《焊接应力计算讲义》课件

焊接应力计算讲义本讲义旨在帮助您理解和掌握焊接应力计算的基本原理和方法内容涵盖焊接应力产生的原因、影响因素和计算方法，并结合实际案例进行分析引言焊接是现代制造业中不可或缺的连接技术焊接过程会引入各种应力，对结构的强度和稳定性产生重要影响焊接应力的重要性

1.1焊接应力会导致结构变形，影响其承载能力和使用寿命应力过大可能导致裂纹，甚至断裂，造成安全隐患焊接应力会导致生产效率下降，增加维修成本本讲义的目标

1.2掌握焊接应力计算原理熟悉焊接应力测试方法掌握焊接应力控制技术深入理解焊接过程产生的热应力和了解常见的应力测试方法，包括应学习通过焊接工艺参数优化、焊接残余应力，并掌握相关计算方法变测试、射线衍射法等工艺顺序设计等方法有效控制焊接X应力焊接应力产生机理

2.焊接过程中的热力学变化和材料的物理性质，以及焊接过程中的外部约束都会导致焊接应力的产生本节将深入探讨焊接应力产生的根本原因，并解释各种因素如何共同作用形成焊接应力焊接过程中的热应力

2.1温度梯度热膨胀冷却过程

1.

2.

3.123焊接热源集中，造成焊缝区域温高温区域金属膨胀，而低温区域焊接结构冷却过程中，热应力逐度急剧升高，而远离焊缝区域温金属收缩，导致焊接结构产生内渐转变为残余应力，并对焊接结度较低应力构造成影响焊接金属材料的相变对应力的影响

2.2高温相变低温相变应力影响高温下，焊接金属材料发生相变，晶体冷却过程中，金属材料发生相变，晶体相变过程中体积变化，产生应力结构发生变化结构再次发生变化焊接变形对焊接应力的影响

2.3应力集中焊接变形会导致应力集中，在焊缝附近区域形成较高的应力，可能导致材料失效应力集中程度与焊缝形状、焊接工艺参数等因素有关焊接应力计算

3.焊接应力计算是焊接工程中重要的一部分，其结果可以用于评估焊接结构的安全性焊接应力计算需要考虑焊接过程中的热量输入、材料的热物理性质、几何形状等因素焊缝温度场的计算

3.1热源模型1模拟焊接过程中的热量输入材料热物理参数2考虑材料的热传导率、比热容等边界条件3定义焊接件的初始温度、环境温度等数值计算方法4采用有限元方法或差分方法进行数值求解焊接温度场是指焊接过程中焊缝及周围区域的温度分布情况焊接温度场计算是分析焊接应力的基础，它直接影响着焊接变形、残余应力、焊接接头的性能等焊接应力计算公式

3.2应力计算公式公式类型焊接应力计算公式是基于弹性力学理论推导出来的不同的焊接结构和材料类型会使用不同的计算公式公式通常包含材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数等参数例如，薄板焊接、厚板焊接和管材焊接有各自的公式应力计算中的边界条件

3.3几何边界条件载荷边界条件焊接结构的形状和尺寸会影响应力分布外部载荷，例如拉力或压力，也会影响应力分布温度边界条件材料边界条件焊接过程中的温度变化会产生热应力，影响焊接材料的力学性能，例如弹性模量和泊松应力计算比，会影响应力计算焊接残余应力

4.焊接过程中产生的内应力，在冷却后仍然存在于焊接结构中残余应力会影响结构的强度和稳定性，因此需要对其进行计算和控制焊接残余应力的产生机理

4.1热应力塑性变形

1.

2.12焊接过程中的热量输入，导焊接热影响区材料发生塑性致材料温度不均匀，产生热变形，产生残余应力应力相变冷却收缩

3.

4.34焊接过程中的热影响区，材焊接完成后，材料冷却收缩料发生相变，产生残余应力，产生残余应力常见焊接残余应力计算模型

4.2热弹性计算模型弹塑性计算模型有限元法计算模型该模型考虑焊接过程中温度场的变化，该模型考虑材料的弹塑性特性，并根据该模型将焊接结构划分为有限个单元，并根据材料的热弹性性质进行计算应力应变关系进行计算并根据单元的力学特性进行计算-焊接变形对残余应力的影响

4.3影响因素变形类型控制措施焊接变形会影响残余应力的大小和焊接变形包括横向收缩、纵向伸长通过控制焊接工艺参数和优化结构分布，主要取决于焊接工艺参数、和角变形，每种变形都会导致不同设计，可以有效减小焊接变形，从材料性质和结构形状的应力分布而降低残余应力焊接应力的测试方法

