焊接教案范文

第一篇：焊接教案范文

焊条电弧焊

一、焊条电弧焊概念、特点及应用

焊条电弧焊是工业生产中应用最广的一种焊接方法，它适用于厚度2mm以上的各种金属材料和各种形状结构机械零件的焊接。特别适用于结构形状复杂、焊缝短小，弯曲式各种空间位置的焊接。利用电弧作为焊接热源的熔焊方法，称为电弧焊。用手工操作进行焊接的方法称为焊条电弧焊，简称手弧焊。

特点：设备简单，操作方便、灵活，适应性强，尤其适合于形状不规则、批量较小的工件焊接。但和自动焊相比，生产率较低，焊接质量不稳定，对操作者技术水平要求较高。

应用：它是机械制造业应用最广的一种焊接方法。广泛应用于舰船船体、高炉炉壳、建筑结构、锅炉、机车车厢、高压容器及管道等部件的连接。

二、焊接电弧

焊接电弧是在电极与工件之间气体介质中进行的强烈而持久的放电现象。其组成可分为三个部分：（1）阴极区；（2）弧柱区；（3）阳极区。其中弧柱区温度可高达5000~8000K。

三、手弧焊设备种类及使用方法

手弧焊设备又叫弧焊机，按照供应电流的性质可分为二种：交流弧焊机、直流弧焊机。

1．交流弧焊机

交流弧焊机是具有一定特性的降压变压器。它具有结构简单，价格便宜，使用方便，噪声较小及维护容易等优点，工艺上一般能满足要求，但电弧稳定性较差。

BH-300交流弧焊机是广泛使用的一种典型设备。B表示交流弧焊变压器，H表示焊机具有下降特性曲线，结构为动铁芯式。300表示弧焊机的最大输出电流300安培。

BX1-300主要技术参数：一次电压为380V，空载电压为60-80V，工作电压为20~30V，电流调节范围60~300A，额定电流为300 A。

2．直流弧焊机

直流弧焊机由一台互感电动机和一台直流弧焊发电机组成。其主要特点是：电弧稳定好，焊缝质量高，但结构复杂，制造成本高，使用时噪声较大。典型的直流弧焊机有ZXG-300等。

四、焊条的组成及使用

焊条由焊芯、药皮两部分组成。

1．焊芯

焊芯是由优质焊条专用钢经轧制、拉拔后制成的金属条。它在焊接过程中的主要作用有两个：导电的电极、焊缝中的填充金属。

2．药皮

药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层。它是由多种矿石粉、易电离物质粉末、铁合金粉及粘接剂组成。主要作用有四个：稳弧、造渣及造气、渗合金、脱氧及去硫磷。

在焊接过程中，焊芯和药皮由于电弧的高温不断熔化。药皮熔化后完全覆盖在金

属焊缝上表面；当焊缝冷却后，必须将表层药皮敲掉，才会露出金属焊缝。3．焊条的分类

按药皮熔化后形成的溶渣性质不同，焊条可分成两大类：酸性焊条和碱性焊条。药皮熔化后形成的溶渣以酸性氧化物为主的焊条，称为酸性焊条，常用牌号有J422，J502等；溶渣以碱性氧化物为主的焊条称为碱性焊条，常用牌号有J427，J507等。焊条牌号中的“J” 表示焊芯为结构钢，前两位数字“42”和“50”分别表示焊缝金属的抗拉强度为420MPa和500MPa。第三位数字表示药皮类型和焊接电源种类。2表示酸性（钛钙型药皮）焊条，用交、直流电源均可；7表示碱性焊条（低氢钠型药皮），用直流电源。

4．使用焊条的注意事项

1）所有焊条都有2公分不带药皮的部分，使用时应将不带药皮处夹在焊钳上，因为药皮不导电。

2）在焊接过程中，随着焊芯的不断缩短，焊芯温度越来越高，而且越到焊条根部温度越高。所以实际焊接时，焊芯只能用到距焊钳2~3公分处就应更换，否则温度太高焊接质量得不到保证。

五、焊接接头和坡口

平板焊接常用四种接头形式：对接接头，搭接接头，角接接头和T形接头。为了保证焊透工件，厚板焊接时则需要开坡口。坡口形状根据焊件的板厚而定。常用的坡口形状有四种典型的形式：I形坡口，V形坡口，X形坡口及U形坡口。

六、手弧焊基本操作技术

1．引弧。引弧就是引燃焊接电弧的过程。引弧时，首先将焊条末端与工件表面形成短路，然后迅速向上提起2~4mm，电弧即被引燃。引弧方法有两种，即敲击法和划擦法。电弧引燃后，为了维持电弧的稳定燃烧，应不断向下送进焊条。焊条送进速度应和焊条熔化速度相同，以保持电弧长度基本不变。

2．推敷平焊波。推敷平焊波是在平焊位置的焊件上推敷焊缝，这是手弧焊最基本操作。施焊中焊条角度60°~ 90°，电弧长度一般为2~3mm，焊条沿中心线均匀而下送进，保持电弧长度约等于焊条直径；焊接速度要均匀，沿焊接方向前移的焊条应使焊接过程中熔池宽度保持基本不变。

3．对接平焊操作。对接平焊在生产中最常用，厚度4~6mm钢板的对接平焊步骤如下：

装配：将两板水平放置对齐并留出1~2mm间隙。注意防止错边。错边允许值应小于板厚的10%。

点固：用焊条点固，固定两工件的相对位置，点固后须除渣。如工件较长，可每隔300mm左右点固一次。

焊接：选择合适规范；先焊点固面的反面，使溶深大于板厚的一半，焊后除渣；翻转工件，焊另一面。

焊后清理：用钢丝刷等工具把焊件表面的渣壳和飞溅物等清除干净。

检验：焊完后焊缝应形成一条直线；焊缝表面无焊接缺陷；焊缝宽度应控制正负误差1~2mm；焊缝波纹平整，工件形变小于3mm。

七、手弧焊的安全规则

1．防止触电

1）焊前检查焊机外壳接地是否良好。2）检查焊钳和电缆绝缘是否良好。

3）焊接操作前应穿好绝缘鞋，戴好电焊手套。4）人体不要同时触及焊机输出两端。

2．防止弧光伤害

1）穿好工作服，戴好电焊面罩，以免弧光伤害皮肤。2）施焊时必须使用面罩，保护眼睛和脸部。

3．防止烫伤

清渣时注意渣的飞出方向，防止渣烫伤眼睛和脸部。

气焊讲稿

气焊是利用气体火焰作热源的焊接方法。气焊常用乙炔（C2H2）纯氧（O2）混合形成可燃烧的火焰，称为氧乙炔焰。气焊最高温度可达3150℃。气焊火焰在燃烧时产生CO2和CO气体，包围着熔化的金属熔池，排开空气起到保护作用。气焊除了可焊接金属外，还可以切割金属。气焊与气割广泛用于安装、工业生产及修理等行业。实际生产中，经常是电弧焊和气焊配合使用。利用气焊进行切割，使钢板和管材分开或制成不同几何形状；然后利用电弧焊进行焊接或使分离的工件连接到一起。

