焊接结构学(绪论).ppt

授课教师：王佳杰 授课时间：2010年秋季学期 所在单位：材料与化学工程系,焊接结构学,自我简介,1975年8月出生 职称：工程师 资质：国际焊接工程师、ISO国际质量认证内部审核员及中国金属材料金相检验员 2008年3月-至今 攻读哈尔滨工业大学焊接博士研究生 负责参与省部级科研课题项目三项,约500万 负责和参与实际工程项目，约1000万 在EI及国家核心期刊发表过的论文10余篇 科研成果荣获省部级一等奖一项，三等奖一项 论文荣获省三等奖一项,课程教学大纲的介绍-课程主要内容,1.绪论 焊接结构的特点 构件焊接性含义 失效事故危害性的概述 2.焊接热过程 介绍基本概念及基本原理 焊接温度场及焊接热循环 3.焊接应力与焊接变形 内应力的产生 焊接应力与变形的形成过程 焊接应力与变形的类型 焊接应力与变形的测量和调控,4.焊接接头 焊接接头的一般性能 焊接接头工作应力分布和工作性能 焊接接头的静载强度计算 5.焊接结构的脆性断裂 金属材料断裂及其影响因素 材料断裂的评定方法 焊接结构抗裂和止裂评定方法 预防焊接结构脆断的措施,课程教学大纲的介绍-课程主要内容,6.焊接接头与结构的疲劳强度 疲劳失效特征 疲劳试验及疲劳图 疲劳强度的物理过程和断口特征 疲劳强度的计算标准 影响疲劳强度的因素 提高焊接接头疲劳强度的措施 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用,7.焊接结构的类型及其力学特点 焊接结构的基本类型 焊接结构的力学特征 焊接结构事例分析 8.焊接结构设计 焊接结构设计的一般原则 焊接结构设计实例 9.焊接结构的失效分析(补充的内容) 失效分析的思路与分析方法 焊接结构失效特征及分析 焊接缺欠的评定实例,课程教学大纲的介绍-主要参考文献,焊接结构学方洪渊编著，机械工业出版社，2008.4 焊接工程师方洪渊编著，机械工业出版社，2008.4 焊接工程缺欠分析与对策陈伯蠡编著，机械工业出版社，1998.1 焊接结构断裂行为及评定霍立兴编著，机械工业出版社，2000.6 断裂韧性测试褚武扬等编著，科学出版社，1979 焊接结构无损检测技术李生田编著，机械工业出版社，2000.5,第一章 绪论,焊接的重要性,重要的先进制造技术 焊接已在金属结构制造中几乎全部取代了铆接。 机械制造业，以整铸整锻大型毛坯改成了焊接结构 目前，世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量的50-60。,绪论-焊接结构的重要性,航天：不锈钢、铝合金、钛合金制造发动机、高压容器（前苏联大推力火箭发动机-钛合金，KM6-不锈钢） 航空：波导、雷达、铝合金、铜合金、高温合金 舰船：超高速舰艇45-50m/s（采用钛合金或15-5PH，氩弧焊） 核潜艇：高强钢大量使用（980钢，300m）；俄国，钛合金，1000m 桥梁：九江长江大桥、西陵长江大桥、南浦大桥、杨浦大桥等为高强钢结构 压力容器：如600MW核电站压力壳，壁厚256mm，热壁加氢反应器壳体，厚度210mm，采用机器人焊接 工程机械：汽车、摩托车、自行车,绪论-焊接结构的重要性,KM6真空容器制造安装技术,绪论-焊接结构的重要性,(1)材质为0Cr18Ni9 (2)主容器:立式圆柱形，直径12m，高22.4m。壁厚22mm。(3)辅容器:卧式圆柱形，直径7.5m，长15m，壁厚20mm。,绪论-焊接结构的重要性,制造难度 KM6真空容器是空间环境模拟器的核心设备。其结构复杂，建设周期短，制造安装技术难度大。KM6真空容器结构庞大，无法整体运输，主要大件最终成形和组焊，机械加工必须在现场进行。 变形控制方案 采用预留间隙控制周长、分段退焊、短段加分段退焊及下厚上薄的焊接工艺控制法兰面外变形和面内角变形的方案。为制定正确的容器装配焊接顺序和工艺过程，进行了相应的数值模拟，最终成功地控制了焊接变形。保证了容器的精度和真空密封，焊接变形控制技术方面达到了国际先进水平，真空试验一次调试合格，真空度指标优于美国和俄罗斯，经三次“神舟”号飞船测试实际证明，完全满足使用要求。