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绪论1.焊接的三个过程a)冶炼i.热循环的三个特点：1.加热速度很快；2.在最高温度下停留时间很短；3.各点按照不同的冷却速度进行冷却。ii.热循环的四个参数：加热速度；加热的最高温度；在相变温度以上停留时间；冷却速度。iii.冷却有先后，导致非均质不连续：成分，组织，性能，尺度不连续iv.收缩有先后，导致残余应力及残余变形不均匀b)铸造：焊缝凝固时接头的力学性能c)热处理2.焊接结构的特点a)焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大；b)焊接接头是一个非均质体，焊接接头具有较大的性能不均匀性；c)焊接接头的刚性大，整体性强，止裂性能较差；d)在焊接生产中易产生缺陷：如裂纹等；e)焊接制造对材料敏感；f)焊接接头对低温、高温敏感。3.焊接结构优点a)焊接接头系数高；b)水密性和气密性好；c)重量轻，省材料；d)焊接结构的厚度基本上不受限制；e)结构设计简单；f)生产周期短，成本低。焊接应力与变形1.内应力与变形的基本概念a)内应力及其产生原因；i.概念.：在没有外力的条件下，平衡于物体内部的应力。ii.分类1.分布范围…：宏观应力，微观应力，超微观应力2.结构中的空间位置…：单向应力，双向应力，三向应力3.与焊缝的相对位置..：纵向应力，横向应力4.产生，作用的时间..：瞬时应力，残余应力5.应力形成原因…：温度应力，拘束应力，组织应力b)变形i.自由变形.（焊接变形发生的原因）ii.外观变形.iii.内部变形.c)四个基本假定….i.平截面假定：假定构件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。ii.金属性质不变的假定：假定在焊接过程中材料的某些热物理性质不随温度而变化。iii.焊接温度场假定：假定焊接温度场不随时间而改变。iv.金属屈服点假定：1.在500℃以下，屈服点与常温相同，不随温度而变化；2.500℃~600℃之间，屈服点迅速下降；3.600℃以上时呈全塑性状态，即屈服点为零。d)杆件加热时的应力与变形..i.不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：冷却后不会有任何残余应力与变形。ii.受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形：1.当加热温度TTs（屈服点温度）时，冷却后即不存在残余变形也不存在残余应力。2.当加热温度TTs时，可能出现以下三种情况：a)如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力。b)如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余(拉)应力。c)如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。e)长板条受不均匀温度场作用（加热及冷却过程！）i.在板中心加热..加热过程中中心受压，两侧受拉；冷却过程中心受拉，两侧受压。ii.在板一侧加热..加热过程中加热侧受压，对侧受拉，应力分布为中心拉应力，两侧压应力。冷却过程中加热侧受拉，对侧受压，应力分布为中心压应力，两侧拉应力。讨论时要全面讨论加热过程和冷却过程两方面，还要注意讨论加热时是否超过屈服极限。若超过则冷却时存在残余应力及应变，若未超过则冷却时可以完全恢复，无应力及应变。f)金属框架的应力与变形..中心加热－膨胀－产生温度应力（压应力）＋压缩屈服变形－两侧受拉应力中心冷却－收缩－产生残余应力（拉应力）＋拉伸屈服变形－两侧受压应力g)焊接引起的内应力与变形主要取决于热循环及拘束度。2.焊接残余变形；a)分类及概念……i.纵向收缩变形：构件焊后在平行焊缝的方向上的尺寸缩短；ii.横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝的方向上的尺寸缩短；iii.角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移；iv.弯曲变形：由于焊缝的布置偏离焊件的形心轴而产生的变形；v.