一、气焊特点

气焊具有设备简单、温度控制灵活、不需电源，适合薄板结构等特点。但和电弧相比，气焊火焰温度低、加热速度慢且热量分散、热影响区宽、工件受热范围大、焊接变形大，其保护效果差以及接头质量较低。因此气焊一般应用于厚度5mm以下的低碳钢薄板、铸件和管子的焊接，不锈钢、铝、铜及其合金焊接时，在质量要求不高的情况下，也可采用。

二、气焊设备

分成三个部分：氧气供给系统、乙炔供给系统和管路焊炬系统。1．氧气瓶

氧气瓶是储存和运输氧气的高压容器。氧气瓶外表面为蓝色，在氧气瓶上标有氧气字样。氧气瓶的工作压力为15MPa，容积为40升。使用时，一般选用焊接压力为0.2~0.3 MPa，切割为0.48 MPa。使用氧气瓶时要保证安全可靠，为防止爆炸，放置它时必须平稳。不与其它气瓶混放，不得靠近明火或热源，避免撞击。夏日要防止日晒，冬季阀门冻结时应用热水解冻，不能用其它明火加热。氧气瓶禁止染沾油脂。氧气瓶内部压力很高达15 MPa，但在焊接时一般使用压力只为0.2~0.3 MPa，所以在氧气瓶的出口端装有减压器。减压器上面有2个表头，一个表头指示氧气瓶内部有多高压力，另一个表头指示焊接时所需的压力。减压器工作时，先拧入调压螺钉，使调压弹簧受压。当阀门被顶开高压气体进入低压室时，由于气体体积膨胀，使气体压力降低，低压表指示出低压气体的压力。随着低压室中气体压力的增加，压力薄膜及调压弹簧自动使阀门的开启度逐渐减小；当低压室内气体压力达到一定

数值时，就会将阀门固定。调节调压螺钉的拧入程度，可以改变低压室内气体压力。2．乙炔瓶

乙炔瓶是储存和运输乙炔的容器。其外形与氧气瓶相似，外表面漆成白色，并标出红色的“乙炔”字样和“火不可近”字样，乙炔瓶的工作压力为1.5MPa。在乙炔瓶内装有浸满丙酮的多孔性填料，这种材料能使乙炔稳定而又安全地储存在瓶内。使用时，溶解在丙酮内的乙炔就分解出来，通过乙炔瓶阀流出。而丙酮仍留在瓶内，以便溶解再次压入的乙炔。

3．回火防止器

回火防止器是装在燃料气路上的防止燃气管路或气源回烧的保险装置。在气焊或气割时，由于气体压力不正常或焊嘴堵塞等原因发生的火焰沿导管倒燃时，倒流的火焰如进入乙炔发生器就会产生严重的爆炸事故。所以，乙快发生器的输出管路上必须装置回火防止器。回火防止器的进气管与乙炔发生器相连，出气管通往焊炬。回火火焰倒流进入回火防止器时，水将压下使止回阀关闭从而切断气源，同时推开安全阀而将回火火焰排入大气。这样就使乙炔不致回烧到乙炔发生器而造成爆炸事故。回火防止器的出口端接到焊炬上。

4．焊炬

焊炬是气焊时用于控制气体混合比例、流量及火焰大小并进行焊接的工具。乙炔和氧气按一定比例均匀混合后由焊嘴喷出，点火燃烧，产生气体火焰，各种型号的焊炬均配有3~5个大小不同的焊嘴，以供焊接不同厚度的焊件选用。

5．氧乙炔焰

焊接常使用的是三种氧乙炔焰：中性焰、碳化焰及氧化焰。

中性焰：氧和乙炔的混合比例为1.1~1.2时燃烧所形成的火焰称为中性焰。它由焰心，内焰和外焰三部分组成。焰心呈尖锥状，白色明亮轮廓清楚；内焰呈蓝白色，轮廓不清楚，与外焰无明显界线，外焰由里向外逐渐由淡紫色变为橙黄色。中性焰在距离焰心前面2~4mm处温度最高，可达3150℃左右。中性焰适用于焊接低碳钢、中碳钢、普通低合金钢、不锈钢、紫铜、铝及铝合金等金属材料。

碳化焰：氧气与乙炔的混合比例小于1.1时燃烧所形成的火焰。由于氧气不足，燃烧不完全，过量的乙炔分解为碳和氢，故碳会渗到熔池中造成焊缝增碳。碳化焰比中性焰长，适用于焊接高碳钢，铸铁和硬质合金等材料。

氧化焰：氧与乙炔混合比例大于1.2时燃烧所生成的火焰称为氧化焰。氧化焰比中性焰短，分为焰心和外焰两部分。由于火焰中有过量的氧，故对熔池金属有强烈的氧化作用，一般气焊不宜采用。只有在气焊黄铜、镀锌铁板时才用轻微氧化焰，以利用其氧化性，在熔池表面形成一层氧化物薄膜，以减少低沸点锌的蒸发。

6．焊丝

气焊的焊丝只作为填充金属，与熔化的母材一起组成焊缝。焊接低碳钢时，常用的焊丝牌号有H08、H08A等。焊丝直径一般为2~4mm，气焊时根据焊件厚度来选择。为了保证焊接接头的质量，焊丝直径与焊件厚度不宜相差太大。

7．氧气切割

氧气切割是利用某些金属在纯氧中燃烧的原理来实现金属切割的方法。气割开

始时，用气体火焰将待切割处附近的金属预热到燃点。然后打开切割氧气的阀门，纯氧射流使高温金属燃烧生成的金属氧化物被燃烧热熔化，并被氧气流吹掉。金属燃烧产生的热量和预热火焰同时又把邻近的金属预热到燃点，沿切割线以一定速度移动割炬，便形成切口。在整个气割过程中，割件金属没有熔化。因此，金属气割过程实质上是金属在纯氧中的燃烧过程。气割所需设备中，除用割炬代替焊炬外，其它设备与气焊相同。常用割矩的型号有G01-30和G01-100等。

对金属材料进行气割时，必须具备下列条件：

1）被切割金属的燃点必须低于其熔点，这样才能保证金属气割过程是燃烧过程而不是熔化过程。碳钢中，随含碳量增加，燃点升高而熔点降低。

2）金属氧化物的熔点应低于金属本身的熔点，同时流动性要好，否则，气割过程形成的高熔点金属氧化物会阻碍下层金属与切割射流的接触，使气割发生困难。

3）金属燃烧时能放出大量的热，而且金属本身的导热性要低，这样才能保证气割处的金属具有足够的预热温度，使气割过程继续进行。满足上述条件的金属材料有纯铁，低碳钢、中碳钢和低合金结构钢等，而铸铁、不锈钢和铜、铝及其合金不能气割。

8．气焊操作

焊枪与工件夹角约30°左右，焊丝与焊枪夹角约90°，焰心与工件距离约2~4mm。

气体保护焊讲授内容

利用外加气体作为电弧介质并保护电弧和熔池的电弧焊方法称为气体保护焊。常用的保护气体有两种：氩气和二氧化碳气。

一、氩弧焊

用氩气作为保护性气体的气体保护焊称为氩弧焊。

1．基本原理

利用从氩弧焊枪体喷咀中匀速喷出的氩气，在电弧及熔池周围形成连续封闭的气流把空气排开，保护焊丝和熔池不与空气相接触。由于氩气是惰性气体，它不与液态金属起化学反应，也不溶于金属。同时氩气气流对电弧还有一定的冷却和压缩作用，所以氩弧的能量比较集中，加热速度快。因此氩弧焊的焊缝质量较高。

