1、焊接结构的生产工艺过程焊接结构的生产工艺过程第五章第五章 焊接结构设计焊接结构设计备备 料料焊焊 接接检检 验验装装 配配 本章主要内容本章主要内容1.1.焊接变形与焊接应力产生的原因焊接变形与焊接应力产生的原因2.2.焊接残余变形焊接残余变形3.3.预防和矫正残余变形的方法预防和矫正残余变形的方法4.4.焊接残余应力焊接残余应力5.5.焊接残余应力的调节及消除措施焊接残余应力的调节及消除措施一、简单杆件的变形与应力 L0杆件原始长度 LT自由变形 Le 外观变形 内部变形： -(LT Le) 二、焊接变形与应力产生的原因 当金属杆件在加热过程中受到阻碍，其长度不能自由增长，则在杆件中将产生内
2、部变形。如果内部变形率的绝对值小于金属屈服强度时的变形率，说明杆件中受到小于s的应力。当杆件温度恢复到T0时，如果允许杆件自由收缩，则杆件将恢复到原来的长度L0，杆件中也不存在应力。l 如果杆件温度升得较高，使其内部变形率大于金属屈服时的变形率，杆件中不但产生达到屈服极限的应力，同时还产生压缩塑性变形。在杆件温度恢复到T0的过程中，若允许自由收缩，最后杆件比原来长度缩短Lp，杆件中也不存在内应力。l如果不能自由收缩，则会在杆件中产生内应力。焊接变形与应力产生的根本原因： 工件的局部加热、焊接接头的膨胀与收缩的不自由。三、焊接变形的基本类型一、合理设计一、合理设计1.1.选用对称截面的选用对称截
3、面的结构，焊缝布置对结构，焊缝布置对称，在设计时，安称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中缝对称于截面的中性轴。性轴。2.2.合理的选择焊缝的尺寸和形式合理的选择焊缝的尺寸和形式：在保证结构的承：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸3.3.尽可能减少焊缝的数量：尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊续焊代替连续焊二、工艺措施二、工艺措施1. 正确的确定装配、焊接顺序正确的确定装配、焊接顺序l不正确的装配次序：工字构件，不正确的装配次序：工字构件，先丁字，然后在装另一块盖板，先丁
4、字，然后在装另一块盖板，焊后仍有较大的挠度焊后仍有较大的挠度 l正确应该是，先点固成工字，正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序然后焊接，注意次序 2.选择适当的施焊次序和方向选择适当的施焊次序和方向 翻转辅助时间的交替焊，尽可能增加截面对称的构件应对称最后焊，对构件变形影响大的先焊离构件形心轴近的缝时，先焊少的一侧当结构形心轴两侧有焊. 3. 2. 13、反变形法、反变形法 定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。4、刚性固定法、刚性固定法l在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好l选择线能量较
5、低的焊选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊接方法，采用多层焊代替单层焊代替单层焊 1.机械矫正法机械矫正法： 将变形的构件中的尺寸较将变形的构件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，短的部分通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而使之产生塑性延展变形，而恢复和达到形状的要求，可恢复和达到形状的要求，可以利用螺旋、气动、液压的以利用螺旋、气动、液压的器具来加外力。器具来加外力。机械矫正法机械矫正法2.火焰矫正法火焰矫正法： 利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材）。 火焰矫正法火焰矫正法一、焊接残余应力分布 ：厚度方向上
6、的应力力：垂直焊缝方向上的应：焊缝方向上的应力ZYX. 3. 2. 1XX分段倒退焊端向中间焊从中间向两端焊或从两的直通焊从焊缝的一端到另一端焊接顺序引起的力纵向收缩引起的横向应. 3. 2. 1. 2. 1Y另一端的直通焊从焊缝的一端到从两端向中间焊从中间向两端焊或倒退焊分段 1. 对静载强度的影响对静载强度的影响 2. 对机械加工精度的影响对机械加工精度的影响原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会掉焊件的一部分承受残余应力
7、金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证形，加工精度难以保证，材料发生局部破坏至应力峰值不断增加，直产生应力的均匀化过程脆性材料，构件不可能性变形能力，无影响塑性材料，有足够的塑b. 2. 1 3、 对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响（研究（研究不够充分）不够充分）4 对应力腐蚀的影响对应力腐蚀的影响原因：拉应力和介质、腐蚀共同作原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时力
