焊接结构课程设计教学大纲2002

第一篇：焊接结构课程设计教学大纲2002

《焊接结构课程设计》教学大纲

（Design of Welding Structure）

课程编号：0601A014

学时/学分： 3周/6分

一、大纲说明

本大纲根据材料成型及控制专业2002年教学计划制订

（一）适用专业：材料成型及控制专业焊接方向

（二）课程设计性质：专业必修课

（三）主要先修课程和后续课程

1.先修课程：焊接结构、材料力学、机械制图原理 2.后续课程：暂无

二、课程设计目的及基本要求

1.目的：理论联系实际，掌握一般焊接结构件强度设计的基本方法 2.基本要求：完成一般焊接结构件整体设计过程

三、课程设计内容及安排

1.设计内容：压力容器和起重机结构设计

2.安排：前期准备1周：分析课程设计题目，查阅相关资料，撰写设计说明书；

中期绘图1周：运用AutoCAD软件进行计算机绘图；

后期答辩1周：修改说明书和图纸。

四、指导方式

指导教师对设计题目、要求和设计环节充分讲解后，以学生独立分析设计为主，指导教师随时给予辅导。

五、课程设计考核方法及成绩评定

1.考核方法：设计期间表现20%，图纸及说明书成绩40%，答辩表现40% 2.成绩评定：优良制

六、课程设计教材及主要参考资料

１.田锡唐.焊接结构.机械工业出版社

２.中国机械工程学会焊接学会.焊接手册,第三卷焊接结构.机械工业出版社 ３.陈允中译.压力容器设计手册.中国石化出版社 ４.张质文等.起重机设计手册.中国铁道出版社

制 定 人： 教研室主任： 教 学 院 长：

第二篇：焊接结构课程设计doc44

安徽机电职业技术学院

《焊接结构课程设计说明书》

--------------------------支撑座的设计 姓名：

班级：

系部： 机械工程系

学号：

指导老师：

2012-2013第二学期

第一章

设计支撑座的目的

为了训练绘图，对焊接结构制造工艺的熟悉，还有铆工中的放样、划线、下料、装配、焊接、矫正，检验等这些技术方面的练习。初步积累经验，为了自己以后走上工作岗位打下良好基础。

支撑座三视图见上图。

支撑座的组成：所用板材均为6mm厚的板材。肋板、底板、平板、立板、背板。本次课程设计的支撑座的材料是Q235钢，材料的合理选用是钢结构承载能力的根本保证和追求经济性的前提，Q235钢塑性好，有一定的强度，用于制造受力不大的零件，对于支撑座的设计Q235钢的使用性能完全可以胜任的，具有较好的塑性和焊接性能。而且所使用的钢板为6mm，在铆工中规定4mm以上厚度的钢板为厚板，通常在把厚4~25mm的钢板称为中板，25mm以上的钢板称为厚板。

第二章

板材的矫正

板材的矫正可以分为四种，手工矫正，机械矫正，火焰矫正，高频火焰矫正。

手工矫正是采用锤击的方法来进行矫正，由于手工矫正操作灵活简便，所以对较小变形的钢材，在缺乏或不便使用矫正设备的场合下可以使用手工矫正。

（一）厚板的手工矫正

厚板的手工矫正通常采用以下两种方法： ① 直接锤击凸起处

直接锤击凸起处的锤击量要大于材料的屈服极限，这样才能使凸起处强制压缩而被矫平。

②锤击凸起区域的凹面

锤击凹面可用较小的力量，使材料仅仅在凹面扩展，迫使凸起处受到压缩。由于厚板的厚度大，其凸起的断面两侧边缘可以看做是同心圆的两个弧，凹面的弧长小于凸面的弧长，因此，矫正时应锤击凹面，使其表面扩展，再加上钢板厚度大，打击力量小，结果凹面的表面扩展并不能导致凸面随之扩展，从而使厚钢板得到矫平。

对于厚板的扭曲变形，可沿其扭曲方向和位置，采用反变形的方 法进行矫正。

对于矫正后的厚板料，可用直尺检查是否平直，若用尺得棱边以不同的方向贴在板上进行观察，当其隙缝大小一致时，说明板料已经平直。

手工矫正厚板时，往往与加热矫正等方法结合进行。

第三章

放样

放样是制造金属结构的第一道工序，它对保证产品质量、缩短生产周期、节约原材料都有着重要的作用。

所谓放样就是根据产品图样，依照产品的结构特点、制造工艺要求等，按一定比例，在放样平台上，准确绘制结构的全部或部分投影图，并进行结构的工艺性处理和必要的计算和展开，最后获得产品制造所需要的数据、样杆、样板、和草图的工艺过程。

金属结构的放样线型放样、结构放样、展开放样三个过程，但是并不是所有的金属结构放样都经过这三个过程，有些构件完全是由平板或杆件组成而无需进行展开放样。

放样的目的

详细复核产品图样所表现的构件各部分投影关系、尺寸及外部轮廓形状是否正确和符合设计要求。

在不违背原设计要求的前提下，考虑工艺要求、所用材料、设备能力和加工条件等因素而进行综合处理。

利用放样图，可以确定复杂构件的在缩小比例图样中无法表达、而在实际制造中又必须明确的尺寸。

利用放样图，结合必要的计算，可以求出构件用料的真是形状和尺寸，有时还要画出与之连接的构建的位置线。

利用放样图可以设计构件加工或装配时所需的胎具和模具，满足制造工艺要求。

为后续工序提供施工依据。

某些构件还可以直接利用放样图进行装配时的定位。即所谓的“地样装配”。

放样程序与放样过程

放样的方法有多种，但在长期的生产实践中形成啦以实尺放样为主的放样方法，随着科学技术的发展，又出现啦比例放样、计算机放样等新的工艺，并逐步推广使用，在目前广泛应用的还是实尺放样。

实尺放样就是采用1:1的比例，根据图样的形状和尺寸，用基本的作图方法，以产品的实际大小，放到放养台上的工作。

那下面我就简单的介绍一下线型放样。

(1)线型放样 就是根据结构制造需要，绘制构件整体或局部轮廓的投影基本线型。注意的问题有：

1)根据所要绘图样的大小和数量多少，安排好图样在放样台上的位置。

2)选取放样画线基准。

3)首先要画基准线，其次才能画其他的线。

4)画出设计要求必须保证的轮廓线型为主，因工艺需要可能变化的线型可以不画。

5)必须严格遵守正投影规律。

6)对于具有复杂线型的金属结构，往往采取采用平行于投影面的翻面剖切，画出一组或几组线型，来表示结构的完整形状和尺寸。

7)放样应该在光线充足的地方，以便于看图和划线。(三)放样时的注意事项： ①放样开始之前必须看懂图纸。

②放完样要进行两个方面的检查;一方面检查是否有遗漏的工件和孔，另一方面检查各部尺寸。

③如果图纸看不清或对工作图有疑问，应先向工程技术人员问清楚，并作出清晰的标注和更正。

④放样时不得将锋利的工具如划针立方在场地上，用完的钢卷尺要随时放好。

⑤需要保存的式样图，应注意保护存放，不得涂抹和践踏。⑥样板、样杆用完后，应妥善保管，避免锈蚀和丢失。

第四章

划线(号料)利用样板、样杆、号料草图及放样得出的数据，在板料和型钢上划出零件真实的轮廓和孔口真实形状，以及与零件相连接构件的位置、加工线等，并注出加工符号，这一过程称为划线，也称号料。划 线是一项细致而重要的工作，必须按有关的技术要求进行，同时，还要着眼于产品的整个制造工艺过程，充分考虑用料问题，灵活而又准确的在各种板料、型钢及成形零件上进行划线。

