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1、绪 论1. 焊接结构及焊接生产的发展 2. 焊接结构的特点与分类 3焊接生产的特点1. 焊接结构及焊接生产的发展（1）焊接结构的发展 （2）焊接结构生产的发展 （1）焊接结构的发展 焊接结构获得进一步推广和应用。焊接结构生产是将各种经过轧制的 金属材料及铸、锻等坯料采用焊接方法制成能承受一定载荷的金属结 构制造过程。随着焊接技术的发展和进步，焊接结构的应用越来越广 泛，焊接结构几乎渗透到国民经济的各个领域。如机械制造、石油化 工、矿山机械、能源电力、铁道车辆、国防装备、航空航天、舰船制 造等，与其他可制造金属结构的工艺如锻造、铸造、铆接相比，只有 焊接结构的占有率是上升的。在工业发达的国家中一
2、般焊接结构占钢 产量的45%50%，如前苏联到20世纪80年代中期焊接结构已近80Mt ，其用钢量占全苏联总量的50%。我国2001年钢产量即达1.5226亿t ，2002年更达1.8亿t。所以仅根据“九五”工业现代化目标，2000年产 钢量1.5亿t，原煤产量14亿t，原油产量1.61.7亿t，天然气产量 300400亿m3 ，发电设备年装机容量2000万kW（其中火电设备 1500万kW），2007年汽车产量560万辆，2006年船舶产量1452万t。 2007年111月份，我国粗钢产量达44783万t，焊接钢材用量占全部 钢产量的50%。由于采矿机械，采油、炼油、输油装备，大型风能、 水
3、电、火电、核电成套设备，大中型建筑机械，国防工业成套装备以 及规模生产汽车和农用车及其组装焊接生产线的建设，要求机械工业 提供大型冶金设备，并且这些重大成套技术装备极大部分为焊接结构 。 （1）焊接结构的发展 焊接结构向大型化、高参数、精确尺寸方向发展。如100万t级巨型油轮；容 积为10万m3的大型储罐；国产核电站600MW反应堆压力壳，高达12.111m ，内径3.85m，外径4.5m，壁厚从195475mm，国外还有1480MW反应堆压 力壳，高12.85m，直径55.5m，壁厚从200600mm，重达483t；工作压力 为32.4MPa，温度为650的1.2GW电站锅炉；壁厚达2002
4、80mm，内径 2m，筒体部件长20多米，重达560t的热壁加氢反应器；还有众所周知的，总 发电装机容量达1820万kW的三峡电站，年发电847亿kW时，相当于6个半葛 洲坝电站和10个大亚湾核电站，到2009年全部机组发电后，三峡电站向华东 、华中、川东供电，并与华北、华南联网，成为中国电力布局的“中枢”，它采 用26台70万kW水轮发电机组，其水轮机的座环、转轮叶片、主轴、蜗壳 等都是巨型焊接结构，仅蜗壳其进口直径就达12m，壁厚7080mm，而水轮 机叶片不仅焊接量大，而且要求精度高。与此相对应，数控切割、数控卷板 、少切屑、无切屑和一次成形、精密成形的应用使得一些重型机械的主要部 件在
5、设计时采用焊接件，已经突破了将其作为毛坯的传统概念，这些焊接件 采用先进的切割和焊接方法，不经机械加工或很少加工即可直接进行装配， 并保证必要的安装装配精度和公差要求。如近净形焊熔（焊熔工件达到或接 近净加工尺寸外形）技术特别适用于对材料有特殊要求或对形状有一定 要求的场合，可获得或接近获得最终形状的零部件，故特别适用于零部件原 型的开发；具有“世界第一拱桥”之称的上海卢浦大桥，全长3900m，跨度 550m，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥，用厚度30100mm的细晶粒钢 焊接而成如图01所示。 图0-1 正在合拢中的上海卢浦大桥 图0-2 中国国家体育场 图0-3 西部原油成品油管道工程 （
