第一章  绪论

1、焊接结构的优点：（1）焊接接头系数大；（2）水密性和气密性好；（3）重量轻，省材料；（4）厚度基本不受；（5）结构设计简单；（6）生产周期短，成本低。

2、焊接结构的特点：

（1）焊接结构的应力集中范围比铆接结构大；

（2）焊接结构是非均匀体，焊接接头具有较大的性能不均匀性；

（3）焊接结构具有较大的焊接应力和变形；

（4）焊接结构的整体性强，止裂性差；

（5）焊接结构对材料敏感；

（6）焊接接头对温度敏感。

第三章  焊接应力和变形

1、内应力是指在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。

2、内应力分类：按照分布范围可分为宏观内应力、微观内应力和超微观内应力。

按产生机理可分为温度应力（热应力）、残余应力、相变应力和安装应力。

热应力是由于构件受热不均匀产生的。

3、基本概念

（1）焊接瞬时应力：随焊接热循环过程而变化的应力。

（2）焊接残余应力：焊后在室温条件下，残余在构件中的内应力。

（3）焊接瞬时变形：随焊接热循环过程而变化的变形。

（4）焊接残余变形：焊后在室温条件下，残留在工件上的变形。

4、内部变形率： 

若|ε|<εs，则为弹性变形，恢复到原始T0时，长度不变。

若|ε|>εs，则为弹性变形、塑性变形，若ε<0，则为压缩变形；若ε>0，则为拉伸变形，恢复到原始T0时，长度比初始长度减小△Lp。

5、影响焊接应力与变形的主要因素

（1）焊缝及其附近不均匀加热的范围和程度，也就是产生热变形的范围和程度。

影响因素包括焊缝的尺寸、数量、位置、母材的热物理性能（导热系数、比热及热膨胀系数）和力学性能（弹性模量、屈服极限）、焊接工艺方法（气焊、焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊、电子束焊等等）、焊接规范参数（电流、电压、速度、预热温度、焊后缓冷及焊后热处理等）、施焊方法（直通焊、跳焊、分段退焊等）。

（2）焊件本身的刚度和受到周界的拘束程度，也就是阻止焊缝及其附近产生热变形的程度。

影响因素包括焊件的尺寸和形状、胎夹具的应用、焊缝的布置及装配焊接顺序等。

焊接构件在拘束小的条件下，焊接应力大，变形小；反之，焊接应力小，变形大。

6、焊接残余变形的种类：纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形、螺旋变形。

7、影响纵向残余应力的因素：

（1）材料的热物理性能：热膨胀系数

相同条件下变形大小：铝>不锈钢>低碳钢

（2）焊接工艺方法

CO2气保焊的变形比焊条电弧焊的小

（3）焊接参数：电流、电压、速度、预热温度

线能量越大，变形越大。

（4）焊接层数

分层越多，每层线能量越小，变形越小，但角变形变大。

（5）施焊方法

直通焊的变形比分段退焊的要大。

（6）间断焊的变形比连续焊的要小。

8、横向收缩变形的影响因素

堆焊条件下，线能量越大，变形越大；板厚越大，变形越小。

定位焊缝长，间距小，及装夹刚度大，则ΔB小。多道焊时，每道焊缝产生的ΔB逐层递减。

焊缝金属量增加，横向收缩变形增加；

对横向收缩变形的影响：V形坡口比同厚度的X形坡口大；坡口角和间隙越大，ΔB也越大；对接焊缝的ΔB大于堆焊焊缝和角焊缝；气焊ΔB>手工电弧焊>埋弧焊。

9、角变形的影响因素

坡口角度↑，角变形β↑；单层埋弧焊，电渣焊和电子束焊的β↓；多层焊的β>单层焊；多道焊>多层焊；道数、层数↑，β↑；焊接X形坡口，先焊的那面>后焊的那面；线能量越大，角变形越大。

10、焊接应力的产生

由于加热过程中，焊缝及其附近金属要膨胀，远离焊缝的金属要阻止其伸长，给他一个压缩的作用，产生压缩塑性变形和压缩弹性变形；冷却过程中，它要受到拉伸，他产生的拉伸变形不足以抵消加热过程中产生的压缩塑性变形，这样焊后焊缝及其附近的金属还残留一部份压缩塑性变形，它试图要缩短，而远离焊缝金属要阻止其缩短，所以说焊缝及其附近金属受到拉伸作用，而远离焊缝金属加热过程中没有产生塑性变形，焊缝金属要缩短的话，给远离焊缝金属一个压应力的作用，焊后焊缝及其附近金属受到拉应力作用。

