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1、国际焊接工程师培训 IWE RAFFLES内部 结构及生产部分 主讲 生产工艺徐利华 1 焊接结构设计 结构设计基础部分安全校核 强度校核 稳定性校核 刚度校核 Sd作用力 结构设计基础 强度理论基础 Rd抵抗力 强度理论基础1 例材料 S235 2 焊接结构设计 结构设计基础部分问题1 简支梁的结构构成 由杆件 承受弯矩 和支座 将载荷传递到地基 组成 支座包括 固定支座 提供两个支座反力 应用在此结构活动支座 提供一个支座反力 应用在此结构紧固支座 提供三个支座反力 未应用 3 焊接结构设计 结构设计基础部分问题2 此结构体系是否属于静定系统 n a z 3 s 3 0 3 1 0静定系统
2、问题3 简支梁受哪几种内力作用 如何分布 内力是指物体内部各质点之间的相互作用 物体不受外力时 其内部各质点之间也存在内力 它使质点间相对位置保持不变 当物体受外力作用而发生变形时 物体所受内力发生变化 产生了 附加内力 称为内力 内力包括 水平方向力N 物体水平方向所受内力 构件不承受垂直方向力V 物体垂直方向所受内力 构件承受弯矩M 物体所受力矩 构件承受其分布趋势见上图 计算过程如下 Av支座A的垂直方向支座反力Bv支座B的垂直方向支座反力AH支座A的水平方向支座反力MA力矩1 Fd Q l 292 5 8 2340kN 4 焊接结构设计 结构设计基础部分2 支座反力计算 平衡条件 H
3、0 V 0 M 0 3 内力计算 平衡条件 H 0 V 0 M 0 水平方向力N 5 焊接结构设计 结构设计基础部分 垂直方向力V横向内力V Q 的确定 设A B点之间任取一点距A点为x 弯矩M截面弯矩M的确定 设A B之间任取一点至A点距离为x 6 焊接结构设计 结构设计基础部分问题4 计算梁的截面参量惯性距Iy和翼板截面参量静距Sy Iy惯性矩cm4 弯曲和剪切引起的应力 弯曲所产生的变形 Sy静矩cm3 剪切时的应力 Sy 问题5 简支梁受哪几种应力作用 在截面上如何分布 应力 力 受力面积正应力 作用力垂直作用到横截面积上 剪应力 作用力平行作用到横截面积上 7 焊接结构设计 结构设计
4、基础部分问题12 选用哪一种角焊缝 有何特点 选用平面角焊缝 施工中认为这种焊缝形状是最经济的 因为它不存在多余的焊缝体积 尽管存在小的外部缺口效应 但在主要承受静载荷的构件上仍可使用这种焊缝形状 另 凸面角焊缝一般应被避免 它是不经济的并且具有最大的缺口效应 仅在角接焊缝时使用这种焊缝形状 甚至认为是有利的 凹面角焊缝的焊缝体积大于平角焊缝的焊缝体积 凹形角焊缝具有最小的外部缺口效应 因此优先用于承受动载的构件中 它们多半只能在船形位置焊接时得到 不等腰焊缝常用于端面焊缝的焊接 目的是减少缺口效应 应力集中 8 焊接结构设计 结构设计基础部分问题13 焊缝可能受哪几种应力 此焊缝受那种应力
5、垂直正应力 平行正应力 垂直剪应力 平行剪应力 焊缝承受问题14 确定角焊缝的焊缝厚度 有哪些限定条件 按DIN18800 1 DIN18800T1 钢结构mina 2 0 问题14 确定焊缝的极限应力 按DIN18800 1 它受哪些因素影响 影响焊接接头应力极限的因素有 材料的连接强度载荷种类焊缝形式焊缝质量结构中焊缝的位置问题15 校核角焊缝的强度 按DIN18800 1 9 焊接结构设计 焊接结构设计不同载荷条件下的破坏形式 在静载及主要承受静载的状态下 将导致 形变断裂 脆性断裂 层状撕裂和失稳破坏 在热负荷状态下 将导致 低温的影响 脆性断裂 高温的影响 屈服极限的高温失效及蠕变失
6、效 在动载荷状态下 将导致 疲劳断裂 层状撕裂的产生和防止 应用低硫含量和 或高ED 板材厚度方向的断面收缩率 值的材料 设计及生产技术方面 尽可能避免厚度方向上由于焊接残余应力引起的应力或者把它降至很低 作用于收缩方向上的焊缝厚度aD尽可能低焊缝连接基础应尽可能大焊道数应少焊道次数应考虑局部缓冲尽可能选择对称焊缝形式和对称焊接顺序尽可能使用轧制产品所有层次与焊缝连接通过连接范围的缓冲减少层状撕裂倾向予热 100 10 焊接结构设计 焊接结构设计 11 焊接结构设计 主静载焊接结构 12 焊接结构设计 动载焊接结构 断裂力学 脆性断裂的产生原因及特点 名义工作应力低 断裂之前无明显塑性变形 突
