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焊接结构学 口试试题 库 及解答 第一 部分 （焊接传热学） 1. 简述构件焊接性的含义，哪些因素影响构件焊接性？ （ P2） （ 1）构件焊接性 广义上 包括了：材料的焊接适应性（即材料焊接性）、设计的焊 接可靠性、制造的焊接可行性。从狭义上来说构件焊接性可理解为所需求的强度 性能。 （ 2） 影响结构焊接性的因素 材料相关：母材和填充材料的化学成分和显微组织 设计相关：结构的形状、尺寸、支撑条件和负载，焊缝类型，厚度和配置 制造相关：焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形状，焊接顺序，多层焊，定 位焊。夹紧、预热和焊后热处理。 PS：焊接性： 是指金属材料适应焊接加工，并获得满足使用性能的焊接接头的 难易程度。 2. 比较电弧焊（ MIG）与电阻焊（点焊）过程中产热机构、散热机构和热量传 递方式方面的差异。 （ P6、 P9） 电弧焊（ MIG） 电阻焊（点焊） 产热机构 电弧产热（最主要来源）： 气体放电产生热量 电阻热：焊丝上产生热量 相变潜热、变形热（忽略） 电阻热（最主要来源）： 接触处电阻大，产热多 相变潜热、变形热（忽略） 散热机构 环境散热 飞溅散热 环境散热 ：较小 飞溅散热：顶锻损失 热量传递方式 热传导：工件和焊丝中 对流换热：熔池内部强迫 对流、气体与电弧 辐射换热：电弧、工件 热焓迁移：熔滴、飞溅 热传导：工件中 对流换热：周围气体 辐射换热：工件 热焓迁移：顶锻飞溅 3. 哪些因素会影响 MIG 过程产热及散热？ （自想） 根据产热、散热机制一个个分析； 产热： （ 1） 电弧电流、电弧电压 电阻热、电弧热 （ 2）材料热物理性质 电阻热 （ 3） 电离气体种类 电弧热 ； 散热： （ 1） 电弧形态 对流散热、辐射散热； （ 2） 周围气体介质 对流散热； （ 3）材料热物理性质 工件传导散热； （ 4）熔滴过渡 飞溅散热； 4. 举例说明焊接结构过程中涉及到几种热量传递方式。 （ P6） 电弧焊 MIG 为例： （ 1）热传导：由于温差存在， 熔池、 工件和焊丝上高温区域向低温区域传 递热量； （ 2）对流换热：熔池内部在电弧冲击下强迫对流换热，工件表面与周围气 体介质和电弧等离子流发生对流换热； （ 3）辐射换热：高温电弧想周围低温物体辐射、工件向周围辐射换 热； （ 4）热焓迁移：高温的熔滴从焊丝端部向母材熔池过渡迁移，发生传质与 传热；焊接飞溅从熔池向四周飞散，传质传热。 5. 比较交流 TIG 焊与电阻焊的有效热功率的差异。 （ P11） 有效热功率：加热工件（接头）的热量 /焊接过程中产生的热量 （ 1）交流 TIG： 产热机制：借助外部集中热源，通过对流换热、热焓迁移向工件表面传递， 热量从表面向工件内部进行传导； 散热机制：因而电弧与周围环境的对流换热散失较大。 （ 2）电阻焊： 产热机制：从内部通过电阻热作为高温热源，电阻热在工件内传导； 散热机制：因而仅工件与周 围环境的对流散热、顶锻飞溅散热，程度较小。 因此，电阻焊的有效热功率大于 TIG 焊。 6. 请给出描述焊接熔池的三维数学模型（控制方程组及边界、体积力初始条件） （ P46-P48） 举例： TIG（非熔化极）电弧以恒定的速度 u0沿 X 方向移动、移动坐标系： （ 1）控制方程组 热能方程 能量守恒 0 ( ) ( ) ( ) ( )T T T T T T Tc u u v wt x y z x x y y z z 动量方程 动量守恒 222 0 2 2 2 ( ) ( )u u u P u u uc u u v w Xx y z x x y z 2 2 2 0 2 2 2 222 0 2 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) v v v P v v vc u u v w Y x y z y x y z w w w P w w wc u u v w Z x y z z x y z 连续性方程 质量守恒 0u v wx y z （ 2）边界条件 热能方程的边界条件为： 当 z=0（工件表面） ，热流 q(r)向工件输入热量 2 22( ) e x p ( )22h qqIU rqr 当 z=、 z=0，对流和辐射向环境放热 0()T a T Tz 在固液界面上 温度为熔点 T=Tm y=0，温度场关于中心平面 (x-y)对称 0Ty 动量方程和连续性方程的边界条件： 在固体中和固液相界面上 速度与坐标相同 0 , 0, 0u u v w 在熔池表面上 粘力与表面张力 vT z T y uT z T x （ 3）体积力初始条件 体积力 X， Y， Z 包括电磁力和自然对流项 () () () x y z X j B Y j B Z j B g T 7. 如何理解焊接熔池流场计算模型中控制方程组得以成立的物理基础 （ P46-P47） 该控制方程组主要适用于非熔化极气体保护焊 TIG 的熔池流体场计算。 TIG 中不需考虑熔滴对熔池的撞击力，熔池内仅有自然对流，以及电磁力和 表面张力等作用力作用产生的强迫对流。因此，焊接熔池内的热量传递主要是依 靠对流换热（而不是热传导），可以 用 热能方程、动量方程、连续性方程来描述。 