2．氩弧焊特点

氩气是惰性气体，能有效地保护液态金属不被氧化；电弧热量集中，热影响区小，焊件变形小；操作明弧可见，比较直观、容易；电弧稳定、飞溅小、焊缝致密，机械性能和抗腐蚀性能都比较好，表面无渣，焊缝外型美观；容易实现机械化和自动化。

3．氩弧焊的应用

氩弧焊是一种高质量的焊接方法，具有很多优点，因此在造船、航空、航天、化工、机械及电子等工业部门都得到了广泛的应用。但氩弧焊设备复杂、焊接成本较高，目前主要用于焊接一些较贵重金属，如高合金钢、钛合金、不锈钢、铝及铜合金和一些稀有金属等材料。

4．氩弧焊的设备及工艺

根据实习现场的实际设备，介绍我们现有的设备、工艺及操作要领。5．氩弧焊操作

典型工件：不锈钢、铝板的氩弧焊操作。

二、CO2气体保护焊

利用CO2作为作为保护气体的气体保护焊称为CO2气体保护焊。一般可分为半自动焊、自动焊两种。1．基本原理

它是用焊丝和工件之间产生电弧来熔化金属的一种熔化极气体保护焊。CO2气体匀速流过焊丝和熔融焊缝周围的空间，把空气中的氧气与焊缝隔离，起到保护焊缝的作用。

2．CO2气体保护焊的特点

优点： CO2气体价格廉价，和电弧焊相比生产效率高（不用清渣及换焊条），焊接成本较低；焊接时电流密度大，电弧热利用率高，焊后不需清渣，生产率高；电弧热量集中，焊件受热面积小，变形小；焊缝抗裂性好，焊接质量较高，明弧焊接易于控制；操作灵活，适宜各种空间位置的焊接；易于实现机械化和自动化。

缺点： CO2气体在高温时会分解，使电弧气氛具有强烈氧化性，导致合金元素的氧化烧损，所以不能焊接容易氧化的有色金属和高合金钢等；另外CO2焊表面成形差，飞溅较多等；CO2气体过多地排向大气，会影响地球大气环境。

3．CO2气体保护焊的应用

低碳钢、低合金钢、耐磨零件的堆焊，铸钢件的补焊等。4．CO2气体保护焊设备及工艺

根据现场实物介绍我们的设备、工艺及操作要领。5．CO2气体保护焊操作

典型工件：低碳钢板的焊接操作。

第二篇：焊接基础知识教案（模版）

第1,2课时

焊接基础知识

教学目标：

知识与技能：

1、了解焊接的概念及分类。

2、知道焊接电弧的组成及焊接电弧的偏吹。过程与方法：

1、理解焊接参数的概念

2、掌握焊接接头的种类及接头型式

情感态度价值观：以图片和视频吸引学生注意，激发学习兴趣。教学重点：焊接的分类、焊接电弧的偏吹

教学难点：焊接参数、焊接接头的种类及接头型式 教学方法：讲授法 教学准备：多媒体教学 教学过程：

（一）导入：

观看图片、视频导入。

（二）新授：

一、焊接的概念及分类 1.焊接的概念：

焊接就是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料使焊件达到结合的一种加工方法。2.焊接的分类：

按造焊接过程中金属所处的状态不同，可以把焊接方法分为熔焊、压焊、钎焊三类。（1）熔焊，熔焊是在焊接过程中将焊接接头加热至熔化状态，不加压力完成的焊接方法。我们常用的焊条电弧焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、埋弧焊、气焊等都属于这种焊接方法。（2）压焊，压焊是在焊接过程中必须对焊件施加压力（加热或不加热），以完成焊接的方法。电阻焊、摩擦焊、爆炸焊等都属于这种焊接方法。

（3）钎焊，钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料将焊件和钎料加热到高于钎料的熔点，低于母材的熔化温度，利用液态钎料润湿母材填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。常见的钎焊方法有烙铁钎焊、火焰钎焊等。

二、焊接电弧：

1、电弧的组成

由焊接电源供给的，具有一定电压的两极间，在气体介质中，产生强烈而持久的放电现象称为焊接电弧。焊接电弧由阴极区、阳极区、弧柱区三个部分组成。

2、焊接时的极性和应用

用直流电源焊接时焊件接电源正极，工件接电源负极称为正接；焊件接电源负极，工件接电源正极称为反接。交流电源不存在正反接。

焊接时极性的选用：

直流弧焊时，为获得较大的熔深，可采用正接，这是因为电弧的阳极区温度较高，在焊接薄板时，为防止烧穿，可采用反接。当采用低氢型（碱性）焊条时，为保证电弧稳定性必须采用反接。

3、焊接电弧的偏吹

在焊接过程中，因气流的干扰、磁场的作用或焊条偏心的影响，会出现电弧中心偏离电极轴线的现象。这就是所谓的电弧偏吹。电弧偏吹不仅是焊接发生困难，甚至息弧。对焊接质量也将带来较大影响。产生偏吹的主要原因如下：

1）焊条偏心度过大

2）电弧周围气流的干扰

3）磁偏吹

使用直流焊机焊接时，因受到焊接回路产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹，称为电弧的磁偏吹。造成磁偏吹的主要原因如下：

（1）接地线位置不当引起的偏吹

（2）铁磁物质引起的偏吹

（3）焊条和焊件位置不对称引起的磁偏吹

三、焊接参数：

焊接参数是指为保证焊接质量而选定的诸物理量的总称。焊条电弧焊的焊接参数主要是指焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度等。而电弧电压和焊接速度在焊条电弧焊中不作原则规定，可根据具体情况灵活掌握。

四、焊接接头的种类及接头型式：

焊接中，由于焊件的厚度、结构及使用条件的不同，其接头型式及坡口形式也不同。焊接接头型式有：对接接头、T形接头、角接接头及搭接接头。

1、对接接头

两件表面构成大于或等于135°，小于或等于180°夹角的接头，叫做对接接头。在各种焊接结构中它是采用最多的一种接头型式。

2、角接接头

两焊件端面间构成大于30°、小于135°夹角的接头，叫做角接接头。

3、T形接头

一焊件的端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头，叫做T形接头。

4、搭接接头

两焊件部分重叠构成的接头叫搭接接头。

（三）、小结：

1、焊接的概念

2、焊接的分类

3、焊接电弧

4、焊接参数

5、焊接接头的种类及接头型式

（四）、作业：

1、焊接的概念

2、焊接的分类

3、焊接电弧

4、焊接参数

5、焊接接头的种类及接头型式

第三篇：焊接结构教案

第三编 焊接结构 第十三章

焊接应力与变形

本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接应力的分布规律；焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力；焊接变形的种类，焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。

第一节 焊接应力和变形的形成过程

一、应力与变形的基本知识

1．应力

物体在单位截面上表现的内力称为应力。根据引起内力的原因不同，应力可分为：工作应力：物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。