11、预防焊接变形的措施：

（1）设计措施

a.合理选择焊缝尺寸：保证承载能力和焊缝质量的前提下，选择最小的焊缝尺寸。

1）低合金钢对冷却速度敏感，焊缝尺寸稍长；

2）丁字接头和十字接头开坡口焊透；

3）对接焊缝选择焊缝金属最少的坡口形式；

4）薄板结构采用接触点焊。

b.尽可能减少焊缝的数量。

c.合理安排焊缝的位置。

（2）工艺措施

反变形：事先估计好结构的大小和方向，然后在装配时给于一个相反方向的变形，与焊接变形相抵消，使焊后构件保持设计要求。

刚性固定法：采用胎夹具或临时支撑等方法，增加结构在焊接时的刚性，来焊接变形。

合理选择焊接方法和规范：选择能量密度高的焊接方法，采用较小的线能量，对于不对称的构件，通过采用不同的焊接参数来控制和调节变形

选择合理的装配焊接顺序：把结构适当分成部件，分别装配焊接，然后拼成整体，使不对称焊缝的收缩量较大的焊缝比较自由的收缩而不影响整体结构。

12、矫正焊接变形的方法：

（1）机械矫正法：压力机矫正、锤击矫正、碾压矫正、逐点挤压法、三点弯曲矫正、翼缘角变形矫正。

（2）火焰矫正法

13、焊接残余变形的种类：纵向残余应力、横向残余应力、沿板厚方向上的残余应力。

14、调节焊接残余应力的措施

设计措施：尽量减少焊缝的尺寸和数量；避免焊缝过分集中；采用刚性小的接头形式；在残余拉应力区，应避免几何不连续性。

工艺措施：

（1）采用合理的焊接顺序和方向。

先焊接对接焊缝，后焊接角焊缝；先焊接错开的短焊缝，后焊接直通长焊缝，注意交叉焊缝的质量；先焊接在工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。

（2）降低焊缝的拘束度。

增加焊缝的自由度，减小热塑性变形。

（3）锤击焊缝或碾压焊缝附近。

使焊缝得到延展，从而降低内应力，锤击应保持均匀、适度，避免锤击过分产生裂纹。

（4）加热减应区法。

局部加热造成反变形。

15、焊后消除残余应力的方法：整体高温回火、局部高温回火、机械拉伸法、温差拉伸法、振动法、爆炸法、碾压法等。

16、解释切条法间隙大小的问题。

因为纵向残余应力的分布是焊缝及其附近的金属受到拉应力，在加热过程中其被拉伸，产生压缩塑性变形，冷却后要缩短，锯开后拉应力被释放出来，锯口间隙变大；远离焊缝的金属受到压应力，被锯开后压应力被释放出来，锯口间隙变小。

第四章  焊接接头

1、焊接接头的组成：焊缝金属、熔合区、热影响区和母材。

2、热应变脆化：金属在200~400℃范围内发生塑性变形所引起的塑性、韧性下降的现象。

3、低强组配接头的强度随相对厚度降低而上升的原因。

这是因为低强焊缝的塑性变形受到高强母材的拘束，使焊缝金属处于三向受拉状态而强化的结果。当接头受拉伸，低强焊缝进入塑性状态，高强母材仍处于弹性状态时，母材对焊缝的塑性变形是具有拘束作用的，其拘束能力的大小，是随相对厚度而变化的。当相对厚度减小，径向应力就增大，焊缝塑性变形就更加困难，从而接头强度上升。当相对厚度极薄时，焊缝金属的脆断转变温度会大大提高。即使在室温条件下，其断口也含有脆断破坏面，这说明焊缝金属是处在三向受拉状态，几乎达到不可能产生塑性变形的程度，使接头强度上升而突然破断的。

