《焊接應(yīng)力和集中》課件

焊接應(yīng)力和集中焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致金屬材料膨脹。冷卻后，焊接區(qū)域周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生應(yīng)力。這些應(yīng)力可能集中在特定區(qū)域，形成應(yīng)力集中。課程目標(biāo)了解焊接應(yīng)力理解焊接應(yīng)力和應(yīng)變的概念，以及它們?cè)诤附舆^(guò)程中的作用。分析焊接變形學(xué)習(xí)分析焊接變形的影響因素，并掌握預(yù)防和控制變形的方法。掌握焊接質(zhì)量控制學(xué)習(xí)焊接質(zhì)量控制的措施和方法，提高焊接質(zhì)量，確保焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。焊接過(guò)程概述焊接是利用熱能或壓力將兩個(gè)或多個(gè)金屬工件熔化連接在一起，形成牢固的連接過(guò)程。1準(zhǔn)備工作清潔工件表面，選擇合適的焊接材料和參數(shù)2熔化金屬使用熱源將金屬工件加熱到熔點(diǎn)，形成熔池3凝固冷卻熔池逐漸冷卻凝固，形成焊縫，連接工件4檢驗(yàn)評(píng)估檢查焊縫質(zhì)量，確保連接牢固可靠焊接過(guò)程產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變焊接過(guò)程中，由于熱量輸入和材料的快速冷卻，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。熱應(yīng)力是焊接應(yīng)力的主要來(lái)源，可導(dǎo)致焊接變形、焊縫開(kāi)裂等問(wèn)題。焊接過(guò)程中，由于焊接材料的物理性質(zhì)變化，也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)變是指材料在受力時(shí)發(fā)生的形變。焊接應(yīng)力和應(yīng)變是相互影響的，應(yīng)力是應(yīng)變產(chǎn)生的原因，應(yīng)變是應(yīng)力存在的表現(xiàn)。焊接變形的主要影響因素材料特性材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)會(huì)影響焊接變形。例如，鋼材的強(qiáng)度、塑性和熱膨脹系數(shù)都會(huì)影響焊接變形程度。焊接工藝參數(shù)焊接電流、電壓、焊接速度、焊絲直徑、焊接方法和焊接材料等都會(huì)影響焊接變形。焊接工藝參數(shù)的合理選擇可以有效地控制焊接變形。結(jié)構(gòu)形式焊接結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、厚度和焊接接頭的類(lèi)型等都會(huì)影響焊接變形。例如，薄壁結(jié)構(gòu)比厚壁結(jié)構(gòu)更容易變形。冷卻條件焊接后冷卻速度會(huì)影響焊接變形。冷卻速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致焊接變形增大，反之則會(huì)減小。焊接變形的原理焊接變形是焊接過(guò)程中由于溫度變化、材料收縮和焊縫應(yīng)力集中等因素導(dǎo)致的工件形狀和尺寸變化。焊接變形是焊接過(guò)程中的常見(jiàn)現(xiàn)象，也是影響焊接質(zhì)量的重要因素之一。焊接變形的控制是焊接工藝的重要組成部分。焊接變形會(huì)影響工件的尺寸精度、表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，甚至?xí)绊懞附雍蟮氖褂眯阅堋Ｒ虼?，了解焊接變形的原理和控制方法是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。焊縫應(yīng)力集中的分類(lèi)11.幾何應(yīng)力集中由于焊縫形狀、尺寸變化或缺陷而引起的應(yīng)力集中。22.材料應(yīng)力集中焊接材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)或缺陷引起的應(yīng)力集中。33.熱應(yīng)力集中焊接過(guò)程中的溫度梯度導(dǎo)致的應(yīng)力集中。44.復(fù)合應(yīng)力集中多種應(yīng)力集中因素的綜合影響。焊縫應(yīng)力集中的預(yù)防措施預(yù)熱預(yù)熱可以降低焊接過(guò)程中的熱梯度，降低應(yīng)力集中。