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1 绪论1

1.1 本书内容范围和结构1

1.2 焊接性分析2

1.3 残余应力6

1.4 焊接残余应力8

1.5 焊接残余应力场10

1.6 典型实例12

1.7 焊接变形15

1.8 有关的参考书17

1.9 本书概貌18

2 焊接温度场21

2.1 基本原理21

2.1.1 焊接热源21

2.1.1.1 焊接温度场的意义21

2.1.1.2 焊接热源的类型21

2.1.1.3 焊接热源的热功率23

2.1.2 热传播定律26

2.1.2.1 热传导定律26

2.1.2.2 对流传热定律26

2.1.2.3 辐射传热定律27

2.1.2.4 热传导微分方程式27

2.1.2.5 初始条件和边界条件28

2.1.2.6 材料热物理性质的特征值29

2.1.3 几何尺寸和热输入的简化模型33

2.1.3.1 简化的必要性33

2.1.3.2 几何尺寸的简化33

2.1.3.3 热源空间尺寸形状的简化34

2.1.3.4 热源作用时间因素的简化38

2.1.3.5 使用者选择焊接温度场模型应考虑的问题39

2.1.3.6 数值解及其与实验结果的比较40

2.2 整体温度场41

2.2.1 瞬时固定热源41

2.2.1.1 作用于半无限体的瞬时点热源41

2.2.1.2 作用于无限板的瞬时线热源42

2.2.1.3 作用于无限长杆的瞬时面热源43

2.2.2 连续固定和移动热源43

2.2.2.1 作用于半无限体的移动点热源43

2.2.2.2 作用于无限板的移动线热源47

2.2.2.3 作用于无限长杆的移动面热源49

2.2.3 高斯分布热源50

2.2.3.1 作用于半无限体的固定和移动圆形热源50

2.2.3.2 作用于无限板的固定和移动圆形热源51

2.2.3.3 作用于无限板的固定带状热源52

2.2.4 快速移动大功率热源52

2.2.4.1 作用于半无限体的快速移动大功率热源52

2.2.4.2 作用于无限板的快速移动大功率热源53

2.2.5 热饱和与温度均匀化54

2.2.6 有限尺寸的影响57

2.2.7 有限元解59

2.2.7.1 基本原理59

2.2.7.2 环元模型61

2.2.7.3 板元模型64

2.3 对熔化区的局部热作用65

2.3.1 作为焊接热源的电弧65

2.3.1.1 物理-工艺基础知识65

2.3.1.2 热平衡和热源密度68

2.3.1.3 熔化焊热传导模型72

2.3.1.3.1 电极的熔化72

2.3.1.3.2 母材的熔化76

2.3.1.3.3 熔化的填充金属和母材的相互作用81

2.3.1.4 焊接熔池模型84

2.3.1.4.1 焊接熔池物理84

2.3.1.4.2 焊接电弧模型88

2.3.1.4.3 流体静力学的表面张力模型90

2.3.1.4.4 流体动力学的焊接熔池模型91

2.3.1.4.5 流体静力学焊缝形状模型93

2.3.1.4.6 小孔模型97

2.3.2 作为焊接热源的火焰98

2.3.2.1 物理-工艺基础知识98

2.3.2.2 热平衡和热流密度100

2.3.3 焊点的电阻加热102

2.3.4 摩擦焊时热的生成105

2.4 母材上的局部热影响105

2.4.1 热影响区显微组织转变105

2.4.1.1 热循环和显微组织105

2.4.1.2 时间-温度组织转变图109

2.4.1.3 时间-温度组织转变图述评111

2.4.2 显微组织转变模型113

2.4.3 单道焊接时的冷却速率、冷却时间和奥氏体化时间117

2.4.3.1 立体和薄板中的冷却速率117

2.4.3.2 厚板的冷却速率118

2.4.3.3 立体和板件中的冷却时间121

2.4.3.4 立体和板件中的奥氏体化时间125

2.4.4 多道焊的温度循环127