划线工具

划针、圆规、角尺、样冲和曲线尺等。为了保证划线质量，必须严格遵守下列规则：

垂直线必须用作图法画，不能用量角器或直角尺，更不能使用目测法划线。

用圆规在钢板上画圆，圆弧或分量尺寸时，为防止圆规脚尖的滑动，必须先冲出样冲眼。

注意事项：

校队钢材牌号和规则是否与图纸的要求相符，对于重要产品所用的钢材，应有合格的质量证明文件，钢材的化学成分与力学性能应符合图纸所规定的要求。

划线前钢材表面应该平整，如果表面呈波浪形或凸凹不平度过大时，就会影响划线的准确性，所以事先应加以矫正。

钢材的表面应该干净清洁，并检查表面有无夹灰、麻点、裂纹等缺陷。

划线工具应定期检查校正，尽可能采取高效率的工夹具，以提高效率。

熟悉产品图样和制造工艺。应该根据制造工艺的要求，合理安排各零件划线的先后顺序以及零件在材料位置上的排布等。

正确使用划线工具。

划线后，在零件的加工线、接缝线及孔的中心位置等处，应根据加工需要打上冲眼。

合理用料。利用各种方法，技巧，合理铺排零件在材料上的位置，最大限度的提高材料的利用率，是划线的一个重要内容。生产中，常常采用下列方法来达到合理用料的目的：

集中套排 由于零件的材质，规格是不同的，为了做到合理使用原材料，在零件数量较多时，可以将相同牌号的材料且厚度相同的零件集中在一起，统筹安排，长短搭配，这样就可以充分利用原材料，提高材料的利用率。

余料利用

由于每一张钢板和每一张型钢划线后，经常会出现一些形状或长度大小不一的余料。将它们集中起来利用，可最大限度的提高材料的利用率。

分块排料法

生产中为了提高材料的利用率，在工艺许可的条件下，常用以小拼整的方法。

目前合理用料的工作已有计算机来完成也就是计算机排样，并且与数控切割等先进技术下料方法进行配合。

划线是对加工提供直接依据。为了保证产品质量，对划线偏差加以控制。

第五章

下料工艺过程

下料是将零件或毛坯从原材料上分离下来的工序。在焊接结构制造中常用的下料方法有机械切割和热切割两大类。机械切割是指材料在常温下利用切割设备进行切割的方法，热切割是利用氧乙炔焰、等离子弧进行切割的方法。

一、机械切割 ㈠锯割

锯割主要用于管子、型钢、圆钢等的下料 ⑴手工锯割 一般用弓形锯也可采用手工电锯 ⑵机械锯割 弓锯床、带锯床、圆盘锯床等。㈡砂轮锯割

根据砂轮磨削特性，采用高速旋转的薄片砂轮进行切割。㈢剪切

利用剪板机将材料剪成一定外形尺寸的毛料。以作为后续冲压、边缘加工和焊接等工序的备料。

剪切设备 斜口剪床、平口剪床、圆盘剪床、振动剪床、龙门剪床、联合冲剪机。

(四)冲裁

冲裁是冲压工序的一种。利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的一种冲压方法，称为冲裁。

冲裁是下料的方法之一。板材的冲裁分类有两种：若冲裁的目的 是为了制取一定外形轮廓的工件，即被冲下的为所需要的部分，而剩余的为废料，这种冲裁称为落料。反之，若冲裁的目的是为了加工一形状和外形尺寸的内孔，冲下的为废料，剩余的为所需部分，这种冲裁称为冲孔。

二、热切割

(一)气体火焰切割(气割)⒈ 气割原理

气割的实质是金属在氧中的燃烧过程。它利用可燃气体和氧气混合燃烧形成的预热火焰，将被切割金属材料加热到其燃烧温度，由于很多金属材料能在氧气中燃烧并放出大量的热，被加热到燃点的金属材料在高速喷射的氧气流作用下，就会发生剧烈燃烧，产生氧化物，放出热量，同时氧化物熔渣被氧气流从切口处吹掉，使金属分割下来达到切割的目的。

气割过程包括三部：①火焰预热——使金属表面达到燃点；②喷氧燃烧——氧化、放热；③吹除熔渣——金属分离。

气割的特点：设备简单、使用方便；生产效率高；成本低、适用范围广；可以切割各种形状的金属零件，厚度可达1000mm；主要切割碳钢、低合金钢；可用于毛坯；亦可用于开坡口或割孔。

⒉气割使用气体

气割使用气体分为两类，即助燃气体和可燃气体。助燃气体是氧气，可燃气体是乙炔气或石油气等。气体火焰是助燃气体和可燃气体混合而成，形成火焰的温度可达3150℃以上最适宜焊接和气割。

纯氧本身不能燃烧，但在高温下非常活泼，当温度不变而压力增大时，氧气可与油类发生剧烈化学反应而自然，产生强烈爆炸，所以要严防氧气瓶与油脂接触。

乙炔气又称石油气，为不饱和的碳氢化合物，是一种可燃气体。乙炔温度超过300℃或压力超过0.15Mpa时，遇火就会爆炸。当空气中乙炔的体积分数为2.2%~81%时，遇到明火常压下也会爆炸，所以焊接和气割现场要特别注意通风。

气割常用的可燃气体为乙炔气。⒊实现气割的条件

金属材料的燃点必须低于熔点。低燃点是金属进行气割的基本条件，否则，气割是金属将在燃烧前现行熔化，使之变为熔割过程，不仅各口宽，极不整齐，而且易粘结，达不到切割质量要求。

燃烧生成的金属氧化物的熔点，应低于金属本身的熔点，同时流动性要好，否则，就会在割口表面形成固态氧化物，阻碍氧流与下层金属的接触，使切割过程不能正常进行。

金属燃烧时，能放出大量的热，而且金属本身的导热性能要差，以保证下层金属有足够的预热温度，使切割过程能连续进行。

金属中阻碍气割过程进行和提高钢淬硬性的杂质要少。⒋气割设备及工具 ⑴氧气瓶

氧气瓶是储存和运送高压氧气的容器。氧气瓶体上部装有瓶阀，通过旋转手轮可开关瓶阀并能控制氧气的进出流量，瓶帽旋在瓶头 上，以保护瓶阀。

氧气瓶外表应涂成天蓝色，并用黑漆表明“氧气”字样 ⑵乙炔瓶

是一种储存和运送乙炔的压力容器，是用优质碳素结构钢或低合金结构钢经轧制而成的圆柱形无缝瓶体，外表为白色，并用红漆标注“乙炔”字样，在使用乙炔时必须严格遵守安全操作规程。⑶氧气减压器

是用来调节氧气工作压力的装置。气割时所需氧气的压力有一定的规范，要使氧气瓶中的高压氧气转变为气割需要的稳定的低压氧气，就要用它来调节。

⑷橡胶软管

氧气和乙炔气是通过橡胶软管输送到割据中去的，氧气的胶管工作压力为1.5MPa,孔径是φ8mm；乙炔胶管工作压力为0.5MPa,孔径为φ10mm.为了便于识辨氧气管采用黑色，乙炔胶管为红色，氧气胶管与乙炔胶管的强度不同，不能混用或相互代替。

⑸割炬

割炬的作用是使乙炔气和氧气以一定的比例和方式混合，形成具有一定热量和形状的预热火焰，并在预热火焰的中心喷射切割氧气进行切割。

第六章

装配——焊接工艺

装配-焊接是焊接结构生产中的核心，直接关系到焊接结构的质量和生产效率。同一种焊接结构，由于其生产批量、生产条件不同，或由于结构形式不同，可有不同的装配方式、不同的焊接工艺、不同的装配——焊接顺序，及会有不同的工艺过程。

6.1

焊接装配的基础知识

装配在焊接结构制造过程中，将组成结构的各个零件按照一定的位置、尺寸关系和精度要求组合起来的工序。在焊接结构制造中，焊接的装配是决定焊接质量的关键工序，而焊件的装配质量又取决于零件下料和成形的尺寸精度。装配在焊接结构制造工艺中占有很重要的地位，这不仅是由于装配工作的质量好坏直接影响着产品的最终质量，而且还因为装配工序的工作量大，约占整个产品制造的30﹪~40﹪。所以，提高装配工作的效率和质量，在缩短产品制造工期、降低生产成本、保证产品质量等方面，都具有重要的意义。