波浪变形：焊后构件呈波浪形，在焊薄板中出现的变形；vi.错边变形：两焊件热膨胀不一致，所引起的长度或厚度方向上的错边。vii.回转变形：在板厚方向由于不均匀的横向收缩，引起沿焊缝中心线发生弯曲变形。受焊接热输入的影响及焊速的影响。SAW埋弧焊：功率高，速度快；焊前必须做好定位(点固)焊，防止回转变形。b)焊接后产生基本尺寸的变化：i.与焊缝轴向垂直的横向收缩；ii.与焊缝轴向平行的纵向收缩；iii.角度的变化：板外，板内。c)纵向收缩变形及其引起的挠曲变形i.产生原因..在焊接时，焊缝及其附近的金属由于在高温下的自由变形受到阻碍，产生了压缩塑性变形区，是产生纵向变形的主要原因。ii.纵向收缩变形结论及影响因素…1.焊缝纵向收缩量与焊接线能量或主作用区的面积成正比；2.焊缝纵向收缩量与工件横截面积成反比；3.焊缝绝对收缩量随焊缝长度的增大而增大。4.多层焊接所引起的纵向收缩比单层焊小。5.工件原始温度的影响：温度升高相当于增加焊接线能量，增大纵向收缩量6.间断焊的纵向收缩变形比连续焊小。iii.其引起的挠曲变形规律…1.与焊接线能量或堆焊面积成正比；2.与焊缝偏离板条形心轴的距离成正比；3.与构件的截面惯性矩成反比。d)横向收缩变形及其引起的挠曲变形i.堆焊和角焊缝的横向收缩规律..1.角焊缝的横向收缩量与角焊缝尺寸与板厚有关。2.在同样的角焊缝尺寸下，板越厚，刚度越大，横向收缩越小。3.丁字接头：立板越厚，横板上的热能量越小，变形小。ii.对接接头的横向收缩规律..及影响因素….1.对接接头的横向变形大小与焊接线能量，焊缝坡口形式，焊缝截面积以及焊接工艺(焊接顺序等)有关；2.变形量：气焊手工焊自动焊；3.随焊丝金属量，板厚和坡口角度的增大而增大；4.板厚：角焊缝(板越厚，横向收缩越小)和对接接头焊缝(随板厚而增大)；5.材质：热固性越高，横向收缩越高；是否在施焊过程中发生相变；6.拘束：拘束系数越高，横向收缩越小7.焊接工艺：焊根间隙，平板对接，坡口形式，焊接线能量(低)，焊条直径，焊接顺序a)焊条直径：直径越粗，板的横向收缩量越小；尤其是多层多道焊的初道，应选用粗焊条。铲平焊缝金属后堆焊增加横向收缩量；火焰气刨会使横向收缩量显著增加。b)焊接顺序：先焊中间，再焊两侧，横向收缩量最小；直通焊的横向收缩量最大，分段焊的平均横向收缩量小于多层焊的横向收缩量。当横向焊缝在结构上分布不对称时，其横向收缩也会引起结构的挠曲变形。e)角变形i.产生原因..根本原因：横向收缩变形在厚度方向上的不均匀分布。1.焊缝横向收缩引起的弯曲角变形2.焊缝金属收缩引起的倾斜角变形ii.堆焊影响因素..1.产生原因：平板堆焊高温区金属的热膨胀受到附近温度较低区金属的阻碍受挤压，产生压缩塑性变形。而焊接面压缩塑性变形量背面，因此产生。2.角变形的大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于板的刚度。3.焊接线能量与板厚的影响。iii.对接接头影响因素….1.坡口角度：越大则角变形越大2.焊缝截面形状3.焊接方式：对于同样板厚和坡口形式，多层焊比单层焊角变形大，焊接层数越多，角变形越大，多道焊比多层焊角变形大；4.焊接顺序：在焊接非对称坡口时，应先焊焊接量小的一面，然后再焊焊接量大的一面iv.丁字接头角变形..1.筋板与主板的角变形(破坏了腹板的垂直度)；2.主板自身的角变形(破坏了平板的平直度)f)波浪变形i.原因：薄板在承受压应力时，当其中的压应力达到一临界应力，薄板将出现波浪变形失去承载能力。ii.波浪(压曲)变形与弯曲变形的差别：1.波浪变形的变形量比弯曲变形大得多；2.波浪(压曲)变形后的稳定状态不止一个。iii.预防措施…1.降低压应力：减小塑性变形区，采用塑性变形区小的焊接方法和措施。2.提高临界应力：增加板厚和减小板宽。3.施加预拉应力：最有效的方法iv.影响因素…1.宽长比（B/L）：在宽长比不变的情况下，不发生波浪变形的临界厚度，随着板宽的增加而增加；2.焊接线能量：焊接线能量增加，不仅会使焊件开始发生变形的时间提前，而且会使焊件最终的变形量增加；3.残余应力：残余压应力是导致波浪变形的主要因素。间断焊，减小焊缝尺寸可以降低残余应力。g)焊接错边.i.原因：焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善。ii.后果：使应力集中严重，减小截面面积，构件承载能力大大下降。