8. 焊接热源有几种简化方式？其适用条件如何（举例说明） （ P12-P15） 集中热源： （ 1）点热源 三维传热 半无限体 厚板表面堆焊 （ 2）线热源 二维传热 无限大板 薄板对接焊 （ 3）面热源 一维传热 无限长杆 焊丝、焊条、摩擦焊 分布热源： （ 1）高斯热源（正态分布热源） 面热源 薄板熔透焊 +电弧 挺度小 高斯热源拉长 带状热源 高速焊接 （ 2）双椭球热源（卵形热源） 体热源 厚板高能束焊 PS：清华大学激光深熔小孔焊是高斯旋转体热源 9. 热源空间尺寸的简化会造成何种偏差？其使用范围如何？ (P11-P12) 当计算点远离热源时，用集中热源的简化是成功的，但在接近热源区域则很 难模拟，特别是热源中心处，成为数学处理上的一个奇异点，温度将会开高至无 限大。实践证明，在电弧，束流和火焰接焊时，更有效的方法是采用分布热源模 型。 集中热源： （ 1）点热源 三维 传热 半无限体 厚板表面堆焊 （ 2）线热源 二维传热 无限大板 薄板对接焊 （ 3）面热源 一维传热 无限长杆 焊丝、焊条、摩擦焊 分布热源： （ 1）高斯热源（正态分布热源） 面热源 薄板熔透焊 +电弧 挺度小 高斯热源拉长 带状热源 高速焊接 （ 2）双椭球热源（卵形热源） 体热源 厚板高能束焊 10. 给出高斯分布热源的表达式，并说明式中各参数的含义及确定方法。 （ P13） 表达式： *2m ax ex p ( )（ ）q r q kr k表示热源集中程度的系数 1/mm2； 当 q*max 相同而 k 不同时，热流密度的集中程度不同， k 值 ，热源集中 程度 ，热量就更集中，所以一般电子束、激光束的 k 值大，电弧的 k 值适中， 火焰的 k 值小。 k 可被时间常数 1/（ 4at0） 替代。 q*max最大热流密度 J/mm2s； 2 * m a x m a x m a x0( ) 2 ， ，krF kq q r d F q e r d r q q q qk （ q热源有效功 率 J/s；） r圆形热源内某点与中心的距离 mm； *min max0.05qq 认为加热斑点内集中了 95%以上的热量，按此条件，正态分布热源加热 斑点的外径 dn 为： 2 3 /ndk 有关文献介绍，电极斑点直径大约为 5的电弧测量出的 dn=14 35， 而气体火焰的 dn=55 84 ，决定于其焊矩的尺寸。 11. 证明瞬时点热源作用于半无限体时，温度场 T=Qexp(-R2/4at)/c(4at)3/2 的正确性。 （ P18） 瞬时点热源 Q 在 t=0 瞬时作用于半无限大立方体表面的中心处，热源无移动，因 而 u=v=w=0，热量呈三维传播， 是一个纯导热问题， 只需证明将该式为热能方 程的一个特解 222 2 2 2()T T T Tt c x y z 12. 瞬时点热源作用于半无限体 t=0 时，热源作用点的温度为多少？为什么？ （ P19） 在热源作用点（ R=0）处，其温度为 00 322() ( 4 )R QTT c a t 在此点，当 t=0 时， T-T0，这一实际情况不符合（电弧焊时， Tmax 约为 2500 ，这是点热源简化的结果 ，造成了热源作用点处的奇异 ）。 13. 说明瞬时点热源、线热源及面热源作用时的温度场特征及彼此的差异。 （ P17-P21） 共同特征：随着时间 t 延长， 温度 T 随 1/tm/2呈双曲线趋势下降，双曲线高度与 Q 成正比。在中心以外的各点，其温度开始时随时间 t 的增加而升高，达到最大 值以后，逐渐随 t而下降到环境强度 T0。 差异特征： 1/(4at)的指数：（ 1） 3D3 次 半无限体 （ 2） 2D2 次 无限大板 （ 3） 1D1 次 无限长杆 降温速度从 3D-1D 变缓。 14. 薄板上 A 热源作用 5 秒钟后， B 热源开始作用， B 热源作用 5 秒钟后， A 热 源停止作用。求板上任一点 P 在 A 热源开始作用 15 秒钟后的温度表达式。 （ P21、 P23） 某一点的温度变化可由单独热源作用分别求解，然后再进行叠加。 叠加原理：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 的温度等于各独立热源对该点产生温度的总和，即 1 ( , ) n iiiT T r t 其中； ri第 i 个热源与计算点之间的距离， ti第 i 个热源相应的传热时间。 有了叠加原理后，我们就可处理连续热源作用的问题，即将连接热源看成是 无数个瞬时热源迭加的结果。 由题意可知：相当于 v=0 的移动点热源 （固定连续热源） ， tA=10s， tB=10s， 故 不能直接用书上的瞬时热源公式，下面的是错误的： 2 2 ()e x p 1 0 ( 4 1 0 ) 4 1 0 ()e x p 1 0 ( 4 1 0 ) 4 1 0 A A B B P A B Q APTb h c a a Q BP h c a a T T T 正确的 做法 是 ，利用 2-58 的固定连续点热源极限状态温度公式，计算 Tlim： li m 0( , ) 22- q U IT R x T RR 之后利用热饱和和热均匀来计算： 2 33,24vvRtaa ，查下表获得热饱和函数 ( , )ii ， A 点造成 P 的温升： 先饱和后热均匀时， 0( ) ( ) ( 1 0 ) liT t T T t t ， t=15s 时的温度； B 点造成 P 的温升： 只有热饱和过程， 0( ) ( , )i i liT t T T ，计算 10s 的温度； 之后二者相加 P A BT T T。 