1、材料科學與工程學院焊 接 結 構材料科學與工程學院2013年10月1焊接概念 第一章 緒 論焊接：通過適當的物理化學過程使兩個分離的固態物體產生原子（分子）間結合力永久性結合在一起的連接方法。焊接：兩種或兩種以上材質（同種或異種），通過加熱或加壓或二者并用，來達到原子之間的結合而形成永久性連接的工藝過程。 1焊接概念 第一章 緒 論焊接所必須的溫度與壓力的關系 2焊接特點 第一章 緒 論現代材料焊接與連接技術的特點 現代生活離不開的量大、面廣技術 發達國家鋼鐵產量60%要成為焊接結構，我國目前已達45%。涵蓋國民經濟、國防軍工的各個角落（天上、地面和水下）。 無所不能的“姻緣”技術 金屬金屬（

2、黑色、有色、輕金屬、貴金屬焊接） 金屬非金屬（有機、無機材料連接、膠結） 非金屬非金屬（連接、膠結）2焊接特點 第一章 緒 論美國國家航空和宇宙航行局NASA直徑8.41米航天飛機外部助推燃料貯箱，采用FSW（摩擦攪拌焊接）。2焊接特點 第一章 緒 論采用FSW焊接Ariane 5 發動機主承力框2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論 美國Eclipse航空公司采用263條FSW焊縫取代了7000多個螺栓緊固件，節約了大量的成本，新一代商用噴氣客機N500于2002年6月通過了FAA的認證，現已批量生產。2焊接特點 第一章 緒 論 馬自達汽車公司是第一個

3、將攪拌摩擦焊應用于汽車車身制造的汽車制造商，采用該技術制造2004款馬自達RX-8鋁合金材質的后門以及引擎罩。2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論 鳥巢的主要結構是由24個桁架組成。在“鳥巢”工程焊接中，主要應用了焊條電弧焊、實芯CO2半自動焊、藥芯焊絲CO2氣體保護焊。在拼裝中還采用了埋弧焊。建筑 鋼結構焊接技術戴為志、劉景鳳2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論2焊接特點 第一章 緒 論 2、焊接結構設計靈活性大，主要表現在：焊接結構的幾何形狀不受限制：如鉚

4、、鑄、鍛等方法無法制造空心結構，焊接則可以；結構的壁厚不受限制：兩被連接構件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；結構的外形尺寸不受限制：對大型結構可分段制成部件，現場組焊、鍛、鑄、工藝則不允許；可利用標準或非標準型材組焊接成所需要結構，段結構重量減輕。焊縫減少；可與其它工藝方法聯合使用：鑄焊 鍛焊 栓焊 沖壓焊接等聯合的金屬結構；可實現異種材料的連接：同一結構的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物盡其用。2焊接特點 第一章 緒 論 3、焊接接頭密封性好 氣密性，水密性均優于其它方法，特別是在高溫，高壓容器上，只有焊接接頭才是最理想的連接形式。4、焊前準備工作簡單 由于近年來數控精密氣割設備的發

5、展，對于各種厚度或形式狀復雜的待焊接，不必預劃線就能直接從板料上切割出來，一般不用再機械加工就可投入裝配焊接。2焊接特點 第一章 緒 論焊接結構所存在的問題（缺點）：1、存在較大的焊接應力和變形 焊接（局部加熱）內應力變形工藝缺欠承載能力（剛度、強度、穩定性）下降尺寸精度，尺寸穩定性下降校形增加工作量增加成本2焊接特點 第一章 緒 論 2、對應力集中敏感 焊接結構具有整體性，其剛度大，焊縫的布置、數量和次序等都會影響到應力分布，對應力集中敏感，而應力集中是疲勞，脆斷等破壞的起源，因此在焊接結構設計時要妥善處理。2焊接特點 第一章 緒 論 3、焊接接頭的性能不均勻 焊接金屬是由母材料和填充金屬在

