焊接结构习题.doc

焊 接 结 构

一、焊接结构的特点
焊接结构的特点包括：
（1）焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大。
因为焊接结构中焊缝与基本金属组成一个整体，并在外力作用下与它一起变形。因此焊缝的形状和布置必然影响应力的分布，使应力集中在较大的范围内变化。从而严重影响结构的脆断和疲劳。
（2）焊接结构有较大的残余应力和变形
绝大多数焊接方法采用局部加热，故不可避免会产生内应力和变形。焊接应力和变形不但容易引起工艺缺陷，而且影响结构的承载能力，此外还影响结构的加工精度和尺寸稳定性。
（3）焊接结构具有较大的性能不稳定性
由于焊缝金属的成分和组织与基本金属不同，以及焊接接头所经受的不同热循环和热塑性应变循环，焊接接头不同区域具有不同性能，形成一个不均匀体。
（4）焊接接头的整体性
这是区别于铆接结构的一个重要特性，一方面赋予焊接结构高密封性和高刚度，另一方面由带来了问题，例如止裂性能差。

二、影响脆性断裂的因素
（一）应力状态的影响
（1）不同的应力状态：如果最大正应力首先达到正断抗力，则发生脆性断裂，如果剪应力先达到屈服极限，则产生塑性变形，形成塑性断裂，达到剪断抗力时，产生剪断。
（2）不同材料同一应力状态。
（3）缺口效应：虽然整个结构件处于单轴拉伸状态，但由于其局部设计不佳或存在缺陷导致出现三轴应力状态的缺口效应。
（二）温度的影响
随着温度的降低，出现脆性断裂的倾向变大。脆性转变温度越低，可使用温度范围越大，材料抗脆断能力好。
（三）加载速率的影响
提高加载速率会促使材料脆性破坏。当有缺口时，由于缺口处有应力、应变集中，缺口扩展速率增大，导致脆性断裂的发生。
（四）材料状态的影响
（1）厚度的影响：厚度增大，脆断倾向增大。
原因：a、厚板在缺口处易形成三轴拉应力，因为厚度方向的收缩和变形受到限制，形成所谓的平面应变状态，使材料变脆。
b、冶金因素：厚板轧制次数少，终轧温度高，组织疏松，内外层均匀性差。
（2）晶粒度影响：晶粒越细，脆性—延性转变温度越低。
（3）晶格结构：面心立方晶格较好。
（4）化学成分：C、N、O、H、S、P增加脆性，Mn、Ni、Cr、V适量加入有助于减少脆性。
三、消除残余应力的措施
（一）焊前和焊接过程中：
1、设计方面：设计时避免焊缝密集交叉；尽量采用局部减小刚度法。
2、合理施焊工艺：
（1）采用合理的焊接顺序和方向：尽量使焊缝收缩自由，避免夹固状态，先焊收缩量大的焊缝；先焊工作时受力较大的焊缝；在拼板时，先焊错开的短焊缝，后焊直通直焊缝。
（2）采用反变形法。
（3）锤击或碾压焊缝。
（4）在结构适当部位加热使之伸长，使温度场均匀。
（5）淬火倾向强的材料，焊前预热，焊后缓冷。
（二）焊后消除残余应力的措施
1、热处理法：
整体高温回火是将整个焊接结构加热到一定温度，然后保温一段时间，再冷却。消除内应力的效果主要取决于加热的温度，材料的成分和组织，也和应力状态，保温时间有关。
局部高温回火处理是把焊缝周围的一个局部区域进行加热。由于其带有局部加热的性质，效果不如整体处理，只能降低应力峰值，而不能完全消除。但可以改善焊接接头的机械性能，仅限用于较简单的焊接接头。
2、机械拉伸法（过载法）
因为焊接残余内应力主要由于局部压缩塑性变形引起，而外载拉伸作用下产生的拉伸塑性变形与其方向相反，所以加载应力越高，压缩塑性变形就抵消的越多，内应力也就消除的越彻底。
3、温差拉伸法（低温消除应力法）
也是利用拉伸来抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，本法采用局部加热的温差来拉伸焊缝区。具体做法：在焊缝两侧各用一个适当宽度的氧-乙炔焰矩加热，在其后一定距离用一个水管喷头冷却，两者以相同速度向前移动，这样就造成了一个两侧温度高，焊缝区温度低的温度场，两侧金属受膨胀对温度较低的区域进行拉伸。
4、振动法
试验证明：当变载荷达到一定数值，经过多次循环加载后，结构中内应力逐渐降低，而且该方法设备简单、价廉、处理成本低、时间短，没有高温回火金属氧化问题。
5、爆炸法

四、疲劳断裂与解理断裂其宏、微观断口特征
疲劳断裂宏观断口有疲劳源、扩展区和瞬间断裂区，扩展区呈海滩波纹状、贝壳状花纹；微观断口为每一次应力循环将在断裂表面产生一道辉纹。
解理断裂的宏观断口平整，有金属光泽，呈现放射状人字纹花样，人字纹尖锋指向裂纹源，其微观特征形态为河流花样（河流汇合方向为裂纹扩展方向）、舌状花样、扇形花样等。

五、对接接头坡口选择的原则
对接接头坡口型式的选择主要取决于板材厚度、焊接方法和工艺过程，必须考虑：
1、焊接材料的消耗量，同等厚度的接头，采用X型坡口比V型坡口能省较多材料。
2、可焊到性：要根据构件能否翻转及难易，及内外两侧的焊接条件而定。
3、坡口加工难易：V型和X型坡口可用气割或等离子切割，亦可用机械切削加工；但U型和双U型坡口一般需用刨边机加工。
4、焊接应力和变形。采用不适当的坡口型式容易产生较大的焊接变形。

