焊接结构070126 焊接检验师基础课.ppt

焊接结构,高 欣,返回,平衡是物体机械运动的一种特殊形式，在工程上物体相对于地球处于静止或作匀速直线运动的状态称为平衡。静力学研究物体在力的作用下处于平衡的规律，建立各种力系的平衡条件，静力学还研究力的简化和物体受力的基本方法，这些知识对于研究物体运动状态的变化也是有用的。工程上有许多机械构件，它们在工作时处于平衡状态，或可近似地看作处于平衡状态，为了合理地设计这些构件的形状，尺寸，选用恰当的材料，往往需要对它们进行强度、刚度或稳定性的分析计算，为此，首先运用静力学知识，对零件和元件进行受力分析，并根据平衡条件求出这些力，以便正确地设计这些部件等。,1静力学基础,11 力和力矩,12 平面构件的平衡条件,13 支座和连接件,14 静不定系统自由度的确定,15 截面参量（内力）,16 支座反力和截面参量的计算实例,返回,（1）力的大小（2）力的方向（3）力的作用点,1.1 力和力矩,力的概念：,力是物体间的相互作用，这种作用使物体的运动状态发生改变（包 括变形），按力的作用效果来说，力可以使物体产生移动和转动。力对物体的移动效应用力衡量。,力的三要素：,力=质量加速度 F=ma FN=mkgam/s2,力的单位：,力的合成：,作用于构件上的力系可以用一个力代替而不改变对构件的作用效果，该力称为这个力系的合力，求取力的过程称为力的合成。,力的平行四边形法则（力的三角形法则）：,作用于物体上同一点的两个力可以合成为一个合力，合力也作用于该点，合力的大小和方向由以两分力为邻力所构成的平行四边形的对角线来表示。,利用力的平行四边形法则（或力三角形法则），也可以把作用在物体上的一个力分解为相交的两个分力，在工程实际中，通常是将一个力分解为方向已知互相垂直的两个分力。（力的正交分解）,两个物体间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用线相同，分别作用于这两个物体上。,力的分解：,作用和反作用定律：,力矩的概念：,力除了使构件产生移动外，还可使构件产生转动，力使构件绕某一点转动的效应，可用力矩来表示，其绝对值等于力的大小和该点至力作用线的垂直距离的乘积。,力 偶：,是力矩的特殊表达形式，是由一对大小相等，方向相反而作用线相互平行的力所产生的力矩。,返回,12 平面构件的平衡条件,返回,作用于构件上所有水平方向的作用力之和 H=0作用于构件上所有垂直方向的作用力之和 V(Q)=0作用于构件上的所有力对构件上任意一点的力距之和 M=0,13 支座和连接件,（1）活动支座,能对垂直方向上的力V，水平方向上的力H和力矩M产生反作用力或力矩，无运动自由度，有三个未知的支座反作用力。,（2）固定支座,能对垂直方向上的力V和水平方向上的力H产生反作用力，对力矩不起作用，有一个运动自由度，二个未知的支座反作用力。,（3）紧固支座,返回,14 静不定系统自由度的确定,n=a+z-3s a支座反作用力的数量 z构件之间反作用力的数量 s部件的数量,为了确定静定系统的载荷，首先要确定出静不定系统的自由度，根据该自由度可以确定系统是处于静定系统，静不定系统或可移动状态。进而可以确定出支座上或构件所承受的载荷。,n0 n倍静不定系统n=0 静定系统n0 可移动系统,计算方法：,结果意义：,静定系统,返回,静不定系统,15 截面参量（内力）,返回,16 支座反力和截面参量的计算实例,支座反力的确定：,FV=4.35 MNFH=2.5 MN,4m,3m,F=5MN,AV,BV,AH,AH-FH=0AH=FH=2.5MN,V(Q),A-部分 平衡,AV,-B部分 平衡,支座反力的确定：,截面参量的计算 按构件受力情况、按外力作用点将构件分为A-和-B二部分进行分析,V(Q),A-部分 平衡,AV,AH,N,M,Fd,AV,V(Q),x,-B部分 平衡,支座反力的确定：,截面参量的计算 按构件受力情况、按外力作用点将构件分为A-、-和-B三部分进行分析,V(Q),x,AH,N,M,A-部分,AV,-部分,AH,N,M,Fd,AV,V(Q),x,a,-B部分,AH,N,M,Fd,AV,V(Q),x,a,b,Fd,轴向内力N分布图,横向内力V(Q)分布图,力矩M分布图,支座反力的确定：,作用在截面上轴向内力N分布图,横向内力V(Q)分布图,力矩M分布图,返回,支座反力的确定：,截面参量的确定 根据构件的受力特点,在构件上任取一点进行分析,轴向内力N分布图,横向内力V(Q)分布图,力矩M分布图,2强度理论基础,强度理论是研究构件在力的作用下在构件内部产生的应力与材料自身所能承受应力的关系的一门科学。