h)扭曲变形：与焊接角变形沿长度上的分布不均匀性和工件的纵向错边有关。i)预防焊接变形的措施i.焊接变形的危害….1.影响装配质量；2.降低接头性能（从局部观察）；3.降低结构的承载能力（从整体分析）；4.增加制造成本。ii.设计措施….1.合理选择焊件尺寸：焊件的长度、宽度和厚度等对焊接变形有明显影响。2.合理的选择焊缝的尺寸和坡口形式：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。3.尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊。4.合理安排焊缝位置：选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴。iii.工艺措施……1.正确的确定装配、焊接顺序2.选择适当的施焊次序和方向a)当结构形心轴两侧有焊缝时，先焊成型量少的一侧；b)先焊离构件形心轴近的，对构件变形影响大的最后焊；c)截面对称的构件应对称的交替焊，尽可能增加翻转辅助时间。3.反变形法：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：在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，防止角变形和波浪变形较好。5.合理选择焊接方法和焊接工艺a)选择线能量较低的焊接方法(高能量密度的焊接方法，并不代表其焊接线能量高）b)采用多层焊代替单层焊c)选择高能量密度的焊接方法d)采用冷却方式限制、缩小焊接热场6.预热：整体预热+局部预热j)矫正残余变形的方法..i.机械矫正法ii.火焰矫正法3.焊接残余应力a)焊接残余应力的分布…i.影响对接接头纵向残余应力分布的因素…..1.焊缝长度的影响：短焊缝中的纵向残余应力小于长焊缝中的纵向残余应力；（分段焊接）2.焊接规范的影响：焊板的宽度不同，应力分布也明显不同；3.材质的影响：不同的材质有不同的理化性能(高温时的变化规律不同，直接影响压缩塑性变形的累积量)；4.钢中的相变：金属相变后比热容会发生变化；5.焊接顺序：不同的焊接顺序会产生不同的温度场，不一样的拘束。ii.横向应力..(后焊部分受到拉应力，先焊部分受到压应力)1.第一部分：由焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩所引起的。分布状态.，影响因素（中心受拉，两侧受压）2.第二部分：由焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的。产生原因.，分布状态（先焊受压，后焊受拉）3.影响因素a)焊接的方向和焊接顺序的影响：对直通焊和从中心向两端焊所产生的𝜎𝑦′′的分布规律相同，两者产生的𝜎𝑦′相互抵消，最终使得总横向残余应力减小。b)焊缝长度的影响：焊缝长度对横向残余应力的影响没有对纵向残余应力的影响显著。c)拘束的影响：在拘束的情况下，焊件中横向残余应力的峰值比没有拘束的焊件大得多，会引起焊件纵向的裂纹。b)焊接残余应力对性能的影响……i.对静载强度的影响ii.对机械加工精度的影响iii.对疲劳强度的影响iv.对应力腐蚀开裂(SCC)的影响v.对压曲强度的影响vi.对结构刚度的影响c)应力腐蚀的三个阶段…i.第一阶段：局部腐蚀(点蚀)造成小腐蚀坑和其它形式的应力集中，以后又发展成为微小裂纹；（局部腐蚀）ii.第二阶段：在腐蚀作用下，裂纹尖端处不断地被腐蚀掉，而在应力作用下又不断地产生新的表面，这些表面又进一步被腐蚀。在应力和腐蚀的交替作用下裂纹逐渐扩展；（裂纹扩展）iii.第三阶段：当裂纹扩展到一临界值，裂纹就在应力作用下以极快的速度扩展造成脆性断裂。（断裂）d)减小焊接残余应力的措施i.在焊接过程中调节内应力…1.设计措施….a)采用刚性加热减应区方法减小焊缝残余应力；b)采用分段焊方法减小焊缝残余应力，减小焊后收缩变形。c)在保证结构强度的前提下，尽量减少焊缝截面尺寸和长度；d)焊缝不止应避免集中，相邻焊缝最小距离要符合相关要求；e)尽量避免三轴交叉焊缝；f)采用刚性较小的接头形式；g)焊缝尽量不布置在工作应力最严重的区域和断面突变处，减小应力集中。2.工艺措施…a)留余量法b)刚性固定法c)采用合理的焊接顺序和方向：d)先焊收缩量大的焊缝；e)先焊工作时