《焊接變形與應(yīng)力》課件

焊接變形與應(yīng)力焊接變形與應(yīng)力是焊接過程中常見的現(xiàn)象，對焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能有重要影響。焊接過程中的熱量輸入會導(dǎo)致材料局部溫度升高，冷卻后材料體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生焊接變形。課程內(nèi)容焊接變形焊接過程中，材料的熱膨脹和收縮導(dǎo)致的形狀改變。焊接變形影響零件尺寸精度和結(jié)構(gòu)完整性。焊接殘余應(yīng)力焊接過程產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，即使在焊接完成后仍然存在。殘余應(yīng)力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞、裂紋和失效。影響因素分析焊接參數(shù)、材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素都會影響焊接變形和殘余應(yīng)力。控制和消除措施采用合理的焊接工藝、材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計來控制和消除焊接變形和應(yīng)力。1.焊接變形的成因熱膨脹系數(shù)差異焊接過程中的高溫會使金屬材料發(fā)生熱膨脹。不同金屬材料的熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致焊接接頭處產(chǎn)生應(yīng)力，進而引起變形。焊接約束焊接時，周圍的結(jié)構(gòu)會限制焊接接頭自由膨脹和收縮。這些約束力會產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致焊接變形。焊接接頭形狀和尺寸也會影響約束力的大小。焊接熱輸入焊接熱輸入是指焊接過程中熱量輸入的大小。熱輸入過高會導(dǎo)致焊接接頭溫度過高，熱影響區(qū)更大，更容易產(chǎn)生焊接變形。焊接材料的特性金屬材料的強度、硬度、塑性和韌性等特性也會影響焊接變形。例如，高強度鋼的塑性較低，更容易產(chǎn)生焊接變形。2.焊接變形的類型熱影響區(qū)變形熱影響區(qū)是焊接過程中受熱影響的區(qū)域，由于熱量的不均勻分布，會發(fā)生形狀變化。角變形焊接接頭處由于熱量的集中，會造成角部形狀的變化，例如彎曲或扭曲。翹曲變形焊接過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會導(dǎo)致工件發(fā)生翹曲變形，這是焊接變形中最常見的一種類型?？s短變形焊接過程中，金屬材料的熔化和凝固會導(dǎo)致焊接接頭的縮短變形，這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的尺寸誤差。3.焊接變形的影響因素?zé)彷斎牒附訜彷斎脒^大，材料溫度升高，冷卻速度慢，變形加大。熱輸入過小，焊縫金屬強度低，容易產(chǎn)生裂紋。焊接工藝參數(shù)焊接電流、電壓、焊接速度、焊接方法等參數(shù)都影響變形，需要根據(jù)材料和工件尺寸進行合理選擇。材料性質(zhì)不同材料的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、屈服強度等特性差異，導(dǎo)致變形程度不同。例如，低碳鋼容易發(fā)生變形。約束條件工件的形狀、尺寸、夾緊方式等對變形有較大影響。例如，約束條件越多，變形越小。4.焊接變形的控制措施11.合理的焊接工藝選擇合適的焊接方法、焊接順序、焊接參數(shù)等，可以有效地控制焊接變形。22.焊接夾具使用合適的夾具固定工件，可以防止焊接過程中工件的變形。33.預(yù)熱和后熱處理通過預(yù)熱和后熱處理可以降低焊接應(yīng)力和變形，提高焊接質(zhì)量。44.焊接變形補償在焊接過程中，可以通過一些方法來補償焊接變形，例如預(yù)留變形量、采用變形控制技術(shù)等。5.焊接變形的檢測方法測量儀器常用的測量儀器包括游標卡尺、千分尺、坐標測量機等，用于測量焊件的尺寸變化和變形程度。光學(xué)測量利用光學(xué)原理進行測量，例如投影儀、光學(xué)測量系統(tǒng)等，可以獲得焊件的整體變形情況。三維掃描三維掃描技術(shù)可以獲取焊件表面的三維模型，進而分析變形情況，并進行精度評估。應(yīng)變片應(yīng)變片可以測量焊件表面的應(yīng)變，進而推算出焊件的變形情況。6.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生熱量不均勻分布焊接過程產(chǎn)生高溫，金屬快速加熱冷卻，導(dǎo)致局部區(qū)域溫度梯度。熱膨脹和收縮不同區(qū)域的溫度變化導(dǎo)致金屬發(fā)生不均勻膨脹和收縮。