六(七)、残余变形的类型。若两宽不等，中等厚度平板对焊，焊后产生哪些变形？
焊接残余变形大致可分为七类：
1、纵向收缩变形；
2、横向收缩变形；
3、挠曲变形；
4、角变形；
5、波浪变形；
6、错边变形；
7、螺旋形变形；
两宽度不等，中等厚度平板对接，焊后会产生：
1、纵向收缩变形；
2、横向收缩变形；
3、挠曲变形；
4、角变形。

七（八）、横向残余应力产生原因及分布特征
横向残余应力分为两个组成部分：一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩引起的，用σy’表示；另一个是由于焊缝及其附近的塑性变形区的横向收缩的不同时性引起的，用σy’’表示。
以对接接头为例，σy’和σy’’的分布
σy’：焊缝两端为压应力，中心部分为拉应力，如图所示，并且应力值的大小受焊缝长度影响，弯曲变形趋势越小。
σy’’:分布与焊接方法、分段方法以及焊接顺序有关，先焊先收缩，后焊后收缩，后收缩部分受到先收缩部分的阻碍，因而形成了后焊的受拉，先焊的受压。

八（十）、角焊缝强度按剪应力τ’计算，焊缝计算高度a=K/1.414=0.7K

解：[P]=[τ’]*0.7K*2*L=100*0.7*10*2*100=140(kN)

九（六）、影响疲劳强度的因素及提高疲劳强度的措施
影响疲劳强度的因素有：
1、应力集中的影响：
（1）结构的局部设计使应力集中系数变大，从而降低疲劳强度。
（2）接头形式：对接焊缝由于形状变化不大，因此它的应力集中比其他形式接头要小，但过大余高和过渡角会增加应力集中，使接头疲劳强度下降；丁字接头过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高；搭接接头的疲劳强度是最低的。
（3）焊接缺陷：其影响程度取决于缺陷种类、尺寸、方向和位置。平面型大于体积型，表面缺陷、位于残余拉应力场内的缺陷、位于应力集中区的缺陷和与作用力方向垂直的缺陷影响大。
2、近缝区金属性能变化的影响
低碳钢、低合金钢近缝区金属机械性能的变化对接头疲劳强度影响较小；对于高组配即软夹硬的焊接接头，力学性能不均匀性对接头疲劳强度基本没有影响，而低组配即硬夹软的焊接接头，疲劳强度取决于夹层尺寸。
3、残余应力的影响
构件中存在残余拉应力时，平均应力增大，极限应力幅降低，构件的疲劳强度降低。相反，存在残余压应力时，构件疲劳强度提高。
4、材料性能的影响
当不存在应力集中时，σ越高，疲劳强度σR越高。
5、结构尺寸：对于大件，疲劳强度相对较低。

提高疲劳强度的措施：
1、降低应力集中
（1）采用合理的构件结构形式，减少应力集中，提高疲劳强度。
（2）尽量采用应力集中系数小的焊接接头，如对接接头。
（3）采取综合措施提高角焊缝接头的疲劳强度，如合理选择角接板形状，焊缝根部保证熔透等。
（4）开缓和槽使力线绕开焊缝的应力集中处。
（5）采用表面机械加工方法，消除焊缝及其附近的各种刻槽。
（6）也可采用电弧整形法使焊缝与基本金属间平滑过渡。
2、调整残余应力场
（1）整体处理
对于循环应力较小或应力循环系数较低，应力集中较高时，退火往往有利；超载预拉伸法可以提高接头的疲劳强度。
（2）局部处理
采用局部加热或挤压可以调节焊接残余应力场，使应力集中处产生残余压应力，提高疲劳强度。
3、改善材料的机械性能
表面强化处理，用小轮挤压或用锤轻打焊缝及表面过渡区，或喷丸处理焊缝区，都可以提高接头的疲劳强度。因为材料经过这种处理后，不但形成有利的表面压应力，而且使材料局部加工强化，因而可以提高疲劳强度。
4、特殊保护措施
采用一定的保护涂层，如在应力集中处涂上加填料的塑料层。

十（九）、脆断倾向的焊接结构应注意哪些原则？

1、正确选用材料
选择材料的基本原则是既要保证结构的安全使用，又要考虑经济效果。一般地说，应使所选用的钢材和焊接用填充金属保证在使用温度下具有合格的缺口韧性，其含义是：
（1）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。
（2）随着钢材强度的提高，断裂韧性和工艺性一般都有所下降。因此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。特别不应该单纯追求强度指标，忽视其它性能。
2、采用合理的焊接结构设计
设计有脆断倾向的焊接结构，应当注意以下几个原则：
（1）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中
（2）在满足结构的使用条件下，应当尽量减少结构的刚度，以期降低应力集中和附加应力的影响。
（3）不采用过厚的截面。通过降低许用应力值来减少脆断的危险性是不恰当的，因为这样做的结果将使厚度过分增大，而增大厚度会提高钢材的转变温度、降低其断裂韧性值，反而容易引起脆断。
（4）对于附件或不受力焊缝的设计，应和主要承力焊缝一样给予足够重视。因为脆性裂纹一旦由这些不受到重视的接头部位产生，就会扩展到主要受力的元件中，使结构破坏。
（5）减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。
3、用断裂力学方法评定结构安全性
为防止焊接结构的脆断，还应加强对结构制造质量的监督，采用多种方法进行质量的无损检验。对一些重要设备应该定期进行质量检查，甚至在使用期间不间断地进行监控—如声发射监测。检查时发现的缺陷可能是制造时产生的，也可能是使用中产生的。有些缺陷难以修复，或在修复过程中可能引起新的问题使修复工作得不偿失。在这种情况下进行缺陷严重性的评定十分重要。

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