6、焊接熱作用下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材（近縫區）受焊接熱的影響，組織和性能發生變化（謂之熱影響區），因此，焊接接頭在成分，組織和性能上都是一個不均勻體，其不均勻程度遠遠超過了鑄、鍛件，這種不均勻性對結構的力學行為，特別是斷裂行為有重要影響。3發展歷程 第一章 緒 論 連接，英文為JOINING，它應包括： 熔化焊接 WELDING 硬釬焊 BRAZING 軟釬焊 SOLDERING 粘接 ADHESIVE，BONDING 鉚接 RIVETING 國外將WELDING和JOINING嚴格分開 國內習慣用“焊接”一詞替代1-3種連接方法3發展歷程 第一章 緒 論 一門新興又古老的技術，

7、最重要的發展歷程如下：3000BC： 銅-金，鉛-錫的焊接秦兵馬俑出土的銅馬車（2230年前）3發展歷程 第一章 緒 論 一門新興又古老的技術，最重要的發展歷程如下：1882年： 別納爾多斯（H. H. ）發明電弧 焊1885年： 美國湯姆遜（E. Thomson）發明電阻對焊1910年： 發明厚皮焊條電弧焊1930年： 發明TIG焊接法40年代： . 等創造埋弧自動焊方法，擴散焊50年代： 發明氣保護焊，電渣焊，電子束焊，摩擦焊，超聲 波焊60年代： 發明激光焊，等離子焊，爆炸焊70年代： 磁力脈沖焊90年代： 發明攪動摩擦焊（FSW），激光-電弧組合焊 3發展歷程 第一章 緒 論 20世紀

8、擁有的連接方法：電弧焊18種，硬釬焊11種，軟釬焊8種，擴散焊4種，固態焊接9種，電阻焊9種，氧乙炔焊4種，其它焊10種。 另外還有熱噴涂13種，氧切割9種, 電弧切割7種, 其它切割6種。4焊接學科形成 第一章 緒 論 焊接技術的迅速發展是建筑在其它學科發展的基礎上 冶金化學、物理冶金、材料力學、電工電子學以及計算機等，消化吸收和發展這些學科，使焊接從一門技藝變為一門科學的制造技術。推動這一發展的動力，是焊接技術在重大工程中的應用以及因此而產生的后果 政府極大關注而投入大量資金進行研究，由此促進了焊接科學的發展，形成了焊接冶金學、焊接設備理論及焊接（斷裂）力學三大學科領域。其中焊接斷裂力學的

9、形成，不僅推動了焊接工程的應用，也推動了力學學科的發展。4焊接學科組成 第一章 緒 論獲得可靠性能接頭改善性能延長壽命提供合理連接手段結構生產輔助與改進熔化焊壓力焊釬焊組合焊鉚接、粘接焊接方法和設備應力應變斷裂強度安全評定表面改性焊接力學焊接性焊接工藝規范焊接材料傳熱、傳質焊接冶金學表面工程焊接檢驗切割CAW焊接生產設計其 它焊接與連接學科5材料焊接性 第一章 緒 論焊接結構自身矛盾示意圖母材焊縫HAZ焊接接頭示意圖 第一章 緒 論5材料焊接性焊接性 與焊接冶金課程中介紹的，“材料焊接性”的概念相比，構件焊接性含義更廣泛，它可以包含以下幾方面內容：“材料的焊接適應性”、“設計的焊接可靠性”和“

10、制造的焊接可行性”。 第一章 緒 論5材料焊接性影響焊接性的因素 根據上述分類，可將影響焊接的因素按下面的方式分類：影響焊接性的因素與材料有關的因素與制造有關的因素與設計有關的因素母材和填充材料的類型(化學)成分和顯微組織結構的形狀、尺寸、支撐條件和負載，焊縫類型，厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形狀，焊接順序，多層焊，定位焊。夾緊、預熱和焊后熱處理。 第一章 緒 論5材料焊接性 從狹義上來說，焊接性可理解為所需求的強度性能、焊接接頭的強度受到化學分成或溫度循環等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型，或預熱溫度等的影響，強度行為可用一些主要的或物理特征值來描述，而這些特征值又

