角或拐角处应作成圆弧状，其曲率半径越大越好。避免三向焊缝空间汇交，焊缝尽量不设置在应力集中区，尽量不在主要受拉构件上设置横向焊缝；不可避免时，保证该焊缝的内外质量，减小焊趾处的应力集中。只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板；避免采用断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有较高的应力集中。（2）正确的焊缝形状和良好的焊缝内外质量 对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高；T形接头最好采用带凹度表面的角焊缝，不用有凸度的角焊缝；焊缝与母材表面交界处的焊趾应平滑过渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔，以降低该处的应力集中。在结构设计上要保证每条焊缝易于施焊、以减少焊接缺陷，同时发现超标的缺陷必须清除。2调整残余应力 残余压应力可提高疲劳强度，而拉应力降低疲劳强度。因此，若能调整构件表面或应力集中处存在残余压应力，就能提高疲劳强度。3改善材料的组织和性能 1）提高母材金属和焊缝金属的疲劳抗力还应从材料内在质量考虑。2）强度、塑性和韧性应合理配合。4特殊保护措施 大气及介质侵蚀往往对材料的疲劳强度有影响，因此采用一定的保护涂层是有利的。第四节第四节 焊接结构的脆性破坏焊接结构的脆性破坏 一、一、焊接结构脆断的基本现象和特点焊接结构脆断的基本现象和特点 1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。故又称为低应力脆性破坏。3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理断裂。5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达12001800m/s。当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。二、焊接结构脆断的原因二、焊接结构脆断的原因 焊接结构发生脆断是材料、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。影响金属材料脆断的主要因素 温度的影响 材料塑性的断面收缩率却随着温度降低而降低；随着温度降低，其韧性和韧度都下降。加载速度的影响 钢材的塑性变形抗力随加载速度提高而加强，促进了 材料脆性断裂。提高加载速度的作用相当于降低温度。应力状态的影响 塑性变形主要是由于金属晶体内沿滑移面发生滑 移，引起滑移的力学因素是切应力。因此，金属内有切 应力存在，滑移可能发生。材料状态的影响 1）厚度的影响 厚度增大，发生脆断可能性增大。2）晶粒度的影响 对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒 度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。3）化学成分的影响 碳素结构钢，随着碳含量增加，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向 增大。其他如N、O、H、S、P等元素会增大钢材的脆性。影响结构脆断的设计因素影响结构脆断的设计因素 （1）焊接连接是刚性连接；（2）结构的整体性 ；（3）构造设计上存在有不同程度的应力集中因素 ；（4）结构细部设计不合理 下面列举几种不妥的构造设计，它可能成为脆断的诱因。断面突变处不作过渡处理；造成三向拉应力状态的构造设计，如用过厚的板，焊缝密集，三向焊缝汇交，造成在拘束状态下施焊，复杂的残余应力分布等；在高工作应力区布置焊缝；在重要受力构件上焊接小附件又不注意焊接质量；不便于施焊的构造设计，这样的设计最容易引起焊缝内外缺陷。影响结构脆断的工艺因素影响结构脆断的工艺因素 （1）应变时效对结构脆断的影响 研究表明，许多低强度钢应变时效引起局部脆化非常严重，降低了材料延性，提高了材料的脆性转变温度，使材料的缺口韧性和断裂韧度值下降。焊后热处理可消除这两类应变时效对碳钢和某些合金钢结构脆断的影响，可恢复其韧性。（2）焊接接头非均质性的影响 焊接接头中焊缝金属与母材之间有强度匹配问题以及焊接的快速加热与冷却使焊缝和热影响区发生金相组织变化问题。这些非均质性对结构脆断有很大影响。1）焊缝金属与母材不匹配。焊缝强度高于母材的焊接接头（高匹配）对抗脆断较为有利。要求焊缝和母材具有相同的塑性，而强度稍高于母材是最佳的匹配方案。