3、GB/T 324-2008 焊缝符号表示法

4、焊缝的基本形式：对接焊缝、角焊缝。

5、焊接接头的形式：对接接头、搭接接头、十字接头、角接头、端接接头。

6、焊接接头的工作应力分布及影响因素

（1）对接接头

r↓，KT↑；  h↑，KT↑；  θ↑，KT↑。

措施：打磨焊趾部位，使其圆滑过渡。

（2）T形接头

K↓，KT↑；  θ↑，KT↑；  r↓，KT↑。

措施：增大焊脚尺寸，打磨焊趾部位，使其圆滑过渡。把角焊缝变成对接焊缝，开坡口焊透。

（3）搭接接头

1）正面角焊缝

减小夹角和增大熔深，可降低应力集中。

GB50017-2003《钢结构设计规范》规定：搭接接头长度不得小于焊件较小厚度的5倍，并不得小于25mm。

原因：搭接接头焊趾和焊根部位存在较大应力集中；承受拉力时接头上附加弯曲应力；弯曲应力随搭接长度的减小而增大。

2）侧面角焊缝

与焊缝尺寸、断面尺寸和外力作用点有关。

GB50017-2003《钢结构设计规范》规定：侧面角焊缝的最大长度不得大于60倍的焊脚尺寸。

原因：侧面角焊缝工作应力分布是两端大在，中间小；随侧面角焊缝长度的增大，工作应力分布的不均匀性就越大，应力集中越严重。

11、强度计算（教材P157~P178有一道计算题）

主要为对接接头、搭接接头的受压和受拉。

第五章  焊接结构的脆性断裂

1、影响结构脆断的因素

（1）应变时效

冷应变时效：钢材经过冷加工产生一定的塑性变形，随后又经过150~450℃温度范围的加热，就会引起脆断，称为冷应变时效。

热应变时效：在焊接时金属受到热循环和热塑性变形循环的作用，特别是近缝区的刻槽尖端附近或多道焊中已焊完焊道中的缺陷附近，在焊接过程中产生焊接应力-应变的集中，将产生较大的塑性变形。在一定的热循环作用下，引起的时效，称为热应变时效。

塑性变形量越大，越容易发生脆断。

在150~450℃范围内，250℃左右发生塑性变形时对脆断影响最大。

措施：焊后550~560℃热处理。

（2）线能量

焊接热影响区的组织主要取决于线能量。线能量过小时，冷却速度过快，易产生淬硬组织，产生裂纹，易脆断；线能量过大时，冷却速度慢，高温停留时间长，晶粒粗大，引起脆化，易脆断。

对于厚板的焊接，可以通过多层焊以适当小的规范来焊接来获得满意的韧性。原因：多道焊时，每道焊缝的焊接热循环对前一道焊缝有热处理的作用，细化晶粒，提高韧性，还可以消除焊缝中的扩散氢。

（3）角变形

对接接头在焊趾部位存在应力集中，受力较大，易产生脆断。

当对接接头存在较大角变形时，外加一拉力，由于轴线不通过重心而产生附加弯矩，附加弯矩在焊趾部位产生附加拉应力，又与原来的拉应力叠加，使得焊趾部位的应力集中更大，易发生脆断。

附加弯矩与角变形有关，角变形越大，附加弯矩越大，附加的拉应力越大，越易发生脆断。

措施：在熔合线上堆焊一层“防裂焊缝”，使用钨极氩弧焊重熔，使焊趾部位圆滑过渡。

（4）残余应力

有缺口有残余应力的试件，在韧脆转变温度以上时，断裂应力σ>σs，发生塑性断裂；在韧脆转变温度以下时，断裂应力σ<σs，发生脆性断裂。残余应力在韧脆转变温度之上时无影响，在韧脆转变温度之下时有影响。

有缺口无残余应力的试件，在韧脆转变温度以上，断裂应力σ=σb，在韧脆转变温度以下，断裂应力σ=σb但σ>σs也发生塑性断裂。

无缺口无残余应力的试件，σ=σb。

残余应力的分布：焊缝附近的部位是拉应力区，离焊缝越远，影响越小。

残余应力对裂纹的影响：在拉应力区，加速裂纹扩展；在压应力区能够阻止裂纹的扩展并改变裂纹的扩展方向。

（5）焊接缺陷

焊接缺陷提高金属脆断倾向。

焊接缺陷对脆断的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。

种类：平面类型缺陷（如未熔合、未焊透、裂纹）比带圆角的缺陷（如气孔、夹渣）影响大；

尺寸：缺陷数量越多，缺陷尺寸越大，应力集中越大，对脆断的影响就越大；

方向：与作用力方向垂直的平面缺陷影响比其它方向大；

位置：表面缺陷比内部缺陷影响大，位于残余拉应力场内的缺陷比残余压应力场的大，位于应力集中区的缺陷（如焊趾部位裂纹）的影响比均匀应力场中同样缺陷影响大。

高强钢对缺口敏感性大，易引起应力集中，脆断倾向大。

2、焊接接头的抗开裂性能实验：韦尔斯宽板拉伸试验、尼伯林克试验、断裂韧度试验。

3、止裂试验：罗伯逊止裂试验、双重拉伸试验。

4、正确选用材料的含义：在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合线的最脆部位应有足够的抗开裂性能，母材应具有一定的止裂性能；随着钢材强度的提高，断裂韧度和工艺性一般都有所下降，因此不宜采用比实际需要温度更高的材料，特别不应该单纯追求强度指标，而忽视其他性能。