,21 截面几何参数特征值及应用范围,22 应力,23 材料特征值,24 构件尺寸确定的特征值,25 应力的计算,小 结,21 截面几何参数特征值及应用范围,应用范围 A 面积cm2 拉伸、压缩和剪切时的应力 S 静矩cm3 剪切时的应力 I 惯性矩cm4 弯曲和剪切引起的应力，弯曲 所产生的变形 z 重心轴至边缘的最大距离（cm）纯弯曲状态下的边缘应力 W 抗弯截面模量（cm3）纯弯曲状态求出截面边缘的应力 Am封闭截面的面积（cm2）扭转状态下的应力。,平面图形截面面积与其形心至某指定轴线之间距离的乘积称为该截面对该轴的静矩。,静矩S,惯性矩I：,截面面积与其形心至某指定轴线距离的平方的乘积称为该截面对该轴线的惯性矩。,矩形截面对自身轴线的惯性矩,工程上对工字形截面惯性矩的简化求法,应力的单位：N/mm2或kN/cm2,外力在杆件内部产生内力，内力在杆件内部是均匀分布的，单位面积上所承受的内力称为应力,22 应力,垂直于所选定截面的力所产生的应力称为正应力，在这里应区分由于拉伸和压缩所产生的应力,拉伸应力：,是正值应力，是由于轴向拉伸力所产生的应力，方向为垂直于截面指向外部。,正应力:,剪切应力:,平行于所选定截面的力在截面上所产生的应力称为剪切应力。,压缩应力：,是负值应力，是由于轴向压缩力所产生的应力，方 向为垂直于截面指向内部。,剪切应力互等定理:,在相互垂直的两平面上，剪应力必然成对存在，且数值相等，两者都垂直于两平面的交线，方向则共同指向或共同背离这一交线，这就是剪应力互等定理。,变形:,物体或构件在外力的作用下会产生变形，如果在外力作用下使构件的长度发生变化，就称为应变，用符号来表示，应变由正应力产生。,除了构件的长度发生变化外，在剪切应力作用下会使构件产生滑移，滑移角度用安母来表示。,23 材料特征值,材料特征值用来表示材料的性能，也用来说明在载荷作用下所能达到的结构关系。对于各向同性，线性弹性材料来说，外加载荷所产生的内力与变形之间的关系符合虎克定律，虎克定律反映的是在应力和变形之间的一种线性关系，建立在弹性理论基础上，即在外力消失后，变形也随之消逝。相反，对于保留塑性变形的结构来说，其计算应按塑性理论方法进行。,-强度特征值DIN EN10025(03/94)屈服极限Reh 强度极限RmDIN 18800 T1 f y,k fu,k,在拉伸试验中，如果把应力和由应力引起的应变表示在一个坐标系中，就会产生一个应力应变图，该图描绘了变形的特征。,弹性模量：,剪切弹性模量：,-形变特征值,24 构件尺寸确定的特征值,为验证构件尺寸需确定截面尺寸及其作用的应力分布状况。,轴向力作用产生的应力,在轴向载荷作用下如果截面是均匀分布的，则轴向应力是均匀分布的，在拉伸载荷 作用下产生正值应力，在压缩载荷 作用产生负值应力。,弯矩产生的应力,在弯矩作用下在截面上同时出现正值应力和负值应力，最大应力出现在边缘。,轴向力和弯矩同时出现在构件上所产生的应力等于由轴向力和弯矩分别作用所产生应力的和。,横向力产生的应力,a)剪力产生的剪切应力,当二个大小相等，方向相反作用线平行且相距很近的力作用时会在截面上产生剪切应力，在整个截面上剪切应力是均匀分布的。通常位错量e很小，可以忽略。,横向力和弯矩产生的剪应力,在矩形截面上剪应力分布简图如下：,在工字形截面上剪应力分布简图如下：,腹板上承担了绝大部分剪力（）Q,工字形截面翼缘的厚度很薄，全部翼缘面积都在离中性轴最远处，所以翼缘上正应力较大，几乎全部负担了截面上的弯矩而腹板则负担了大部分剪力。在工程上，一般来说正应力是梁破坏的主要因素，但在某些情况下，例如跨度短而截面高的梁，腹板较薄的工字梁等，剪应力也可能有相当高的数值，所以有时也必须计算弯曲剪应力。,25 应力的计算,轴向力所引起应力的计算:,例：,弯矩所引起应力的计算：,计算边缘处的最大应力也可以使用阻力矩W。,横向力引起的应力的计算：,对于工字形截面产生的剪切应力可以用下述公式简化计算：,小结,5.焊缝计算的基本知识,51 焊缝中的应力,52 根据DIN18800确定焊缝应力的公式,计算实例,51 焊缝中的应力,为计算出焊缝中的应力，首先应根据焊缝的形式和位置确定出在焊缝中作用的种类和方向。,52 根据DIN18800确定焊缝应力的公式,按DIN 18800 T1规定的焊缝许用应力 KN/cm2,在建筑工程，构件载荷的许用应力根据屈服极限的安全系数应为1.5,计算实例：,例1：验证焊缝强度 焊缝许用剪切应力=13.5kN/cm2,S235钢焊缝许用应力13.5kN/cm2,例2：验证焊缝强度,例3：验证焊缝强度 焊缝许用应力 13.5kN/cm2,例4：验证焊缝长度分别是a:a=8mm lw=100mm b:a=4mm lw=250mm时 的焊缝强度并分别计算两种情况下的焊缝体积。