一、装配的基本条件

在金属结构装配中，将零件装成部件的过程称为部件装配，简称部装；将零件或部件装配成最终产品的过程成为总装。通常装配后的部件或整体结构直接送入焊接工序，但有些产品要先进行部件装配-焊接，经矫正变形后在进行总装。无论何种装配方案都要满足装配的基本条件。

装配的基本条件不是组成结构件的零件，在装配前应该达到的尺 寸精度、热处理状态等，而是指零件在装配过程中应遵循的基本准则，只有遵循这些准则才能装配出合格的焊接结构。

焊接结构的装配，必须具备三个基本条件：定位、夹紧和测量。装配的三个基本条件是相辅相成的，定位是整个装配工序的关键，定位后不进行夹紧，正确定位的零件就不能保持其正确性，在随后的装配和焊接过程中位置会发生变化；夹紧是在定位基础上的夹紧，如果没有定位夹紧就失去了意义；而没有测量，则无法判断定位和夹紧的正确性，难以保证构件的装配质量。但在有些情况下可以不进行测量。

零件的正确定位尺寸，不一定与产品设计图上的定位尺寸一致，有时是采用生产工艺的角度，考虑焊接变形后的工艺尺寸。

二、零件的定位

⒈定位基准及其选择

⑴定位基准 在结构在结构装配过程中，必须根据一些指定的点、线、面，来确定零件和部件在结构中的位置，这些作为依据的点、线、面，称为定位基准。

⑵定位基准的选择

合理的选择定位基准，对于保证装配质量，安排零部件装配顺序和提高装配效率均有重要影响。定位基准选择时，应着重考虑一下几点：

装配定位基准尽量与设计基准重合，这样可以减少基准不重合所带来的误差。

同一构件和其它构件有连接或配合关系的各个部件，应尽量采用同一定位基准，这样能保证构件安装时与其他构件的正确连接和配合。

应选择精度较高，又不易变形的零件表面或边棱作为定位基准，这样能够避免由于基准面、线的变形造成的定位误差。

所选择的定位基准应便于装配中的零件定位和测量。

在确定定位基准时应综合生产成本、生产批量、零件精度要求和疲劳强度等因素。例如以已装配零件做基准，可以大大简化工装的设计和制造过程，但零件的位置、尺寸一定会受已装配零件的装配精度和尺寸的影响。如果前一零件尺寸精度或装配精度低，则后一零件装配精度也低。

在实际装配中，有时定位基准的选择要完全符合上述所有的原则是不可能的。因此，应根据具体情况进行分析，选出最有利的定位基准。

⒉零件的定位方法

在焊接生产中，应根据零件的具体情况，选取零件的定位方法。根据定位方法的不同可以分为如下几种：

⑴划线定位

划线定位是利用在零件表面或装配台表面划出工件的中心线、接合线、轮廓线等作为定位线，来确定零件间的互相位置，通常用于简单的简单的单件小批量装配或总装时的部分较小的零件的装配。

⑵样板定位

利用小块钢板或小块型钢作为、档铁，取材方便，也可以用经机械加工后的挡铁提高精度。挡铁的安置要保证构件重点部位（点、线、面）的尺寸精度，也要便于零件间的装拆。常用于钢板与钢板之间的角度装配和容器上的各种管口的安装。

⑶定位元件定位与胎夹具定位就不一一介绍了。

三、装配中的定位焊

定位焊是用来固定各焊接零件之间的相互位置，以保证整个结构件得到正确的几何形状和尺寸。定位焊有时也叫点固焊。定位焊所用的焊条应和焊接时所用焊条相同，以保证焊接质量。

进行定位焊的注意事项：

定位焊缝的引弧和熄弧处应圆弧过渡，否则在焊正式焊缝时在该处易造成未焊透、夹杂的缺陷。

定位焊缝有未焊透、夹渣、裂纹、气孔等焊接缺陷时，应铲掉并重新焊接，不允许留在焊缝中。

需预热的焊件，定位焊时也应预热，预热温度与正式焊接时相同。由于定位焊为断续焊，工件温度较低，热量不足而容易产生未焊透，故定位焊接电流应比焊接正式焊缝时打10％~15％。

定位焊的尺寸要按要求选用，对保证焊件尺寸起重要作用的部位，可适当的增加定位焊缝的尺寸和数量。

在焊缝交叉处和焊缝方向急剧变化处不要进行定位焊，而应该离开50mm左右。

对于强行装配的结构，定位焊缝承受较大外力，应根据具体情况 适当加大定位焊缝长度，间距适当缩小。

必要时采用碱性低氢焊条，而且特别注意定位焊后应尽快焊接，避免中途停顿和时间间隔过长。

定位焊所使用的焊条牌号和正式焊接所用的焊条相同，直径可略细些，常用φ3.2mm和φ4mm的焊条。

四、装配中的测量

测量是检验定位质量的一个工序，装配中的测量包括；正确。合理的选择测量基准，准确完成零件定位所需要的测量项目。在焊接结构中常见的测量项目有；线性尺寸、平行度、垂直度、同轴度及角度等。当然了这些测量都是很重要的，如果没有这些测量那就很难保证装配后的焊接结构有的准确性以及质量的要求等。

测量所用的工具有钢直尺、水平尺、90°角尺等。

五、装配前的准备

装配前的准备工作是装配工艺的重要组成部分。充分细致的准备工作，是高质量高效率的完成装配工作的有力保证。准备工作通常包括一下几个方面：

熟悉产品图样和工艺规程。要清楚各部件之间的关系和连接方法，并根据工艺规程选择好装配基准和装配方法。

装配现场和装配设备的选择。装配所需要的操作空间要对周围进行清理，使之达到场地平整、清洁、人行道通畅。

装配的工具准备，如焊机，气割设备，砂轮机等都必须安置在规定的场所。

零、部件的预检和除锈。对零部件的表面进行去毛刺，除锈等清理工作。对于已经切割好的零件也要进行检查。

适当的划分部件，可以提高生产效率，还可以减小焊接变形。1.焊接结构的装配特点；

1)产品的零件由于精度低，装配时需要进行调整。

2)产品的连接大多采用焊接结构，采用的是不可以拆的连接方式。返修困难，因此装配时应该严格要求。

3)装配时有大量的焊接工作，应该掌握焊接的盈利和变形。在装配时应该采取措施，防止焊接后变形。

⒉装配——焊接顺序的类形： ①整装整焊②分部件装配③随装随焊 ⒊装配的质量检验;装配质量的好坏将直接影响产品的质量，所以产品装好后应进行检查是否符合技术要求。

装配质量的检验，包括装配过程中的检验和完工产品的检验，主要内容有：

按图样检查产品各零、部件的装配位置和主要尺寸是否正确。检查产品各连接部位的连接形式是否正确，并根据技术条件、规范和图样来检查。

检查产品结构件上为连接、加固各零、部件所做的定位焊是不是符合要求，要使这种结构在焊接后不产生内应力。

检查产品连接部位焊缝处的金属表面，不允许有油，铁锈，以免 焊接后造成不可避免的焊接缺陷。

检查产品的表面质量，对于刚才上的裂纹，起层、砂眼等等应该根据技术要求酌情处理。

装配质量的检验方法，主要是运用测量技术和各种量具，仪器进行检查，有些检验项目，比如表面质量，也常用外观检验的方法。

第七章

焊接工艺制定

7.1 焊接方法的选择

在支撑座的制造中，生产中常用的焊接方法有很多，但是我们选择的是焊条电弧焊，使用焊条电弧焊应该考虑其生产效率，但是由于是课程设计而且做的是支撑座生产成本也不是很高。由于工件材料是Q235，板厚均为6mm,属于中厚板，选用手工电弧焊，其特点为：