内应力：物体在无外力作用下而存在于内部的应力。内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。

2．变形

物体在外力或温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。

按变形性质可分为：弹性变形和塑性变形；

按变形的拘束条件可分为：自由变形和非自由变形。

二、研究焊接应力与变形的基本假定

（1）平截面假定

（2）金属性能不变的假定

（3）金属屈服点的假定

三、焊接应力与变形的产生原因

影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其最根本的原因是焊件受热不均匀。

为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。

1．均匀加热时引起应力与变形的原因

（1）不受约束的杆件，均匀加热

属于自由变形，无残余应力，无残余变形。

（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形

如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力与残余变形。

如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。① 若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。② 如果杆件不能自由收缩，则不存在外观的残余变形，但杆件中会产生残余拉应力。

2．不均匀加热时引起的应力与变形

（1）长板条中心加热引起的应力与变形

（2）长板条一侧加热引起的应力与变形 综上所述：

① 金属不均匀受热时，只要加热温度高于屈服点温度，加热时产生压缩塑性变形，焊后就会产生残余应力与残余变形；

② 焊接过程中的变形与焊接残余变形方向相反；

③ 焊接加热时，焊缝附近产生压缩塑性变形，冷却后收缩，如果收缩充分，则变形大，应力小；否则变形小，应力大。

④ 焊接瞬时及残余应力分布不均匀，焊缝及其附近区域通常为残余拉应力。

第二节 焊接残余应力

一、焊接残余应力的分类

1．根据应力性质划分：拉应力、压应力

2．根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力

3．根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力

4．根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力

5．根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力

二、焊接残余应力的分布规律

1．纵向应力бx的分布

бx在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。

бx在焊件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，бx=0，越靠近纵截面的中间，бx越大，逐渐趋近于бs。如图2-9所示。

图2-11为板边堆焊时，бx在焊缝横截面上的分布。

T形接头的бx分布与立板和水平板尺寸有很大关系，δ/h越小，接近于板边堆焊的情况；δ/h越大，接近于等宽板对接的情况。

2．横向应力бy的分布

бy =бy′+бy″

бy′：焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力；

бy″：焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。

3．特殊情况下的焊接残余应力

① 厚板中的焊接残余应力

② 拘束状态下焊接残余应力

③ 封闭焊缝中的残余应力

④ 焊接梁柱中的残余应力

⑤ 焊接管道中的残余应力

三、焊接残余应力对焊接结构的影响

1．对结构强度的影响

只要材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。

对脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰值不断增加。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。

2．对构件加工尺寸精度的影响 3．对梁柱结构稳定性的影响

四、减小焊接残余应力的措施

一般来说，可以从设计和工艺两方面着手：

1．设计措施

① 尽可能减少焊缝数量；

② 合理布置焊缝；

③ 采用刚性较小的接头形式。

2．工艺措施

（1）采用合理的装配和焊接顺序及方向

① 钢板拼接焊缝的焊接；

② 同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时，应先焊收缩量大的焊缝；

③ 对工作时受力较大的焊缝应先焊；

④平面交叉焊缝的焊接。

（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差

（预热法、冷焊法）

（3）加热“减应区”法

（4）降低接头局部的拘束度

（5）锤击焊缝

五、消除焊接残余应力的方法

1．热处理法

热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松驰焊接残余应力的目的，同时热处理还可以改善接头的性能。

（1）整体热处理

整体炉内热处理、整体腔内热处理

整体加热热处理消除残余应力的效果取决于热处理温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。保温时间根据板厚确定，一般按每毫米板厚1~2 min计算，但最短不小于30 min，最长不超过3h。

碳钢及中、低合金钢：加热温度为580~680℃；

铸铁：加热温度为600~650℃。

（2）局部热处理

局部热处理只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热、远红外加热等，消除应力效果与加热区的范围、温度分布有关。

2．加载法

加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松驰应力的目的。

（1）机械拉伸法

（2）温差拉伸法

（3）振动法

六、焊接残余应力的测定

目前，测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类，即机械方法和物理方法。

1．机械方法

利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。包括切条法、钻孔法和套孔法。

2．物理方法

是非破坏性测定焊接残余应力的方法，常用的有磁性法、超声波法和X射线衍射法。

（1）磁性法是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。（2）X射线衍射法是根据测定金属晶体晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力的无损测量方法。

（3）超声波法是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的。

第三节 焊接残余变形

一、焊接残余变形的种类及其影响因素

按变形对整个焊接结构影响程度分类：局部变形、整体变形

按变形特征分类：收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形、错边变形

1．收缩变形

焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。它可分为纵向收缩变形和横向收缩变形。

（1）纵向收缩变形Δx

产生原因：焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形。

焊件在假想力的作用下产生的纵向收缩量可用下式表示：

影响因素：

① 焊缝长度L

② 焊件的截面积A

③ 压缩变形区的面积Ap

④ 压缩塑性应变εp（与焊接方向、焊接线能量、焊接工艺有关）

（2）横向收缩变形Δy

横向收缩变形的过程比较复杂，影响因素很多，现分述如下：

1）堆焊焊缝及角焊缝的横向收缩

影响因素：

① 焊接线能量：焊接线能量越大，横向收缩量越大；

② 板厚：板厚增加，横向收缩量减小。

③ 沿焊缝长度方向Δy逐渐增大，但到一定长度后趋于稳定，不再增大。

2）对接焊缝的横向收缩

影响因素：

Δy的大小与板厚、材质、拘束情况、焊接工艺、焊接顺序有关。

2．角变形

中厚板对接焊、堆焊、搭接焊及T形接头焊接中会产生角变形。

原因：熔化金属在厚度上收缩量不一致而引起的。

（1）平板堆焊的角变形

影响因素：

① 焊接线能量

② 板厚

堆焊引起的角变形沿堆焊焊缝长度方向开始比较小，随后增加，直至达到稳定。

（2）对接接头的角变形

影响因素：

①坡口形式

②坡口尺寸

③焊接层数

④焊接顺序

（3）T形接头角变形

T形接头角变形可以看成是由立板相对于水平板的回转角变形β′与水平板本身的角变形β″两部分组成。

减小T形接头角变形的方法有：

① 采用开坡口，减小立板与水平板之间焊缝夹角，减小β′；

② 通过减小焊脚尺寸以减小焊缝金属量，降低β″。3．弯曲变形

产生原因：焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀引起的。

（1）纵向收缩引起的弯曲变形

（2）横向收缩引起的弯曲变形

4．波浪变形

波浪变形是一种失稳变形，一般产生于薄板结构中。

产生原因：板中远离焊缝区的压缩残余应力超过了失稳的临界应力值。

防止措施：

① 能降低焊接残余压应力的措施都可以减小波浪变形；

② 提高板的刚度或增大板的拘束度均可减小或防止波浪变形。

5．扭曲变形

产生原因：焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。

6．错边变形

错边变形可分为长度方向错边和厚度方向错边。

产生原因：

① 装配不良；

② 组成焊件的零件装配时夹紧不一致；

③ 两零件的刚度或热物理性质不一样；

④ 电弧偏离坡口中心。

以上6种变形是焊接变形的基本形式，其中收缩变形是最基本的变形形式，所有焊件都不可避免地会产生收缩变形，而其它几种变形在有些焊接结构中容易出现，而在有些焊接结构中不容易出现。