晶格畸變金屬內(nèi)部的晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終形成殘余應(yīng)力。7.焊接殘余應(yīng)力的類型第一類殘余應(yīng)力第一類殘余應(yīng)力是指焊接件內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，它會降低焊接件的強度和韌性，并可能導(dǎo)致焊接件的脆性斷裂。第二類殘余應(yīng)力第二類殘余應(yīng)力是指焊接件內(nèi)部產(chǎn)生的壓應(yīng)力，它可以提高焊接件的強度和韌性，并可以防止焊接件的疲勞斷裂。8.焊接殘余應(yīng)力的影響因素11.材料特性焊接材料的強度、塑性、熱膨脹系數(shù)等都影響殘余應(yīng)力的大小和分布。22.焊接工藝參數(shù)焊接電流、焊接速度、焊接熱輸入等都會對殘余應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響。33.結(jié)構(gòu)形式焊件的形狀、尺寸、約束條件等都會影響殘余應(yīng)力的分布和大小。44.環(huán)境溫度環(huán)境溫度的變化會影響焊接材料的熱膨脹系數(shù)，進而影響殘余應(yīng)力的分布。9.焊接殘余應(yīng)力的測量方法應(yīng)變片法應(yīng)變片法是一種常用的測量焊接殘余應(yīng)力的方法。它利用應(yīng)變片測量焊接結(jié)構(gòu)中由于殘余應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變，然后根據(jù)應(yīng)變和材料的彈性模量計算殘余應(yīng)力。X射線衍射法X射線衍射法是一種無損檢測方法，它利用X射線照射焊接結(jié)構(gòu)，通過分析衍射圖樣來測量殘余應(yīng)力。該方法可以精確測量表面的殘余應(yīng)力。鉆孔法鉆孔法是一種傳統(tǒng)的測量殘余應(yīng)力的方法。它通過在焊接結(jié)構(gòu)上鉆孔，并測量鉆孔引起的應(yīng)變變化來計算殘余應(yīng)力。數(shù)字圖像相關(guān)法數(shù)字圖像相關(guān)法是一種新型的測量殘余應(yīng)力的方法。它通過在焊接結(jié)構(gòu)上粘貼一些標記點，然后用數(shù)字相機拍攝圖像，通過分析圖像變化來計算殘余應(yīng)力。10.焊接殘余應(yīng)力的消除措施熱處理熱處理可以有效地消除或降低焊接殘余應(yīng)力。通過加熱和冷卻工件，可以改變材料的晶體結(jié)構(gòu)，從而減小應(yīng)力。機械加工機械加工可以將焊接過程中產(chǎn)生的變形和應(yīng)力去除。例如，通過研磨、銑削或車削等方法，可以將表面上的應(yīng)力層去除。應(yīng)力消除通過施加與殘余應(yīng)力方向相反的應(yīng)力，可以抵消殘余應(yīng)力。例如，可以采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，在焊接前將工件預(yù)先拉伸或壓縮，從而抵消焊接過程中的應(yīng)力。焊接變形與殘余應(yīng)力的關(guān)系焊接變形和殘余應(yīng)力之間存在密切的聯(lián)系。焊接變形是由于焊接過程中的熱輸入導(dǎo)致金屬材料發(fā)生熱膨脹和收縮而產(chǎn)生的，而殘余應(yīng)力則是焊接變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力無法完全釋放而殘留在金屬材料中的應(yīng)力。1焊接變形焊接過程中產(chǎn)生的熱變形2殘余應(yīng)力焊接變形后殘留的應(yīng)力3影響因素焊接參數(shù)、材料特性等4控制措施預(yù)熱、冷卻、工藝參數(shù)控制等焊接變形和殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性和使用壽命有重要影響。因此，在焊接過程中需要采取有效的措施來控制焊接變形和殘余應(yīng)力，保證焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全。12.焊接結(jié)構(gòu)件的熱變形分析焊接過程中的熱量輸入會引起金屬材料的溫度升高，導(dǎo)致材料發(fā)生熱膨脹和收縮。焊接熱變形分析可以幫助預(yù)測焊接過程中產(chǎn)生的熱變形量，并采取相應(yīng)的措施來控制變形。熱變形分析主要涉及溫度場分析、應(yīng)力分析和變形分析，可以利用有限元分析軟件進行模擬，預(yù)測焊接過程中的溫度變化、應(yīng)力分布和變形趨勢。13.焊接變形的理論模型1彈塑性力學(xué)模型基于材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，分析焊接過程中熱應(yīng)力和變形。2有限元法模型將焊接結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，模擬焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場和變形場。