2.5 氢扩散131

3 焊接残余应力和变形136

3.1 基本原理136

3.1.1 温度场基础136

3.1.2 弹性热应力场137

3.1.3 弹塑性热应力场140

3.1.4 热力学基本方程142

3.1.5 材料的热物理和力学特征值146

3.2 有限元模型155

3.2.1 简明求解155

3.2.2 杆元模型158

3.2.3 环元模型167

3.2.4 板平面内薄膜板元模型176

3.2.5 横截面内薄膜板元模型180

3.2.6 体元模型186

3.3 收缩力与应力源模型189

3.3.1 纵向收缩力模型189

3.3.2 横向收缩力模型197

3.3.3 在圆筒和球壳上的应用201

3.3.4 残余应力源模型205

3.4 焊接残余应力综述207

3.4.1 一般说明207

3.4.2 焊缝纵向残余应力208

3.4.3 焊缝横向残余应力210

3.4.4 点焊、覆层和火焰切割后的残余应力216

3.5 焊接变形217

3.5.1 模型的简化217

3.5.2 横向收缩和坡口横向偏移219

3.5.3 纵向和弯曲收缩224

3.5.4 角收缩和扭转变形227

3.5.5 薄壁焊接构件的翘曲230

3.6 残余应力和变形的测量方法234

3.6.1 试验和测量的重要性234

3.6.2 焊接过程中应变和位移的测量234

3.6.3 破坏性残余应力测量236

3.6.3.1 单轴焊接残余应力的测量237

3.6.3.2 双轴焊接残余应力的测量239

3.6.3.3 三轴焊接残余应力的测量245

3.6.4 非破坏性残余应力测量247

3.6.5 焊接后的变形测量250

3.6.6 相似关系251

4 减少焊接残余应力与变形的措施254

4.1 必要性与措施类别254

4.2 设计措施256

4.3 选材措施260

4.3.1 材料选择的基本思路260

4.3.2 在热弹塑性场方程中的材料特征值261

4.3.3 材料特征值对焊接残余应力与变形的影响262

4.3.4 焊接适应性指数的推导264

4.4 制造工艺措施266

4.4.1 选择制造工艺措施的依据266

4.4.2 焊前措施与焊时措施267

4.4.2.1 概述267

4.4.2.2 基本措施268

4.4.2.3 焊接工艺措施268

4.4.2.4 热措施272

4.4.2.5 机械措施274

4.4.2.6 典型应用实例277

4.4.3 焊后措施280

4.4.3.1 概述280

4.4.3.2 热态消除应力(消除应力退火)282

4.4.3.2.1 热态消除应力方法的实际应用与有关规范282

4.4.3.2.2 应力松弛试验286

4.4.3.2.3 热态消除应力时显微组织的变化290

4.4.3.2.4 退火温度与退火时间的等效性293

4.4.3.2.5 热态消除应力的蠕变定律与蠕变理论295

4.4.3.2.6 热态消除应力的分析实例与实验结果299

4.4.3.3 冷态消除应力(冷拉伸、火焰消除应力与振动消除应力)302

4.4.3.3.1 冷拉伸的杆元模型302

4.4.3.3.2 冷拉伸的缺口与裂纹力学309

4.4.3.3.3 与冷拉伸有关的实际问题311

4.4.3.3.4 火焰消除应力与感应消除应力316

4.4.3.3.5 振动消除应力318

4.4.3.4 锤击、滚压、点状加压与点状加热320

4.4.3.5 热矫正、冷矫正及火焰矫正322

5 焊接对强度的影响328

5.1 概述328

5.2 热裂纹与冷裂纹329

5.3 延性断裂330

5.4 脆性断裂331

5.5 层状撕裂332

5.6 蠕变断裂332

5.7 疲劳断裂333

5.8 几何(形状)不稳定性334

5.9 腐蚀与磨损335

5.10 焊接时强度的下降336

参考文献337

本书作者的有关专著356

索引357