二、焊接变形对焊接结构生产的影响

首先，零部件的焊接变形给装配带来困难，进而影响后续焊接质量；

其次，焊接变形增加了结构的制造成本；

另外，焊接变形也会降低焊接接头性能和承载能力。

三、控制焊接变形的措施

1．设计措施

（1）尽量选用对称的构件截面和焊缝位置

（2）合理地选择焊缝长度和焊缝数量

（3）合理选择焊缝截面尺寸和坡口形式

2．工艺措施

（1）留余量法

主要是用于补偿焊件的收缩变形。

（2）反变形法

主要用于控制角变形及弯曲变形。

例：V形坡口单板对接；（图2-52）

锅炉集箱；（图）

工字梁翼板；（图2-53）

板式起重机主梁，腹板预制上拱度（图2-54）

（3）刚性固定法

① 焊件固定在刚性平台上（图2-55）

② 将焊件组合成刚性更大或对称的结构（图2-56）

③ 利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束（图2-57）

④ 利用临时支撑增加结构的拘束（图2-58）（4）选择合理的装配焊接顺序

① 正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴。（图2-54）

② 对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。（图2-59）

③ 焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。（图2-60）

④ 长焊缝焊接时，应采用合理的分段焊接顺序。（图2-61）

⑤ 相邻两条焊缝，为防止产生扭曲变形，应注意焊接方向与顺序。（图2-62）

（5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数（图2-63）

（6）热平衡法（图2-64）

（7）散热法（图2-65）

四、矫正焊接残余变形的方法

矫正焊接变形的实质是使构件产生新的变形，以抵消焊接残余变形。矫正的方法一般有机械矫正法和火焰加热矫正法。

1．机械矫正法

机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸，产生拉伸塑性变形，使变形的构件恢复到所要求的形状。（如图2-66）

2．火焰加热矫正法

火焰加热矫正，是利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形使较长的部分在冷却后缩短来消除变形。

加热方式：

① 点状加热

用于矫正薄件的波浪变形。

② 线状加热

用于矫正焊件的角变形及大厚度板的弯曲变形。

③ 三角形加热 用于矫正刚度大，厚度大的焊件的弯曲变形。

第十四章 焊接接头强度及计算

本章主要介绍焊接接头的作用和基本形式；焊接接头的工作应力分布状况及其静载强度计算；影响焊接接头的疲劳强度因素有提高疲劳强度的措施；焊接接头脆性断裂、影响脆性断裂的因素及防止措施。

第一节 焊接接头的特点及形式

一、焊接接头的基本形式

1．电弧焊接头的基本形式

（1）对接接头

把同一平面上的两被焊工件相对焊接起来而形成的接头。这是一种比较理想的接头形式，受力状况好，应力集中小，材料消耗小。

（2）角接接头

是两被焊工件端面间构成大于30º、小于150º夹角的接头。多用于箱形构件上。

（3）T形接头

是把互相垂直的被焊工件用角焊缝连接起来的接头，可承受各种方向的力和力矩。

（4）搭接接头

是把两被焊工件部分地重叠在一起，以角焊缝连接，或加上塞焊缝、槽焊缝连接起来的接头。

（5）端接接头

是两被焊工件重叠放置或两被焊工件之间夹角不大于30º在端面进行连接的接头。

2．电阻焊接头的基本类型

（1）对接接头

（2）点焊接头（3）缝焊接头

二、电弧焊焊缝的类型

1．按工作特点分

①承载焊缝

②非承载焊缝

③密封焊缝

④定位焊缝

2．按接头的结构特点分

①对接焊缝 ②角焊缝 ③端接焊缝 ④塞焊缝 ⑤组合焊缝

第二节 焊接接头的工作应力分布

一、应力集中

1．应力集中概念

在几何形状突变处或不连续处应力突然增大的现象称为应力集中。应力集中程度的大小，常以应力集中系数KT表示：

KT=бmax/бm

2．焊接接头中产生应力集中的原因

（1）焊缝中的工艺缺陷

如气孔、夹渣、裂纹和未焊透等。

（2）焊接接头处几何形状的改变

（3）不合理的接头形式和不合理的焊缝外形

二、电弧焊接头的工作应力分布

1．对接接头的工作应力分布

对接接头的应力集中位于由焊缝向母材过渡的转角处，KT的大小取决于焊缝宽度c、余高h、焊趾处的θ角及转角半径r。在其它因素不变的情况下，余高h增加、焊缝宽度c减少、θ角增加、r减小等都会使KT增加。

2．搭接接头的工作应力分布

（1）正面角焊缝的工作应力分布

如图3-5所示，在角焊缝的根部A点和焊趾B点有较大的应力集中，B点的应力集中系数随角焊缝的斜边与水平边的夹角θ而变，减小θ、增大熔深及焊透根部等都可降低应力集中系数。

搭接接头的正面角焊缝受偏心载荷时，在焊缝上会产生附加弯曲应力，导致弯曲变形，见图3-6。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离l应不小于其板厚的4倍。

（2）侧面角焊缝的工作应力分布

在用侧面角焊缝连接的搭接接头中，其应力分布更加复杂。切应力沿焊缝长度上分布是不均匀的，它与焊缝尺寸、断面尺寸和外力作用点的位置等因素有关。

外力作用如图3-7a所示时，其沿侧面焊缝长度上切力分布见图3-8，因为搭接板材不是绝对刚体，在受力时本身产生弹性变形，所以形成两端切力大，中间切力小的分布状态。

外力作用如图3-7 b所示时，两板各对应点的相对位移从左至右逐渐下降，因而焊缝传递的切力以左端为最高，向右逐渐减小。当侧面角焊缝长度超过某一长度时，焊缝中间部分的切力就会接近零，因此，采用过长的侧面角焊缝是不合理的。一般工艺规定侧面角焊缝长度不得大于50K。

（3）联合角焊缝搭接接头工作应力分布

如图3-9b所示，在B—B截面上正应力的分布比较均匀，最大切应力ηmax 降低，所以在B—B截面两端点的应力集中得到改善。

3．T形接头的工作应力分布

T形接头在角焊缝的过渡处和根部都有很大的应力集中，如图3-10所示。

（1）未开坡口的T形接头

如图3-10a所示，焊缝根部应力集中很大，在焊趾截面B—B上应力分布也不均匀，B点的应力集中系数随角焊缝θ角减小而减小，也随焊脚尺寸增大而减小；但非承载焊缝在B点的KT随焊脚尺寸增大而增大。

（2）开坡口并焊透的T形接头

如图3-10b所示，这种接头的应力集中大大降低。可见，保证焊透是降低T形接头应力集中的重要措施之一。

第三节 焊接接头强度计算基础

一、焊接接头的设计

1．焊接接头设计要点

（1）应尽量使接头形式简单、结构连续，且不设在最大应力作用截面上。

（2）要特别重视角焊缝的设计。

（3）尽量避免在厚度方向传递力。

（4）接头的设计要便于制造和检验。

（5）一般不考虑残余应力对接头强度的影响。

2．常见不合理的接头设计及改进

见表3-3

二、电弧焊接头静载强度计算

1．焊接接头静载强度计算的几个假设

2．电弧焊接头的静载强度计算

静载强度计算方法，目前仍采用许用应力法，强度计算时许用应力均为焊缝的许用应力。

焊缝的强度计算一般表达为：

б≤[б′]或η≤[η′]