7、发断裂 低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻 发生低应力脆性断裂的结构内 多半存在着较大的内应力 有较高的内能 发生低应力脆性断裂的结构上 必有裂源或应力集中点存在 脆性断裂对缺陷和应力集中很敏感 拉应力是裂纹产生和扩展的动力 拉应力及缺陷的大小直接影响裂纹萌生和扩展的速度 阻止裂纹扩展的主要因素是压应力和材料的塑性变形 内因 即结构抗力是预防脆性断裂的根基 外因 即载荷性质 加载速率 环境因素等 是发生脆性断裂的条件 须同时兼顾 方能避免脆断灾害的发生 预防脆性断裂的措施 正确选择材料 正确设计合理 安排结构制造工艺 正确使用 精心维护 断裂力学的应用 断裂力学的在于研究宏观裂纹在什么条件下
8、 才会导致失稳扩展 引发脆性断裂 建立裂纹尺寸与破坏应力之间的关系 这对结构安全设计 合理选材 改进材质和施工工艺 以及制定裂纹体力学的概念标准等都有重要意义 13 焊接结构设计 动载焊接结构 断裂力学 线弹性断裂力学 应力强度因子它反映材料抵抗脆性断裂 或裂纹失稳扩展的能力 平面应变条件下 材料抵抗脆性断裂的判据是 非线性 弹塑性 断裂力学 用裂纹尖端张开位移 COD 和形变功率 J积分 等来描述大范围屈服裂纹尖端的力学状态 疲劳断裂的产生原因及特点 脆性破坏与疲劳破坏的相同点 都属于低应力破坏 破坏之前 结构都没有明显的征兆或外观变形 突发性强 令人促不及防 都对应力集中很敏感起裂位置多半
9、都存在原始缺陷 或起裂于应力集中点 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点 载荷性质不同 对温度敏感性 受载次数多少 断裂经历时间 断裂经历过程 断裂机理机制 宏观断口形貌 微观断口形貌 疲劳强度的基本概念 五个基本参数 疲劳强度 在某疲劳应力的作用下 经过次循环 发生破坏 称该应力为次循环的疲劳强度 疲劳强度是应力循环中的最大值 用表示 疲劳极限 在规定循环次数以后 疲劳强度不再下降 达到饱和的极限值 如图7所示的水平线 所对应的疲劳应力值 称为疲劳极限 14 焊接结构设计 动载焊接结构 断裂力学 影响焊接接头疲劳强度的因素 疲劳载荷的性质和大小 腐蚀介质会加速疲劳裂纹的萌生和扩展速率 降低疲劳
10、寿命 结构构造刚柔相济的程度 结构上 特别是接头上的各种应力集中现象 材质的纯度与材料的塑性和韧度 结构残余拉应力提高焊接结构疲劳强度的工艺 结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素 预防 减小应力集中的工作 应该贯穿于产品设计 制造和使用的整个过程当中 设计措施 工艺措施 使用中的维护措施焊接结构疲劳强度设计的一般原则 考虑实用性 进行功能设计 进行方案设计 进行具体的施工图设计 设计动载焊接结构必须特别强调两点 动载对应力集中非常敏感 焊接接头属于刚性连接形式 对应力集中也比较敏感 而且 焊接结构 难免有焊接残余应力 变形 焊接缺陷等 有应力集中现象 15 焊接结构设计 动载焊接
11、结构 断裂力学 16 焊接结构设计 焊接压力装置的制作 技术规程 欧洲压力装置技术规程DGRL 压力容器条例 TRB压力容器 TRG压缩气体 TRR压力管道 压力容器工作组规范AD规范欧洲压力装置技术规程DGRL DGRL所叙述的只是基本的安全要求 概念解释压力容器条例 压力容器分类 检验范围 初检 定期检验 特殊检验 检验机构 检验专家AD2000版压力装置的设计和制造 AD规范的章节分配 设计参数 压力容器组件的计算 17 焊接结构设计 焊接压力装置的制作 18 焊接结构设计 焊接压力装置的制作 19 焊接生产 质量体系 质量控制标准 20 焊接生产 质量体系 一 ISO9000标准概述1