15. 移动点热源作用下，构件上哪点的温度与热源移动速度无关？ （ P22-P23） 条件：有不变功率为 q 的连续作用点热源沿半无限体表面匀速直线移动，热源 移动速度为 v。忽略起始阶段与收尾阶段， 并认为在准稳态温度场。 我们考虑极 限状态 t，以等速度沿半无限体表面运动的、不变功率的点热源的热传导过 程极限状态方程 ( , ) e x p ( )22q R xT R x vRa 当 x=-R(热源后方 )， 2 qT R 该点与运动速度 v 无关。 16. 快速移动热源作用下的温度场有何特征，为什么？ （ P31） 运动速度 v 越大，热源前方的温度下降就越快，当 v 极大时，热量传播几乎 只沿横截面进行。 往往，快速移动大功率热源工艺参数 q 和 v 成比例增加，以保证单位长度焊 缝上的热输入 qw=q/v 为常熟。（焊接时间减少，因此具有重要的实际意义。） 此时，加热区的长度于速度成比例增加，其宽度趋近于一个极限值。当移动 速 度极高时，热传播主要在垂直于热源运动的方向上进行，在热源运动方向上传 热很少，可以忽略。 应用： 作用于半无限体上的快速移动大功率热源 线热源 二维传播 作用于无限 大 板上的快速移动大功率热源 带状热源 一维传播 17. 高斯热源作用于厚板上的温度场表达式。分析其与线热源和面热源的关系？ （ P27-P28、 P31+自想 ） （ 1） 瞬时高斯热源： 瞬时高斯热源在半无限体内的热传播过程是线性热传播过程 表 达式和平面 径向热传播过程表达式的乘积。 22 0 12 0e x p 4 ( ) 2 e x p ( 4 )( , , ) ( 4 ) 4 ( )r a t tq d t z a tT r z t c a t a t t 上式中的第二项表示施加在 xoy 面的虚拟瞬时平面热源的热量，重直于 oz 轴向 物体内部线性传播的过程 （一维） ，其施加时间为 t=0。第三项描述与 oz 轴重合 的虚拟线热源平面径向传播过程 （二维） ，这一过程比实际热源施的时刻早开始 了 t0时间。 （ 2） 移动高斯热源： 2 2 2 032 00 02( , , , ) e x p ( ) e x p ( ) ( 4 ) 2 4 4 ( ) 4 ( ) tq v x d t z r vT x y z t t t c a a a t a t t at t t 与点热源、线热源关系不是很大（自想）。 （ 3）作用于半无限体上的快速移动高斯热源： 22 0 1 2 1 20e x p 4 ( ) 2 e x p ( 4 )( 4 ) 4 ( ) y a t tq z a tT v c a t a t t 可变换为一个等效的，提前时间 t0作用的线热源（此线热源在线长度方向上 按高斯分布） (第三项 )和一个作用于半无限体上热源运动方向垂线上的高斯分布 热源 （第一项）的组合，其热量只在垂直于运动方向传播。 18. 什么是热饱和？热饱和时间的含义是什么？如何确定？ （ P33） 热饱和：热源长时间作用后可导致极限状态 （ 1）固定热源极限状态：稳定温度场，各点温度与时间无关 （ 2）移动热源极限状态：准稳定温度场，动坐标系内各点温度与时间无关 热饱和时间：开始热输入起，至获得局部温度的极限状态 Tli 的时间称为热饱和 时间。 确定方法：可将局部温度的变化用一个通用的热饱和函数来描述： 0( ) ( , )i i liT t T T i为一无量纲参数，与时间 t 成比例； i为一无量纲参数，与研究点至热源的距离 r 成比例 (i=1,2,3)； 半无限体表面移动点热源的三维热扩散： 2 33,24vvRtaa 无限板上的移动线热源的二维热扩散： 22 222( ) , ( )44v b vr b ta a a 无限长杆上的移动面热源的一维热扩散： 22 112( ) , ( )44v b vx b ta a a 当 ( , )ii =1.0 时，即达到热饱和。 如何确定 根据热源类型，结构模型，焊接速度，以及 t,r 确定。 19. 什么是温度均匀化？温度均匀化时间的含义是什么？如何确定？ （ P33） 温度均匀化：当热源程停止加热后，将开始一个与热饱和相反的过程，由热 源造成的温度的不均匀性逐渐被平衡，直至物体达到某一恒定的温度的过程。（由 于前期热源作用，此温度比原始温度略有升高） 温度均匀化时间：与温度均匀化过程有关的时间间隔被称为温度的均匀化时 间。 处理方式：引入一个等效热沉（具有负的热 功率），此热沉与 “连续并且未停 止作用 ”的热源（具有正的热功率，）相 叠加 ，以模拟热源终止之后的情况。 在热源停止加热时热沉开始作用，负热饱合曲线与正的热饱和曲线相减，得到热 源终止后的情况。均匀化时间内的温度如下计算： 0( ) ( ) ( ) l i sT t T T t t t ts为热饱和时间， t-ts为均匀化时间。 PS：热源为固定，则热沉也固定； 热源为移动，热沉也相应移动。 20. 什么是焊接热循环？描述焊接热循环的参数有哪些？ （ P34） 焊接热循环：在焊接过程中，工件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，又由高而低的变化过程。 描述参数： （ 1）加热速度（ H） （ 2）加热最高温度 (Tmax ) （ 3）在相变温度以上停留时间 (tH) （ 4）冷却速度 (或冷却时间 )(c) 21. 请在典型焊接热循环曲线上标出各热循环参数并解释其意义。 （ P34-P35） PS: 对于低碳钢和低合复钢来说，我们比较关心的熔合线附近在冷却过程中经过 540 时的瞬时速度，或者是从 800 降温到 500 的冷却时间 t8/5， 因为这个温 度范围是相变最激烈的温度范围。 22. 如何计算快速移动点热源作用下的热循环最高温度？ （ P36） 根据传热理论，焊件上某点的温度经过 tm秒后达到最高温度，此时其温度变 化速度应为零，即： 0Tt 快速移动点热源作用下的最高温度： 由于为快速移动热源，因而认为热量只沿 垂直 运动方向的平面内传播 （二维） 2( , ) e x p ( )24 x x rqT r t v t a t 两侧取对数并微分 2 2() ( 1)4 xrT t Tt t a t 0Tt , 2 104xrat , 24xm rt a , mm m m xvt x t v 2 4 mm axr v 2 224( ) ( , ) e x p ( ) e x p ( 1 ) 0 . 2 3 42 4 2xm x x m m m x xrq q a qT r T r t v t a t v r c v r 23. 在 20mm 厚的钢板上堆焊焊道已知热源功率 q=1000 卡 /秒，移动速度 V=1mm/秒，热物理系数： =0.1卡 /厘米 秒 ， C=1.0卡 /cm ,a=0.1cm2/ 秒。计算沿纵向平面 XOY，位置在上表面和下表面上并在热源后方 20mm 处的 A 点和 B 点的极限状态温度。以及在热源正下方 C 点的温度。（ A 点坐 标： x=-20mm, y=0, z=0; B 点坐标： x=-20mm, y=o, z=20mm; c 点坐标： x=0, y=0, z=20mm） （自想） 厚板堆焊 三维传热 点热源 V=1mm/s 速度不快 移动点热源 作用于半无限体上的移动点热源 方程： 2 2 2 2 3 2 3 202 ( , , , ) e x p ( ) e x p ( )( 4 ) 2 4 4 tq v x d t v t x y zT x y z t c a a t a a t t，极限状态方程为 ( , ) e x p ( )22q R xT R x vRa ， R 为运动坐标系中点到 O 距离 ，之后分别代 入 A， B， C 坐标即可。 24. 如何计算快速移动线热源作用下的最高温度？ （ P36） 最高温度的计算：经过实践 tm后达到最高 Tmax，满足 / | 0 mttTt ； 快速移动线热源作用下进行平板对接焊接时，其温度为： 20 12 e x p ( )2 ( ) 4yqT b tv h c t a t 0Tt ， 20 4 1 2mmy at bt，对于靠近热源移动轴的点，其散热来不及显著降 低，即： btm明弧焊 65% 电弧潜入熔池或埋弧时，电弧与空间的辐射换热明显减少，因而其热效率比 明弧焊高；埋弧焊通过熔渣保护，几乎不与周围空间的空气接触，辐射换热更少； 并且飞溅损失很小，因而其热效率较潜弧焊更高。 此外，明弧焊电弧作用在工件表面，加热比较分散，飞溅损失也较多；潜弧 焊电弧作用于焊缝与侧壁，比较集中，因而热的利用率高，效率更高。 30. 分析熔化极和非熔化极焊接哪种的热效率高。 （ P41） 熔化极 75%非熔化极 60% 非熔化极的热量损失主要有：消耗值环境的对流、辐射换热 （ 20%左右） ，加 热电极的热量 （ 20%左右） ； 熔化极焊时，由于部分熔化电极的热量和熔滴一起进入熔池 （ 25%左右） ，增 加了对母材的加热，因而热效率的值也较非熔化极高；虽然由于飞溅会造成一部 分损失，但总体较小 （ 5%左右） 。 31. 焊条上的电阻加热如何计算？ （ P43-P44） 电阻热随电流密度和电流作用时间的增加而增加，在整个电极体积内任何时 刻各处升温都相同（假定各部位的电 流密度相同）。但在焊条药皮内，存在有径 向的温度梯度。 产热 1 2 3Q Q Q Q 散热 焊芯发热量 * 2 e Q l I dtA 焊芯升温 1 1 1 edTQ c A l d tdt 药皮升温 2 2 2 cdTQ c A l d tdt 向周围介质散失 3 3 3 0() cQ T T d l d t 以 (T-T0)代替 (T-T3)， t=(0.9 0.95)3 ， 1 1 2 2ec e c A c Ac A ; e Ij A 电极电阻加热微分方程： *2 0 4() ct ee ddTc j T Td t d d 32. 焊条上的电弧加热升温如何计算？ （ P44-P45） 电弧产生的热作用于熔化电极端部及邻近的大约 10 以内的区域，在此范 围内的温度急剧下降，可以近似用杆的移动面热源的温度计算公式： *( ) e x p ( )er m r vxT T T T a T焊丝端部温升； Tr由于电阻热造成的温升； Tm*熔滴的温度（ Tm* Tm熔点）； ve焊丝熔化速度，或送丝速度； a热扩散率； x焊线轴向坐标。 