焊接结构070126 焊接检验师基础课课件

1、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

2、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：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

3、个物体上。力的分解：作用和反作用定律：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 平面构件若处于平衡状态，则作用于该构件上的所有力在二个不同轴上的分力之和为零，所有力对构件上任意一点的力矩之和也为零，因此可以得出下述三个平衡条件方程： 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 在建筑物中，支座具有通过它的反作用力来承受外力，以使建筑物保持平衡的功能，支座类型可分为以下三种： 只能对垂直方向上的力V产生反作用力

4、，对水平方向上的力和力矩不起作用，有二个运动自由度，一个未知的支座反力。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

5、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n100） 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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，

12、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

13、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

14、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

15、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

16、）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

17、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

18、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。 联邦德国宪法第二章第二节：每个人都有权力使自己不受生命和身体的危

19、害机器保护法水分平衡法设备安全法规2第2a节“需监督设备”（原：行业规程24）蒸汽锅炉条例压力容器条例VbFTRDTRBTRGTRRTRbF 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：TR

20、B（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

21、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，

22、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

23、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

24、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

25、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3

26、0b（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S2、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（

27、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

28、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0.9-1.0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