⑴焊接结构简单，成本低。

⑵工艺灵活，对焊接场所没有什么特殊的要求。⑶可以在任何位置焊接 ⑷对各种钢材的适应性强

⑸焊条的品种齐全，可以达到和母材同样的强度 ⑹焊缝金属的力学性能好，特别是低温韧性特别好 ⑺操作方便，容易控制焊接变形

7.2

焊接工艺参数的选择

⒈焊接电流的选择

选择焊接电流时，应该根据板材的厚度、焊条直径、接头形式、焊接位置等综合因素考虑。如果焊接电流过小会使电弧不稳，造成为焊透，夹渣以及焊缝成形不良等焊接缺陷。反之，焊接电流过大容易产生咬边、焊穿，增加工件变形和金属飞溅，也会使焊接接头的组织由于过热而发生变化。所以焊接时要合理选择电流。

⒉电弧电压的选择和速度的选择

焊条电弧焊的电弧电压主要由电弧长度决定：电弧长度越大,电弧电压越高；电弧长度越短，电弧电压越低。在焊接过程中，应尽量使用短弧焊接。立焊。仰焊时弧长应比平焊更短些，以利于熔滴过渡。防止熔化金属不滴。碱性焊条焊接时应比酸性焊条焊接弧长短些，以利于电弧的稳定和防止气孔。

焊接过程中，焊接速度应该均匀适当，既要保证焊透又要保证不焊穿，同时还要使焊缝宽度和余高符合设计要求。如果焊接过快；，融化能量不够，易造成未融合，焊缝成形不良等缺陷；如果焊速过慢，使高温停留时间增长，热影响区宽度增加，焊接焊头的晶粒变粗，力学性能降低，同时使工件变形量增大。当焊接较薄工件时，易形成烧穿。

⒊焊条直径的选择

焊条直径一般根据工件厚度选择，还要考虑接头形式和焊接位置平焊位置焊接所选用的焊条直径应该比其他位置大些，立焊横焊仰焊应选用较细的焊条，一般不超过4.0毫米。T型接头，搭接接头都应选用较大直径的焊条。

⒋焊接区域的清理

它是指焊前对焊件表面的油、锈、漆和水等污染的清理，用碱性焊条焊接时，清理要求严格和彻底，否则容易产生气孔和延迟裂纹。酸性焊条焊接时，对于锈不敏感，若锈蚀较轻，而且对于焊缝质量的要求不高时，可以不清理。清理时可以根据被清污的种类和条件，分别选用钢丝刷，砂轮打磨等机械处理方法，必要时候也可以用化学方法处理，还可以用氧乙炔焰烘烤等。

⒌焊接顺序

在各部位点牢后在进行焊接一般先焊肋板焊缝，以增强结构的刚度，保证零件在装配位置的稳定性。先焊利缝，在焊水平的，对于长焊缝应该采取分段焊，以减少应力集中，避免所带来的伤害。在结构中一些突变的地方一定要改成圆滑过渡，减少应力突变。

⒍确定焊接顺序 ⑴背板与底板之间的焊接(2)肋板与底板之间的焊接(3)背板与肋板之间的焊接(4)肋板与平板之间的焊接(5)平板与背板之间的焊接(6)立板与平板之间的焊接

7.3 焊接工艺卡的内容

⑴合理的选择焊接方法和焊接设备以及焊接材料

⑵合理的选择焊接工艺参数 ⑶合理的选择焊接材料 ⑷合理的选择焊接工艺参数 ⑸选择或设计合理的工艺装备 ⑹合理的选择控制焊缝质量 焊接工艺制定的原则 ⑴技术上的可行性 ⑵经济上的合理性 ⑶良好的劳动条件

本次的课程设计我们的支撑座虽然结构形式和技术要求是完全相同的焊接结构，但是我们六个组的工艺过程是不一样的，而且大家做出来的产品也是不一样的，大家做的尺寸多少多有点误差的，但是由于各组的焊接顺序不同，做成的产品产生的应力也是不同的，我们在焊接之前都是采取先整体点固好然后在焊接的方法。

第八章

课程设计总结

⒈通过支撑座的焊接结构的课程设计的学习，不仅仅巩固了现学的专业知识，也学到了书本中没有学到的知识。

⒉通过课程设计综合运用《焊接结构制造及工艺实施》和《铆工》课程和相关课程的学习起到了巩固，深化，融会贯通和扩展焊接方面有关的知识。

⒊重要的是通过这次焊接结构课程设计，是我们掌握了焊接结构的设计思想

⒋通过焊接结构课程设计的实践学习，培养了和分析解决问题的能力，同时也使自己掌握了焊接各方面的有关知识。

⒌通过这次焊接结构课程设计，提高了有关自己的设计能力，如思考能力、绘图能力还有气割能力、焊接角焊缝的能力。

⒍同时也掌握了团队合作的重要性，我们这次分工明确，大家都有自己的活干，使这次的产品有条不紊的进行。而且在这次比赛中获得了良好的成绩，这都与团队合作是分不开的。

谢谢老师在这次课程设计中的帮助，及时帮我们解决难题，才使得我们的课程设计圆满的完成。

第三篇：焊接结构教案

第三编 焊接结构 第十三章

焊接应力与变形

本章主要讨论焊接应力与变形的基本概念及其产生原因；焊接应力的分布规律；焊接过程中如何降低焊接应力和焊后如何消除焊接残余应力；焊接变形的种类，焊接过程中如何控制焊接变形和焊后的矫正措施。

第一节 焊接应力和变形的形成过程

一、应力与变形的基本知识

1．应力

物体在单位截面上表现的内力称为应力。根据引起内力的原因不同，应力可分为：工作应力：物体由于外力作用在其单位截面上出现的内力。

内应力：物体在无外力作用下而存在于内部的应力。内应力按其产生的原因不同分为热应力、装配应力、相变应力和残余应力。

2．变形

物体在外力或温度等因素的作用下，其内部原子的相对位置发生改变，其宏观表现为形状和尺寸的变化，这种变化称为物体的变形。

按变形性质可分为：弹性变形和塑性变形；

按变形的拘束条件可分为：自由变形和非自由变形。

二、研究焊接应力与变形的基本假定

（1）平截面假定

（2）金属性能不变的假定

（3）金属屈服点的假定

三、焊接应力与变形的产生原因

影响焊接应力与变形的因素很多，如焊件受热不均匀、焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性与拘束的影响等，其最根本的原因是焊件受热不均匀。

为便于了解焊接应力与变形产生的基本原因，首先对均匀加热时产生的应力与变形进行讨论。

1．均匀加热时引起应力与变形的原因

（1）不受约束的杆件，均匀加热

属于自由变形，无残余应力，无残余变形。

（2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形

如果加热温度较低，材料的变形在弹性范围内，根据虎克定律，应力与应变符合线性关系，当温度恢复到原始温度时，杆件自由收缩到原来的长度，压应力全部消失，即不存在残余应力与残余变形。

如果加热温度比较高，达到或超过材料屈服点温度时，杆件的压缩变形量增大，产生塑性变形，此时的内部变形率由弹性变形率和塑性变形率两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形部分恢复，塑性变形部分不能恢复。① 若杆件能自由收缩，则由于压缩塑性变形的出现，杆件将比原来长度缩短，出现缩短的残余变形，但无残余应力存在。② 如果杆件不能自由收缩，则不存在外观的残余变形，但杆件中会产生残余拉应力。

