《課件焊接應(yīng)力》課件

課件：焊接應(yīng)力焊接過程中的熱量輸入導(dǎo)致金屬材料發(fā)生熱膨脹和收縮，從而產(chǎn)生焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力會(huì)影響焊接接頭的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和使用壽命，需要采取措施進(jìn)行控制。課件大綱引言焊接概述和焊接應(yīng)力的重要性。成因熱源、相變和材料特性如何導(dǎo)致焊接應(yīng)力。種類殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和變形應(yīng)力的定義和特點(diǎn)。檢測(cè)與預(yù)測(cè)應(yīng)變測(cè)試、X射線衍射、有限元分析等方法。引言焊接是一種重要的連接金屬材料的方法，在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的性能和可靠性有重要影響。1.1焊接概述金屬連接技術(shù)焊接是一種將兩個(gè)或多個(gè)金屬部件永久連接在一起的工藝。通過加熱金屬到熔點(diǎn)或熔點(diǎn)附近，并加入熔化的填充金屬或不加入填充金屬，使其連接成一體。1.2焊接應(yīng)力的重要性結(jié)構(gòu)完整性焊接應(yīng)力過高會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，影響結(jié)構(gòu)完整性和安全性。安全隱患焊接應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而引發(fā)安全事故。零件尺寸精度焊接應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致零件尺寸偏差，影響零件的加工精度。設(shè)備性能焊接應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降，影響設(shè)備的使用壽命。2.焊接應(yīng)力的成因焊接應(yīng)力是焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性有重大影響。焊接應(yīng)力主要由熱源作用、相變引起的體積變化和材料固有特性三方面引起。2.1熱源作用11.熱輸入焊接過程中，熱源向工件輸入熱量，導(dǎo)致材料溫度升高。熱輸入越大，焊接區(qū)域溫度變化越劇烈，焊接應(yīng)力也越大。22.溫度梯度焊接區(qū)域溫度分布不均勻，存在較大的溫度梯度，導(dǎo)致材料膨脹不均勻，產(chǎn)生拉伸和壓縮應(yīng)力。33.冷卻速度焊接區(qū)域冷卻速度過快，會(huì)造成材料內(nèi)部應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)致焊接應(yīng)力增大。2.2相變引起的體積變化加熱過程焊接過程中，材料被加熱至熔化狀態(tài)。冷卻過程中，材料會(huì)發(fā)生固相轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生變化。固態(tài)相變焊接過程中，材料冷卻時(shí)會(huì)經(jīng)歷相變，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，由于固態(tài)密度通常高于液態(tài)密度，材料體積會(huì)發(fā)生收縮。體積變化不均勻焊接熱影響區(qū)溫度梯度大，導(dǎo)致不同區(qū)域冷卻速率不同，體積變化不均勻，引起應(yīng)力。2.3材料固有特性晶體結(jié)構(gòu)金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)影響其強(qiáng)度、韌性和塑性。例如，面心立方結(jié)構(gòu)的金屬通常比體心立方結(jié)構(gòu)的金屬更具延展性。微觀結(jié)構(gòu)金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)包括晶粒尺寸、晶界、相變等，這些因素都會(huì)影響材料的強(qiáng)度、韌性和塑性。合金成分不同合金元素的加入會(huì)改變金屬材料的熔點(diǎn)、強(qiáng)度、韌性和抗腐蝕性等性能。例如，添加碳元素可以提高鋼的強(qiáng)度。焊接應(yīng)力的種類焊接應(yīng)力是焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，影響焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性。焊接應(yīng)力分為殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和變形應(yīng)力，每種應(yīng)力類型都有其獨(dú)特的特征和影響因素。