后熱后熱可以減緩冷卻速度，降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。應(yīng)力消除應(yīng)力消除可以降低殘余應(yīng)力，改善焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。焊縫形狀合理設(shè)計(jì)焊縫形狀，減小應(yīng)力集中，提高焊接質(zhì)量。焊接應(yīng)力測(cè)量的方法應(yīng)變計(jì)法使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量焊接結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變光彈性法利用光彈性材料測(cè)量焊接應(yīng)力X射線(xiàn)衍射法通過(guò)X射線(xiàn)衍射分析測(cè)量殘余應(yīng)力焊接應(yīng)力的分類(lèi)殘余應(yīng)力焊接完成后，材料內(nèi)部存在的應(yīng)力，與外部載荷無(wú)關(guān)。熱應(yīng)力焊接過(guò)程中，由于溫度變化引起的應(yīng)力。應(yīng)力集中焊縫附近，應(yīng)力值明顯高于其他區(qū)域，可能導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。焊接應(yīng)力分析的基本理論材料力學(xué)焊接應(yīng)力分析通?；趶椥粤W(xué)和塑性力學(xué)的原理。這些理論可以用來(lái)預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。有限元方法有限元分析（FEA）是一種強(qiáng)大的數(shù)值方法，可以用來(lái)模擬焊接過(guò)程中的應(yīng)力分布和變形。熱力學(xué)焊接過(guò)程是一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，涉及材料的加熱、冷卻和相變，這些過(guò)程會(huì)影響焊接應(yīng)力的大小和分布。材料性能材料的力學(xué)性能，如彈性模量、屈服強(qiáng)度和泊松比，對(duì)焊接應(yīng)力分析至關(guān)重要。焊接應(yīng)力分析的基本假設(shè)材料均勻性焊接材料的物理和機(jī)械性能在整個(gè)結(jié)構(gòu)中保持一致，沒(méi)有明顯的差異。線(xiàn)性彈性材料在應(yīng)力作用下遵循胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成線(xiàn)性關(guān)系。小變形焊接過(guò)程產(chǎn)生的變形很小，不影響結(jié)構(gòu)的整體幾何形狀。平面應(yīng)力焊接應(yīng)力主要集中在焊接接頭的平面內(nèi)，忽略垂直于平面的應(yīng)力。焊接應(yīng)力分析的計(jì)算方法1有限元法將焊接結(jié)構(gòu)離散化為有限個(gè)單元，并根據(jù)材料特性和邊界條件建立方程組，求解應(yīng)力分布。2解析法利用數(shù)學(xué)公式和理論模型直接推導(dǎo)出焊接應(yīng)力公式，適用于簡(jiǎn)單幾何形狀和邊界條件的結(jié)構(gòu)。3數(shù)值模擬法使用計(jì)算機(jī)軟件模擬焊接過(guò)程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬得到焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力的影響因素焊接材料材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等物理性能對(duì)焊接應(yīng)力有重要影響。例如，高強(qiáng)度鋼的焊接應(yīng)力通常比低強(qiáng)度鋼的焊接應(yīng)力大。焊接工藝參數(shù)焊接電流、焊接速度、焊絲直徑、焊縫長(zhǎng)度等參數(shù)都會(huì)影響焊接過(guò)程中的熱輸入，進(jìn)而影響焊接應(yīng)力的大小和分布。焊接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和約束條件會(huì)影響焊接應(yīng)力的集中程度。例如，薄壁結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力。環(huán)境溫度環(huán)境溫度的變化會(huì)影響焊接材料的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而影響焊接應(yīng)力的大小。