焊缝的许用正应力和许用剪切应力为13.5kN/cm2,例5：,板材对接接头 材料S235 当表面没有裂纹和根部缺陷，最低要求为怎样的截面面积？a）焊缝质量经过验证 焊缝的许用正应力W=16.0kN/cm2 b）焊缝质量不经验证 焊缝的许用正应力W=13.5kN/cm2,例6：,型材对接接头 材料：S235当材料质量级别为 a）S235 JRG1（USt 37-2）焊缝的许用正应力W=8.0kN/cm2 b）S235JRG2（RSt 37-2）焊缝的许用正应力W=13.5kN/cm2 该对接接头可传递多大弯矩？,例7：,在弯矩和横向力作用下抗弯梁的角焊缝接头 强度验证材料：S235,例8：,材料：S235,所选择的基本符号,基本符号和组合符号也可以通过辅助符号和补充符号进行完善，并对要达到的焊缝形状和焊缝布置予以说明。,421 基本符号和组合符号,M=附加物：焊接完成后不可去除 MR=衬垫：焊接完成后可以去除特殊焊缝的坡口形式按DIN1912 T1,424 补充符号给出了对焊缝的补充说明,对封闭焊缝的说明 现场施工说明 所有不是标记的焊缝都是在车间里进行焊接的。其焊 接次序按焊接工艺方案进行。,现在在世界范围内通用的表示方法都包含下述内容：箭头线 指向焊接接头 基线，基线是由二条相互平行的线构成，其中一条为实线，一条为 虚线，虚线可以在实线的上方，也可以在实线的下方。如果焊缝是对称的，允许不标注虚线。焊缝的位置可以用箭头线的位置，基线的位置和符号进行确定。,标记方式：,431 箭头线的位置,箭头线与基线是以一角度相交连接起来的。对于需进行坡口加工后焊接形成的焊缝。可以用箭头线表示，该箭头线总是指向需进行加工的表面。,432 基线的位置,基线大多平行进行标记，在一些特殊情况下也允许垂直进行标记。,符号可以在基线的上方也可以在基线的下方，在一张表示图样中应尽可能地使用同样的表示方法。确定了符号表示方法以后，在焊缝表示时也还有很多变量，在ISO 2553 DIN EN 22553中是这样规定的。表示符号应靠近基线。如可能的话，在焊缝截面上标注的焊缝，应使焊缝截面与符号 的位置保持一致。在标记时应注意，箭头线总是指向接头。,433 基线符号的位置,对于双面焊接的焊缝，可以采用组合焊缝进行表示，这时就不需要虚线表示了。,双面施焊焊缝图标时符号的位置,练习：,每个焊缝的标记符号中，也能给出焊缝的尺寸。焊缝的厚度表示在符号的左边，长度表示在符号的右边。,对于角焊缝来说，标出其所有必要的尺寸显得特别重要。在这里，焊缝厚度可以用两种方法表示，可以用焊缝厚度表示，也可以用焊脚长度表示：,焊缝符号的右侧可以表示焊缝的允许断续情况；也可以表示焊缝长度，如表示焊缝长度，那就意味着在施焊工件上，焊缝是连续的，不允许有间断处。,44 断续焊接的角焊缝,断续焊接的角焊缝标注由长度说明引出 n单个焊缝数 l单个焊缝长度 e间隔 e的另一个意思是焊缝间距，为了避免与通常的说明相混淆，间隔用括号中的e表示。,45 补充说明,除了上面所指出的对称焊缝的说明以外，也可以对焊缝标注一些附加说明，这些附加说明标注于基线尾部的叉子内，补充说明也同样应予以足够的重视。,451 焊接的方法,452 焊缝质量的说明,例：按DIN EN 25817 中的评定组别,焊缝形状说明一般对上述的角焊缝都采用等腰的焊缝形状，并可分为：凸形 平面 凹面,角焊缝的厚度凸角焊缝:一般应避免这种焊缝形状。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。平角焊缝: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。凹角焊缝:这种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。,453 焊缝焊接位置,焊接位置在DIN1912 T2中已标准化，在ISO6947标准中也已给出了焊接位置的意义。,对管子来说还有下述补充符号,H立向上焊接 J立向下焊接 K环状焊接,除此之外，还可以用字母L和角度数值标记管子倾斜角度。