11、可能涉及另一些次要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影響強度性能的不完全的可變因素圖，由此，可看出“焊接性”的復雜性。 第一章 緒 論5材料焊接性主要影響因素主要特征值合金元素含量相、顯微組織、晶粒尺寸冷卻時間、奧氏體化時間退火時間和溫度板厚、焊縫類型等效應力、三軸度焊條藥皮、水分次要特征值碳當量焊接性指數脆性指數裂紋敏感性指數（脆性）轉變溫度目標參數硬度強度延展性冷列敏感性熱烈敏感性層狀撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蝕性次要影響因素焊條類型焊接方法焊接參數焊縫類型預熱溫度層數稀釋率燒穿，夾雜物化學成分 相變、顯微組織 焊接溫度循環 焊后熱處理 構件形狀 負載條件 氫含量影響焊接接頭強度的主要

12、因素 第一章 緒 論5材料焊接性焊接性可以分解為溫度場、應力和變形場以及顯微組織狀態場。 第一章 緒 論5材料焊接性 焊接殘余應力和變形是焊接性的一個重要組成部分，他們可能引起冷、熱裂紋、脆性斷裂和早期不穩定；變形影響使用性能并且妨礙制造過程。拉伸殘余應力降低疲勞強度和抗蝕性能；壓縮殘余應力減小穩定性極限。 第一章 緒 論6本課內容 本課程從焊接應力與變形、焊接接頭的性能特征、應力分布、斷裂特征和疲勞強度方面進行分析。要求掌握焊接結構的主要特性，理解其原理、規律和控制途徑；最后介紹典型焊接結構實例，為正確分析焊接結構的工藝性和合理性，為解決有關設計和工藝問題打好基礎。焊接結構的脆性斷裂疲勞強度

13、焊接結構設計緒 論焊接接頭焊接應力與變形 第一章 緒 論6本課內容7關于本課程教學： -課堂講課為主 -閱讀、習題、討論參考書籍：焊接結構田錫唐，機械工業出版社，1997，10焊接熱效應D.拉達伊，機械工業出版社，1997，連接結構分析游敏，鄭小玲，華中科技大學出版社，2004焊接結構與生產設計編寫組，天津大學出版社，1995焊接變形的控制與矯正付榮柏，機械工業出版社，2006 第一章 緒 論 第二章 焊接應力與變形基本概念桿件的變形與應力長板條的變形與應力焊接殘余變形矯正焊接殘余變形方法調節焊接殘余應力焊接殘余應力焊接殘余應力測定焊接應力與變形 第二章 焊接應力與變形2.1 內應力及變形的基

14、本概念一、內應力及其產生原因內應力定義：在沒有外力作用下，平衡于 物體內部的應力。特征：1）在結構內部自身形成平衡的 力系； 2）內應力分布范圍很廣。1 基本概念1 基本概念 第二章 焊接應力與變形內應力的分類（按分布范）1、第一類內應力（宏觀內應）：在較大范圍內平衡，大小可與物體尺寸來比量。2、第二類內應力（細觀內應）：平衡范圍大小可與晶粒尺寸來比量。（大約0.011mm)。3、第三類內應力（微觀內應）：平衡范圍大小可與晶格尺寸來比量。（大約10-610-2mm)。內應力的分類（按產生原因）1、溫度應力（熱應力）：構件受熱不均勻導致溫度差異，各部位熱膨脹或收縮變形不一致，相互約束而產生的。2