3.1殘余應(yīng)力焊接完成后，結(jié)構(gòu)中仍然存在的內(nèi)應(yīng)力。這些應(yīng)力與焊接過程中發(fā)生的熱膨脹和收縮有關(guān)。殘余應(yīng)力可以是拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和疲勞壽命。殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致裂紋的形成，并可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。3.2熱應(yīng)力溫度梯度焊接過程中的熱量輸入導(dǎo)致焊接區(qū)域和周圍區(qū)域的溫度差異，產(chǎn)生熱應(yīng)力。材料膨脹溫度升高，材料膨脹，冷卻時(shí)收縮。焊接區(qū)域熱膨脹不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力。約束力焊接區(qū)域的膨脹受到周圍材料的約束，產(chǎn)生熱應(yīng)力。焊接結(jié)構(gòu)形狀和尺寸也會(huì)影響熱應(yīng)力。3.3變形應(yīng)力焊接過程中的應(yīng)力焊接過程中的熱量輸入導(dǎo)致材料膨脹，冷卻后收縮，造成材料的變形，這種變形會(huì)引起應(yīng)力。焊接變形會(huì)影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和使用性能。外力引起的應(yīng)力焊接后，結(jié)構(gòu)可能會(huì)承受外力，如載荷或壓力。這些外力會(huì)引起結(jié)構(gòu)的變形，從而產(chǎn)生應(yīng)力。焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效，例如裂紋或斷裂。焊接應(yīng)力的檢測(cè)焊接應(yīng)力對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性至關(guān)重要，因此需要準(zhǔn)確的檢測(cè)方法。4.1應(yīng)變測(cè)試11.應(yīng)變片應(yīng)變片是一種傳感器，用于測(cè)量材料在受力時(shí)的變形量，即應(yīng)變。22.應(yīng)變儀應(yīng)變儀是將應(yīng)變片測(cè)得的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變值的儀器，并可記錄測(cè)量結(jié)果。33.橋式電路應(yīng)變片通常連接在橋式電路中，以提高測(cè)量精度和抗干擾能力。44.數(shù)據(jù)分析根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，可以分析焊接應(yīng)力的大小、分布和方向。4.2X射線衍射法X射線衍射法是一種常用的焊接應(yīng)力檢測(cè)方法，通過分析材料晶格結(jié)構(gòu)的變化來確定應(yīng)力的大小和方向。利用X射線對(duì)材料內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行照射，并分析衍射圖案的變化，可以推斷出材料內(nèi)部的應(yīng)力分布。4.3中子衍射法高穿透力中子衍射法可用于檢測(cè)深層材料內(nèi)部的應(yīng)力分布。高靈敏度中子衍射法能夠準(zhǔn)確測(cè)量材料的微觀應(yīng)力變化，并提供可靠的結(jié)果。應(yīng)用廣泛中子衍射法廣泛應(yīng)用于航空航天、核能等領(lǐng)域，用于檢測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。焊接應(yīng)力的預(yù)測(cè)焊接應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)完整性和性能至關(guān)重要，因此預(yù)測(cè)其分布和大小是確保安全可靠的關(guān)鍵。焊接應(yīng)力預(yù)測(cè)可以幫助工程師優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合適的材料，并制定有效的控制策略。5.1有限元分析11.建立模型使用有限元軟件構(gòu)建焊接結(jié)構(gòu)的幾何模型，并定義材料屬性。22.加載邊界條件模擬焊接過程中的熱源、約束和載荷，如焊接電流、夾具固定和外部壓力。33.網(wǎng)格劃分將模型細(xì)分為多個(gè)小的單元，稱為有限元，以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。44.求解分析通過求解有限元方程，獲得焊接應(yīng)力和變形分布。5.2解析模型簡(jiǎn)化模型解析模型可以將復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為理想化幾何形狀，例如梁、板和殼體。