12、 1质量管理体系ISO9000标准的4个核心标准ISO9000质量管理体系基本原则术语ISO9001质量管理体系的要求 是用于审核和第三方认证的唯一标准ISO9004质量管理体系指南 包括持续改进的过程ISO9011提供管理和实施环境和质量审核的指南1个辅助标准 ISO10012测量控制系统 21 焊接生产 质量体系 二 金属材料熔化焊的质量要求 ISO3834系列标准介绍概述 ISO3834提供了一种方法 供制造商展示其制造特定质量产品的能力 该系列标准的制定考虑了如下因素 不受制造结构种类的限制 规定了车间及现场焊接的质量要求 为制造商生产满足要求的能力提供指南 提供了评价制造商焊接能力的
13、基础 该系列标准应用方面为焊接控制提供了重要性框架 第一种情况 提供规范中特殊要求 规范要求制造商具备符合ISO9001 200 的质量管理体系 第二种情况 提供规范中的特殊要求 规范要求制造商具备与ISO9001 2000 不同的质量管理体系 第三种情况 为制造商制定一下熔化焊的质量管理体系提供特殊指南 第四种情况 对熔化焊活动有控制要求的那些规范 规则或产品标准提供详细的要求 该系列标准中并于焊接质量要求相应等级的选择 1 组成 ISO3834 1 5 2005 金属材料熔化焊的质量要求 相应质量要求等级的选择指南 2 选用级别 应按照产品标准 规范 规则或合同选择相应部分 相应部分选择的
14、准则对比 3 选择不同焊接质量要求的区别 22 焊接生产 质量体系 四 根据ISO15609 ISO15614 金属材料焊接工艺规程及焊接工艺评定 焊接工艺规程及焊接工艺评定所涉及的标准ISO15609 1电弧焊 ISO15609 2气焊 ISO15609 3电子束焊 ISO15609 4激光焊 ISO15609 5电阻焊 ISO15609 6螺栓焊 ISO15609 7摩擦焊ISO15614 1钢 镍及镍合金 ISO15614 2铝及铝合金 ISO15614 3铸铁 ISO15614 5鈦 锆及其合金 ISO15614 6铜及铜合金 ISO15614 7堆焊ISO15614 11电子束 激光
15、焊 ISO15614 12点焊 缝焊 凸焊 ISO15614 13闪光焊 对焊ISO15610基于焊接材料试验 ISO15611基于焊接经验ISO15612基于标准焊接规程 ISO15613基于预生产焊接试验ISO4063 金属焊接 硬钎焊 软钎焊和 坡口 钎焊 方法名称及数字表示ISO15608 钢材 镍合金及镍合金 钢的分类组别EN25817 ISO5817 钢电弧焊焊接接头熔焊缺陷评定级别EN30042 ISO10042 铝电弧焊焊接接头接熔焊缺陷评定级别ISO4136 EN895 对接接头横向拉伸试验的试样和试验ISO5173 EN910 对接接头弯曲试验的试样和试验EN875冲击试样
16、和试验应符合相关标准根据标准能编制出焊接工艺规程和焊接工艺评定按照ISO标准对每一焊接构件均要求在制造之前编制焊接工艺规程 焊接工艺规程 WPS 应当包含执行焊接操作的必要条件 对于具体应用而言 可以根据实际情况做增减处理 23 焊接生产 车间设施 1 按欧洲标准对焊接车间设计的质量保证方面应考虑的因素 生产方式 单件或批量生产 组装能力 车间面积 起吊及运输设备的种类及能力 材料种类 焊接工艺 焊件预制及焊后加工处理设备 焊接工艺 结构形式及施焊 焊接人员培训 考试资格 质量保证 设备 人员 应变能力 在供货条件下处理特殊情况下的能力 设计应变能力 材料焊接技术 新型材料的焊接 不同材料的焊接3 车间布置原则车间布置应根据产品结构尽量达到流水作业程序 以减少不必要的工件转换运输 在车间布置设计时除应尽量作到流水作业外还须考虑 按结构件的重量安排生产加工流程露天材料库及预制工位设备吊装设备生产制造车间的墙壁及屋顶采用消音及保温材料 车间内应配备通风设备 24 焊接生产 车间设施 在室内存放焊接材料应满足的条件焊接填充材料和辅助材料的存放首先应符合下列通用要求 尽可能少量存放经检验合格的