2．不均匀加热时引起的应力与变形

（1）长板条中心加热引起的应力与变形

（2）长板条一侧加热引起的应力与变形 综上所述：

① 金属不均匀受热时，只要加热温度高于屈服点温度，加热时产生压缩塑性变形，焊后就会产生残余应力与残余变形；

② 焊接过程中的变形与焊接残余变形方向相反；

③ 焊接加热时，焊缝附近产生压缩塑性变形，冷却后收缩，如果收缩充分，则变形大，应力小；否则变形小，应力大。

④ 焊接瞬时及残余应力分布不均匀，焊缝及其附近区域通常为残余拉应力。

第二节 焊接残余应力

一、焊接残余应力的分类

1．根据应力性质划分：拉应力、压应力

2．根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力

3．根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力

4．根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力

5．根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力

二、焊接残余应力的分布规律

1．纵向应力бx的分布

бx在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。

бx在焊件纵截面上的分布规律为：在焊件纵截面端头，бx=0，越靠近纵截面的中间，бx越大，逐渐趋近于бs。如图2-9所示。

图2-11为板边堆焊时，бx在焊缝横截面上的分布。

T形接头的бx分布与立板和水平板尺寸有很大关系，δ/h越小，接近于板边堆焊的情况；δ/h越大，接近于等宽板对接的情况。

2．横向应力бy的分布

бy =бy′+бy″

бy′：焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力；

бy″：焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。

3．特殊情况下的焊接残余应力

① 厚板中的焊接残余应力

② 拘束状态下焊接残余应力

③ 封闭焊缝中的残余应力

④ 焊接梁柱中的残余应力

⑤ 焊接管道中的残余应力

三、焊接残余应力对焊接结构的影响

1．对结构强度的影响

只要材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。

对脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰值不断增加。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。

2．对构件加工尺寸精度的影响 3．对梁柱结构稳定性的影响

四、减小焊接残余应力的措施

一般来说，可以从设计和工艺两方面着手：

1．设计措施

① 尽可能减少焊缝数量；

② 合理布置焊缝；

③ 采用刚性较小的接头形式。

2．工艺措施

（1）采用合理的装配和焊接顺序及方向

① 钢板拼接焊缝的焊接；

② 同时存在收缩量大和收缩量小的焊缝时，应先焊收缩量大的焊缝；

③ 对工作时受力较大的焊缝应先焊；

④平面交叉焊缝的焊接。

（2）缩小焊接区与结构整体之间的温差

（预热法、冷焊法）

（3）加热“减应区”法

（4）降低接头局部的拘束度

（5）锤击焊缝

五、消除焊接残余应力的方法

1．热处理法

热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松驰焊接残余应力的目的，同时热处理还可以改善接头的性能。

（1）整体热处理

整体炉内热处理、整体腔内热处理

整体加热热处理消除残余应力的效果取决于热处理温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。保温时间根据板厚确定，一般按每毫米板厚1~2 min计算，但最短不小于30 min，最长不超过3h。

碳钢及中、低合金钢：加热温度为580~680℃；

铸铁：加热温度为600~650℃。

（2）局部热处理

局部热处理只能降低残余应力峰值，不能完全消除残余应力。加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热、远红外加热等，消除应力效果与加热区的范围、温度分布有关。

2．加载法

加载法就是通过不同方式在构件上施加一定的拉伸应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分，达到松驰应力的目的。

（1）机械拉伸法

（2）温差拉伸法

（3）振动法

六、焊接残余应力的测定

目前，测定焊接残余应力的方法主要可归结为两类，即机械方法和物理方法。

1．机械方法

利用机械加工将试件切开或切去一部分，测定由此而释放的弹性应变来推算构件中原有的残余应力。包括切条法、钻孔法和套孔法。

2．物理方法

是非破坏性测定焊接残余应力的方法，常用的有磁性法、超声波法和X射线衍射法。

（1）磁性法是利用铁磁材料在磁场中磁化后的磁致伸缩效应来测量残余应力的。（2）X射线衍射法是根据测定金属晶体晶格常数在应力的作用下发生变化来测定残余应力的无损测量方法。

（3）超声波法是根据超声波在有应力的试件和无应力的试件中传播速度的变化来测定残余应力的。

第三节 焊接残余变形

一、焊接残余变形的种类及其影响因素

按变形对整个焊接结构影响程度分类：局部变形、整体变形

按变形特征分类：收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形、错边变形

1．收缩变形

焊件焊后其尺寸的缩短称为收缩变形。它可分为纵向收缩变形和横向收缩变形。

（1）纵向收缩变形Δx

产生原因：焊缝及其附近区域在焊接高温的作用下产生纵向的压缩塑性变形。

焊件在假想力的作用下产生的纵向收缩量可用下式表示：

影响因素：

① 焊缝长度L

② 焊件的截面积A

③ 压缩变形区的面积Ap

④ 压缩塑性应变εp（与焊接方向、焊接线能量、焊接工艺有关）

（2）横向收缩变形Δy

横向收缩变形的过程比较复杂，影响因素很多，现分述如下：

1）堆焊焊缝及角焊缝的横向收缩

影响因素：

① 焊接线能量：焊接线能量越大，横向收缩量越大；

② 板厚：板厚增加，横向收缩量减小。

③ 沿焊缝长度方向Δy逐渐增大，但到一定长度后趋于稳定，不再增大。

2）对接焊缝的横向收缩

影响因素：

Δy的大小与板厚、材质、拘束情况、焊接工艺、焊接顺序有关。

2．角变形

中厚板对接焊、堆焊、搭接焊及T形接头焊接中会产生角变形。

原因：熔化金属在厚度上收缩量不一致而引起的。

（1）平板堆焊的角变形

影响因素：

① 焊接线能量

② 板厚

堆焊引起的角变形沿堆焊焊缝长度方向开始比较小，随后增加，直至达到稳定。

（2）对接接头的角变形

影响因素：

①坡口形式

②坡口尺寸

③焊接层数

④焊接顺序

（3）T形接头角变形

T形接头角变形可以看成是由立板相对于水平板的回转角变形β′与水平板本身的角变形β″两部分组成。

减小T形接头角变形的方法有：

① 采用开坡口，减小立板与水平板之间焊缝夹角，减小β′；

② 通过减小焊脚尺寸以减小焊缝金属量，降低β″。3．弯曲变形

产生原因：焊缝的中心线与结构截面的中性轴不重合或不对称，焊缝的收缩沿构件宽度方向分布不均匀引起的。

（1）纵向收缩引起的弯曲变形

（2）横向收缩引起的弯曲变形

4．波浪变形

波浪变形是一种失稳变形，一般产生于薄板结构中。

产生原因：板中远离焊缝区的压缩残余应力超过了失稳的临界应力值。

防止措施：

① 能降低焊接残余压应力的措施都可以减小波浪变形；

② 提高板的刚度或增大板的拘束度均可减小或防止波浪变形。

5．扭曲变形

产生原因：焊缝的角变形沿焊缝长度方向分布不均匀。

6．错边变形

错边变形可分为长度方向错边和厚度方向错边。

产生原因：

① 装配不良；

② 组成焊件的零件装配时夹紧不一致；

③ 两零件的刚度或热物理性质不一样；

④ 电弧偏离坡口中心。

以上6种变形是焊接变形的基本形式，其中收缩变形是最基本的变形形式，所有焊件都不可避免地会产生收缩变形，而其它几种变形在有些焊接结构中容易出现，而在有些焊接结构中不容易出现。