15、、殘余應力：由于溫度或其他原因導致材料局部區域產生塑性變形，而殘存的內應力。3、相變應力：材料發生相變時產生的應力。1 基本概念 第二章 焊接應力與變形1 基本概念 第二章 焊接應力與變形二、自由變形、外觀變形和內部變形1、自由變形（LT）： 物體在溫度變化或者發生相變時,他的尺寸和形狀可能發生變化,如果這種變化沒有受到外界的任何阻礙而自由的進行,這種變形稱為自由變形。 單位長度上的變形量：1 基本概念 第二章 焊接應力與變形2、外觀變形（Le）： 當物體在溫度變化過程中受到阻礙，使他不能完全自由的變形，只能部分的表現出來，我們把表現出來的這部分變形稱為外觀變形。e= Le/ L03、內部變形

16、（L）： 不能表現出來的這部分變形稱為內部變形。L = (LT Le )= Le LT = L/ L0 = e- T1 基本概念 第二章 焊接應力與變形L= E= E(e- T)LTLeLLT1 基本概念 第二章 焊接應力與變形 以金屬桿為例，討論其在均勻加熱、冷卻過程中的受力和變形情況： 如果加熱過程中受到阻礙，則產生內部變形。1)、 1 s,則 s,則 s。桿件中產生塑性變形，數值大小為P= (e- T) s。當溫度恢復到原來溫度時，如果桿件自由收縮，則比原來長度縮短LP ，不產生內應力。1 基本概念 第二章 焊接應力與變形三、長板條在不均勻溫度場作用下的變形和應力 （一）、有關力學和物理

17、性能的假設： 1)、平面假設： 構件在受縱向力或彎矩作用而變形時，構件中的 平截面始終保持是平面。 2)、金屬性能的假設： 材料的熱物理性能不隨溫度的變化而變化，如密度、熱膨脹系數、比熱容、熱導率、導溫系數、彈性模量、泊松比等。1 基本概念 第二章 焊接應力與變形3)、金屬屈服點的假設： 對材料的屈服點與溫度關系曲線進行簡化。低碳鋼為例，其在500 oC以下時屈服極限不變，600 oC以上時完全是塑性狀態，即屈服強度為0。4)、應力應變關系的假設： 材料呈理想的彈塑性狀態，既材料屈服后不發生強化。金屬屈服極限與溫度的關系1 基本概念 第二章 焊接應力與變形（二）、在長板條中心加熱 實驗方法：如

18、圖2-4，在一塊長板條（長為L寬為B厚為）中間用電阻絲間接加熱。 溫度場建立：在板條上出現一個中間高、兩側低的不均勻溫度場，板條長度方向上的溫度場可視為均勻的。1 基本概念 第二章 焊接應力與變形結果：中間溫度高，變形率大；兩側相應的減小，形成鋸齒狀截面。變形與應力分析：1）假設長板條由相互獨立的小窄條組成（每個小窄條之間能夠傳熱），每個小窄條自由變形，如圖2-5a。 T = (T1 T0 )2）實際上：組成板條的小窄條之間相互牽連和約束的整體，截面必須保持平面。由于溫度場是對稱的，端面只作平移。移動距離為e。+ -結果：板條中間受壓應力，兩側受拉應力，三個區域的應力相互平衡。e1 基本概念

19、第二章 焊接應力與變形 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形如果溫度分布是x的函數，則應力平衡條件為： 溫度場對稱與中心軸，故 ，截面只作平移。 外觀變形e可由上式求出。1 基本概念 第二章 焊接應力與變形1、加熱溫度低時，內應力() 小于材料的屈服極 限(s) ，溫度是x的函數 ，此時， 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形2、加熱溫度高時，板條中心C區產生較大的內部變形，如果C區的內部變形率大于材料屈服時的變形率，則在C區產生塑性變形。若自由收縮，板條中心C區的長度將縮短，其縮短量是溫度存在時C區產生的壓縮塑性變形量。實際上，板條中心C區受到兩側的約束，截面保持平面，產生新的應力。即中心受