6、1）焊接结构的发展 由于以上原因，焊接结构材料已从碳素结构钢转向采用低 合金结构钢、合金结构钢、特殊用途钢，工业发达国家采 用了的而我国已经开发或正在研制的微合金化控轧钢（如 TMCP钢）、高强度细晶粒钢、精炼钢（如CF钢）、非微 合金化的C-Mn钢、制造海洋平台基础导管架用的Z向钢。 高强和超高强度钢也开始广泛用于制造焊接结构，如高强 管线钢X80、X100、X120钢，汽车车身用超轻型结构用 钢，高耐火性高层建筑用钢；制造固体燃料火箭发动机壳 的4340钢，抗拉强度可达1765MPa等。 焊接结构的设计应依据其工作条件和要求分别按照有关的 规范进行，接受有关部门的监督，但结构设计共同的发展
7、 趋势是采用计算机辅助技术进行优化设计，从而使结构更 加经济合理，并且减少了设计的工作量。 （2）焊接结构生产的发展 先进的优质、高产、低耗、廉价和清洁的焊接不断发展并 快速在焊接生产中获得应用。如在很多场合，CO2气体保 护焊代替了焊条电弧焊；用富氩的混合气体保护焊、氩弧 焊（MIG焊和TIG焊）焊接高强度钢、大厚度的压力容器 ；热壁加氢反应器采用窄间隙焊；需要单面焊的压力容器 和管道中常用的TIG焊、STT（表面张力过渡法）焊打底 ；药芯焊丝气体保护焊已用于诸如造船、重型机械、大型 储罐等焊接结构的空间焊缝；管道的高速旋转电弧焊，全 自动的气电保护焊和脉冲闪光焊；在航空航天、核设备的 焊接
8、中使用了激光焊、氩弧焊。一些传统的焊接工艺又有 新发展，如搅拌摩擦焊、活性焊剂氩弧焊，埋弧焊有了多 丝（串联和并联），还有热丝、填金属粉、窄间隙埋弧焊 等。即使采用焊条电弧焊的场合，也采用了高效焊接工艺 ，例如在长输管道的焊接中采用向下立焊方法对接、在造 船焊接中采用重力焊、广泛采用铁粉焊条等。 （2）焊接结构生产的发展 包括上述先进焊接工艺在内的焊接机械化和自动化得到推 广，焊接机器人得到应用。表01是20世纪90年代国外 一些工业先进国家按焊接填充金属重量计算已达到机械化 、自动化的水平，我国与之相比差距较大。 焊接生产中的备料工艺有了重大进步。这是使整个生产工 艺现代化、自动化和短流程的
9、一个重要环节。例如广泛采 用数控热割机，目前主要采用数控氧乙炔气割下料，如海 上平台的导管架，全部管节点的构成管头各种空间曲线， 都采用了精密的数控切割。有的工厂6mm以上的钢材大都 采用数控热切割方法下料，使划线、下料实现了自动化， 保证了零件的形状、尺寸正确，边缘光滑，不再需用边缘 刨削来改善零件精度，80%以上的板材零件只需这道下料 工序和修磨即可进入装配。一些工厂根据产品特点还保留 了部分剪床下料，但由剪切向热切割、数控切割过渡的趋 向已十分明显。与上述变化相对应，热切割工艺与设备得 到了很大发展，新的热切割工艺，如等离子弧切割、激光 切割等获得应用。 国 别前苏联美 国日 本德 国中
10、 国 机械化和自动化所占百分比40%55%45%64%25%表0-1 工业先进国家已达到机械化、自动化比例 （2）焊接结构生产的发展 加强了基本金属如钢材、铝合金等的表面处理和边缘处理 ，以保证热切割的连续、焊接及装配质量和成本涂饰质量 。 焊接结构的可靠性预测。焊接结构的可靠性保证主要体现 在三个方面：大型装备中焊接结构的应力控制；薄板结构 的变形控制；服役装备结构的寿命预测和评估。目前采用 的主要方法是利用高速计算机、工具软件和模型进行仿真 模拟，提供工艺优化的方法，以及利用各种消除应力的手 段来解决这一问题，进行大型水轮机转子的应力评估、大 功率电动机主轴应力分析等。焊接工作者正在完成焊
11、接结 构的“理论工程试验实践”向“理论计算机模拟 实践”的过渡。 焊接结构生产的发展趋势。焊接领域将来的发展趋势是高 速焊接、数字化电源、传感技术、激光应用、自动化、省 力化。 2. 焊接结构的特点与分类（1）焊接结构优点 （2）焊接结构存在的问题 （3）焊接结构的分类 （4）焊接结构设计和制造的相关标准 （1）焊接结构优点 焊接结构可以减轻结构的重量，提高产品的质量，特别是大型毛坯的 质量（相对铸造毛坯）。相对铆接结构其接头效能较高，节省金属材 料，节约基建投资，可以取得较大的经济效益。如120000kN水压机 改用焊接结构后，主机重量减轻20%26%，上梁、活动横梁减轻 20%40%，下梁
