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1、焊接结构工程焊接结构第一章 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望焊接结构工程 焊接通过焊缝不仅形成了宏观接头，同时通过分离金属的原子在连接处的扩散、结合，即通过形成金属键使分离金属之间还建立了内部结构的微观联系，因此，它是永久性连接，具有不可拆卸性。2、焊接技术的发展 焊接技术的发展历来都是随着科学技术的整体进步而发展。在19世纪末到20世纪初的电气产业革命中，随着电弧的产生及应用于工业，开始了电弧焊的纪元，20世纪前期发明和推广了电焊条焊接，中期发明和
2、推广了埋弧焊和气体保护焊，随着物理学的进步，各种高能焊接结构工程3、焊接结构及其应用 焊接结构是指将各种经过轧制的金属材料及铸、锻等配料采用焊接方法制成能承受一定载荷的结构。束也逐渐应用于焊接，因此，又形成了电子束焊、等离子焊、激光束焊等特种焊接技术，到20世纪70年代，在世界范围内，焊接技术以成为机械制造业中的关键技术，特别是20世纪后期，随着电子及自动控制技术的进步，焊接产业开始向着高、精、新技术方向发展，焊接技术甚至成为反映一个国家工业生产能力和机械制造水平的重要标志焊接结构工程 焊接结构的应用几乎渗透到国民经济的各个领域,如工业中的石油与化工机械、重型与矿山机械、起重与吊装设备，冶金建
3、筑，锻压机械等;交通运输业中的车辆、船舶制造;能源工业中的水轮机、气轮机;核能电站中的压力容器、原子锅炉、热交换器;国防工业中的常规兵器、火箭;航空航天技术中的人造卫星、载人飞船等都需要采用焊接结构。焊接结构工程 甚至对于许多产品，为了确保加工质量和后期使用的可靠性，除了采用焊接结构，很难找到比焊接更好的制造技术，也难以找到象只通过焊接工艺就能保证机械结构满足其使用性能要求的其它方法。因此，目前各国的焊接结构用钢量均已占其钢材总消费量的40%-60%。焊接结构工程二、焊接结构的优点1、节省金属材料，减轻自重 焊接结构的零件或部件是直接通过焊接方法连接，无需任何附加连接件或辅助材料，因此可节省大
4、量金属，并减轻自重。焊接结构工程 据统计，与相同结构的铆接结构相比，焊接结构的自重可减轻1020%。焊接结构工程2、承载能力高，密封性好 焊接是金属原子间的连接，其形成的结构整体性好，刚度大，在外力作用下不会象其它机械连接一样因间隙变化产生过大的变形，因此接头强度、刚度一般可达到与母材相等或相近，能够承受基本金属所能承受的各种载荷作用。同时，由于接头无间隙，能够保证产品的气密性和水密性要求。焊接结构工程3、节省工时，生产效率高 焊接结构中,各零部件一般无需开设机械连接中连接件所必需的孔和槽,且基于焊接加工的特点,划线工作量也较少,另外焊接设备一般也比铆接生产所需的大型设备投资低。因此焊接生产周
5、期较短,成本较低。焊接工艺灵活，适应能力强，可以方便地将不同形状、尺寸、厚度的构件连接起来，也可以实现异种金属材料的连接。基于焊接工艺的特点，对于4、焊接结构可以简化工艺，提高零件质量焊接结构工程同一个零件，特别是重型和大型结构，可以根据各部分不同的性能要求采用不同的材料制造，也可以将形状复杂的大型结构件拆分成多个简单的小零件分别加工后，再采用焊接连接成整体结构。大型齿轮 各部分的性能要求存在差异：轮缘要求很高的强度和耐磨性，其它部分要求较低。此时如果只在普通钢材表面堆焊一层高强、优质耐磨合金，再加工成齿轮，不仅可保证齿轮的使用性能，还可降低成本焊接结构工程 水轮机主轴 图0-2 水轮机主轴的
6、几种设计方案a)整锻 b)铸钢法兰与锻造轴筒焊成 c)铸钢法兰与焊接轴筒焊成焊接结构工程表表1-1项目项目净重净重（吨）（吨）毛重毛重（吨）（吨）消耗钢材消耗钢材（吨）（吨）占用大型机床占用大型机床(台时台时)成本对比成本对比%123整锻整锻 铸焊（铸焊（1）铸焊（铸焊（2）47.347.347.3110665320013210214001300100010070.653焊接结构工程拖拉机半轴焊接结构工程5、在使用部分型材时，采用焊接结构比轧制更经济焊接结构工程三、焊接结构的主要特点三、焊接结构的主要特点1、焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大 在焊接结构中，焊缝除了起连接元件的作用外，还与
7、母材金属构成整体，并在外力作用下与母材一起承载和变形。其变形程度取决于受拘束程度。因此焊逢的形状和布置必然会影响应力的分布，使应力集中在接头及其附近较大范围内变化。焊接结构工程l而应力集中对结构的脆性断裂和疲劳都有很大的影响。在焊接接头的形成过程中，焊接熔池要经历冶炼、凝固、热处理三个阶段，焊缝难免会产生缺陷，而缺陷也将形成过大的应力集中焊接结构工程2、焊接结构具有较大的焊接应力和变形 绝大多数焊接方法都是采用局部高温加热，焊接加热的不均匀性是导致焊接应力和变形的根本原因，因此焊接结构必然存在焊接残余应力和变形。焊接残余应力和变形不仅影响结构的外观质量、加工精度和尺寸稳定性，同时给焊后的继续加
8、工带来很多困难，甚至还会直接影响结构的整体承载能力、抗脆断性、抗疲劳性等等。因此在进行结构设计和实际焊接时，应充分考虑接头应力和变形这一特点。焊接结构工程3、焊接结构具有较大的不均匀性 焊接时，焊接接头各部分区域由于受到较大温差，其经历的焊接热循环不同，相当于受到了不同程度的热处理，同时填充材料的引入，使得焊逢成分与母材金属也不尽相同，因此焊接接头的不同区域具有不同的性能，即存在力学性能上的不均匀性。化学成分的不均匀性 金相组织的不均匀性 几何形状的不均匀性 力学分布的不均匀性焊接结构工程4、焊接结构的止裂性能差 由于焊接接头是金属原子间的连接，接头处结合力大，焊接结构具有强度、刚度大，整体性
9、强的特点。但同时焊缝自身受到的拘束程度也很大，焊接结构在服役中一旦产生裂纹，很容易扩展，结构的脆断几乎无法避免，止裂能力差。因此，对于部分重要的结构，常采用机械连接接头作为止裂件。焊接结构工程四、焊接结构的主要任务 焊接结构的主要任务是研究焊接过程中材料发生的力学现象，包括：1、焊接应力及变形的产生原因及发展过程2、熔焊接头的强度计算3、焊接结构的抗脆断性和疲劳性能4、焊接结构安全性的评定5、焊接工装及夹具的设计焊接结构工程 通过本课程的学习，使学生熟悉焊接结构在制造及使用于过程中的力学行为与特征，能从力学行为的角度分析材料及接头选择的合理性、结构制作的工艺性以及焊接结构使用的可靠性；使学生对焊接结构的特点有较深刻的理解，能从事简单焊接结构件的设计与计算，对设计四、学习本课程的主要目的焊接结构工程 图纸及其技术要求能从结构及接头合理性以及制造工艺性能方面提出有益的建议，并能制定合理的焊接结构生产工艺，解决制造中可能出现的与力学行为有关的问题、制造出性能可靠，经济合理的焊接结构。