3熱彈塑性模型考慮材料的熱物理特性和塑性變形，模擬焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場和變形場。14.焊接變形的數(shù)值模擬建立模型首先，需要建立焊接結(jié)構(gòu)的幾何模型，并定義材料屬性和焊接參數(shù)，例如焊縫尺寸、焊絲材料和焊接電流。網(wǎng)格劃分將模型進行網(wǎng)格劃分，將模型分解成多個單元，以便進行數(shù)值計算。邊界條件設(shè)置焊接結(jié)構(gòu)的邊界條件，例如固定約束和施加載荷，以模擬實際焊接過程中的邊界條件。求解分析使用有限元軟件進行數(shù)值分析，計算焊接過程中產(chǎn)生的溫度場、應(yīng)力場和變形場。結(jié)果后處理對數(shù)值分析的結(jié)果進行后處理，例如繪制溫度分布圖、應(yīng)力分布圖和變形圖，并分析焊接變形的影響。15.焊接變形的實驗測試方法應(yīng)變片法應(yīng)變片法是最常用的焊接變形測試方法之一。它通過測量焊接過程中材料的應(yīng)變來確定變形量。應(yīng)變片法具有精度高、測量范圍廣、操作簡單等優(yōu)點。光學(xué)測量法光學(xué)測量法利用光學(xué)原理測量焊接過程中的變形。常見的測量方法包括干涉法、光柵法和光學(xué)三角測量法。光學(xué)測量法具有非接觸、無損、精度高等優(yōu)點，適用于測量大型焊接結(jié)構(gòu)的變形。焊接結(jié)構(gòu)件的形變控制精確設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少焊接應(yīng)力集中，控制焊接變形。工藝控制選擇合理的焊接工藝參數(shù)，控制熱輸入，減少焊接變形。夾具約束利用夾具限制焊接變形，保持焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀。形變補償根據(jù)焊接變形情況進行補償，例如預(yù)留變形量或進行后期校正。焊接應(yīng)力消除技術(shù)高溫回火高溫回火是通過將焊接結(jié)構(gòu)件加熱到一定溫度，并保溫一段時間后再緩慢冷卻，以消除焊接應(yīng)力。振動消除振動消除是利用機械振動產(chǎn)生的能量，使焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力發(fā)生重新分布，從而降低應(yīng)力水平。噴丸處理噴丸處理是將金屬丸高速噴射到焊接結(jié)構(gòu)件表面，利用丸粒沖擊產(chǎn)生的塑性變形，使應(yīng)力發(fā)生重新分布。焊接變形與應(yīng)力的案例分析11.橋梁焊接變形橋梁焊接過程中，由于熱量集中，會導(dǎo)致焊接部位變形，影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。22.船體焊接變形船體焊接過程中的變形會影響船體外形，甚至導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)強度下降。33.汽車焊接變形汽車焊接過程中的變形會影響汽車車身的尺寸精度和外觀質(zhì)量。44.航空器焊接變形航空器焊接過程中的變形會影響飛機的飛行性能，甚至導(dǎo)致飛行安全問題。焊接變形與應(yīng)力的預(yù)防措施合理設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量避免復(fù)雜形狀和不規(guī)則的幾何形狀，減少應(yīng)力集中區(qū)域。工藝控制控制焊接順序、焊接速度、電流和電壓，使熱輸入均勻分布，減少熱變形和殘余應(yīng)力。材料選擇選擇低熱膨脹系數(shù)和高屈服強度的材料，減少焊接變形和應(yīng)力。預(yù)熱與后熱在焊接前進行預(yù)熱，在焊接后進行后熱處理，可以有效地控制焊接變形和應(yīng)力。焊接質(zhì)量檢測的標準與規(guī)范國家標準GB/T8810-2008《焊接接頭檢驗方法》行業(yè)標準JB/T4730-2008《焊接質(zhì)量控制規(guī)范》國際標準ISO5817-2004《焊接接頭缺陷評定》焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵點11.材料選擇焊接材料的選擇對于焊接質(zhì)量至關(guān)重要，需要考慮材料的類型、性能和焊接工藝要求。22.工藝參數(shù)控制焊接電流、電壓、速度等參數(shù)的精確控制，確保焊接熔池穩(wěn)定、焊縫成型良好。33.焊工技術(shù)焊工熟練程度和操作規(guī)范直接影響焊接質(zhì)量，應(yīng)定期進行考核和培訓(xùn)。44.焊接檢驗焊接過程中的定期檢驗和最終檢驗是確保焊接質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要制定嚴格的檢驗標準和規(guī)范。22.