焊接應(yīng)力的降低措施預(yù)熱預(yù)熱可以降低焊接接頭冷卻速度，減少焊接應(yīng)力。后熱處理后熱處理可以降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，改善其性能。焊接工藝選擇合適的焊接工藝，例如小電流焊接，可以降低焊接應(yīng)力。焊接材料選擇低氫焊條，可以減少焊接接頭的氫含量，降低焊接應(yīng)力。焊接變形的常見(jiàn)形式焊接變形是指焊接過(guò)程中由于熱量輸入和冷卻引起的工件尺寸和形狀變化。常見(jiàn)的焊接變形形式包括：彎曲變形、扭曲變形、拉伸變形、收縮變形等。焊接變形的程度和形式取決于焊接工藝參數(shù)、材料特性、焊縫形狀等因素。焊接變形會(huì)影響焊件的尺寸精度、外觀質(zhì)量和使用性能。焊接變形的造成原因熱不均勻焊接過(guò)程中，熱量集中在焊縫區(qū)域，導(dǎo)致材料發(fā)生熱膨脹，而周?chē)鷧^(qū)域未受到熱影響，熱膨脹不均勻，就會(huì)導(dǎo)致焊接變形。材料特性材料的熱膨脹系數(shù)、塑性、彈性模量等因素都會(huì)影響焊接變形，例如，熱膨脹系數(shù)高的材料更容易發(fā)生熱膨脹，從而導(dǎo)致變形。焊接工藝焊接工藝參數(shù)，例如焊接電流、焊接速度、焊接方法等，都會(huì)影響焊接變形，例如，焊接電流過(guò)大或焊接速度過(guò)快，都會(huì)導(dǎo)致焊接變形增大。結(jié)構(gòu)因素焊接結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、剛度等都會(huì)影響焊接變形，例如，薄板結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生焊接變形，而厚板結(jié)構(gòu)則不易變形。焊接變形的預(yù)防措施11.合理的焊接工藝選擇合適的焊接材料、焊接方法、焊接參數(shù)。22.均勻的熱輸入控制焊接速度、電流、焊絲直徑等，避免局部過(guò)熱。33.焊接順序合理安排焊接順序，減少焊接應(yīng)力和應(yīng)變的積累。44.預(yù)熱和后熱對(duì)焊接件進(jìn)行預(yù)熱和后熱處理，降低焊接應(yīng)力。焊接變形的矯正方法1熱處理消除殘余應(yīng)力2機(jī)械矯正錘擊、彎曲3焊接矯正局部加熱或冷卻焊接變形矯正需要根據(jù)具體情況選擇合適的方案。熱處理方法適用于較大工件，而機(jī)械矯正和焊接矯正更適合局部變形。焊接殘余應(yīng)力的定義焊接過(guò)程焊接過(guò)程中，金屬材料發(fā)生相變，形成晶體結(jié)構(gòu)變化。熱應(yīng)力焊接過(guò)程中，金屬材料受熱不均勻，產(chǎn)生熱應(yīng)力。冷卻冷卻過(guò)程中，金屬材料內(nèi)部應(yīng)力不能完全釋放，形成殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是指焊接完成后，在金屬材料內(nèi)部殘留的應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是焊接過(guò)程中金屬材料發(fā)生相變、熱應(yīng)力和冷卻過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的綜合結(jié)果。焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)1不均勻焊接過(guò)程中熱量集中，導(dǎo)致溫度梯度，應(yīng)力分布不均勻。2復(fù)雜殘余應(yīng)力會(huì)隨著焊接工藝、材料等因素變化而改變。3集中焊縫附近區(qū)域應(yīng)力集中，容易造成裂紋等缺陷。焊接殘余應(yīng)力的形成原因11.溫度梯度焊接過(guò)程中的高溫會(huì)造成材料的局部膨脹，冷卻后會(huì)產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致應(yīng)力產(chǎn)生。22.材料的塑性變形焊接過(guò)程中，材料會(huì)發(fā)生塑性變形，這些變形在冷卻后會(huì)保留下來(lái)，形成殘余應(yīng)力。33.焊接約束焊接過(guò)程中，焊接結(jié)構(gòu)會(huì)受到約束，導(dǎo)致材料不能自由收縮，從而產(chǎn)生應(yīng)力。44.焊接順序和工藝不同的焊接順序和工藝會(huì)導(dǎo)致不同的應(yīng)力分布，影響殘余應(yīng)力的形成。焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法應(yīng)變片法應(yīng)力儀測(cè)量X射線(xiàn)應(yīng)力測(cè)量中子衍射法通過(guò)測(cè)量應(yīng)變來(lái)計(jì)算應(yīng)力直接測(cè)量應(yīng)力利用X射線(xiàn)衍射原理通過(guò)中子衍射來(lái)測(cè)量晶格應(yīng)變焊接殘余應(yīng)力的影響因素材料特性不同材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量和屈服強(qiáng)度等因素都會(huì)影響殘余應(yīng)力的分布和大小。焊接工藝參數(shù)焊接電流、電壓、焊接速度和焊縫尺寸等焊接工藝參數(shù)都會(huì)影響殘余應(yīng)力的形成。結(jié)構(gòu)形狀焊接結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和焊接順序等因素都會(huì)影響殘余應(yīng)力的分布和大小。冷卻速率焊接后冷卻速率快，殘余應(yīng)力就會(huì)更大。焊接殘余應(yīng)力的控制措施工藝參數(shù)控制合理設(shè)置焊接電流、焊接速度、焊接熱輸入等參數(shù)，可以有效降低焊接殘余應(yīng)力。焊接夾具使用適當(dāng)?shù)暮附訆A具可以減少焊接變形，從而降低殘余應(yīng)力。預(yù)熱和后熱處理預(yù)熱可以降低焊接材料的冷卻速度，減少焊接應(yīng)力；后熱處理可以消除部分殘余應(yīng)力。焊接材料選擇選用低氫焊條或焊絲可以降低氫含量，減少焊接過(guò)程中的氫致裂紋和殘余應(yīng)力。焊接質(zhì)量控制的重要性保證產(chǎn)品性能焊接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的性能和使用壽命。焊接缺陷會(huì)降低產(chǎn)品強(qiáng)度，造成安全隱患。降低生產(chǎn)成本焊接質(zhì)量控制可以降低返工率，減少材料浪費(fèi)。有效控制焊接質(zhì)量，節(jié)省生產(chǎn)成本。提高企業(yè)效益高質(zhì)量的焊接產(chǎn)品提高企業(yè)信譽(yù)，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。提升產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造更多價(jià)值。焊接質(zhì)量控制的措施嚴(yán)格的工藝控制焊接工藝參數(shù)，如電流、電壓、焊接速度等，需要根據(jù)材料和焊接類(lèi)型進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保焊接過(guò)程穩(wěn)定，避免質(zhì)量問(wèn)題。合格的焊接材料使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的焊接材料，如焊條、焊絲、焊劑等，保證焊接材料的質(zhì)量，避免因材料缺陷導(dǎo)致焊接質(zhì)量問(wèn)題。焊接人員資質(zhì)焊接人員需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，具備相應(yīng)的資質(zhì)，才能進(jìn)行焊接操作，確保操作人員熟練掌握焊接技能，能夠有效控制焊接質(zhì)量。焊接過(guò)程監(jiān)控焊接過(guò)程中需要進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控，如焊接過(guò)程的溫度、外觀、焊縫尺寸等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，采取措施進(jìn)行糾正，避免質(zhì)量問(wèn)題擴(kuò)大。焊接質(zhì)量檢測(cè)的方法焊接質(zhì)量檢測(cè)是確保焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)焊接缺陷并及時(shí)采取措施，防止安全事故的發(fā)生。常用的焊接質(zhì)量檢測(cè)方法包括：1外觀檢查觀察焊縫表面是否有裂紋、氣孔、焊瘤等缺陷2滲透檢測(cè)使用滲透液檢測(cè)焊縫表面是否有裂紋、氣孔等缺陷3磁粉檢測(cè)使用磁粉檢測(cè)焊縫表面是否有裂紋、氣孔等缺陷4超聲波檢測(cè)使用超聲波檢測(cè)焊縫內(nèi)部是否有缺陷焊接質(zhì)量問(wèn)題的處理原則及時(shí)修復(fù)