33. 焊丝上的温度分布如何计算？ （ P45） 在焊缝中，电阻热造成的温升 Tr 在焊芯中或整个焊条内随焊接时间 tw 稳定 增加。 自动送丝时，温度 Tr 从导电处到焊丝端部接近线性增加。 Tr 与由电弧造成的按指数形式增加的温升 Ta 相叠加强度，即 T=Ta+Tr。 34. 一电弧作固定用于一巨型工件表面，电弧电压 U=30V,焊接电流 I=300A 热效 率 =0.7， =0.42J/cms ， c=5.25J/cm3 ，不考虑表面散热，电弧加热 10 秒后熄灭，求电弧中心点在开始加热 5 秒、 10 秒、 20 秒时的温度。 （自 想） 是一个从热饱和到热均匀化的过程 固定加热热源，巨型表面视为半无限体 三维传热，点热源， v=0，故 使 用连续移动的点热源模型； 考察准稳态情况， t，极限状态方程为 lim ( , ) 22q U IT R x RR 2 33,24vvRtaa ，查下表获得热饱和函数 ( , )ii ， 热饱和时， 0( ) ( , )i i liT t T T ， t20mm 焊接的温度场 点热源 （ 2）无限大板 薄板 金 属屈服强度变形率 s，则在中心部位会产生压缩塑性变形，仍旧保持应力平衡。 5. 长板条中心加热 冷却后残余应力的产生机理（过程） （ P52-P53） 四大假设下： 冷却后，分几种情况；（但凡冷却就要考虑加热峰值温度） 当 中心加热峰值温度高，会导致受热自由变形大。平面假设下，由于周围金 属的限制，产生压缩 变形 与压缩塑性变形 。冷却后压缩塑性变形无法恢复，使得 该部分的工件尺寸明显缩短，在周围金属的限制下产生拉伸 变形。而周围金属收 到了焊缝与近焊缝取的反作用力，收到压缩变形。因此残余应力分布为中心拉， 两端压。 若中心区 高温时的压缩塑性变形量过大， 冷却后周围对其的 拉伸变形率超过 了屈服变形率， 中心区的 材料 将发生拉伸塑性变形。 6. 长板条一侧加热 冷却后，残余应力的产生及分布情况。 （ P54-P55） 分三种情况： （ 1）加热温度较低 dxY B B .2/ 2/ 0)(2/ 2/ dxxfE B B e 加热后 a）： 同时满足应力与应力的力矩平衡 00 0 0( ) ( ) 0 B B B e T eY d x E d x E T T d x 00 0 0( ) ( ) 0 B B B e T eM x d x E x d x E T T x d x 截面发生转动， e变为 x 的线性函数 00()e e e B exB ，高温侧受压 应力，低温侧也受到压应力，中部受到拉应力。 冷却后： 由于 内部变形小于金属屈服强度的变形率，温度恢复后，板条中不存在 残余应力。 （ 2）加热温度较高 加热后 b）： 使板条在靠近高温一侧的（ B-Xs）局部范围内产生塑性变形 0( ) ( 0 ) ( ) sT ss T T xxB 同时满足应力与应力的力矩平衡 0000( ) ( ) ( ) ( ) 0 s s xBB e T e s s s exd x T T d x d x B x T T d x 200 00 ( ) ( ) ( ) ( ) 02s s x s e T e s s exx d x T T x d x x d x B x T T x d x 高温侧受压应力 ，大小逐渐改变，高温段为 s，之后逐渐减小到 0； 低 温侧也受到压应力，中部受到拉应力。 冷却后 d）： 由于塑性变形的存在，冷却后原加热边缘收缩，长度明显变短。根据平 面假设，只有 截面与加热时转动方向相反， 使两侧受到拉应力，中部受 到压应力，应力平衡。 （ 3）加热温度极高 加热后 c）： 在（ B-x2）一段内，由于温度很高，使变形抗力为零，在此区域内发生 完全塑性变形，而应力 =0。在（ x2-x1）范围内，塑性变形抗力从 x2 处的 =0 线性变化到 x1 处的 =s=Es，在此区域内可将应力表示为 =s(T)=Es。在（ x1xs）范围内，发生塑性变形，塑性变形抗力为 s， 即 =s，并且有 =s。在（ xs0）范围内为弹性变形区。 12 1 0 0 0 ()s s x xxBB e T s sY d x E d x E d x E d x E d x 2 1 1 0( ) ( ) ( ) 02 s s s eE x x E x x E T T d x 12 1 0 0 0 33 2 2 2 22 1 2 2 1 1 0 12 0 () ( ) ( ) ( ) 03 2 2 s s s x xxBB e T s s xx x ss se M x d x E x d x E x d x E x d x E x d x EEx x x x x x x E T T x d x xx :另 有 s es T 高温侧受压应力，大小逐变，最高温侧为 0，之后从 0 逐渐增加到 s， 再逐渐减小；低温侧也受到压应力，中部受到拉应力。 冷却后 d）： 由于塑性变形的存在，冷却后截面与加热时转动方向相反，两侧受到拉 应力，中部受到 压应力；若加热时温度过高，加热侧冷却后的拉应力可 能达到屈服强度。 总体而言，加热时长板条加热端受热膨胀，受到到压应力作用，板条整体向 热源处挠曲 e） ；冷却后长板条受热段受到拉应力作用，板条整体向热源反方向 （远端）挠曲 f） 。 