12、减轻50%；某大型颚式破碎机改用焊接结构后，节 约生产费用30多万元，成本降低了20%25%。 焊接结构由于采用焊接连接，理论上其连接厚度是没有限制的（与铆 接相比），这就为制造大厚度巨型结构创造了条件。采用焊接能使结 构有很好的气密性和水密性，这是储罐、压力容器、船壳等结构必备 的性能。前述热壁式加氢反应器和核容器是极好的实例。 焊接结构多用轧钢制造，它的过载能力、承受冲击载荷能力较强（和 铸造结构相比）。对于复杂的连接，用焊接接头来实现要比铆接简单 得多，高水平的焊接结构设计人员可以灵活地进行结构设计，并有多 种满足使用要求可供选择，简单的对接焊和角焊就能构成各种焊接结 构。 （1）焊接结
13、构优点 焊接结构可根据结构各部位在工作时的环境，所承受的载 荷大小和特征，采用不同的材料制造，并采用异种钢焊接 式堆焊制成。从而满足了结构使用性能，又降低制造成本 。如热壁加氢反应器，内壁要有抗氢腐蚀能力，如全用抗 氢钢卷制，贵而不划算，尿素合成塔则要耐包括尿素在内 多种化工产品的腐蚀，故这类厚壁筒内壁采用堆焊（或内 衬）不锈钢（或镍基合金）来制造。 节省制造工时，同时也就节约了设备及工作场地的占用时 间，这也可以获得节约资金的效果。例如在现代造船厂里 ，一个自重200000t的油轮，可在不到3个月的时间里下水 ，同样的油船如用铆接制造，需要一年多的时间下水。与 铆接结构的经济性相比，它还具有
14、结构制造成品率高的特 点，即焊接结构制造过程中一旦出现焊接缺陷，修复比较 容易，很少产生废品。 （2）焊接结构存在的问题 焊接结构中必然存在焊接残余应力和变形。绝大多数焊接结构都是采 用局部加热的焊接方法制造，这样不可避免地将产生较大的焊接应力 和变形。焊接应力和变形不仅影响结构的外型和尺寸；在一定条件下 ，还将影响结构的承载能力，如强度、刚度和稳定性；对焊后加工也 带来一些问题，如尺寸的稳定性和加工精度；同时还是导致焊接缺陷 的重要原因之一。 焊接过程会局部改变材料的性能，使结构中的性能可能不均匀。尤其 是某些高强度、超高强度钢，如微合金控轧钢有优良的性能，但它要 求焊接过程实现焊缝金属洁净
15、化和通过微合金化使之实现细晶粒化。 一些金属材料焊接比较困难，这就导致了焊接缺陷，虽然焊接缺陷大 多数能够修复，但是一旦漏检或修复不当则可能带来严重的问题，如 形成应力集中，加之性能不均匀将更严重地影响结构的断裂行为，降 低结构的承载能力。 焊接结构是一个整体，这一方面是气密、水密的前提，另一方面刚度 大，在焊接结构中易产生裂纹，使之很难像铆接或螺栓连接那样在零 件的过渡处被制止，由于这个原因和上述原因（焊接应力和变形、缺 陷、大应力集中、性能不均匀等）导致焊接结构对脆性断裂和疲劳、 应力腐蚀等的破坏特别敏感。 由于科学技术的进步，无损检测手段获得了重大发展，但到目前为止 ，经济而十分可靠的检
16、测手段仍感缺乏。 （3）焊接结构的分类 梁、柱和桁架结构。分别工作在横向弯曲载荷和纵向弯曲 或压力下的结构可称为梁和柱。由多种杆件被节点连成承 担梁或柱的载荷，而各杆件都是主要工作在拉伸或压缩载 荷下的结构称为桁架。作为梁的桁架结构杆件分为上下弦 杆、腹杆（又分竖杆和斜杆），载荷作用在节点上，从而 使各杆件形成只受拉（或压）的二力杆。实际上，许多高 耸结构，如输变电钢塔、电视塔等也是桁架结构。 梁、柱和桁架结构是组成各类建筑钢结构的基础，如高层 建筑的钢结构、冶金厂房的钢结构（屋架、吊车梁、柱等 ）、冶炼平台的框架结构等。它还是各类起重机金属结构 的基础，如起重机的主梁、横梁，门式起重机的支腿、栈 桥结构等等。用作建筑钢结构的梁、柱和桁架常常在静载 下工作，如屋顶桁架。而作为起重机的金属结构，包括桥 梁桁架和起重机