(1)对接接头的静载强度计算

对接接头强度计算时，不考虑焊缝余高，焊缝长度取实际长度，计算厚度取两板中较薄者。

全部焊透的对接接头如图3-17所示。其各种受力情况的计算公式如下：

1）受拉时

2）受压时

3）受剪切时

4）受板平面内弯矩

5）受垂直板面弯矩

（2）搭接接头静载强度计算

受拉、压的搭接接头计算公式如下：

正面焊缝

侧面焊缝

联合焊缝

第十五章 焊接结构的脆性断裂

第一节 金属材料或结构的断裂及其影响因素

一、疲劳破坏

重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤。焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发扩展而发生疲劳破坏。疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。

1．影响焊接接头疲劳强度的因素

（1）应力集中的影响

（2）残余应力的影响（3）缺陷的影响

2．提高焊接接头疲劳强度的措施

（1）降低应力集中

1）采用合理的结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。

2）尽量采用应力集中系数小的焊接接头，如对接接头。

3）当采用角焊缝时，应采取综合措施来提高接头的疲劳强度。

4）用表面机械加工方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，通过降低应力集中程度来提高接头的疲劳强度。

（2）调整残余应力场

消除焊接接头应力集中处的残余拉应力或使该处产生残余压应力，都可以提高疲劳强度。

1）整体处理。包括整体退火或超载预拉伸法。

2）局部处理。采用局部加热或挤压可以调节残余应力场，在应力集中处产生残余压应力。

（3）改善材料的力学性能。

（4）特殊保护措施

二、焊接结构的脆性断裂

在应力不高于结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体的破坏方式。

1．影响金属脆断的主要因素

（1）应力状态的影响

实验证明，许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，可呈塑性状态。当处于三轴拉伸应力时，因不易发生塑性变形而呈脆性。

（2）温度的影响

对于一定的加载方式，当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，这个温度称为脆性转变温度。脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方点阵的金属和合金中，只有在特殊情况下，如应力腐蚀条件下才在面心立方点阵金属中发生。

（3）加载速度的影响

提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。

（4）材料状态的影响

1）厚度的影响

①厚板在缺口处容易形成三轴应力，因为沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制，产生三轴应力使材料变脆。

②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）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度越细，其转变温度越低。

3）化学成分的影响。钢中C、N、O、H、S、P均增加钢的脆性。Mn、Ni、Cr、V加入适量，有助于减少钢的脆性。

2．预防焊接结构脆性断裂的措施

（1）正确选用材料

①在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合区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材料的选择可通过缺口韧性试验或断裂韧性评定试验来确定。

（2）采用合理的焊接结构设计

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尽量减少结构的刚度，以降低应力集中和附加应力。

3）不应通过降低许用应力值来减少脆性的危险性。

4）对于附件或不受力焊缝的设计，应与主要承力焊缝一样给予足够重视。

5）减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。在制订工艺过程中，应当考虑尽量减少焊接残余应力值，在必要时应考虑消除应力热处理。第二节 金属材料和焊接结构断裂的评定方法

转变温度

金属材料有两个重要的强度指标，即屈服强度ζs和断裂强度ζf。温度降低，ζs上升速率大于ζf上升速率，两线交点对应温度Tk称为韧脆转变温度，当T

防止结构产生脆性破坏有两种设计原则

防止开裂原则：

止裂原则：设计的结构在可能出现的最低温度下工作，必须能阻止裂纹的自由扩展。

根据断裂力学理论，能够止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，且处于较高的应力场中，当裂纹扩展进入韧性区和低应力场时，该裂纹如果小于失稳断裂的临界长度，则该裂纹被阻止。

转变温度评定方法(冲击试验)(一)冲击试验

分为夏比V形缺口冲击试验和梅氏U形缺口冲击试验。

夏比V形缺口冲击试验评定：

1． 能量准则：以冲击断裂功αk值降低到某一特定数值时的温度作为临界温度Tk。

断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定临界温度Tk。

延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度Tk。转变温度评定方法(威尔斯宽板试验)

在实验室里再现低应力脆性断裂的开裂情况，同时又能在板厚、焊接残余应力、焊接热循环方面模拟实际结构。

该试验脆性断裂有三种情况： 1． 低应力产生裂纹并立即断裂

2． 低应力产生裂纹扩展一定长度后自行停止

3． 在较高温度下，要有高达屈服强度的应力才会产生

裂纹，最后产生断裂。转变温度评定方法(落锤试验)

测定厚度大于16mm钢板的NDT(无塑性转变温度)的试验方法，可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能，其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和较大拘束效应，表面堆焊脆性焊道，对热敏感的合金材料难以使用。

转变温度评定方法(动态撕裂试验)

确定材料断裂韧性的全范围的试验方法，属于大型冲击试验。除了确定NDT温度之外，还能确定最高塑性断裂温度及相应的冲击功。适用于高强钢及厚板和特厚板焊接结构。这类钢与低强度钢相比，各向异性受钢中杂质的影响，难以保证稳定的抗脆断性能；晶粒大小及碳化物金相组织的大小、分布等对显微裂纹的形成有较大的影响。

转变温度评定方法(双重拉伸)

前述各种方法试件中的脆性裂纹都是在冲击载荷作用下开裂的，但大多数焊接结构工作在静载下，所以开裂条件不够真实。

通过试验确定止裂应力与温度的关系。利用一块耳板在低温和拉伸负载下将试样拉断，使裂纹向有均匀拉伸负载的试件主体扩展。第三节 焊接结构的特点及其对脆断的影响

设计影响

焊接结构的整体性及大刚度 1． 引起较大的附加应力 2． 对应力集中因素特别敏感

3． 一旦有不稳定脆性裂纹出现，很可能会穿越接头扩展至整个结构，从而造成整个结构的破坏。不应在高应力集中区布置焊缝。制造影响(应变时效)人工时效：钢材在剪切、冷作、弯曲成型之后，如果在150~450℃范围内加热，材料性能会产生脆化，即产生应变时效。该应变时效较动应变时效的影响弱的多。

动应变时效：材料在热循环和热塑性变形循环的作用下，在缺陷处和产生较严重的应变集中，具有较大的热应变量，降低了材料的延性，提高了材料的转变温度。

制造影响(接头金相组织、焊接缺陷)在焊接热循环的作用下，焊缝及近缝区的组织会发生一系列的变化，使接头各部位的缺口韧性不同。金相组织变化取决于材料原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量。过小的线能量，引起淬硬组织，易产生裂纹；过大的线能量，使晶粒粗大，造成韧性降低。焊接缺陷是造成结构产生脆断的重要因素。其影响程度与缺陷的性质、尺寸、形状及部位有关，其中裂纹、未焊透等影响最为严重。制造影响(角变形、错边、残余应力)产生附加弯曲力矩和新的应力应变集中，在拉伸载荷和附加弯曲力矩的共同作用下，易造成接头破坏。