,454 关于所应用的焊接材料的说明,例：按DIN 1732铝 按DIN EN499焊条 按 DIN EN440气体保护焊丝,46 完整的焊缝标记,461 叉子后的补充说明,462 完整的焊接标记实例,主静载构件的破坏形式包括:1）脆性断裂2）层状撕裂3）失稳破坏,动载焊接结构强度及其设计 1、概述 自从焊接结构得到广泛应用以来，发现主要承受动载焊接结构，在远没有达到其设计寿命时就出现破坏现象，通常发生脆性断裂和疲劳断裂两大类破坏事故。,脆性断裂事故的焊接结构数量与安全工作的焊接结构数量相比虽很少的。但是，由于这种事故具有突然发生，不易预防的特点，其后果往往是十分严重，甚至是灾难性的，所以引起人们高度重视。,归纳起来脆性断裂的特点为：（1）脆断一般都在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生，并扩展到结构整体，损失严重。（2）脆断往往是应力集中处开始，即构件内存在缺陷，尤其焊接裂缝等。（3）在低温下，厚截面和高应变速度，即动载作用下，极易于引起脆断。归结起来，脆性断裂根本之原因是材料局部处塑性变形能不足所致。大量脆断事故研究表明，造成焊接脆断的原因是多方面的：主要是材料选用不当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等。由此可见了解金属材料的性质和焊接结构的特点对防止脆断是非常必要的。,影响金属脆性断裂因素：同一种材料在不同条件下，可以显示出不同的破坏形式，研究表明，其最重要的影响是温度，其次为应力状态、加载速度，这就是说在一定的温度、应力状态和加载速度下，材料呈塑性破坏，而在另外的条件下，材料可呈脆性破坏，此外晶粒度及显微组织对材料破坏倾向也有很大影响。,1、温度的影响对破坏方式影响最大，降低温度就可使破坏方式由塑性破坏转变为脆性破坏，这是因为随温度的降低，发生解理断裂的危险性增大，材料将出现塑性到脆性断裂的转变，即材料转变温度升高。2、应力状态的影响，物体在受外载时，在不同的截面上产生不同的正应力和剪切应力，其中必有一个最大正应力 和最大切应力。最大正应力、最大切应力及其之比与加载方式有关。称为应力状态系数，与加载方式和零件形状有关。的应力状态有利塑性变形切应力的韧性断裂，而则有利正应力的脆性断裂。,3、加载速度的影响，研究表明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，还应指出，在同样加载速率下，结构中有缺口时，应变速率可呈现加倍的不利影响，因此时应力集中，大大降低了材料的局部塑性。,4、材料状态影响：（1）板厚度的影响，首先厚板在缺口处容易形成三向应力的平面应变状态，另外板厚轧制次数少，组织疏松，内外性能不均；（2）晶粒影响，晶粒度对脆性转变温度有很大影响，晶粒越细，其转变温度降低；（3）化学成分影响，钢中C、N、O、H、S、P增加钢中的脆性。,2.3轧制材料厚度方向上的载荷在采用轧制厚板材料的T型或十字接头的焊接构件中，在应力作用下有时会产生层状撕裂，其中很大因素是由于板材在轧制过程中所形成的平行于板材表面的非金属物夹层所致。层状撕裂的防止方法：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）,疲劳断裂是金属结构在动载作用下失效的一种主要型式，大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%，这种结构的断裂形式与脆性断裂不一样。,疲劳与脆性断裂相比较，虽然二者断裂时形变都很小，并都在动载作用下，但疲劳需要多次加载，而脆断一般不需多次加载，结构脆断是瞬时完成的，而疲劳裂缝的扩展则是缓慢的，有时需要长达数年时间，此外对脆断来说，温度的影响是极其重要的，随着温度的降低，脆断的危险性迅速增加。但疲劳强度却不是这样。疲劳断裂和脆性断裂相比较还有不同的断口特征等。,众多焊接结构的疲劳断裂事故中，可以清楚地看到焊接接头的重要影响，疲劳破坏一般都是从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳裂缝又往往从焊接接头的应力集中处产生。,研究表明，实际结构的破坏，不取决于平均应力，而取决于缺陷邻近的局部应力和应力集中程度，使结构在低应力下，由宏观裂纹源的扩展而引起破坏。,焊接接头和结构的疲劳强度 疲劳断裂是焊接金属结构失效的一种主要型式，它发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。,疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定裂纹增大和扩展。