2）接头金相组织发生变化。热影响区中的粗晶区和细晶区的缺口韧性相差很多，粗晶区是焊接接头的薄弱环节之一，。焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响 在材料的开裂转变温度以下（材料已变脆）时，焊接拉伸残余应力有不利影响；而在转变温度以上时，焊接残余应力对脆性破坏无不利影响。焊接工艺缺陷的影响焊接工艺缺陷的影响 平面缺陷结构断裂影响最为严重，而平面缺陷中又以裂纹缺陷影响为甚。裂纹尖端应力应变集中严重，最易导致脆性断裂。体积缺陷也同样削减工作截面而造成结构不连续。试验表明，焊接角变形越大，破坏应力也越低；对接接头发生错边，就与搭接接头相似，会造成载荷与重心不同轴，产生附加弯曲应力。焊缝有余高，在焊趾处易产生高值的应力集中，导致在该处开裂。三、防止焊接结构脆性破坏的措施三、防止焊接结构脆性破坏的措施 正确选用材料正确选用材料 所选钢材和焊接填充金属材料应保证在使用温度下具有合格的缺口韧性。为此选材时应注意以下两点：1）在结构工作条件下，焊缝、熔合区和热影响区的最脆部位应有足够的抗开裂性能，母材应具有一定的止裂性能力；2）钢材的强度和韧度要兼顾，不能片面追求强度指标。合理的结构设计合理的结构设计 设计有脆断倾向的焊接结构时，应注意以下几个原则：1）减少结构或焊接接头部位的应力集中：应尽量采用应力集中系数小的对接接头，避免采用搭接接头。若有可能把T形接头或角接接头改成对接接头。尽量避免断面有突变。避免焊缝密集，焊缝之间应保持一定的距离。焊缝应布置在便于施焊和检验的部位，减少焊接缺陷。2）在满足使用要求的前提下，尽量减小结构的刚度。刚度过大会引起对应力集中的敏感性和大的拘束应力。3）不采用过厚的截面，厚截面结构容易形成三向拉应力状态，约束塑性变形，而降低断裂韧性并提高脆性转变温度，从而增加脆断危险。此外，厚板的冶金质量也不如薄板。4）对附件或不受力的焊缝设计给予足够重视。应和主要承力构件或焊缝一样对待，精心设计，因为脆性裂纹一旦从这些不受重视部位产生，就会扩展到主要受力的构件中，使结构破坏。正确的制造过程正确的制造过程 有脆断倾向的焊接结构制造时应注意：1）对结构上任何焊缝都应看成是“工作焊缝”，焊缝内外质量同样重要。在选择焊接材料和制订工艺参数方面应同等看待。2）在保证焊透的前提下减少焊接热输入，或选择热输入量小的焊接方法。3）充分考虑应变时效引起局部脆性的不利影响。4）减小或消除焊接残余内应力。5）严格生产管理，加强工艺纪律，不能随意在构件上打火引弧，因为任何弧坑都是微裂纹源；减少造成应力集中的几何不连续性。凡超标缺陷需返修，焊补工作须在热处理之前进行。第四章第四章 焊接结构备料及成型加工焊接结构备料及成型加工4.1 钢材的矫正及预处理钢材的矫正及预处理4.2 划线、放样与下料划线、放样与下料4.3 弯曲与成形弯曲与成形4.4 冲压成形冲压成形第一节第一节 钢材的矫正及预处理钢材的矫正及预处理 钢材 变形 影响零件和产品的质量，因此，必须对变形钢材进行矫正及预处理。一、钢材变形的原因一、钢材变形的原因 钢材的变形原因主要有以下几个方面：（1）钢材在轧制过程中引起的变形;（2）钢材因运输和不正确堆放产生的变形;（3）钢材在下料过程中引起的变形。当钢材的变形大于技术规定或大于表4-1中的允许偏差时，划线前必须进行矫正。二、钢材的矫正原理二、钢材的矫正原理 钢材在厚度方向上可以假设是由多层纤维组成的。钢材平直时，各层纤维长度都相等，即ab=cd，见图4-1a。钢材弯曲后，各层纤维长度不一致，即abcd，见图4-1b。可见，钢材的变形就是其中一部分纤维与另一部分纤维长短不一致造成的。矫正是通过采用加压或加热的方式进行的，其过程是把已伸长的纤维缩短，把缩短的纤维伸长。最终使钢板厚度方向的纤维趋于一致。三、钢材的矫正方法三、钢材的矫正方法 1手工矫正 手工矫正是采用手工工具，对已变形的钢材施加外力，以达到矫正变形的目的。2机械矫正机械矫正 机械矫正使用的设备有专用设备和通用设备。3火焰矫正火焰矫正 火焰矫正是利用火焰对钢材的伸长部位进行局部加热，使其在较高温度下发生压缩塑性变形，冷却后收缩而变短，从而使钢材的变形得到矫正。4高频热点矫正高频热点矫正 通入高频交流电的感应圈产生交变磁场，当感应圈靠近钢材时，钢材内部产生感应电流（即涡流），使钢材局部的温度立即升高，从而进行加热矫正。四、钢板及型钢的矫正四、钢板及型钢的矫正 1钢板的矫正钢板的矫正 钢板的矫正主要是在钢板矫正机上进行的。当钢板通过多对呈交错布置的轴辊时，钢板发生多次反复弯曲，使各层纤维长度趋于一致，从而达到矫正的目的。图4-2所示为钢板矫正机的工作原理。