5、采用合理的焊接结构设计原则：

（1）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中：在一些结构界面改变的地方，必须设计成平缓过渡，不要形成尖角。在设计中应尽量采用应力集中系数小的对接接头。不同厚度的构件的对接接头应当尽可能采用圆滑过渡。避免和减少焊缝的缺陷。避免焊缝的密集。

（2）尽量减小结构刚度，降低应力集中和附加应力的影响。

（3）不采用过厚的界面。

（4）重视附件或不受力焊缝的设计。

（5）减小和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。

6、合理安排结构的制造工艺

（1）严格遵守工艺规程中的一切规定；

（2）不允许采用过大的线能量；

（3）减少和消除焊接变形和残余应力；

（4）严格质检，消除缺陷；

（5）焊后处理，消除残余应力；

（6）应力时效问题；

（7）避免增焊临时装置，不能随意引弧。

第六章  焊接接头和结构的疲劳强度

1、影响焊接接头疲劳强度的因素

（1）应力集中的影响

应力集中降低疲劳强度。

对接接头

r↓，疲劳强度↓；  h↑，疲劳强度↓；  θ↑疲劳强度↓。

措施：打磨焊趾部位，使其圆滑过渡。

T形接头或十字接头

工作焊缝：K↓，疲劳强度↓；  θ↑，疲劳强度↓；  r↓，疲劳强度↓。

措施：增大焊脚尺寸，打磨焊趾部位，使其圆滑过渡；开坡口焊透。

（2）近缝区金属性能变化的影响

低碳钢的近缝区金属力学性能变化对疲劳强度影响较小。

高强钢

高组配接头的力学性能对疲劳强度无影响（取决于母材）；

低组配接头的疲劳强度取决于相对厚度h/d：h/d>0.75时取决于低强金属；h/d<075时随相对厚度减小而提高。

（3）残余应力的影响

当构件中应力振幅大于极限振幅时，发生疲劳破坏，小于极限振幅时是安全的。

随σm增加，极限应力振幅值减小，疲劳强度降低。

残余拉应力与外加应力叠加，σm增加，σa减小，疲劳强度降低。

残余压应力与外加应力叠加，σm减小，σa增加，疲劳强度变大。

在RCS线上，任意一点横纵坐标之和等于屈服极限σs。

r增加，在C点右边，达到疲劳极限之前，首先达到屈服极限σs，残余应力部分消除，减小了残余应力对疲劳强度的影响。

r减小，在C点左边，首先达到疲劳极限，发生疲劳破坏，此时残余应力对疲劳强度影响大。

（4）缺陷的影响

焊接缺陷降低金属疲劳强度。

焊接缺陷对疲劳强度的影响与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。

种类：平面类型缺陷（如未熔合、未焊透、裂纹）比带圆角的缺陷（如气孔、夹渣）影响大；

尺寸：缺陷数量越多，缺陷尺寸越大，应力集中越大，对脆断的影响就越大；

方向：与作用力方向垂直的平面缺陷影响比其它方向大；

位置：表面缺陷比内部缺陷影响大，位于残余拉应力场内的缺陷比残余压应力场的大，位于应力集中区的缺陷（如焊趾部位裂纹）的影响比均匀应力场中同样缺陷影响大。

高强钢对缺口敏感性大，易引起应力集中，降低疲劳强度。

2、焊接顺序对疲劳强度影响的对比实验分析

焊接时，长焊缝的残余应力大于短焊缝的残余应力。

试件a，先焊长焊缝，焊后在工件中产生了较大的残余应力，焊接短焊缝时，对长焊缝有一个加热回火的作用，消除了长焊缝产生的较大的残余应力，而保留了焊接短焊缝时产生的较小的残余应力；试件b，先焊短焊缝，焊后在工件中产生了较小的残余应力，焊接长焊缝时，对短焊缝有一个加热回火的作用，消除了短焊缝产生的较小的残余应力，而保留了焊接长焊缝时产生的较大的残余应力；所以试件a的残余应力小于试件b的残余应力。

残余应力在应力比r越小的情况下影响越大，而此实验中r=-1，因此试件b的残余应力对疲劳强度影响较大，所以试件a的疲劳强度大于试件b的疲劳强度。下载本文