20、拉，兩邊受壓。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形假設板條中心C區的變形規律為 ，則殘余應力為：殘余應力和變形表達為： 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形 總 結： 在板條中心對稱加熱時，板條中產生溫度應力，中心受壓，兩邊受拉。同時平板端面向外平移（伸長）。1)、如果此時不產生塑性變形，即s，當溫度恢復到原始狀態后，內應力消失，平板端面亦恢復到原來的位置。2)、如果此時產生塑性變形，即s，當溫度恢復到原始狀態時，還會出現由于不均勻塑性變形引起的殘余應力，其符號與溫度應力大致相反，同時板條端面向內平移（縮短），即為殘余變形。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形（三）、非對稱加熱 實驗方法：

21、如圖2-6，在一塊長板條（長為L寬為B厚為） 一側用電阻絲間接加熱。 溫度場建立：在板條上產生一個相對于中心不對稱的不均勻溫度場，使板條產生變形和應力。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形 加熱過程中產生的熱應力： T :自由變形率 e :外觀變形率 em :板條的平均變形率 eB :板條右側的應變率 eO :板條左側的應變率 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形 如果加熱溫度是x的函數 ，則內應力平衡條件為：即板條在加熱過程中的外觀變形：端面平移和角位移。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形由于截面有轉動，因此e并非常數，而是x的線性函數。其中 為板條曲率， 為曲率半徑。 1 基本概念

22、第二章 焊接應力與變形 聯合上面三個式子，即可求得eB和eO 。還可以進一步求出應力的分布。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形長板條一側加熱與冷卻后的殘余應力與變形 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形 總 結： 如果在加熱時板條中的內部變形率小于金屬屈服限時的變形率，則當溫度恢復到原始溫度時，板條中不存在殘余應力，也不出現殘余變形。 如果在加熱時，板條中的內部變形率大于金屬屈服時的變形率，則板條中將出現壓縮塑性變形。冷卻時，板條恢復到原始溫度，其中將出現殘余應力。板條也產生殘余彎曲變形和收縮變形，但方向與加熱時相反。變形位置則由平衡條 件來決定。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形四、

23、焊接引起的內應力與變形（一）、焊接應力與變形的特殊性 焊接應力與變形與上述的不均勻溫度場引起的應力和變形的基本規律是一致的，但有其特殊性和復雜性，主要有下面三個因素決定為： 1）、溫差大，從熔點到室溫； 2）、材料物理和力學性能變化大。 3）、可能出現相變，從而引起材料物理和力學參量的 變化。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形焊接引起的內應力與變形的復雜性：1、溫差大，材料物理和力學性能變化大；以低碳鋼平板沿中心焊接為例說明。 焊接過程中出現一個溫度場，在接近熱源處取一截面，如圖：內應力分析： 假設金屬端面從AA移到A1A1，則AA1即為e 1 第二章 焊接應力與變形 基本概念(1)、在D

24、D區域內，溫度超過 600 o C， 。不產生應 力，不參與內應力平衡。(2)、在DC和DC區域內，溫 度從600 o C 降到500 o C， 內應力隨 增加而上。(3)、在CB和CB區域內， |e-T | s ，內應力 等于 。(4)、在BA和BA區域，彈性 變形， 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形2、溫度分布不均勻程度很大。焊接熱源并不是沿焊縫同時加熱，與前面分析的模型有較大差別。 1 基本概念 第二章 焊接應力與變形（二）、受拘束體在熱循環中的應力與變形演變過程 取一單位長度的低碳鋼棒，其兩端被固定不能伸縮，將該棒均勻加熱，然后冷卻。為了便于分析，把加熱和冷卻過程中的溫度都看成是時