其中，直径12m精加工大法兰焊后平面度小于0.10mm/m，法兰整体平面度1.57mm/m，其焊接精度达到国际领先水平。,绪论-焊接结构的重要性,存在的问题 529厂焊制的返回舱初样C1焊接变形严重超差，使其重返大气层的隔热层无法与其粘合，控制焊接变形及焊接应力分布成为9213返回舱研制过程中重大技术关键。 变形控制方案 将整体结构合理划分为部件焊接 优化部件组焊次序 采用低应力少变形焊接技术 采用合理的工装夹具、板组件整体热处理 焊后采用焊缝逐点挤压、风动锤击等矫形技术 焊接变形控制质量达到俄罗斯“联盟”号飞船的先进 水平，即研究工作达到国际先进水平。,“921”工程,绪论-焊接结构的重要性,“联盟”号载人飞船结构 轨道舱结构,绪论-焊接结构的重要性,装甲厚板铝合金炮塔,1.1焊接结构的特点,优点:与铆接、螺栓联接、铸造和锻造的结构相比 (1)焊接接头强度高 达到或高于母材 钻孔 工作截面 承载下降20% (2)焊接结构设计灵活性大 几何形状 壁厚 外形尺寸 现场组焊 标准或非标准型材组焊 异种材料 焊接还可与其他工艺方法联合使用 (3)焊接接头密封性好 优于其他方法，特别是在高温、高压容器上，最理想的连接形式。 (4)焊前准备工作简单 一般不用再进行机械加工就可投人装配焊接 (5)易于结构的变更和改型 无需铸型和模具，因此成本低、周期短。特别适合制作大型或重型、单件或小批量生产。 (6)焊接结构的成品率高 一旦出现缺陷可以修复，因此很少产生废品。,焊接结构也存在如下不足之处: (1)存在较大的焊接应力和变形 由于焊接过程是一个局部不均匀加热的过程，不均匀的温度场会导致热应力的产生，并由此造成残余塑性变形和残余应力，以及引起结构变形。由此而引发的工艺缺欠会影响到结构的刚度、强度和稳定性，从而导致结构承载能力降低。为避免这类问题，常需要进行消除应力处理和校正变形，因而会增加工作量和生成本产本。 （2）对应力集中敏感 焊接结构具有整体性，其刚度大，焊缝的布置、数量和次序等都会影响应力分布，并对应力集中敏感，而应力集中是疲劳、脆断等破坏的起源，因此在焊接结构设计时要妥善处理。 （3）焊接接头性能不均匀 热作用，铸造组织。焊接接头在成分、组织和性能上都是一个不均匀体。,1.1焊接结构的特点,1.2 构件焊接性,1.构件焊接性分析 与“材料焊接性”相比，构件焊接性的含义更广泛，它可以包含: “材料的焊接适应性”、 “设计的焊接可靠性” 和 “制造的焊接可行性” 。 如图1-1所示。 焊接残余应力和焊接变形是焊接性 的重要组成部分，它影响到冷、热裂纹的 产生，影响使用性能并妨碍制造过程。,图1-1构件焊接性的定义,2.影响构件焊接性的因素,从狭义上来说，焊接性可理解为所需求的强度性能、焊接接头的强度受到化学分成或温度循环等主要影响因素的支配，而这些因素又受到如焊缝类型，或预热温度等的影响，强度行为可用一些主要的或物理特征值来描述，而这些特征值又可能涉及另一些次要的或工艺的特征值，下图为一张仅限于影响强度性能的不完全的可变因素图，由此，可看出“焊接性”的复杂性。,2.影响构件焊接性的因素,主要影响因素,主要特征值,合金元素含量 相、显微组织、晶粒尺寸 冷却时间、奥氏体化时间 退火时间和温度 板厚、焊缝类型 等效应力、三轴度 焊条药皮、水分,次要特征值,碳当量 焊接性指数 脆性指数 裂纹敏感性指数 （脆性）转变温度,目标参数,硬度 强度 延展性 冷列敏感性 热烈敏感性 层状撕裂敏感性 回火脆性 松弛脆性 耐腐蚀性,次要影响因素,焊条类型 焊接方法 焊接参数 焊缝类型 预热温度 层数 稀释率 烧穿，夹杂物, , , , , , , , , , , , ,化学成分 相变、显微组织 焊接温度循环 焊后热处理 构件形状 负载条件 氢含量,影响焊接接头强度的主要因素,2.影响构件焊接性的因素,总结,焊接结构的性能和质量涉及到三个主要方面 : 热场(温度场)、应力和变形场以及显微组织状态场。 其对应的基本理论分别为热学 (传热学)、力学 (流体力学、材料力学、弹塑性力学、断裂力学)和金相学