二、焊接变形对焊接结构生产的影响

首先，零部件的焊接变形给装配带来困难，进而影响后续焊接质量；

其次，焊接变形增加了结构的制造成本；

另外，焊接变形也会降低焊接接头性能和承载能力。

三、控制焊接变形的措施

1．设计措施

（1）尽量选用对称的构件截面和焊缝位置

（2）合理地选择焊缝长度和焊缝数量

（3）合理选择焊缝截面尺寸和坡口形式

2．工艺措施

（1）留余量法

主要是用于补偿焊件的收缩变形。

（2）反变形法

主要用于控制角变形及弯曲变形。

例：V形坡口单板对接；（图2-52）

锅炉集箱；（图）

工字梁翼板；（图2-53）

板式起重机主梁，腹板预制上拱度（图2-54）

（3）刚性固定法

① 焊件固定在刚性平台上（图2-55）

② 将焊件组合成刚性更大或对称的结构（图2-56）

③ 利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束（图2-57）

④ 利用临时支撑增加结构的拘束（图2-58）（4）选择合理的装配焊接顺序

① 正在施焊的焊缝应尽量靠近结构截面的中性轴。（图2-54）

② 对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。（图2-59）

③ 焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。（图2-60）

④ 长焊缝焊接时，应采用合理的分段焊接顺序。（图2-61）

⑤ 相邻两条焊缝，为防止产生扭曲变形，应注意焊接方向与顺序。（图2-62）

（5）合理地选择焊接方法和焊接工艺参数（图2-63）

（6）热平衡法（图2-64）

（7）散热法（图2-65）

四、矫正焊接残余变形的方法

矫正焊接变形的实质是使构件产生新的变形，以抵消焊接残余变形。矫正的方法一般有机械矫正法和火焰加热矫正法。

1．机械矫正法

机械矫正法是在机械力的作用下使部分金属得到延伸，产生拉伸塑性变形，使变形的构件恢复到所要求的形状。（如图2-66）

2．火焰加热矫正法

火焰加热矫正，是利用火焰加热时产生的局部压缩塑性变形使较长的部分在冷却后缩短来消除变形。

加热方式：

① 点状加热

用于矫正薄件的波浪变形。

② 线状加热

用于矫正焊件的角变形及大厚度板的弯曲变形。

③ 三角形加热 用于矫正刚度大，厚度大的焊件的弯曲变形。

第十四章 焊接接头强度及计算

本章主要介绍焊接接头的作用和基本形式；焊接接头的工作应力分布状况及其静载强度计算；影响焊接接头的疲劳强度因素有提高疲劳强度的措施；焊接接头脆性断裂、影响脆性断裂的因素及防止措施。

第一节 焊接接头的特点及形式

一、焊接接头的基本形式

1．电弧焊接头的基本形式

（1）对接接头

把同一平面上的两被焊工件相对焊接起来而形成的接头。这是一种比较理想的接头形式，受力状况好，应力集中小，材料消耗小。

（2）角接接头

是两被焊工件端面间构成大于30º、小于150º夹角的接头。多用于箱形构件上。

（3）T形接头

是把互相垂直的被焊工件用角焊缝连接起来的接头，可承受各种方向的力和力矩。

（4）搭接接头

是把两被焊工件部分地重叠在一起，以角焊缝连接，或加上塞焊缝、槽焊缝连接起来的接头。

（5）端接接头

是两被焊工件重叠放置或两被焊工件之间夹角不大于30º在端面进行连接的接头。

2．电阻焊接头的基本类型

（1）对接接头

（2）点焊接头（3）缝焊接头

二、电弧焊焊缝的类型

1．按工作特点分

①承载焊缝

②非承载焊缝

③密封焊缝

④定位焊缝

2．按接头的结构特点分

①对接焊缝 ②角焊缝 ③端接焊缝 ④塞焊缝 ⑤组合焊缝

第二节 焊接接头的工作应力分布

一、应力集中

1．应力集中概念

在几何形状突变处或不连续处应力突然增大的现象称为应力集中。应力集中程度的大小，常以应力集中系数KT表示：

KT=бmax/бm

2．焊接接头中产生应力集中的原因

（1）焊缝中的工艺缺陷

如气孔、夹渣、裂纹和未焊透等。

（2）焊接接头处几何形状的改变

（3）不合理的接头形式和不合理的焊缝外形

二、电弧焊接头的工作应力分布

1．对接接头的工作应力分布

对接接头的应力集中位于由焊缝向母材过渡的转角处，KT的大小取决于焊缝宽度c、余高h、焊趾处的θ角及转角半径r。在其它因素不变的情况下，余高h增加、焊缝宽度c减少、θ角增加、r减小等都会使KT增加。

2．搭接接头的工作应力分布

（1）正面角焊缝的工作应力分布

如图3-5所示，在角焊缝的根部A点和焊趾B点有较大的应力集中，B点的应力集中系数随角焊缝的斜边与水平边的夹角θ而变，减小θ、增大熔深及焊透根部等都可降低应力集中系数。

搭接接头的正面角焊缝受偏心载荷时，在焊缝上会产生附加弯曲应力，导致弯曲变形，见图3-6。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离l应不小于其板厚的4倍。

（2）侧面角焊缝的工作应力分布

在用侧面角焊缝连接的搭接接头中，其应力分布更加复杂。切应力沿焊缝长度上分布是不均匀的，它与焊缝尺寸、断面尺寸和外力作用点的位置等因素有关。

外力作用如图3-7a所示时，其沿侧面焊缝长度上切力分布见图3-8，因为搭接板材不是绝对刚体，在受力时本身产生弹性变形，所以形成两端切力大，中间切力小的分布状态。

外力作用如图3-7 b所示时，两板各对应点的相对位移从左至右逐渐下降，因而焊缝传递的切力以左端为最高，向右逐渐减小。当侧面角焊缝长度超过某一长度时，焊缝中间部分的切力就会接近零，因此，采用过长的侧面角焊缝是不合理的。一般工艺规定侧面角焊缝长度不得大于50K。

（3）联合角焊缝搭接接头工作应力分布

如图3-9b所示，在B—B截面上正应力的分布比较均匀，最大切应力ηmax 降低，所以在B—B截面两端点的应力集中得到改善。

3．T形接头的工作应力分布

T形接头在角焊缝的过渡处和根部都有很大的应力集中，如图3-10所示。

（1）未开坡口的T形接头

如图3-10a所示，焊缝根部应力集中很大，在焊趾截面B—B上应力分布也不均匀，B点的应力集中系数随角焊缝θ角减小而减小，也随焊脚尺寸增大而减小；但非承载焊缝在B点的KT随焊脚尺寸增大而增大。

（2）开坡口并焊透的T形接头

如图3-10b所示，这种接头的应力集中大大降低。可见，保证焊透是降低T形接头应力集中的重要措施之一。

第三节 焊接接头强度计算基础

一、焊接接头的设计

1．焊接接头设计要点

（1）应尽量使接头形式简单、结构连续，且不设在最大应力作用截面上。

（2）要特别重视角焊缝的设计。

（3）尽量避免在厚度方向传递力。

（4）接头的设计要便于制造和检验。

（5）一般不考虑残余应力对接头强度的影响。

2．常见不合理的接头设计及改进

见表3-3

二、电弧焊接头静载强度计算

1．焊接接头静载强度计算的几个假设

2．电弧焊接头的静载强度计算

静载强度计算方法，目前仍采用许用应力法，强度计算时许用应力均为焊缝的许用应力。

焊缝的强度计算一般表达为：

б≤[б′]或η≤[η′]

(1)对接接头的静载强度计算

对接接头强度计算时，不考虑焊缝余高，焊缝长度取实际长度，计算厚度取两板中较薄者。

全部焊透的对接接头如图3-17所示。其各种受力情况的计算公式如下：

1）受拉时

2）受压时

3）受剪切时

4）受板平面内弯矩

5）受垂直板面弯矩

（2）搭接接头静载强度计算

受拉、压的搭接接头计算公式如下：

正面焊缝

侧面焊缝

联合焊缝

第十五章 焊接结构的脆性断裂

第一节 金属材料或结构的断裂及其影响因素

一、疲劳破坏

重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤。焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发扩展而发生疲劳破坏。疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。

1．影响焊接接头疲劳强度的因素

（1）应力集中的影响

（2）残余应力的影响（3）缺陷的影响

2．提高焊接接头疲劳强度的措施

（1）降低应力集中

1）采用合理的结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。

2）尽量采用应力集中系数小的焊接接头，如对接接头。

3）当采用角焊缝时，应采取综合措施来提高接头的疲劳强度。

4）用表面机械加工方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，通过降低应力集中程度来提高接头的疲劳强度。

