《焊接结构学》期末考试试卷

《焊接结构学》期末考试试卷

一、名词解释

1.内应力：是指在没有外力的条件下平衡于物体内部的力。

2.解理断裂：是沿晶内一定结晶学平面分离而形成的断裂，是一种晶内断裂。

3.应力腐蚀开裂：是指在拉应力和腐蚀共同作用下产生裂纹的现象。

4.温差拉伸法：是利用在焊接结构上进行的不均匀加热造成的适当的温度差，来使焊缝及其附近区域产生拉伸塑性变形，从而抵消焊接时所产生的压缩塑性变形，达到消除部分焊接残余应力的目的。

5.焊接结构：用焊接的方法生产制造出来的结构。

6.焊接温度场：是指在焊接过程中，某一时刻所有空间各点温度的总计或分布。

7.应力集中：是指接头局部区域的最大应力值比平均应力值高的现象。

8.焊接变形：由于焊接而引起的焊件尺寸的改变称为焊接变形。

9.联系焊缝：是一种焊缝与被连接的元件是并联的，它仅传递很小的载荷，焊缝一旦断裂结构不会立即失效，这种焊缝称为联系焊缝。

10.工作焊缝：是一种焊缝与被连接的元件是串联的，它承担着传递全部载荷的作用，即焊缝一旦断裂结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝。

11.动应变时效：金属和合金在塑性变形时或塑性变形后所发生的时效过程

12.焊接残余应力：焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、加工应力等超过屈服极限，

以致冷却后焊件中留有未能消除的应力。这样焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力。

13. 焊接热循环:在焊接过程中，工件上的温度随着瞬时热源或移动热源的作用而发生变

化，温度随时间由低而高，达到最大值后，又由高而低的变化称为焊接热循环。14.延性断裂：伴随明显塑性变形而形成延性断口（断裂面与拉应力垂直或倾斜，其上具有细小的凹凸，呈纤维状）的断裂。

二、简答题

1.焊接结构的优点？

焊接结构的优点：（1）焊接可以把不同形状，不同厚度，不同材料的工件连接起来，且可与母材相当，同时可使产品重量减轻，生产成本明显降低。（2）焊接是一种金属原子间的结合，刚度大，整体性好，不像机械连接那样有间隙，可以减少变形，且能保证容器类结构的气密性和水密性。（3）与铸、锻等其它加工方法相比，生产焊接产品一般不需要大型贵重设备。投资少，见效快。（4）大多数焊接结构生产工艺简单，设备的操作比较容易，应用面非常广泛。（5）焊接特别适用于几何尺寸大，而材料较分散的制品。（6）焊接结构的生产可实现全过程的质量跟踪。比如生产过程中的声发射检测技术，焊前的材料检验，焊后的多种检测手段（X射线，超声波）等。

2.简述焊接残余变形的分类及特点？

①纵向收缩变形，即构件焊后在焊缝长度方向上发生收缩。②横向收缩变形，即构件

焊在垂直焊缝方向上发生收缩。③挠曲变形，即构件焊后发生挠曲，由焊缝的纵向收缩和横向收缩引起。④角变形，即焊后构件的平面绕焊缝产生角位移。⑤波浪变形，即焊后构件呈波浪形，多在焊接薄板时发生。⑥错边变形，即由于焊接件的热膨胀不一致，在厚度或长度方向上引起错边。⑦螺旋形变形，即焊后在结构上产生扭曲。

3.焊接热过程的复杂性主要表现在哪几方面？

1）、热过程的局部性或不均匀性

与热处理工艺不同，多数焊接过程都是局部进行加热的，只有在热源直接作用下的区域受到加热，有热量输入，其它区域则存在热量损耗，（举例：电弧焊、电阻焊等），受热区域的金属熔化，形成焊接熔池，这正是引起残余应力和变形的根源。

2）、热源的相对运动

由于焊接热源相对于工件的位置在不断发生变化，这就造成了焊接热过程的不稳定性

3）、热过程的瞬时性（非稳态性）

由于金属材料中热的传播速度很快，焊接将必用到高度集中的热源，这种热源可以在极短的瞬间内将大量的热量由热源传递给工件，这就造成了焊接热过程的时变性和非稳态特性

4.内应力的存在，对塑性材料和静载强度有何影响？

如果材料具足够的塑性，当外力所引起的应力与内应力叠加达到材料的屈服极限后，应力就不再增加，而是产生塑性变形，这样就会使构件整个截面上应力逐渐均匀化，只要材料有足够的延性，内应力的存在并不影响材料的静载强度。

5、常用的疲劳图有几种表示形式？

1）用最大应力和应力循环特性系数表示的疲劳图 2）用最大应力和平均应力表示的疲劳图 3）用应力振幅和平均应力表示的疲劳图4）用最大应力和最小应力表示的疲劳图6、例举焊接热源模型。