平面缺陷―裂纹、分层、未焊透

非平面缺陷―气孔、夹渣

1)试验温度在材料的转变温度以上时对脆断无影响

2)试验温度在材料的转变温度以下时，和拉伸载荷叠加，造成脆断的产生。

第四节 预防焊接结构脆性断裂的措施

设计方面

(一)掌握结构工作条件：最低温度、介质温度和工作载荷的性质。(二)减少结构和接头的应力集中

1． 选择结构传力截面及接头形式要尽量使力线均匀分布，避免截面尺寸突变，防止应力集中。

2． 尽量减小结构刚性，大型结构采用较薄的材料。3． 充分考虑到可焊到性。4． 避免焊缝密集和焊缝相交 正确选用材料

按缺口韧性试验验收材料

一般对选定的材料用V形缺口冲击试验的结果来验证其适应性，即所选材料和焊接填充金属保证在工作温度下有合格的缺口韧性。

按断裂韧性和屈服极限之比选择材料

断裂韧性尚不足以说明材料的脆-塑性，断裂韧性(KIC)与材料屈服极限之比才能好好地说明这一问题，因为两者之比反映了裂纹尖端处在断裂前塑性区的大小。严格制造工艺和质量监督

1．严格按规定的工艺参数施工，禁止使用过大的线能量 2．较强质量检验，及时消除严重缺陷

3．尽可能利用焊接工夹具和机械化装置进行施工

4．对于重要的和危险的结构应通过试验决定是否需要焊后热处理

第十六章 焊接接头和焊接结构的疲劳强度

第一节 疲劳断裂的基本概念

疲劳断裂分类

按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳 按应力大小和应力循环次数分为

1．低周高应变疲劳：作用的应力超过弹性范围，疲劳循环次数小于104~105 2．高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极限，疲劳破坏的应力循环次数大于104~105 疲劳裂纹形成过程

1.疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。

2.扩展阶段；初始裂纹在交变载荷作用下，当裂纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开，尖端向前延伸

3.瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬时断裂。

疲劳断口可分成三个区域

1.疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。

2．疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，每一条辉纹代表一次应力(应变)循环及裂纹逐次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨认明显的疲劳条纹

3.瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱线，外观与脆性失稳断裂相似。

第二节 疲劳破坏机理

裂纹亚临界扩展

裂纹受到一个低于ζc但有足够大的循环应力时，则初始裂纹会由起始尺寸a0逐渐扩展到临界尺寸ac，这一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。

可以分为两种类型来研究裂纹的亚临界扩展：裂纹在裂纹尖端弹性区的扩展和裂纹在塑性区的扩展。在前一种情况，裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区的尺寸，承受低载荷、高循环、低裂纹扩展速率的属于该情况；当裂纹尺寸远小于塑性区尺寸，并承受高载荷、低循环、高裂纹扩展速率属于后者情况。裂纹扩展速率

当外加应力强度因子幅度达到临界值ΔKth后，裂纹扩展速率急剧上升，此线段几乎与纵坐标平行；此后，da/dN与ΔK成指数关系变化，断口平直，与拉应力成900，穿晶断裂，疲劳辉纹明显；继续增加ΔK出现斜率转折点I，过此点斜率n2斜率，出现切变斜断口，为解理断裂和疲劳断裂的混合型；继续增加ΔK接近材料的KIC时，到了材料的第Ⅱ转折点，过此点后，斜率增加，点Ⅱ是裂纹扩展加速转变点，此区内断口全为切变断口。

帕瑞斯表达式

ΔK―应力强度因子幅度(ΔK=Kmax-Kmin)

c、n―由试验确定的材料、环境、频率和循环特形等的函数

帕瑞斯表达式不足：没有考虑平均应力对da/dN影响；没有考虑当裂纹尖端应力强度因子趋近于其临界值KIC时，裂纹加速扩展效应

da

dNn第三节 疲劳断裂力学的基本概念

疲劳设计方法分类

1． 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率95％的2×106次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方法。

2． 安全寿命设计：传统疲劳设计方法都是安全寿命设计。所谓安全寿命指在某一环境下，在已知小于疲劳破坏许用应力的最大负载概率时工作的循环次数。由ζ-N曲线获得ζr，并利用ζmax-ζmin疲劳图进行设计。

应力应变循环图(小载荷)

应力应变循环图(大载荷)

第四节 疲劳强度的常用表示法

在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服极限ζS和强度极限ζb，静载强度计算的出发点是名义应力(或称基本应力)，而疲劳强度计算中，所用材料的强度指标是疲劳极限ζr，计算的出发点是是局部应力(或称峰值应力)。

将破坏应力与加载循环次数N绘成如图5-7所示的曲线，曲线上对应的某一循环次数N的破坏应力即为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的水平渐近线代表疲劳极限。

第五节 影响焊接结构疲劳强度的因素

(一)应力集中的影响

当局部峰值应力达到材料屈服极限时，在断裂前局部材料将产生塑性变形，造成应力重新分布，故实际峰值应力低于理论峰值应力。在这种情况下，应该用有效应力集中系数Kf来估计，其值为光滑试样的疲劳强度ζp与有效应力集中试样的疲劳强度ζp’之比

对接接头焊缝形状变化不大，因此和角接接头及十字等相比，应力集中程度要小，接头疲劳强度最高。

(二)焊接残余应力的影响

在ζa和ζm表示的疲劳图中，曲线ACB代表不同平均应力时的极限应力振幅值ζa。当构件中的应力振幅值大于极限振幅值时，将发生疲劳破坏。随着ζm的增加，极限应力幅值有所下降。

(三)材料表面状态

材料表面有缺陷易造成疲劳强度降低。疲劳裂纹开始产生于材料表面，尤其在拉伸载荷作用下，表层应力最高。

(四)焊接缺陷的影响

焊接缺陷在焊件中会引起应力集中，在交变载荷作用下，很容易引发疲劳裂纹。缺陷对疲劳强度的影响比对静载强度的影响大得多。(五)不同强度金属的影响 强度极限越高，材料对应力集中就越敏感，只有表面抛光的试件其疲劳强度才能随强度极限的提高而增大。

(六)其他影响因素

1．试样尺寸的影响：尺寸增大，疲劳极限降低； 2．负载特点：交变弯曲疲劳破坏的寿命最短。3．温度升高，裂纹扩展速率随之增高。

第六节 提高焊接接头疲劳强度的措施

(一)降低应力集中

1.采用合理的结构形式

2．尽量采用应力集中系数小的焊接接头。3．改善非连续的几何形状，缓和应力集中

(二)调整残余应力场

在易产生裂纹的缺口部位预制残余压应力，消除接头应力集中处的残余拉应力。

(三)表面强化处理

第四篇：焊接公开课教案

凤 阳 县 职 业 教 育 中 心

课 题：学 科：授课人：陈博班 级：地 点：时 间；公 开 课 教 案

焊接技术（维修板凳）机 电 李明 吴晓榕 朱永梅

2009级机电（2）班 电焊实训室 2011年3月22日

焊接技术（维修板凳）

教学目标：

1、检验所学电焊技术

2、为学校节省开支

教学重难点：

焊接牢固、油漆美观 教学工具：

电焊机、面罩、手套、工作服 教学材料：

Ф3.2mm焊条、4×Ф10mm钢筋、坏板凳、油漆、毛刷、砂纸 教学过程：

一、焊接及刷漆注意事项

1、焊工必须配备合适滤光板的面罩、干燥的帆布工作服、手套、橡胶绝缘和清渣防护白光眼镜等安全用具。

2、防止飞溅金属造成灼伤和火灾。

3、防止电弧光辐射对人体的危害。

4、防止某些有害气体中毒，注意保持室内通风。

5、焊机使用前必须仔细检查导线绝缘是否完整，接线是否绝缘良好，注意避免发生触电事故。

二、板凳损坏情况分析

由于螺丝的松动，使板凳面支架不成整体，经晃动使底支撑架脱焊，板凳损坏不能使用

正常支架

损坏支架

三、焊接修复

用四根Ф10钢筋在原损坏支架上下面各焊两根，使板凳上表面成为一个整体，下表面也成为一个整体，这样螺丝再松动，支架仍然是整体，板凳再晃动，也不会损坏焊接点，板凳不得轻易损坏。

焊接好的支架

焊接点示意图

四、焊接流程技术要求

1、焊机电流调到100A左右（根据技术熟练程度自己掌握）。

师问：焊接电流为什么要调到100A?