（2）调整残余应力场

消除焊接接头应力集中处的残余拉应力或使该处产生残余压应力，都可以提高疲劳强度。

1）整体处理。包括整体退火或超载预拉伸法。

2）局部处理。采用局部加热或挤压可以调节残余应力场，在应力集中处产生残余压应力。

（3）改善材料的力学性能。

（4）特殊保护措施

二、焊接结构的脆性断裂

在应力不高于结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体的破坏方式。

1．影响金属脆断的主要因素

（1）应力状态的影响

实验证明，许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，可呈塑性状态。当处于三轴拉伸应力时，因不易发生塑性变形而呈脆性。

（2）温度的影响

对于一定的加载方式，当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，这个温度称为脆性转变温度。脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方点阵的金属和合金中，只有在特殊情况下，如应力腐蚀条件下才在面心立方点阵金属中发生。

（3）加载速度的影响

提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。

（4）材料状态的影响

1）厚度的影响

①厚板在缺口处容易形成三轴应力，因为沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制，产生三轴应力使材料变脆。

②冶金因素。厚板轧制次数少、终轧温度高，组织疏松，内外层均匀性差。

2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度越细，其转变温度越低。

3）化学成分的影响。钢中C、N、O、H、S、P均增加钢的脆性。Mn、Ni、Cr、V加入适量，有助于减少钢的脆性。

2．预防焊接结构脆性断裂的措施

（1）正确选用材料

①在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合区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。

②材料的选择可通过缺口韧性试验或断裂韧性评定试验来确定。

（2）采用合理的焊接结构设计

1）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。

2）在满足结构的使用条件下尽量减少结构的刚度，以降低应力集中和附加应力。

3）不应通过降低许用应力值来减少脆性的危险性。

4）对于附件或不受力焊缝的设计，应与主要承力焊缝一样给予足够重视。

5）减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。在制订工艺过程中，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。第二节 金属材料和焊接结构断裂的评定方法

转变温度

金属材料有两个重要的强度指标，即屈服强度ζs和断裂强度ζf。温度降低，ζs上升速率大于ζf上升速率，两线交点对应温度Tk称为韧脆转变温度，当T

防止结构产生脆性破坏有两种设计原则

防止开裂原则：

止裂原则：设计的结构在可能出现的最低温度下工作，必须能阻止裂纹的自由扩展。

根据断裂力学理论，能够止裂的条件是裂纹起源于局部脆化区内，且处于较高的应力场中，当裂纹扩展进入韧性区和低应力场时，该裂纹如果小于失稳断裂的临界长度，则该裂纹被阻止。

转变温度评定方法(冲击试验)(一)冲击试验

分为夏比V形缺口冲击试验和梅氏U形缺口冲击试验。

夏比V形缺口冲击试验评定：

1． 能量准则：以冲击断裂功αk值降低到某一特定数值时的温度作为临界温度Tk。

断口形貌准则：按断口中纤维状区域与结晶状区域某一相对面积对应的温度来确定临界温度Tk。

延性准则：按断口在缺口根部横向相对收缩变形急剧降低的温度来作为临界转变温度Tk。转变温度评定方法(威尔斯宽板试验)

在实验室里再现低应力脆性断裂的开裂情况，同时又能在板厚、焊接残余应力、焊接热循环方面模拟实际结构。

该试验脆性断裂有三种情况： 1． 低应力产生裂纹并立即断裂

2． 低应力产生裂纹扩展一定长度后自行停止

3． 在较高温度下，要有高达屈服强度的应力才会产生

裂纹，最后产生断裂。转变温度评定方法(落锤试验)

测定厚度大于16mm钢板的NDT(无塑性转变温度)的试验方法，可替代大型止裂试验研究材料的止裂性能，其缺点是试样尺寸不能反映大型焊接结构的尺寸效应和较大拘束效应，表面堆焊脆性焊道，对热敏感的合金材料难以使用。

转变温度评定方法(动态撕裂试验)

确定材料断裂韧性的全范围的试验方法，属于大型冲击试验。除了确定NDT温度之外，还能确定最高塑性断裂温度及相应的冲击功。适用于高强钢及厚板和特厚板焊接结构。这类钢与低强度钢相比，各向异性受钢中杂质的影响，难以保证稳定的抗脆断性能；晶粒大小及碳化物金相组织的大小、分布等对显微裂纹的形成有较大的影响。

转变温度评定方法(双重拉伸)

前述各种方法试件中的脆性裂纹都是在冲击载荷作用下开裂的，但大多数焊接结构工作在静载下，所以开裂条件不够真实。

通过试验确定止裂应力与温度的关系。利用一块耳板在低温和拉伸负载下将试样拉断，使裂纹向有均匀拉伸负载的试件主体扩展。第三节 焊接结构的特点及其对脆断的影响

设计影响

焊接结构的整体性及大刚度 1． 引起较大的附加应力 2． 对应力集中因素特别敏感

3． 一旦有不稳定脆性裂纹出现，很可能会穿越接头扩展至整个结构，从而造成整个结构的破坏。不应在高应力集中区布置焊缝。制造影响(应变时效)人工时效：钢材在剪切、冷作、弯曲成型之后，如果在150~450℃范围内加热，材料性能会产生脆化，即产生应变时效。该应变时效较动应变时效的影响弱的多。

动应变时效：材料在热循环和热塑性变形循环的作用下，在缺陷处和产生较严重的应变集中，具有较大的热应变量，降低了材料的延性，提高了材料的转变温度。

制造影响(接头金相组织、焊接缺陷)在焊接热循环的作用下，焊缝及近缝区的组织会发生一系列的变化，使接头各部位的缺口韧性不同。金相组织变化取决于材料原始组织、化学成分、焊接方法和焊接线能量。过小的线能量，引起淬硬组织，易产生裂纹；过大的线能量，使晶粒粗大，造成韧性降低。焊接缺陷是造成结构产生脆断的重要因素。其影响程度与缺陷的性质、尺寸、形状及部位有关，其中裂纹、未焊透等影响最为严重。制造影响(角变形、错边、残余应力)产生附加弯曲力矩和新的应力应变集中，在拉伸载荷和附加弯曲力矩的共同作用下，易造成接头破坏。

平面缺陷―裂纹、分层、未焊透

非平面缺陷―气孔、夹渣

1)试验温度在材料的转变温度以上时对脆断无影响

2)试验温度在材料的转变温度以下时，和拉伸载荷叠加，造成脆断的产生。

第四节 预防焊接结构脆性断裂的措施

设计方面

(一)掌握结构工作条件：最低温度、介质温度和工作载荷的性质。(二)减少结构和接头的应力集中

1． 选择结构传力截面及接头形式要尽量使力线均匀分布，避免截面尺寸突变，防止应力集中。

2． 尽量减小结构刚性，大型结构采用较薄的材料。3． 充分考虑到可焊到性。4． 避免焊缝密集和焊缝相交 正确选用材料

按缺口韧性试验验收材料

一般对选定的材料用V形缺口冲击试验的结果来验证其适应性，即所选材料和焊接填充金属保证在工作温度下有合格的缺口韧性。

按断裂韧性和屈服极限之比选择材料

断裂韧性尚不足以说明材料的脆-塑性，断裂韧性(KIC)与材料屈服极限之比才能好好地说明这一问题，因为两者之比反映了裂纹尖端处在断裂前塑性区的大小。严格制造工艺和质量监督