5.焊接应力测试是确保焊接结构安全的重要环节焊接应力测试可以帮助工程师评估焊接结构的强度和稳定性，并确定潜在的风险应变测试

5.1应变仪数据分析应变测试主要使用应变仪测量焊接结构的应变变化通过应变仪测得的应变数据，可以计算出焊接结构的应力大小和分布情况应变仪能够感应金属材料因外力或热力作用而产生的微小变形应变测试是一种常用的焊接应力测试方法，操作简单，成本较低射线衍射法

5.2X原理应用优势利用射线照射金属材料，通过分析根据晶格常数的变化，可以计算出该方法非破坏性，可以对焊接件进X衍射图像，可以测定材料内部的晶材料内部的应力状态，包括焊接残行原位测试，并能提供较高的精度体结构和晶格常数余应力和分辨率中子衍射法

5.3原理优点

1.

2.12中子衍射法利用中子束照射材料，中子衍射法可探测较深层的应力状通过分析衍射图案来测量材料内部态，不受材料表面状态影响，适合应力中子与原子核发生相互作用测量焊接结构内部的残余应力，不受电子云影响，可穿透材料深层，更准确地测量应力缺点应用

3.

4.34中子衍射法需要专门的中子源，测中子衍射法在焊接应力测试领域应试成本较高，实验周期较长用广泛，尤其适用于复杂形状和尺寸的焊接结构，可提供内部应力的精确数据焊接应力控制措施

6.焊接应力对焊接结构的性能和寿命具有重要影响，因此控制焊接应力是保证焊接质量的关键焊接应力控制措施主要包括焊接工艺参数优化、焊接工艺顺序设计和后热处理技术等焊接工艺参数的优化

6.1焊接电流焊接速度焊接材料焊接夹具焊接电流过高，会导致熔池过焊接速度过快，会导致焊缝金选择合适的焊接材料，可以有合理设计焊接夹具，可以有效大，容易产生裂纹和气孔，影属冷却过快，容易产生应力集效地降低焊接应力，提高焊接地控制焊接变形，降低焊接应响焊接质量焊接电流过低，中和裂纹焊接速度过慢，会质量力会导致熔池过小，焊缝强度不导致熔池过热，容易产生气孔足和氧化焊接工艺顺序的设计

6.2分段焊接预热间歇焊接焊接顺序设计要避免在同一区域进行密对于大型结构，焊接前应进行预热，使采用间歇焊接，可以使热量散去，减少集焊接，防止局部过热材料温度均匀，降低热应力热应力积累后热处理技术

6.3消除应力改善性能控制变形通过加热和冷却，可以有效降低焊接过热处理可以改变金属的微观结构，提升对焊接后产生的变形进行控制，避免因程中产生的应力，提高材料的韧性和稳强度、硬度、耐腐蚀性等性能，提高产应力集中而导致的裂纹或其他缺陷定性品质量案例分析焊接应力对结构安全和性能的影响至关重要，案例分析可以帮助我们深入理解焊接应力的实际应用典型焊接结构案例

7.1钢结构桥梁高层建筑钢结构

1.

2.12钢结构桥梁是常见的焊接结构，焊接应力对桥梁的耐久性高层建筑钢结构的焊接应力对建筑的整体稳定性和抗震性和安全性至关重要能有重大影响压力容器船舶结构

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4.34焊接应力会影响压力容器的承压能力和安全运行，必须进船舶结构的焊接应力对船体强度和航行安全至关重要，需行严格的应力控制要严格的应力分析和控制焊接应力测试结果分析

7.2应力分布分析测试数据，绘制应力分布图，直观展示焊接应力分布情况应力峰值确定焊接接头处应力峰值，评估焊接应力大小，判断是否超过材料的屈服强度应力集中分析应力集中区域，评估应力集中程度，确定应力集中对焊接结构安全性的影响焊接应力控制措施效果分

7.3析应力水平降低变形控制通过有效的应力控制措施，焊焊接应力控制措施能有效抑制接结构的应力水平能够显著降焊接过程中的热变形，提高焊低，提高结构的整体稳定性接结构的尺寸精度和外形美观度提高抗裂性延长使用寿命降低焊接应力可以有效提高焊焊接应力控制措施可以延长焊接结构的抗裂性，防止因焊接接结构的使用寿命，提高结构应力过高引起的裂纹产生的可靠性和安全性总结与展望焊接应力计算是一个重要的研究领域它对确保焊接结构的安全性和可靠性至关重要。