从疲劳的断口，可以看出在疲劳核心周围存在非常光滑，非常细洁，贝纹线不明显的狭小区域，从本质上看就是疲劳裂纹扩展区，下面以疲劳断裂过程予以说明。,一、疲劳断裂的过程 在交变载荷的作用下，在构件上会产生微观上和宏观上都可见的塑性形变，这种塑性形变阻碍破断的迅速发展，在交变应力的作用下会在某些局部处产生微观和宏观裂纹，这些裂纹进一步扩展到最后断裂区域。就会引起破断，由此可见疲劳断裂过程一般由三个阶段所组成：,（1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹源，通常把裂纹长到1000埃之前定义为裂纹产生阶段，在焊接接头中疲劳裂纹产生阶段只占整个疲劳过程中的一个短的时间。,（2）疲劳裂纹稳定扩展过程在这过程中，在均匀循环应力作用下，只要应力值足够大，一般每一次应力循环将在断裂表面产生一道辉纹，即每经过一次加载循环，在裂纹尖端即经历一次锐化钝化再锐化的过程，裂纹就扩展一距离。,（3）疲劳断裂裂纹在循环载荷作用下，不断向前扩展，当扩展至一定程度，结构即进入最后断裂阶段。在焊接接头中，产生疲劳裂纹一般要比其他联接型式的循环次数少。这是因为焊接接头中不仅有应力集中（如角焊缝的焊趾处），而且这部位易产生焊接接头缺陷，残余焊接应力也比较高,1、疲劳强度和疲劳极限（1）疲劳曲线是指某一材料试样用不同载荷进行多次反复加载试验，测得不同载荷下使试样破坏所需加载循环次数所绘制成-N疲劳曲线如图2所示（2）疲劳强度为在某一N循环次数下破坏应力，称为在该N循环下的疲劳强度。（3）疲劳极限是指在N次以后其强度不再下降达到饱和极限，如图6所示水平线代表疲劳极限的数值。,2、应力循环特性疲劳强度的数值与应力循环特性有关，应力循环特性主要用下列参量表示：（1）平均应力 其中应力循环内的最大应力（2）应力振幅应力循环内的最小应力（3）应力循环特性系数 的变化范围为-1+1,由上式可见，可以把任意载荷看作是某个不变的平均应力（静载的恒定应力部分）和应力振幅（交变应力部分）的组合。,3、特殊循环特性变动载荷如图7所示。（1）对称交变载荷，其疲劳强度用 表示。（2）脉动载荷，其疲劳强度用 表示。（3）拉伸变载荷 均为拉应力，但大小不等，其疲劳强度用，脚标 用相应的特性系数表示。,疲劳强度的常用表示法 为了表达疲劳强度和循环特性之间关系，可绘出下列几种形式的疲劳图，从其图中可得出各种循环特性下的疲劳强度，表示某种材料疲劳性能。1、表示的疲劳图（如图8所示），它能直接的将的关系表示出来。,用 表示的疲劳图如图10所示。横坐标为，纵坐标为，曲线上各点疲劳强度。纵坐标A交点为对称循环时疲劳强度，横坐标B交点为静载强度，从0作45射线与曲线交点C表示脉动循环，其疲劳强度。若自0点作角射线与曲线相交，并使，则交点的，即为时疲劳强度。,影响焊接接头疲劳强度的因素 影响基本金属疲劳强度的因素（如应力集中、截面尺寸、表面状态、加载情况、介质等因素），同样对焊接结构的疲劳强度有影响。除此之外焊接结构本身的一些特点，例如焊接结构的应力集中，接头部位近缝区性能的改变，焊接残余应力等也可能对焊接结构疲劳强度发生影响，下面探讨这些因素的影响。,（一）应力集中的影响 焊接结构中，不同的焊接接头型式和形状，由于在接头部位具有不同的应力集中，对接头的疲劳强度发生程度不同的不利影响。1、对接接头由于形状变化不大，因此其应力集中比其他形式接头要小，只是焊缝加强高和过渡角处会使接头疲劳强度下降。,2、丁字和十字接头，由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数比对接接头的高，因此其疲劳强度远低于对接接头，未开坡口的角焊缝的十字接头，当焊缝传递工作应力时，其疲劳断裂发生母材与焊缝趾端交界处和焊缝上的薄弱环节上。,3、搭接接头的疲劳强度是很低的，如图16所示。仅有侧面焊缝的搭接接头（a）,其疲劳强度最低，只达到基本金属的34%。正面焊缝的搭接接头的焊脚从1:1、1:2、1:3.8其疲劳强度从40%（b）、49%（c）、51%（d表面机加工）和100%（e表面机加工）。采用所谓“加强”盖板的对接接头是极不合理的。由图16（f）试验结果表明，原来疲劳强度较高的对接接头被大大削弱了，只有其一半。,（二）近缝区金属性能变化的影响 试验研究表明，在常用的线能量下低碳钢焊接、热影响区和基本金属的疲劳强度相当接近，其近缝区金属机械性能变化对对接接头的疲劳强度影响较小。低合金钢的情况较复杂的，在热循环作用下，热影响区的机械性能变化比低碳钢大，但在有应力集中或无应力集中时都对疲劳强度的影响不大，试验还表明，材料的性能对疲劳裂纹扩展速率有一定的影响，但不太大。