這種簡(jiǎn)化可以使問題更容易解決，但也會(huì)引入一些誤差。材料特性需要考慮焊接材料的機(jī)械性能，例如彈性模量、泊松比和屈服強(qiáng)度。這些參數(shù)會(huì)影響應(yīng)力的分布和大小。邊界條件解析模型需要定義焊接結(jié)構(gòu)的邊界條件，例如固定、自由或移動(dòng)約束。邊界條件會(huì)影響應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。5.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是指通過實(shí)際的焊接試驗(yàn)來驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。應(yīng)變測(cè)試應(yīng)變測(cè)試是常用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法之一，通過測(cè)量焊接接頭的應(yīng)變分布來評(píng)估焊接應(yīng)力。X射線衍射X射線衍射法可以提供焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力的分布信息，但實(shí)驗(yàn)成本較高。焊接應(yīng)力的控制焊接應(yīng)力控制至關(guān)重要，因?yàn)樗苯佑绊懡Y(jié)構(gòu)的完整性和性能。焊接應(yīng)力可以通過工藝參數(shù)調(diào)整、焊接序列優(yōu)化和后處理工藝進(jìn)行控制，從而降低應(yīng)力水平，提高結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。6.1焊接工藝參數(shù)調(diào)整焊接電弧長(zhǎng)度焊接電弧長(zhǎng)度直接影響焊接熱輸入，進(jìn)而影響應(yīng)力分布。過短會(huì)造成焊縫熔深不足，過長(zhǎng)則容易造成焊縫咬邊或焊穿。焊接電流焊接電流決定焊接熱量，影響焊縫的熔深和熔寬。過低會(huì)造成焊縫熔透性不足，過高則容易造成焊件變形或燒穿。焊接速度焊接速度影響焊接熱輸入和冷卻速度，進(jìn)而影響應(yīng)力分布。過快會(huì)導(dǎo)致焊縫熔深不足，過慢則會(huì)造成焊縫過寬或焊件變形。其他工藝參數(shù)其他工藝參數(shù)，如焊接電壓、焊接方式、填充金屬類型等也會(huì)對(duì)焊接應(yīng)力產(chǎn)生影響。合理選擇這些參數(shù)可以有效控制焊接應(yīng)力。6.2焊接序列優(yōu)化優(yōu)化焊接順序焊接順序直接影響焊接應(yīng)力分布。合理順序可降低應(yīng)力集中，提高焊接質(zhì)量?？刂坪附訁?shù)焊接電流、焊接速度等參數(shù)會(huì)影響焊接應(yīng)力。優(yōu)化參數(shù)可減少應(yīng)力產(chǎn)生。預(yù)熱與后熱處理預(yù)熱可降低焊接過程中的熱應(yīng)力，后熱處理可消除部分殘余應(yīng)力。6.3后處理工藝熱處理焊接后熱處理可以降低焊接應(yīng)力，提高材料的韌性。常用的方法包括退火、正火和回火等。機(jī)械加工通過銑削、車削等方式去除多余的金屬，減小焊縫的尺寸，降低應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。表面處理對(duì)焊接部位進(jìn)行表面處理，如噴砂、噴涂等，可以改善焊接接頭的耐腐蝕性，延長(zhǎng)使用壽命。案例分析焊接應(yīng)力在實(shí)際工程應(yīng)用中有著廣泛的影響。通過案例分析可以更好地理解焊接應(yīng)力的復(fù)雜性和重要性。7.1航空航天結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度材料航空航天結(jié)構(gòu)通常由高強(qiáng)度合金制成，如鋁合金和鈦合金，這些材料對(duì)焊接應(yīng)力非常敏感。復(fù)雜幾何形狀航空航天結(jié)構(gòu)的幾何形狀通常非常復(fù)雜，焊接過程會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布。安全要求航空航天結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要，焊接應(yīng)力可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的完整性，因此需要嚴(yán)格控制。重量限制航空航天結(jié)構(gòu)需要盡可能輕巧，焊接應(yīng)力可能會(huì)增加重量，因此需要優(yōu)化焊接工藝以減少應(yīng)力。7.2管線工程壓力管線焊接應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致管線內(nèi)部應(yīng)力集中，影響管線安全。應(yīng)力過大可能會(huì)導(dǎo)致管線泄漏或破裂。輸油管道輸油