1）点热源模型2）线热源模型3）面热源模型4）高斯热源模型5）双椭球热源模型6）广义双椭球热源模型

7、以平板对接为例，用图示的方式给出纵向焊接残余应力的纵向和横向分布形势。

8、画出未开坡口的十字形接头的工作应力分布。

9.预防焊接变形的措施？

(一)设计措施：①合理地选择焊缝的尺寸和形式②尽可能减少不必要焊缝③合理地安排

焊缝的位置㈡工艺措施：①采取反变形法。②刚性固定法，即在没有反变形的情况下，采用装夹具来增加构件的刚性，提高其抵抗变形的能力。③合理地选择焊接方法和规范，即在满足设计要求作使用要求的前题下，尽量采用小的焊接线能量。

10.简述焊缝及接头的基本型式。

（一）焊缝的基本型式：1、对接焊缝；2、角焊缝；

（二）接头的基本型式：1、对接接头；2、搭接接头；3、丁字（十字）接头；4、角接头

11、简述焊接接头疲劳断裂的过程。

疲劳断裂的过程一般由三个阶段所组成：一、在应力集中处产生初始疲劳裂纹。疲劳裂纹“产生”的定义带有一定的随意性，随裂纹检测技术的不同而不同；二、裂纹稳定扩展；三、断裂，断裂阶段一般根据结构的型式而定。

12、简述焊接热循环的概念及其主要参数。

热循环及其特征在焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点的温度随时间由低而高达到最大值后又由高到低变化的过程称焊接热循环。可见，焊接是一个不均匀加热和冷却的过程，它给母材造成了不均匀的组织和不均匀的性能，又使焊件产生复杂的应变和应力。掌握近缝区的热循环，对于控制和提高焊接质量相当重要。1）加热速度焊接的加热速度比普通的金属热处理条件下快得多，它受焊接方法、焊接热输入、板厚及几何尺寸和金属热物理性质的影响。焊接钢材时，加热速度越快，钢中奥氏体的均质化和碳化物溶解就越不充分，必然影响到焊接热影响区冷却后的组织与性能。2）峰值温度即加热最高温度，它决定着焊后母材热影响区的组织与性能，例如，接头熔合线附近的过热段，就是因为温度高，引起晶粒粗大，致使韧性下降。低合金钢对接单道焊的热循环参

数（焊缝旁的过热粗晶区）焊接方法。3）高温停留时间是指在相变温度以上停留的时间，该时间对于金属相的溶解、析出、扩散均质化以及晶粒粗化等影响很大。对于低碳钢和低合金钢，相变温度以上的停留时间是指).以上的停留时间，这时间越长，越有利于奥氏体的均质化和奥氏体晶粒长大。常把高温停留时间分成加热过程的高温停留时间"<和冷却过程的高温停留时间冷却速度和冷却时间4）冷却速度或冷却时间是影响焊接热影响区组织与性能的主要因素。在热循环曲线上，每一温度下的瞬时冷却速度都不相同，各点的冷却速度可用该点切线的斜率表示。对于低合金钢，在连续冷却条件下组织转变最快13、内应力的存在对构件刚度有何影响？

当外载产生的应力δ与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点fy时，这一区:域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截而积减小，结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝)，或经过火焰校正，都可能在较大的截面上产生残余拉伸应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。

14、简述延性断裂和脆性断裂的断裂机理及断口形貌。

根据金属材料断裂前塑性变形量的大小，断裂可分为延性断裂和脆性断裂两种形式。

1、延性断裂断裂过程是：金属材料在载荷作用下，首先发生弹性变形。当载荷继续增加到某一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生断裂口或微空隙。这些断裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。

延性断裂的裂口呈纤维状，色泽灰暗边缘有剪切唇，裂口附近有宏观的塑性变形。

2、脆性断裂应力低于材料的设计应力和没有显著塑性变形情况下，金属结构发生瞬时、突然破坏的断裂(裂纹扩展速度可达1500-2000m/s)，称脆性断裂。

脆性断裂的裂口平整，与正应力垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽

15、以热影响区强度和延性的变化为例，说明焊接接头力学性能的不均匀性。

由于焊接温度场的梯度很大，所以在这个范围内各点上的热循环也是不同的，从而引起热影响区力学性能的分布不均匀加热温度在1200℃以上时，由原始组织转变而成的奥氏体晶粒急剧长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，称为粗晶区。粗晶区的硬度和强度都高于母材，而延性较母材低，这种现象主要是受冷却速度的影响。延性的降低与钢材的含碳量和热循环时产生的马氏体多少有关加热温度在1200℃~Ac3范围内，原始组织全部转化为奥氏体，但由于加热速度快、奥氏体晶粒细小，称之为细晶区。该区的综合力学性能良好，既具有较高的强度，又具有较高的延性加热温度在900~700℃的区域，原始组织中仅有一部分转化为奥氏体，冷却后得到粗细不匀的组织，使的该区屈服强度比母材略低，这种倾向对于调质钢特别明显。加热温度低于700℃的区域，因