在实际焊接结构中，如果热影响区的尺寸不大，就不会降低焊接接头的疲劳强度。,（三）残余应力的影响 内应力对疲劳强度的影响，从理论上（疲劳强度 与的关系图上）可以看出当有内应力时，当应力循环中最大应力 到达 时，内应力将因应力全面达到屈服而消除，所以当 达到一定数值时（即），内应力对疲劳强度将没有影响，当 小于此值时，则 越小，内应力的影响愈显著。从焊接接头的疲劳强度试验结果表明焊接应力对疲劳强度的影响与应力循环特征系数 有关，越小（负数），使疲劳强度降低，影响疲劳强度越严重，此外应力集中越严重处其内应力的影响也更为突出。,（四）缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。1、缺陷形状：片状缺陷（如裂缝、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大。2、缺陷位置：表面缺陷比内部缺陷影响大。3、缺陷受力方向与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大。,4、位于残余拉应力区内的缺陷的影响比在残余压应力区内的大。5、位于应力集中区的缺陷（如焊趾部裂纹）的影响比在均匀应力场中同样缺陷影响大。6、材料影响，缺陷对缺口敏感性强的疲劳强度的影响比一般缺口敏感性材料疲劳强度影响要大，所以高强钢强度高而实际其疲劳强度并没有提高很多。,提高焊接结构疲劳强度措施（一）降低构件中的应力强度系数 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，在结构设计中减少应力集中甚至比确定疲劳设计应力还重要。只有当焊接接头和结构设计合理，焊接工艺完善，焊缝金属质量良好时，才能保证焊接接头和结构具有较高的疲劳强度，一般可以采取下列措施：,1 采用合理的构件结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度；2 合理地选择接头形式，尽量采用应力集中系数小的对接接头，焊缝形状过渡平缓，采用连续焊缝比断续焊缝有利，尽量少采用角焊缝；3 当采用角焊缝时（有时不可避免）须采取综合措施：机械加工焊缝端部，合理选择角接板形状，保证焊缝根部焊透等；4 用表面机械加工的方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，来降低接头应力集中程度。,提高焊接结构疲劳强度的工艺措施:1、在工艺上应正确选择焊接规范，保证焊缝良好成形和内、外部没有缺陷；2、TIG电弧整形，可以大幅度提高焊接接头的疲劳强度；,3、调整残余应力场，消除接头的应力集中处的残余焊接应力或使该处产生残余压应力均可以提高接头的疲劳强度，其方法可以分为两类：结构和元件的整体处理，包括整体退火或超载予拉伸法；对接头部位局部处理，即在接头某部位采用加热、辗压、局部爆炸等方法，使接头应力集中处产生残余压应力。,4、动载焊接结构的设计一、焊接结构疲劳强度设计的一般原则根据焊接结构的特点和大量实际焊接结构设计的实践经验，得出在焊接结构疲劳强度设计时应予以考虑的准则：承受拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆滑的过渡结构以减小刚度的突然变化；优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；采用角焊缝时最好用双面焊缝，避免使用单面焊缝；采用带有搭接盖板的搭接接头和弯搭接接头，尽可能不用偏心搭接；,使焊缝（特别是焊趾、焊缝根部和焊缝端部）位于低应力区（例如弯曲时中性带、承受小弯矩的部分区域、孔边缘上使缺口应力为零的地方、过渡段和转角以外的部位），使各因素引起的缺口效应分散而避免使其叠加；在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端部缺口之前或之后（处于力流之中）设置一些缓冲缺口以消除或降低上述缺口部位的应力；承受横向弯曲的构件应缩短支承间距以减小弯矩；横向力应作用于剪切中心之上，以减小扭矩；承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强件长度应小。以减小加强件对于构件变形的拘束；在薄板范围内合理布置焊缝，以减轻弯曲变形；避免能扰乱力流的开口，但与力流垂直的加强筋板角部应切除（加强筋板切角）；在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件代替焊接接头（又可便于装配）等。