1．严格按规定的工艺参数施工，禁止使用过大的线能量 2．较强质量检验，及时消除严重缺陷

3．尽可能利用焊接工夹具和机械化装置进行施工

4．对于重要的和危险的结构应通过试验决定是否需要焊后热处理

第十六章 焊接接头和焊接结构的疲劳强度

第一节 疲劳断裂的基本概念

疲劳断裂分类

按疲劳破坏的原因分为：腐蚀疲劳；热疲劳；机械疲劳 按应力大小和应力循环次数分为

1．低周高应变疲劳：作用的应力超过弹性范围，疲劳循环次数小于104~105 2．高周低应力疲劳：公称循环应力小于材料的屈服极限，疲劳破坏的应力循环次数大于104~105 疲劳裂纹形成过程

1.疲劳形核：疲劳裂纹首先在应力最高、强度最弱的基体上形成。

2.扩展阶段；初始裂纹在交变载荷作用下，当裂纹尖端处在拉伸应力场时，由于裂纹尖端极大的应力集中，使该处晶粒发生滑移，裂纹张开，尖端向前延伸

3.瞬时断裂阶段：当疲劳裂纹扩展到材料的强度极限时，疲劳裂纹达到临界裂纹尺寸而产生瞬时断裂。

疲劳断口可分成三个区域

1.疲劳裂纹源：肉眼可见晶粒的粗滑移。

2．疲劳裂纹扩展区：宏观有条带和贝壳状花纹，每一条辉纹代表一次应力(应变)循环及裂纹逐次向前推进的位置。对于高强钢来说，很难辨认明显的疲劳条纹

3.瞬时断裂区：一般呈粗晶状断口或出现放射棱线，外观与脆性失稳断裂相似。

第二节 疲劳破坏机理

裂纹亚临界扩展

裂纹受到一个低于ζc但有足够大的循环应力时，则初始裂纹会由起始尺寸a0逐渐扩展到临界尺寸ac，这一过程称为疲劳裂纹的亚临界扩展。

可以分为两种类型来研究裂纹的亚临界扩展：裂纹在裂纹尖端弹性区的扩展和裂纹在塑性区的扩展。在前一种情况，裂纹长度远远超过裂纹尖端塑性区的尺寸，承受低载荷、高循环、低裂纹扩展速率的属于该情况；当裂纹尺寸远小于塑性区尺寸，并承受高载荷、低循环、高裂纹扩展速率属于后者情况。裂纹扩展速率

当外加应力强度因子幅度达到临界值ΔKth后，裂纹扩展速率急剧上升，此线段几乎与纵坐标平行；此后，da/dN与ΔK成指数关系变化，断口平直，与拉应力成900，穿晶断裂，疲劳辉纹明显；继续增加ΔK出现斜率转折点I，过此点斜率n2斜率，出现切变斜断口，为解理断裂和疲劳断裂的混合型；继续增加ΔK接近材料的KIC时，到了材料的第Ⅱ转折点，过此点后，斜率增加，点Ⅱ是裂纹扩展加速转变点，此区内断口全为切变断口。

帕瑞斯表达式

ΔK―应力强度因子幅度(ΔK=Kmax-Kmin)

c、n―由试验确定的材料、环境、频率和循环特形等的函数

帕瑞斯表达式不足：没有考虑平均应力对da/dN影响；没有考虑当裂纹尖端应力强度因子趋近于其临界值KIC时，裂纹加速扩展效应

da

dNn第三节 疲劳断裂力学的基本概念

疲劳设计方法分类

1． 许用应力设计法：把各种构件和接头试验疲劳强度除以特殊安全系数作为许用应力(疲劳极限、非破坏概率95％的2×106次疲劳强度等)，使设计载荷引起应力最大值不超过其许用应力，从而确定构件断面尺寸设计方法。

2． 安全寿命设计：传统疲劳设计方法都是安全寿命设计。所谓安全寿命指在某一环境下，在已知小于疲劳破坏许用应力的最大负载概率时工作的循环次数。由ζ-N曲线获得ζr，并利用ζmax-ζmin疲劳图进行设计。

应力应变循环图(小载荷)

应力应变循环图(大载荷)

第四节 疲劳强度的常用表示法

在静强度计算中，所用材料的强度指标是屈服极限ζS和强度极限ζb，静载强度计算的出发点是名义应力(或称基本应力)，而疲劳强度计算中，所用材料的强度指标是疲劳极限ζr，计算的出发点是是局部应力(或称峰值应力)。

将破坏应力与加载循环次数N绘成如图5-7所示的曲线，曲线上对应的某一循环次数N的破坏应力即为该循环次数条件下的疲劳强度，曲线的水平渐近线代表疲劳极限。

第五节 影响焊接结构疲劳强度的因素

(一)应力集中的影响

当局部峰值应力达到材料屈服极限时，在断裂前局部材料将产生塑性变形，造成应力重新分布，故实际峰值应力低于理论峰值应力。在这种情况下，应该用有效应力集中系数Kf来估计，其值为光滑试样的疲劳强度ζp与有效应力集中试样的疲劳强度ζp’之比

对接接头焊缝形状变化不大，因此和角接接头及十字等相比，应力集中程度要小，接头疲劳强度最高。

(二)焊接残余应力的影响

在ζa和ζm表示的疲劳图中，曲线ACB代表不同平均应力时的极限应力振幅值ζa。当构件中的应力振幅值大于极限振幅值时，将发生疲劳破坏。随着ζm的增加，极限应力幅值有所下降。

(三)材料表面状态

材料表面有缺陷易造成疲劳强度降低。疲劳裂纹开始产生于材料表面，尤其在拉伸载荷作用下，表层应力最高。

(四)焊接缺陷的影响

焊接缺陷在焊件中会引起应力集中，在交变载荷作用下，很容易引发疲劳裂纹。缺陷对疲劳强度的影响比对静载强度的影响大得多。(五)不同强度金属的影响 强度极限越高，材料对应力集中就越敏感，只有表面抛光的试件其疲劳强度才能随强度极限的提高而增大。

(六)其他影响因素

1．试样尺寸的影响：尺寸增大，疲劳极限降低； 2．负载特点：交变弯曲疲劳破坏的寿命最短。3．温度升高，裂纹扩展速率随之增高。

第六节 提高焊接接头疲劳强度的措施

(一)降低应力集中

1.采用合理的结构形式

2．尽量采用应力集中系数小的焊接接头。3．改善非连续的几何形状，缓和应力集中

(二)调整残余应力场

在易产生裂纹的缺口部位预制残余压应力，消除接头应力集中处的残余拉应力。

(三)表面强化处理

第四篇：课程设计教学大纲

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课程设计教学大纲

课程设计名称： 英 文 名

称： 课程设计编号： 编 写 人： 审 核 人：

课程设计指导书：

一、周数学分

周数：

学分：

二、先修课程

三、适用专业

四、课程性质、目的与任务：

五、具体内容及基本要求：

六、学时分配 ：

七、考核方式：

说明：

教学大纲打印格式要求：

① 总标题宋体加粗2号字；小标题宋体加粗4号字；正文内容小4号字 ② 行间距：20磅；字间距：默认值 ③ 纸张大小：A4 ④ 页边距：上2cm，下2cm，左2.5cm、右2cm

第五篇：课程设计教学大纲

附件1：课程设计教学大纲格式要求

《××××××》教学大纲

（英文）

课程编号：

学时/学分：

一、大纲说明

本大纲根据××××专业2002年教学计划制订

（一）适用专业

（二）课程设计性质

（三）主要先修课程和后续课程

1、先修课程：

2、后续课程：

二、课程设计目的及基本要求

三、课程设计内容及安排

四、指导方式

五、课程设计考核方法及成绩评定

六、课程设计教材及主要参考资料

制 定 人： 教研室主任： 教 学 院 长：

说明：

1、教学大纲打印格式要求：

① 总标题宋体加粗3号字；小标题宋体加粗5号字 ② 行间距：16磅；字间距：默认值 ③ 纸张大小：A4 ④ 页边距：上、下边距：2.5CM；左、右边距：2.8CM