2、拧紧支架与凳面上的螺丝，使支架于等面垂直。

3、把钢筋放在支架上，开始焊接。

4、焊条与板凳支架成30°角，与钢筋成60°角。师问：为何要求如此角度？

5、钢筋与支架接触面有三个接触点，焊点时间在3~5秒（根据技术熟练程度自己掌握），保证焊点光滑圆润，无毛刺。

6、焊后清理焊点熔渣及飞溅物，检查焊接质量，总结经验。师问：焊后清理目的是什么？

五、刷漆

1、用砂纸把钢筋及焊点表面打磨干净。

2、用刷子刷上防锈漆，晾干。

六、学生实训过程，教师巡视指导。

七、板凳维修完成后，教师检验，并评出优秀实训学生给予表扬。实训总结

通过本次实训，让学生在原有的焊接技术基础上，进一步得到了巩固，进一步深化了对焊接实训中注意事项的理解。在实战中不断地检验自己，提高自己的技术水平。板书设计

焊接技术（维修板凳）

一、焊接及刷漆注意事项

二、板凳损坏情况分析

三、焊接修复

四、焊接流程技术要求

五、刷漆

第五篇：焊接检验破坏性检验教案

《焊接检验》教案

子项目3 破坏性检验

学习内容

本子项目学习各种破坏性检验的原理和检验方法。

知识目标

1、力学性能实验

2、金相组织分析。

3、化学试验分析

能力目标

1、熟悉焊接接头、焊缝及熔敷金属的力学性能试验的内容及方法。

2、掌握焊接金相试样的制备方法，能进行金相试样的观察和显微分析。

3、掌握各种金属材料的化学实验方法，能对化学试验结果进行分析处理。

重点难点

重点：焊缝及熔敷金属的力学性能试验的内容及方法；焊接金相试样的制备方法；金属材料的化学实验方法。

难点：金相试样的观察和显微分析。

《焊接检验》教案

子项目3 3.1力学性能试验

力学性能试验目的：力学性能试验是测定焊接接头、焊缝及熔敷金属的强度、塑性和冲击吸收功等力学性能，以确定它们是否可满足产品设计或使用要求，并验证焊接工艺、焊接材料正确与否。

一、焊接接头机械性能试验取样方法 1．试样的制备：在制备过程中的注意事项 2．样坯的截取方法及方位；

3．样坯的截取数量

熔敷金属拉伸样截取方法 a)同种材料

b)异种材料

管接头压扁样坯截取位置 a)纵缝压扁

b)环缝压扁

二、焊接接头拉伸试验方法

《焊接检验》教案

子项目3 拉伸试验目的：用于评定焊缝或焊接接头的强度和塑性性能。拉伸试样及其制备时要注意以下几点：

1)试样制备时应先打上标记，以便识别它在被截试件中的准确位置。

2）试样应采用机械加工或磨削的方法制备，要注意防止表面应变硬化或材料过热。在受试长度范围内，表面不应有刀痕或划痕。

3）若相关标准或产品技术无规定时，则试样表面应用机械方法去除焊缝的余高，使之与母材原始表面平齐。

4)拉伸试样的形状可分为板状、整管和圆形三种形式。5）板接头选用下图3-1所示带肩板状试样；

3-1板接头板状试样

管接头选用图3-2所示剖管纵向板状试样。通常试样的厚度应力焊接接头的试件厚度。如果试件厚度超过30mm时，则可从接头不同厚度区取若干个试样以取代接头全厚度的单个试样，但每个试样的厚度应不小于30 mm，且所取试样应覆盖接头的整个厚度。在这种情况下，应当标明试样在焊接试件厚度中的位置。

《焊接检验》教案

子项目3

图3-2 管接头板状试样

6）外径小于等于38mm的管接头，应截取整个管接头作为拉伸试样，为了使试验顺利进行，可制作塞头，以利于夹持。

三、焊接接头弯曲及压扁试验方法

试验目的：检验接头拉伸面上的塑性（冷弯角）及显示缺欠。1.焊接接头弯曲试验方法

弯曲试验是检验熔焊和压焊对接接头拉伸面上的塑性及显示其缺欠，塑性用弯曲角α表示。

弯曲试验方法分为圆形压头弯曲试验法和辊筒弯曲试验法两种。

《焊接检验》教案

子项目3 2.压扁试验

分为环缝压扁试验和纵缝压扁试验.其压扁试样的形状和尺寸应符合相关规定，试验时，管接头试样的焊缝余高用机械方法去除，使之与母材原始表面平齐。

环缝压扁试样试验

四、焊接接头冲击试验方法

试验目的：测定焊接接头焊缝、熔合区和热影响区的冲击吸收功，即考核焊接接头的冲击韧度和缺口的敏感性。

3.2金相检验

金相分析包括光学金相分析和电子金相分析。光学金相分析包括宏观和显微分析两种。

一、焊接接头宏观金相检验方法

宏观组织检验一般是直接用肉眼或通过20～30倍以下的放大镜来检查经侵蚀或不经侵蚀的金属截面，以确定其宏观组织及缺欠类型。焊接接头金相检验时，一般要先进行宏观金相分析，再进行有针对性的微观金相分析。

《焊接检验》教案

子项目3

二、焊接接头的微观金相检验方法。

使用光学显微镜（放大倍数在50～2000之间）检查焊接接头各区域的微观组织、偏析和分布。通过微观组织分析，研究母材、焊接材料与焊接工艺存在的问题及解决的途径。

1.检验方法

焊接接头的微观金相检验包括焊缝和热影响区组织分析

2.检验步骤

（1）试样的截取

（2）试样的夹持与镶嵌

（3）试样的磨制与抛光

（4）试样的显示

显示焊接接头的金相组织的方法有化学试剂显示法、电解浸蚀显示法和彩色金相法三种。

3.2金相检验

化学分析的任务：主要是用于测定各种金属材料的组成，判断材料是否符合国家标准或设计要求。为控制产品制造质量提供可靠依据。

1．试验标准

焊缝金属化学分析可按GB223.1-GB223.7-81《钢铁及合金化学分析方法》进行

分析碳、硅、锰、硫、磷，取屑量不少于30g；若还要同时分析其他元素时，取屑量应不少于50g.2．试样的切取与制备

3．化学成分分析试验操作要点 4.分析结果的处理

1）有效数字各种换算因数、容量法的滴定度、标准溶液浓度等，均应保留4位有效数字；

2）分析结果的计算；

《焊接检验》教案

子项目3 3）试验结果评定，原材料、焊接材料、工艺评定等分析试样，均按有关国家技术标准进行评定。