,例:缺口效应的大小,A B C,热动载焊接结构的设计与制造1,1、德国有关法规、条例和技术规程的制约关系见图1、图2。,图1 有关锅炉、压力容器和管道的法规、条例和技术规程的关系,法规,条例,技术规程,宪法,设备安全法规2第2a节“需监督设备”,1、蒸汽锅炉设备3、压缩气体设备 4、管道（可燃、有毒腐蚀性）5、起重设备 6、在特别危险空间内的电气设备7、饮料柜设备8、乙炔设备电石仓库9、存放、填充和输送可燃性液体的设备10、医用设备图2 压力容器条例及其规程的制定部门,负责的专业委员会：FAD压力容器专业委员会,1)制造厂家2)用户3)监督管理部门4)技术监督部门,技术规程：TRB（压力容器）TRG（压缩气体）TRR（管道）,压力容器条例,2、压力容器设备,2、压力容器条例2.1适用范围 工作压力P大于0.1bar的容器 压力P0.01bar的深冷液态气体容器 压缩气体容器（50时或临界温度3bar）压缩气体的填充设备 输送可燃性，腐蚀性或有毒性气体，蒸汽或液体，压力P0.1bar的管道不适用的范围包括 当其它机构负责时：如联邦铁路，联邦部队矿山 当其它条例适用时：蒸汽锅炉条例，交通法规 特殊形式的容器，如：轮胎，高压锅，机器部件,2.2检验范围1)初检 图纸的预检（计算检查，材料和焊接方法的正确使用，正确的设计，热处理和材料证明）车间内的制造检验（正确的施工，焊接，热处理；材料，热处理，焊工考试，工艺评定，产品试件，无损检验等有效证明的具备，重要构件的安全功能）打压试验（容器的密封性）现场的验收检验（所有安全和设备部件的具备；对于预定工作。安全设施适宜性，正确的安装）2)定期检验例如对和组压力容器：每二年进行外部检验 每五年进行内部检验 每十年进行打压试验,3)特殊情况下的检验例如在重大改变，事故出现后，具体检验条件和要求见表1，表2，表3。表1 压力容器：检验组别和检验概述（压力容器条例8、9、10），容器最小尺寸：I0.11且PI20,检验主管机构进行压力容器条例中规定的检验的检验主管机构为：设备安全法规14（原行业条例24）中规定的检验主管机构，它们是技术监督组织如RWTV（技术监督协会），黑森地区技术监督协会，里林州技术监督局（TA），汉堡州劳动保护局的检验主管机构由主管部门认可的企业的检验主管机构（自行监督，如拜耳BASF公司）检验专家能能够进行压力容器条例规定的检验的检验专家为 1）在其所受培训，理论知识和实际工作中积累的经验的基础上，能够保证规定要求完成检验。2）具备对检验人员要求的可靠性 3）在检验工作没有出现失误的记录 4）如有要求，应具备适合的检验设备 5）通过参加国家级或国家认可的培训班，获得相应证书，以满足第1点中所列条件，此证书应随时接受主管部门的审查。检验专家应由主管部门根据要求进行认证除液态气体外的气体，蒸汽或液体管道的检验。,3、压力容器技术规程压力容器条例规定压力容器应按相应的规定的技术规程进行设计计算，制造，安装和检验。对于压力容器重要的技术规程是TRB。在引入压力容器条例（80年2月27日）和TRB（1980年）之前，压力容器的设计计算，制造和检验均是按AD-规程进行的。TRB规程在设计计算，材料，制造和检验方面与AD规程是一致的。压力容器技术规程TRB概述 000序列压力容器用材料 100序列压力容器的制造 200序列压力容器的设计计算 300序列压力容器设备 400序列压力容器工艺和检验规程 500序列压力容器的安装 600序列压力容器的运行 700序列特殊形式的压力容器和压力容器填充设备 800序列,AD-规程 G 基本准则A 设备 B 计算 W 材料 N 非金属材料 S 特殊情况 HP 制造和检验HP0 设计参数，制造及相关检验的基本准则HP1 设计参数和设计HP2/1 连接方法的工艺评定，焊接接头的工艺评定HP2/2 连接方法的工艺评定，堆焊的工艺评定HP2/3 连接方法的工艺评定，钎焊的工艺评定HP2/4 连接方法的工艺评定，粘接及其它连接方法的工艺评定HP3 焊接监督人员，焊工HP4 无损检验监督人员和检验人员HP5/1 接头的制造和检验；工作技术准则HP5/2 接头的制造和检验；焊缝的产品试件检验，母材热处理后和焊接后的检验HP5/3 接头的制造和检验；焊接接头的无损检验。