2型钢的矫正型钢的矫正 型钢的矫正一般是在多辊型钢矫正机、型钢撑直机和压力机上进行。1）多辊型钢矫正机矫正 图4-3a所示为型钢矫正机的工作原理。2）型钢撑直机矫正 型钢撑直机是利用反变形的原理来矫正型钢的，图4-4所示为单头型钢撑直机的工作原理。3）压力机矫正。钢板和型钢变形后，可以通过油压机、水压机、摩擦压力机等进行矫正。压力机矫正钢板和型钢的方法见表4-3。四、钢材矫正方法的选择四、钢材矫正方法的选择 选择钢材矫正方法时应注意以下问题：1）对刚性较大的钢结构产生的弯曲变形不宜采用冷矫正，应在与焊接部位所对称的位置，采用火焰矫正法矫正。2）火焰矫正时，要严格控制加热温度，避免因钢材组织变化而产生较大的热应力。3）尽量避免在结构危险截面的受拉区进行火焰矫正。五、钢材的预处理五、钢材的预处理 对钢材表面进行去除铁锈、油污、氧化皮清理等为后序加工做准备的工艺称为预处理。1机械除锈法机械除锈法 机械除锈法常用的主要有喷砂（或抛丸），手动砂轮或钢丝刷，砂布打磨，刮光或抛光等。钢材 除锈后，随即进行防护处理，其步骤为：1）用经净化过的压缩空气将原材料表面吹净。2）涂刷防护底漆或浸入钝化处理槽中，做钝化处理。3）将涂刷防护底漆后的钢材送入烘干炉中，用加热到 70的空气进行干燥处理。2.化学除锈法化学除锈法 化学除锈法即用腐蚀性的化学溶液对钢材表面进行清理。第二节第二节 划线、放样与下料划线、放样与下料 一、识图与划线一、识图与划线 1焊接结构的施工图 （1）焊接结构图的特点 主要包括以下几个方面：1）一般钢板与钢结构的总体尺寸相差悬殊，按正常的比例关系是表达不出来的，但往往需要通过板厚来表达板材的相互位置关系或焊缝结构。2）大量采用了局部剖视和局部放大视图。3）大量采用虚线的表达方式。4）连接板与板之间的焊缝一般不用画出，只标注焊缝代号。但特殊的接头形式和焊缝尺寸应该用局部放大视图来表达清楚，焊缝的断面要涂黑，以区别焊缝和母材。5）为了便于读图，同一零件的序号可以同时标注在不同的视图上。（2）焊接结构图的读识方法 首先，阅读标题栏，了解产品名称、材料、重量、设计单位等，核对一下各个零部件的图号、名称、数量、材料等，确定哪些是外购件（或库领件），哪些为锻件、铸件或机加工件；再阅读技术要求和工艺文件，正式识图时，要先看总图，后看部件图，最后再看零件图；有剖视图的要结合剖视图，弄清大致结构，然后按投影规律逐个零件阅读，先看零件明细表，确定是钢板还是型钢；然后再看图，弄清每个零件的材料、尺寸及形状，还要看清各零件之间的连接方法、焊缝尺寸、坡口形状，是否有焊后加工的孔洞、平面等。2划划 线线 划线是根据设计图样上的图形和尺寸，准确地按1:1的比例在待下料的钢材表面上划出加工界线的过程。划线的作用是确定零件各加工表面的余量和孔的位置，使零件加工时有明确的标志；还可以检查毛坯是否正确；对于有些误差不大，但已属不合格的毛坯，可以通过借料得到挽救。划线的精度要求在0.25mm0.5mm范围内。划线的基本规则：划线的基本规则：1）垂线必须用作图法；2）用划针或石笔划线时，应紧抵直尺或样板的边沿；3）圆规在钢板上划圆、圆弧或分量尺寸时，应先打上样冲眼，以防圆规尖滑动；4）平面划线应遵循先画基准线，后按由外向内，从上到下，从左到右的顺序划线的原则。划线的方法：划线的方法：划线可分为平面划线的立体划线两种。1）平面划线与几何作图相似，在工件的一个平面上划出图样的形状和尺寸。有时也可以采用样板一次划成。2）立体划线是在工件的几个表面上划线，亦即在长、宽、高三个方向上划线。划线时应注意以下几个问题：划线时应注意以下几个问题：1）熟悉结构的图样和制造工艺，根据图样检验样板、样杆，核对选用的钢号、规格应符合规定的要求。2）检查钢板表面是否有麻点、裂纹、夹层及厚度不均匀等缺陷。3）划线前应将材料垫平、放稳，划线时要尽可能使线条细且清晰，笔尖与样板边缘间不要内倾和外倾。4）划线时应标注各道工序用线，并加以适当标记，以免混淆。5）弯曲零件时，应考虑材料的轧制纤维方向。6）钢板两边不垂直时，一定要去边。划尺寸较大的矩形时，一定要检查对角线。7）划线的毛坯，应注明产品的图号、件号和钢号，以免混淆。8）注意合理安排用料，提高材料的利用率。常用的划线工具有：常用的划线工具有：划线平台、划针、划规、角尺、样冲、曲尺、石笔、粉线等。基本线型的划法：基本线型的划法：（1）直线的划法 直线长不超过1m可用直尺划线。直线长不超过5m用弹粉法划线。直线超过5m用拉钢丝的方法划线，钢丝取0.5mm1.5mm。（2）大圆弧的划法 放样或装配有时会碰上划一段直径为十几米甚至几十米的大圆弧，采用近似几何作图或计算法作图。1）大圆弧的准确划法。如图4-6。2）大圆弧的计算法。如图