没有组织变化，其强度和延性与母材无大的差异。

16、简述焊接热过程的叠加原理。

叠加原理就是假设有若干个不相干的独立热源作用在同一焊件上,则焊件上某一点的温度等于个独立热源对该点产生温升的总和。

17、构件的焊接性包括哪几方面内容？

答：构件焊接性包含以下几个方面：材料的焊接适应性、设计的焊接可靠性、制造的焊接可行性。

18、简述焊后消除焊接内应力的方法。

1.整体高温回火

2.局部高温回火

3.机械拉伸法

4.温差拉伸法

5.振动法

三、论述题

1、综述调控焊接应力与变形的焊前措施。

1、合理地选择焊缝的尺寸和形状。焊缝的尺寸直接关系到焊接的工作量、焊接应

力和变形的大小。在保证结构承载能力的前提下，应遵循的原则是：尽可能的使焊缝长度最短，尽可能采用小的板厚，尽可能的使焊脚尺寸小，断续焊缝和连续焊缝相比，优先采用断续焊缝，角焊缝与对接焊缝相比，优先采用角焊缝以及复杂结构最好采用分部组合焊接。

2、尽量避免焊缝的密集与交叉。焊缝间相互平行且密集时，相同方向上的焊接残

余应力和塑性变形区会出现一定程度的叠加；焊缝交叉时，两个方向上均会产生较高的残余应力。

3、合理的选择肋板的形状并适当的安排肋板的位置，可以减少焊缝并使得焊缝的

密集程度减小，提高肋板加固的效果。

4、采用压形板来提高平板的刚性和稳定性，大大减少了钢板的拼接焊缝，可以有

效地减小焊接应力与变形。

5、联系焊缝（按构件设计要求不直接承载的焊缝）可以采用断续焊缝的形式以降

低热输入总量。双面断续焊缝的焊段可左交替布置。在可能出现腐蚀的地方用切口使焊缝闭合。

6、预变形法或反变形法也是焊前需要考虑采用的重要措施。按照预先估计好的结

构的变形大小和方向，在装配时对构件施加一个大小相等方向相反的变形与焊接变形相抵消，使构件焊后保持设计要求。

2、综述影响金属脆性断裂的主要因素。

1、应力状态的影响：处于单轴或双轴拉伸应力下，呈塑性；在三轴拉伸应力下，

不易发生塑性变形，呈脆性。

2、温度的影响：温度降低，材料剪切屈服限增大，正断抗力相对不变，发生解理

断裂的危险性增大。

3、加载速度的影响：提高加载速度，材料剪切屈服限增大，正断抗力相对不变，

其作用相当降低温度，促使材料脆性断裂。

4、材料状态的影响：

A、厚度的不利影响：厚板在缺口处容易形成三轴拉应力、厚板轧制次数少，终轧

温度较高，组织疏松，内外层均匀性较差。

B、晶粒的影响：对脆性-延性转变温度有很大影响，晶粒越细，其转变温度越低。

C、化学成分影响：C、N、O、H、S、P增加钢的脆性；适量加入Mn、Ni、Cr、

V等合金元素可减少钢的脆性。

1、综述提高焊接接头疲劳强度的措施有：

(一)、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，采用复合结构把角焊缝变为对接;使联接

件的截面无突变;降低对接焊缝中的缺陷。

③采用角焊缝时，必须采用综合措施来降低应用集中。

④在焊缝附近缓和，使力线绕开应力集中处。

⑤采用电弧整形，使焊缝与基本金属过渡平滑。

⑥在构件表面进行机加工，消除焊缝及其附近的缺口来降低应力集中。

(二)、调整残余应力场，使残余应力的分布尽量均匀化。

(三)、改善材料的机械性能，提高材料的疲劳强度。

(四)、采用保护介质实现特殊保护。

2、预防焊接结构脆性断裂的措施

一、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，应使所选用的钢材的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：第一，在结构工作和要件下，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。

第二、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，不宜采用此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。

二、采用合理的焊接结构设计

（一）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中

1、在一些构件截面改变的地方，必须设计成平缓过渡，

不要形成尖角。

2、在设计中应尽量采用应力集中系数小的对接接头。

3、不同厚度的构件的对接接头应当尽可能采用圆滑过渡。

4、避免和减少焊缝的缺陷，应将焊缝设计布置在便于焊

接和检验的地方。

5、避免焊缝的密集。

（二）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。

（三）不采用过厚的截面。

（四）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。

（五）减少和消除焊接残余应力的不利影响。在制定工艺过程中，

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。

三、用断裂力学方法评定结构安全性。

12、画出用最大应力和平均应力表示的疲劳图，并说明如何应用。

18、画出搭接接头中正面角焊缝的工作应力分布。