25、間的線性函數。1、 | | s , Tmax600oC1 基本概念 第二章 焊接應力與變形（二）桿件在拘束條件為加熱時不能自由膨脹，冷卻時能自由收縮是的變形和應力演變過程 1、 | | s , Tmax600oC1 基本概念 第二章 焊接應力與變形 討論： 產生殘余應力與變形的主要因素是： 熱循環和拘束度1 基本概念 第二章 焊接應力與變形思考題： 取一單位長度的低碳鋼棒，其兩端被固定不能伸縮，先將該棒彈性壓縮（ ），再將該棒均勻加熱，然后冷卻。分析其應力與變形演變過程。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念（三）、焊接應力與變形演變過程 圖中截面I取于塑性溫度區最寬處，即600 oC 等溫線最

26、寬處的截面，距熱源距離為vt1；截面II取于塑性溫度區最窄處，即600 oC 等溫線的頂點，距熱源距離為vt2； III和IV截面分別距熱源為vt3和vt4；截面IV認為恢復到原始狀態；截面取的越多越能反應實際情況。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念1、 截面I是600 oC 等溫線最寬處的截面，焊縫及近縫區產生壓縮變形。2、在t2瞬時，如圖所示。在冷卻時，壓縮塑性變形始終保持在演變過程中。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念2、 在t2瞬時，如圖所示。在冷卻時，壓縮塑性變形始終保持在演變過程中。即在t2瞬時的自由變形T ，等于在t2瞬時的熱變形(aT2)減去前一瞬時的壓縮塑性變形。高溫區降

27、溫快，外觀變形相對較小，因此近縫區的收縮受到阻礙而拉伸。焊縫中心的溫度為600oC，此處的應力為0；兩側近縫區產生拉應力，數值大小等于該溫度下材料的屈服極限；并產生了拉伸塑性變形。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念3、高溫區冷卻時，兩側低溫區逐漸升溫，所壓縮塑性變形區的寬度逐漸增加，直到室溫時為止。4、隨著溫度的進一步均勻化，不僅近縫區的壓縮塑性變形區不斷增加，而且中間的拉伸塑性變形區也在增加。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念（四）、焊接熱應變循環 在焊接過程中，焊縫和近縫區金屬經受了焊接熱循環。與此同時，由于焊接熱場的高度不均勻性所產生的瞬時應力使金屬經受熱塑性應變。下面將分析焊接近縫

28、區的兩種情況：離焊縫稍遠，最高溫度低于材料的相變溫度(T 700 oC )和最高溫度高于相變溫度(700T900 oC )。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念1、T 600 oC熱循環中的應力與變形演變過程基本相似，只是外觀變形隨試板的整體外觀變形變化而變化。 在0-t1時間，Te , 產生壓應力，并逐漸增大，在t1 時刻達到材料屈服極限，出現壓縮塑性變形。溫度進一步上升，內應力保持不變；當溫度為tp時，=0，內部變形全部為壓縮變形。當溫度為t3時，內部變形達到最大值。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念 當溫度升到t3后，開始冷卻。顯然P點為冷卻時拉伸應變的起始點；從t3時刻，單元條開始出

29、現拉伸塑性應變。將自由變形曲線下移與外觀變形曲線相交，即為T曲線。兩條曲線的距離代表拉伸應變形。t4時材料恢復彈性，隨著溫度的降低拉應力不斷增加。 t5時，拉應力達到室溫時的屈服極限，并一直保持到室溫；但是拉伸塑性變形量繼續增加直到溫度場達到均勻態。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念2、T 高于相變溫度 在0-t區間與第一種情況相同。在t 時溫度達到AC1,材料開始相變，比容變小，塑性變形可能逆轉。隨著相變的進行，拉伸塑性變形不斷增加，直到t時相變結束。此后塑性變形方向再次逆轉，出現壓縮塑性變形，并逐漸增加值到溫度上升到t時，開始冷卻。1 第二章 焊接應力與變形 基本概念 溫度達到t后，產生拉伸塑性變形； t時溫度降到Ar3，開始相變，比容變大，塑性變形方向變為壓縮變形。直到t時相變結束后，又出現拉伸塑性應變。t8時材料恢復彈性，產生拉應力。拉應力逐漸增加， t9時拉應力達到室溫