在板条单侧边加热的情况下，半条的外观变形不仅有端面平移，而且还有角 位移。 7. 长板条一侧加热时变形及应力的演变过程 （ P54-P55） 四大假设下： 当 一侧 加热峰值温度高，会导致受热自由变形大。平面假设下， 对于长板条， 平面必须发生一定偏转， 由于周围金属的限制， 在两侧产生压缩变形或 压缩塑性 变形 ，中部产生拉伸变形与拉伸应力 。 冷却后 原加热一侧的压缩塑性变形无法恢复。又在平面假设下，此时平面向 另一方向偏转，使得加热侧部分的工件尺寸明显缩短，在周围金属的限制下产生 拉伸变形。而中间去的 金属收到了焊缝与近焊缝取的反作用力，收到压缩变形。 为了保持力矩平衡，另一侧的金属也收到拉伸变形。因此残余应力分布为中心压， 两端拉 。 若 加热侧 高温时的压缩塑性变形量过大，冷 却后周围对其的拉伸变形率超过 了屈服变形率，加热侧 的材料 在室温时还 将发生 一定的 拉伸塑性变形。 8. 以低碳钢平板条中心焊接为例说明焊接温度场与对应高温时的应力分布情 况。 （ P57-P58） 焊接过程 中形成一个中心高两侧低的对称不均匀温度场。某一假面下对应的应力 分布如下：（根据四大假设） AB 范围内材料处于完全弹性状态，其内应力正比于内部应变值，端部为拉 应力，靠近 B 端逐渐变为压 应力； BC 范围内材料屈服，内应力为压 应力， 且 达 到室温下材料的屈服强度保持不变； CD 范围内由于屈服强度从室温值降低到 0， 内应力为压 应力，且等于屈服强度； DO 范围内，屈服强度为 0，内应力为 0， 此区域不参与内应力平衡。 9. 说明受拘束体在热循环中应力与变形的演变过程。（以低碳钢为例）分三种 情况 （ PPT 增补内容 +额外教材） 四大假设： 金属高温性能随温度变化对于低碳钢变化 , 5 0 0 0 , 5 0 0 6 0 0 0 , 6 0 0 s s s c T C c T C TC （ 1） 绝对刚性约束下：（三种情况） e 0， -T 1 . ( )，s e TE 加热时处于压缩弹性变形，始终处于弹性状态，应力随温度升高而增大；冷 却后弹性变形恢复，应力减少为 0，无残余应力与变形。 2 . , 5 0 0 ( ) 1 0 0， s M A X se T s TC E T CE 加热时产生压缩弹性变形， 应力逐渐增大； 加热至 Ts 后变形率大于屈服变 形率，产生压缩塑性变形，应力等于屈服强度保持不变； 冷却时压缩塑性 变形无 法恢复，压缩弹性变形恢复， 应力减少；最终由于塑性变形的存在，材料尺寸变 短，刚性约束限制变形， 产生拉伸弹性变形 与拉应力 。室温时有残余 拉 应力与压 缩的 弹性变形与 塑性变形 。 3. , 600s M A XTC 加热时产生压缩弹性变形，应力逐渐增大；加热至 Ts 后变形率大于屈服变 形率，产生压缩塑性变形，应力等于屈服强度保持不变；加热至 500 时，屈服 强度逐渐降低，弹性应力降低，压缩塑性变形逐渐增加；加热至 600 以上时， 屈服强度为 0，材料内部无应力，只有压缩塑性变形；冷却时，压缩塑性变形无 法恢复，由于材料弹性未恢复，又有刚性约束，材料内部产生拉伸塑性变形；冷 却至 600 后，材料弹性恢复，产生弹性拉伸变形与拉应力，材料内部仍存在拉 伸塑性变形；冷却至 500 后，屈服强度达到室温值，内部拉应力达到屈服强度 并保持不变，弹性拉伸变形也保持不变；随着材料的收缩，拉伸塑性变形逐渐增 加。室温时材料内有 残余 拉 应力 ，大小为屈服强度；有拉伸的弹性与塑性变形。 （ 2）弹性约束下： 10. 以低碳钢为例说明焊接应力与变形的演变过程。 （ P59+额外 PPT） 假设 前提： 四大假设 （ 1）焊接速度快，材料导热性差（低碳钢） 平面假设仍然成立 （ 2）对于低碳钢，假定杆件中的应力 达到 s后就不再升高 即将低 碳钢视为理想弹塑性体； （ 3）并且，将其屈服强度随温度的变化近似为如下模型： , 5 0 0 0 , 5 0 0 6 0 0 0 , 6 0 0 s s s c T C c T C TC （ 4）金属性质不变的假定 忽略相变影响； 演变过程： 等速焊接条件下，同一截面上的不同时刻的演变过程与同一时刻不同截面上 的温度场和应力状态是等效的。 a） t1 时刻： 加热到较高温度（ 900 ） ，材料由于加热膨胀发生变 形，中央 温度高，伸长量大，两侧温度低，伸长量小；由于平面假设，板件整体发生拉伸 变形（实线位置），且总体达到平衡，因而两侧为拉应力，中央为压应力。 因而板的中间区域应力为 0， 应力： 根据理想弹塑性体假设与屈服强度简化模型， 中央部分温度 600 的 区域 s=0，因为无弹性应力； 500600 的范围内，屈服强度开始增大，弹性应 力也逐渐增大； 500200 范围内，弹性应力达到最大值且 s不再增加；在 200 以下的范围内压应力逐渐减小并过渡到拉应力，在板的边缘可能由于 变形量 较大， s， 导致应力不再 增加，大 小为 s。 应变： 温度超过 600 的区域内，产生的变形全部为压缩塑性变形；在 500600 范围内，弹性应力开始恢复，既有压缩塑性变形，也有压缩弹性变形；在 其余为 压缩塑性变形；在 200 以下的范围内，压应变逐渐减小并过渡到拉应变，在板 的边缘处可能达到最大值 s，从而产生拉伸塑性变形。 