HP5/3（附件1）对无损检验方法的工艺技术的最低要求,HP7/1 热处理；一般准则HP7/2 热处理；铁素体钢HP7/3 热处理；奥氏体钢HP7/4 热处理；铝及铝合金HP8/1 钢，铝和铝合金锻件的检验HP8/2 筒体的检验HP30 打压试验的实施管道技术规程TRRTRR100 制造规程；金属材料管道（材料要求，计算）TRR512 通过检验主管机构的检验；初检（预检，打压试验）TRR513 通过检验主管机构的检验；验收检验（布置检验，设备检验）TRR514 通过检验主管机构的检验；复检（外部检验，运行检验，无损检验，打压试验）TRR515 根据压力容器条例30a（3）和30b（3）的管道通过检验 主管机构的书面确认和检验TRR521 正确的制造/设备和打压试验的证明TRR531 通过检验专家的检验；验收检验TRR532 通过检验专家的检验；复检,补充资料：,（二）,条例,（三）,（四）压力容器安全技术监察规程,（五）蒸汽锅炉安全技术监察规程,热动载焊接结构的设计与制造,1、前言,根据压力容器条例进行的强度计算序列如下：压力容器 管道TRB 300 TRR100（压力容器技术规程）（管道技术规程）AD规程 第6节“计算”序列B和S,2、压力容器的计算（AD规程B0）,适用范围序列B应用的前提条件：按照序列W选择材料 按照序列HP和一般的技术规则进行材料加工 主要静载荷（其它按S1/S2）与序列的计算规则有偏差时，可按下列进行 其它公认技术规则 其它计算方法 应变测量，试验 现有的企业的经验计算压力 内部压力（一般采用许用工作压力）加静态液体压力 检验压力，例如用1.3倍的工作压力进行水压试验 考虑附加压力，例如风，雪，管连接载荷等，（见ADB0 4.5一般考虑提高5%）计算温度 最高的筒壁温度（非加热容器考虑介质的最高温度，一般在+20和-10之间）在伸管加热时的附加温度,强度特性值K 根据AD规范序列W选择相应的计算温度 考虑在最高温度范围与时间相关的值，例如持久强度或者残余变形分别为0.2%或1%时的最低屈服强度 异种钢焊接接头，以其中较低的强度值一侧作为计算基础 受持久载荷的焊缝其强度值降低20%（母材强度值）安全系数S 在计算温度下的安全系数S见ADB0 8.1表2，例如：轧制和锻造材料为1.5，铸钢为2焊缝系数V 符合AD-HP01.2所要求的材料V=1.0，对硬钎焊的接头V为0.8壁厚补偿 制造决定的壁厚的减弱C1 使用补偿C2（腐蚀补偿）许用应力其中：强度特性值K：对于轧制和锻造钢材,关于强度特性值K的补充说明：,计算时应考虑以下三个强度特性值：抗拉强度b屈服强度s持久强度Dt根据GB150-98 3.6许用应力一节,碳钢、低合金钢的安全系数分别为：b=3.0 s=1.6 Dt=1.5高合金钢：s=1.5焊缝系数V相当于国内修正系数，它取决于构件类型、和工件条件，一般在之间选取。许用应力=J J基本许用应力 J b/3.0J s/1.6 一般取此三个数值中的最小值J Dt/1.5 壁厚补偿C=C1+C2（GB150-98）,安全系数S：对于轧制和锻造钢材对轧制和锻造钢材的一般要求为断裂延伸率16%冲击功 27J因此没有针对抗拉强度Rm的计算校核。壁厚补偿 C1=是考虑壁厚在制造过程中的减弱而进行的补偿。铁素体：根据制造过程，例如：铸钢或深拉构件C1=0奥氏体：无补偿 C2=使用补偿铁素体：C2=1，当S30时 C2=0，当S30时如果钢表面保护（如：涂钨，镀层，涂胶）则不需补偿如果腐蚀介质特别强，则根据协商确定较高补偿值C2进行计算奥氏体：C2=0,焊缝使用系数焊缝中允许的计算应力的使用系数（它根据热处理和探伤确定的百分比例）例如：根据DIN 17155锅炉用板H 85%有/无消除应力退火 壁厚30，纵缝和环缝2%无损检验 100%无消除应力退火，壁厚50 纵缝：100%无损检验 环缝：25%无损检验 100%消除应力退火壁厚 50 纵缝：100%无损检验，环缝25%无损检验,3、蒸汽锅炉，容器和管道制造的强度计算和结构实例,3.1内部受压的管状或园柱形筒体 u N/mm2 周向压力 l N/mm2 纵向压力 r N/mm2 径向压力图1 内部受压筒体的三个应力分布,图7 圆柱体和锥体开孔垂直插入接管减弱系数（SA/Di=0.002）,图8 计算温度100和壁厚25许用载荷循环次数的测算,5）弯头尺寸的确定（按DIN 2413或TRD 301节2）,图10 相关曲率半径说明：无补偿所要求壁厚弯头内壁厚：弯头外壁厚：=直管所要求壁厚,注:图11摘自TRR-100，是验算公式即允许的工作压力 与直径比值 的关系至少应符合图11的曲线关系。图11 带支管 的值的计算,4、压力容器的一般设计准则,纵缝和环缝一般用对接接头，在整个截面上焊透原因：力线分布