焊接質(zhì)量管理體系質(zhì)量標準與規(guī)范制定嚴格的焊接質(zhì)量標準和規(guī)范，確保焊接過程符合要求。過程控制與監(jiān)控對焊接過程進行嚴格的監(jiān)控，確保每個環(huán)節(jié)符合標準。人員培訓(xùn)與認證對焊接人員進行專業(yè)培訓(xùn)，確保他們具備必要的技能和資質(zhì)。記錄管理與追溯建立完整的焊接質(zhì)量記錄，方便追溯和分析問題。焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢智能化焊接機器人和自動化系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。焊接過程的智能監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，幫助優(yōu)化焊接工藝和預(yù)測焊接質(zhì)量。綠色化低能耗、低污染的焊接技術(shù)和材料，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。減少焊接煙塵和有害氣體排放，保護環(huán)境和工人健康。精準化激光焊接、電子束焊接等先進焊接技術(shù)，實現(xiàn)高精度、高質(zhì)量焊接。焊接工藝模擬和數(shù)字化設(shè)計，提高焊接質(zhì)量的可預(yù)測性和可控性。多元化特殊材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接技術(shù)，滿足新材料和新工藝的需求。焊接技術(shù)在航空航天、能源、醫(yī)療等高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。焊接工藝優(yōu)化與創(chuàng)新11.優(yōu)化焊接參數(shù)焊接電流、電壓、速度等參數(shù)優(yōu)化，提高焊接質(zhì)量，降低成本。22.新型焊接材料開發(fā)高強度、耐腐蝕、耐高溫等新型焊接材料，滿足現(xiàn)代工業(yè)需求。33.智能化焊接應(yīng)用人工智能技術(shù)，實現(xiàn)焊接過程的自動化、智能化，提高效率和精度。44.焊接工藝仿真利用數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測焊接過程中的變形、應(yīng)力等，優(yōu)化焊接工藝。25.焊接工藝自動化與數(shù)字化焊接工藝自動化焊接自動化是指利用自動化設(shè)備和技術(shù)來完成焊接過程，提高焊接效率和質(zhì)量。自動化焊接設(shè)備可實現(xiàn)焊接過程的精確控制，并減少人工操作帶來的誤差。焊接工藝數(shù)字化數(shù)字化焊接是指將焊接過程中的數(shù)據(jù)進行采集、處理、分析和應(yīng)用，實現(xiàn)焊接過程的數(shù)字化管理和控制。數(shù)字化焊接可以提高焊接效率，降低成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量，并為焊接過程的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。焊接工藝在不同應(yīng)用領(lǐng)域的實踐建筑工程焊接是大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要連接方式，例如橋梁、高層建筑等。汽車制造汽車制造中廣泛使用焊接技術(shù)，例如車身、底盤、發(fā)動機等。管道工程管道工程中焊接技術(shù)應(yīng)用于各種管道的連接，例如石油、天然氣管道等。航空航天航空航天領(lǐng)域?qū)附蛹夹g(shù)要求極高，用于連接飛機、火箭等部件。焊接技術(shù)的國內(nèi)外研究進展智能焊接技術(shù)人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)在焊接中的應(yīng)用，例如機器人焊接、視覺檢測和過程控制。新型焊接材料開發(fā)更高強度、抗腐蝕性和耐高溫的焊接材料，如高強度鋼、鈦合金和鎳合金。焊接工藝優(yōu)化利用模擬和實驗方法優(yōu)化焊接參數(shù)，提高焊接效率和質(zhì)量。焊接質(zhì)量檢測發(fā)展先進的檢測技術(shù)，如超聲波檢測、X射線檢測和激光掃描檢測，提高焊接質(zhì)量控制水平。焊接質(zhì)量管理的未來展望智能化管理人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)的應(yīng)用將推動焊接質(zhì)量管理向智能化方向發(fā)展。全球化標準焊接質(zhì)量管理將更加重視國際標準的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，以適應(yīng)全球化產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。協(xié)同合作