特征：两边受拉，中部受压；中心区域压缩塑性变形极大；最大压应力幅值 为 s，中心区域出现零应力区。 b） t2 时刻： 当从峰值温度场开始冷却至 600 时 ， 分析方法为：首先作出 t2 时刻的自由变形曲线 T2，从 T2中扣除 t1 瞬时已存在的压缩塑变 p1（残存压 缩塑变），得到了 t2 时刻的实际自由变形曲线（蓝粗线） T2。中心线处温度为 600 ，应力为 0，并产生拉伸塑性变形；在中心线两端高于 500 的区域，弹性 开始恢复，受拉升后产生拉应力，并出现弹性变形。 T2与 p1叠加使某一点的应 力为 0，该处之外的区域仍为压缩变形。在 500 以下的范围，应力与变形情况 与 t1 时刻基本相似，压缩变形量逐渐增大，超过屈服变形量后，产生压缩塑性 变形；板边则为拉升变形与拉升应力，用于平衡应力。 特征： 温度 有升有降；中心区在急剧降温；两侧 低温区在升温； 塑性区 总体有所扩展；压缩塑性变形区向两侧推进，有所扩大；拉 伸塑性变形区中心凸现； 应力场 明显变化；中心从无到有拉应力；压应力区向两侧移动，有 所扩大；两侧板边原来的拉应力区有所减小。 PS：中部虚线区 由于是连续热源加热，从 900 到 600 时，焊缝温度有 均匀化趋势，会整体升高，原先高于 600 的焊缝区会导致一部分较小的拉伸， 由于该部分已超出屈服极限，因此表现为拉伸塑性变形。 c） t3 时刻： 最高温度为 400 以下的某时刻。同上分析，从 t3 时刻的自由 变形曲线中扣除 t2 时刻的残余塑性 变形（ t2 时刻发生的 压缩塑性变形 -拉伸塑性 变形， 因此，在中心区的拉伸塑性变形有凹陷）。中部高温区温度进一步降低， 材料进一步受到拉伸，拉应力达到屈服极限 s，压缩塑性变形量进一步减少，板 边缘的拉应力与拉应变几乎消失。 特征：温度 有升有降；中心区在急剧降温；两侧低温区在升温； 塑性区 有所扩展；压缩塑性变形区向两侧推进；拉伸塑性变形区 在中心发展； 应力场 明显变化；中心拉应力达到 s；压应力区继续向两侧移 动；两侧的拉应力区进一步减小。 d） t4 时刻： 恢复到室温的时刻，温度全面下降；分析方法同前 ，用该时刻的自 由变形减去 t3 时刻的塑性变形累积值（压缩 -拉伸）。中心区域的拉应力进一步 扩大，板边缘变为压应力区，此时得到的即为残余应力与残余变形。 特征：温度 全面下降；中心区降温幅度大；两侧低温区降温幅度小； t4 时刻总体恢复到室温； 塑性变形区：压缩塑性区宽度基本不变；拉伸塑性变形继续增大。 应力场 明显变化；中心拉应力区有所扩大；两侧原有的拉应力区 消失；压应力区推移至两侧；最终形成 3 块面积：中心受拉，两侧受 压。 11. 金属在从高温到低温变化中产生裂纹的条件。 （ P61） 脆性温度区间 TB：当温度接近固相线时，低熔共晶开始熔化，时得金属处 于固 液状态，低熔共晶分布在晶粒间形成液态薄膜，金属延性陡然下降。 金属降温通过 TB时是否发生开裂，取决于三个因素： （ 1）拉伸应变随温度的变化率 T （即通过 TU 点的射线的斜率）的大小（外 因） （ 2）脆性温度区间 TB的大小（内因） （ 3）金属处在这个区间内时所具有的最小延性 min塑性储备（内因） ( ) , ,产 生 裂 纹 射 线 3c C B TTT ( ) , 不 产 生 裂 纹 ， 射 线 2cTT () 为 临 界 值 ， 射 线 1cT PS：控制外因，减少拉伸应变随温度的变化率：预热、缓冷 。 12. 说明金属材料 “脆性温度区 ”的含义，它与产生焊接裂纹的内在关系。 （ P61） 脆性温度区间 TB：当温度接近固相线时，低熔共晶开始熔化，时得金属处 于固 液状态，低熔共晶分布在晶粒间形成液态薄膜，金属延性陡然下降 。而在 接近液相线时，金属处于液 -固体状态，液相比例增大，可填充变形产生的间隙， 延性迅速上升。 因此，在固相线附近到液相线间存在的脆性温度区间 TB 时金属的延性降 低，塑性储备 min较小，成为温度下降时金属延性的薄弱环节。 一般地， TB越大，金属温度下降时通过脆性温度区间的时间越长，越容易 产生结晶裂纹。 13. 焊接残余变形有哪些种类？ （ P79） 主要有：（ 1）纵向收缩；工件在焊缝方向的尺寸缩短行为；（面内） （ 2）横向收缩；工件在焊缝方向的尺寸缩短行为；（面内） （ 3）挠曲变形；工件轴线产生的弯曲变形；（面内） （ 4）角变形；工件的平面围绕焊缝轴线产生的角位移；（面外） （ 5）波浪边形；薄板工件在板平面上产生的凸凹不平；（面外） （ 6）错边变形；焊接所导致的构件在长度方向或厚度方向上出现错位， 长度方向上的错边变形称为面内变形，厚度方向上的错边变形称为面外变形； （ 7）螺旋形变形（扭曲变形）；构件在焊后出现螺旋状扭曲；（面外） 14. 圆球容器焊接结构及两块厚度不同钢板的搭接接头，受载时产生附加应力的 原因。 （ P81） （ 1）圆球容器焊接时在 1 处由于横向收缩引起角变形，当受工作荷载时（一般 是向外或者向内的压力），球壁之间会产生拉力或压力。由于 1 处角变形导致焊 缝不处于圆截面的切线上，切线处的拉力或压力对焊缝而言是偏心的，因而产生 附加的弯矩。容器受内向外的压力时，焊缝受到拉力作用，焊缝焊趾处受到弯矩 的拉应力作用，易产生裂纹；容器受由外向内的压力时，焊缝受到压力作用，焊 缝根部受到弯矩的拉应力作用，已产生裂纹。 （ 2）厚度不同的钢板搭接时，较薄的板刚度小，焊接时容易发生角变形而弯曲； 较厚的板由于刚度较大，不发生明显弯曲变形。当受到荷载拉力时，力线主要沿 焊缝 1 穿过，而很少通过焊缝 2，导致焊缝 1 承受的载荷要比焊缝 2 大得多。且 对于两板而言，焊 缝 1 处的受力并不与自由端处的受力平行，因而产生一个附加 弯矩；由于焊缝 2 受力小，这个附加弯矩无法平衡。 15. 多层焊与单层焊对纵向变形的影响有何不同？ （自想） 暂时不知。 PS：多层焊，各层产生的横向收缩量以第一层（最底层）最大，随后逐渐递减。 16. 先焊焊缝和后焊焊缝的横向变形有什么不同？ （ P89） 横向收缩沿焊缝长度方向上的分布式不均匀的：沿焊接方向由小到大，并趋 于稳定。 先焊接的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生了挤压作用，使后者的横向收缩 增大；并且，先焊的焊缝使得工件的刚度增大，因而抑制了后焊焊缝的 横向收缩； 因此，先焊焊缝的横向收缩变形比后焊焊缝的变形小。 17. 横向收缩在焊缝长度上的分布规律及原因 （ P89） 分布：横向收缩沿焊缝长度方向上的分布 是 不均匀的：沿 焊接方向由小到大，并 趋于稳定 。 原因：先焊接的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生了挤压作用，使后者的横向收 缩增大 ，因而板厚增大 ； 由于厚度增大， 使得工件的刚度增大，因而抑制了后焊 焊缝的横向收缩； wq c ，最终达到一个稳定的横向收缩与厚度。 18. 对接接头横向收缩产生的过程 （ P91） 以板间留有间隙为例，焊接时两板受热膨胀，使焊接间隙减小（单位厚度焊 接线能量愈大，热膨胀越大，间隙变化也越大）。在冷却过程中，焊缝金属由于 很快凝固，随后又恢复弹性，因此阻碍两板在焊缝两侧的端部的收缩到原来的位 置，而板的远端由于无约束可以自由收缩。这便在冷却后就产生了横向收缩变形。 19. 对接接头横向收缩在有间隙焊和无间隙焊时有什么不同？ （ P91+其他教材 ） 牵强：不一定按如下的结果，有很多影响因素，但是一定取决于高温区的宽度。 （ 1）有间隙：，焊接时两板受热膨胀，使焊接间隙减小。在冷却过程中，焊缝金 属由于很快 凝固，随后又恢复弹性，因此阻碍两板在焊缝两侧的端部的收缩到原 来的位置，而板的远端由于无约束可以自由收缩。这便在冷却后就产生了横向收 缩变形。 焊后产生的横向变形由两部分组成，一部分是焊接时母材对接边缘受热自由 膨胀，焊后处在连接状态下冷却收缩而引起；其数量大体等于热自由收缩量（绝 大部分）；另一部分是焊缝（液态）金属凝固收缩（ 10%）。 （ 2）无间隙：如果两板间并没有留间隙，则板的膨胀将引起扳边的挤压，使之 向厚度方向变形，厚度增加；由于板的远端没有约束，板也向外侧膨胀。在冷却 后，向外侧膨胀的部分可以恢复，而 厚度方向上的变形由于焊缝的存在不能恢复， 使得板整体产生横向收缩。 母材对接边缘的热膨胀受阻，产生横向压缩塑性变形，焊后该压缩塑性变形 引起横向收缩，再加上焊缝金属自身的凝固收缩，构成了整个接头横向变形。一 般情况下没有间隙的对接比有间隙的对接横向收缩小。 20. 平板对接时横向收缩量与什么因素有关？ （其他教材） 对接接头的横向变形大小与焊接线能量、焊接坡口形式、焊缝截面积以及装 夹刚度有关。 2 wt qB c （ 1） qw 横向收缩； （ 2） 刚度提高， B ； （ 3）材料因素， B ； cB； （ 3）坡口形式 存在，刚度系数 tB； 单 V 比双 V 型 B 大； （ 4）焊接层数 多层焊， B（叠加效应 ，第一层最大； 回火 ，第一层组织 性能好 ）； （ 5）装配间隙越大 B ； （ 6）定位焊焊点越大、装夹的刚度越大 B ； 21. 角变形产生的原因 （ P94） 根本原因：横向收缩在厚度方向上的不均匀分布造成的。 单侧或不对称焊接，在对接、搭接、 T 形、十字形和交接接头中，常常会发 生角变形，焊缝正面收缩量大，背面收缩量小，这样就会造成构件平面的偏转， 产生角变形。 影响因素：熔深 H，板厚 ，热输入 qw （ 1） H/增加，角变形先 后 ； （ 2） 对于薄板， qw 大，塑性区已穿透板厚，背面的温度升高，正反 面温差小，角变形 ； （ 3） 对于厚板， qw 小，塑性区未穿厚板厚，正反面温差大，角变形 ； 只有在塑性变形区贯穿板厚，并且板材正反面的温差最大时，角变形 有最大值。 22. 说明平板对接接头角变形分布规律及原因。 （ P95+老师讲解 ） 造成角变形的根本原因是厚度方向上的 横向收缩不均匀。角变形沿平 板对接 接头焊缝长度方向上的分布也与横向收缩类似，在开始时比较小。但是，控制角 变形的是两板之间的弯矩，如果在板的厚度方向没有约束时，刚度不会随着焊接 过程而增大，因此， 沿焊接方向逐渐增大。 起焊端虽然温差较大，后焊端有预热作用；但这对总体影响不明显，角变形 总体仍沿焊接方向增大。 上述情况的角变形一般在如下情况下能够观察到： 导热系数较好的材料（紫铜）在固定约束条件下焊接，使挠曲变形不显现出 来；当取出固定后，则角变形显现出来。 若不在上述情况，往往会先发生挠曲，而使角变形不明 显，这因为挠曲与角变形 相互抑制，都消耗变形能量