8、越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。间越早。5 对结构刚度的影响对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次结论：在静载下，焊件经过一次加载，卸载后，以后再次加载，加载，卸载后，以后再次加载，只要其大小不超过前一次，残余只要其大小不超过前一次，残余应力不再起作用，外载也不影响应力不再起作用，外载也不影响焊件内部残余应力的分布焊件内部残余应力的分布1.调节残余应力的措调节残余应力的措施施 1.1设计措施设计措施:设计上减小焊接应力设计上减小焊接应力的核心是正确布的核心是正确布置焊缝，以避免置焊缝，以避免应力叠加应力叠加 减小应力集中面突变处，应力最严重的区域和断焊缝尽量不布置在工作式采用刚性较小
9、的接头形尽量避免三轴交叉焊缝离为容器上相邻焊缝最小距合相关要求相邻焊缝最小距离要符焊缝不止应避免集中，尺寸和长度下，尽量减少焊缝截面在保证结构强度的前提. 5. 4. 31003. 2. 1mmt焊接时预热和跟踪加热锤击或碾压焊缝的自由度反变形法来增加焊缝处的焊缝时，可采用刚性较大、自由度较小在焊接封闭焊缝后其他然后在焊直通的长焊缝开的短焊缝在拼板时，应先拼焊错焊缝先焊工作时受力较大的先焊收缩量较大的焊缝方向采用合理的焊接顺序和. 4. 3. 2. 3. 2. 1. 1扭曲共振法弯曲共振法残余应力的交变应力来消除部分振动法：利用振动产生机械拉伸法热）两侧压应力区域局部加热塑性法（在焊接接头织与
10、性能）高温回火（改变金相组. 2. 1. 4. 3. 2. 1注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。1.应力测定方法的分类应力测定方法的分类按其对结构的是否破坏来分按其对结构的是否破坏来分 按测试原理分按测试原理分无损法半破坏法全破坏法. 3. 2. 1射线法应力释放法X. 2. 1原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力
11、来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。1.切条法切条法：将待测焊件将待测焊件划分几个区域，在各划分几个区域，在各区待测点上贴应变片区待测点上贴应变片或加工的标距孔然后或加工的标距孔然后测原始读数，然后切测原始读数，然后切断，然后在读数根据断，然后在读数根据 可以算出应力。可以算出应力。XXE2.车削法车削法：此法多此法多用于测圆柱零件用于测圆柱零件堆焊后的残余应堆焊后的残余应力分布力分布 3.小孔法小孔法：是应力破坏是应力破坏性最小的一种，原理性最小的一种，原理是：在应力场中钻一是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受个小孔，应力平衡受到破坏，
12、钻孔周围的到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得应力重新调整，测得孔附近的应变片的变孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推化，可用弹性力学推算小孔处的应力。算小孔处的应力。 4.套孔法套孔法：采用套料采用套料钻或管形电火花钻或管形电火花加工环形孔来释加工环形孔来释放应力，在孔内放应力，在孔内预先贴上应变片，预先贴上应变片，可以算出表面残可以算出表面残余应力，切削深余应力，切削深度为度为0.60.8D，破坏性不大。破坏性不大。l原理原理：晶体在应力的作用下，晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用与应力大小成正比，当用X射线，以掠角射线，以掠角 入射
13、到晶体入射到晶体表面时，如果表面时，如果 能满足能满足2dSin=n ，则，则X射线在反射射线在反射方向因干涉而加强方向因干涉而加强l缺点缺点：用设备昂贵对被测表面要求高，所只能测表面应力. 2. 11 1、焊缝设计的原则、焊缝设计的原则1）便于焊接操作（可达性）2）焊缝要避开构件的工作应力最大处3）焊缝应避免密集和交叉4）焊缝一般应避开加工部位5）尽量减少焊缝数量6）焊缝设置应尽量对称7）尽量将工作焊缝变为联系焊缝第四节第四节 焊接结构设计工艺要点焊接结构设计工艺要点2 2、焊接方法的选用原则、焊接方法的选用原则1）接头性能、焊接质量要符合结构的质量要求 2）生产率高、低成本3）工艺可能性如间隔太小的立板间、管径太小的内焊缝。3 3、焊接接头的设计、焊接接头的设计1）接头形式的设计 熔化焊尽量采用对接形式 钎焊、电阻焊多用搭接形式2）坡口形式的设计 根据板厚选择，第一保证焊透，再要考虑生产率和成本以及坡口加工条件。
