焊接結(jié)構(gòu)原理

前言

焊接結(jié)構(gòu)在航空、航天、兵器、艦船及核能等工程裝備與結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。焊接結(jié)構(gòu)具有減輕質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)的整體性等優(yōu)勢，現(xiàn)代金屬結(jié)構(gòu)正在不斷擴大焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。盡管焊接結(jié)構(gòu)具有特定的優(yōu)勢，但是，焊接應(yīng)力與變形、焊接接頭的不均勻性、應(yīng)力集中以及焊接缺陷等問題都對焊接結(jié)構(gòu)力學行為產(chǎn)生影響。研究焊接結(jié)構(gòu)行為，發(fā)展焊接結(jié)構(gòu)分析方法，是現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造、使用與維護、安全評定、新材料與新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用等方面的重要基礎(chǔ)。焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造需要以焊接結(jié)構(gòu)基本原理為指導。編寫焊接結(jié)構(gòu)原理教材是有關(guān)學科人才培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)，同時也為工程技術(shù)人員系統(tǒng)認識焊接結(jié)構(gòu)行為提供參考。焊接是一個包括熱力耦合、熱流耦舍、熱冶金耦合的復雜過程，焊接熱作用貫穿于整個焊接結(jié)構(gòu)的制造過程中。焊接熱過程具有集中、瞬時的特點，對材料的顯微組織狀態(tài)有很大影響，也使構(gòu)件產(chǎn)生焊接應(yīng)力變形。焊接熱過程研究是焊接應(yīng)力與變形分析的重要基礎(chǔ)，涉及傳熱學、彈塑性力學等理論。研究的目的是掌握焊接應(yīng)力與變形的規(guī)律，以便在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造中對焊接應(yīng)力與變形進行控制。構(gòu)成焊接結(jié)構(gòu)的可以是大型復雜的工程結(jié)構(gòu)，也可以是微小型連接件。由于焊接接頭是焊接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此焊接結(jié)構(gòu)研究的重點是焊接接頭的力學行為。根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和使用要求，焊接結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容包括焊接應(yīng)力與變形、焊接結(jié)構(gòu)的強度、斷裂行為和疲勞性能等問題。本教材以焊接結(jié)構(gòu)基本原理為核心編寫。全書共分6章。其中：第1章介紹焊接熱力過程分析方法；第2章介紹焊接接頭的應(yīng)力分布及強度計算；第3章介紹焊接結(jié)構(gòu)的不完整性問題；第4章介紹焊接結(jié)構(gòu)斷裂行為、斷裂力學分析方法和斷裂控制基本原理；第5章介紹焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度及分析方法；第6章介紹焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法。

內(nèi)容概要

　　《焊接結(jié)構(gòu)原理》以焊接結(jié)構(gòu)基本原理為核心編寫。全書共分6章。其中：第1章介紹焊接熱力過程分析方法；第2章介紹焊接接頭的應(yīng)力分布及強度計算；第3章介紹焊接結(jié)構(gòu)的不完整性問題；第4章介紹焊接結(jié)構(gòu)斷裂行為、斷裂力學分析方法和斷裂控制基本原理；第5章介紹焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度及分析方法；第6章介紹焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本方法。　　《焊接結(jié)構(gòu)原理》可作為材料成型與控制工程專業(yè)高年級本科生及材料加工工程專業(yè)研究生的教材，也可供有關(guān)科學研究和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

緒論0.1 焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用0.2 焊接結(jié)構(gòu)的特點0.3 焊接結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容第1章 焊接力學分析1.1 焊接熱源與熱功率1.1.1 焊接熱源1.1.2 焊接熱源的熱功率1.2 焊接傳熱分析1.2.1 熱傳導基本概念1.2.2 焊接溫度場的解析分析1.2.3 焊接熱循環(huán)1.3 熱變形與應(yīng)力1.3.1 熱變形與熱應(yīng)力1.3.2 殘余應(yīng)力1.4 焊接應(yīng)力1.4.1 焊接熱應(yīng)力1.4.2 焊接殘余應(yīng)力1.4.-3焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)工作性能的影響1.4.4 焊接應(yīng)力的調(diào)節(jié)和消除1.5 焊接變形1.5.1 縱向收縮與彎曲變形1.5.2 橫向收縮變形1.5.3 角變形與扭曲變形1.5.4 屈曲變形1.5.5 焊接變形的控制與矯正1.6 焊接熱力過程數(shù)值模擬分析1.6.1 焊接熱力過程分析1.6.2 焊接熱力過程數(shù)值模擬方法思考題第2章 焊接接頭與結(jié)構(gòu)強度2.1 焊接接頭2.1.1 焊接接頭及特點2.1.2 焊接接頭及焊縫的基本形式2.2 焊接接頭的工作應(yīng)力分布2.2.1 電弧焊接頭的工作應(yīng)力分布2.2.2 點焊接頭的工作應(yīng)力分布2.3 焊接接頭的強度非匹配2.3.1 焊接接頭強度非匹配的基本概念2.3.2 對接接頭強度非匹配力學行為2.4 焊接接頭強度計算2.4.1 對接接頭的強度計算2.4.2 角焊縫的強度計算2.4.3 點焊接頭的強度計算2.4.4 焊縫的許用應(yīng)力2.5 焊接管節(jié)點及強度2.5.1 直接焊接管節(jié)點的構(gòu)造形式2.5.2 相貫焊縫的計算2.5.3 直接焊接管節(jié)點的承載力2.6 壓力容器焊接接頭與結(jié)構(gòu)強度2.6.1 壓力容器焊接接頭2.6.2 壓力容器焊接結(jié)構(gòu)的強度思考題第3章 焊接結(jié)構(gòu)的不完整性3.1 概述3.1.1 焊接結(jié)構(gòu)不完整性的表征3.1.2 典型焊接缺陷及特征3.1.3 焊接缺陷對結(jié)構(gòu)強度的影響3.2 焊接裂紋分析3.2.1 熱裂紋3.2.2 焊接冷裂紋3.2.3 再熱裂紋3.2.4 層狀撕裂3.2.5 應(yīng)力腐蝕開裂3.3 焊接缺陷的檢驗與評定3.3.1 焊接缺陷的檢驗方法3.3.2 焊接缺陷評定思考題第4章 焊接結(jié)構(gòu)斷裂分析及控制4.1 金屬材料脆性斷裂與延性斷裂4.1.1 脆性斷裂4.1.2 延性斷裂4.1.3 韌性一脆性轉(zhuǎn)變4.2 斷裂力學基礎(chǔ)4.2.1 含裂紋構(gòu)件的斷裂行為4.2.2 線彈性斷裂力學4.2.3 彈塑性斷裂力學4.2.4 剩余強度4.2.5 動態(tài)裂紋擴展與止裂4.3 焊接接頭的斷裂力學分析4.3.1 含裂紋焊接接頭的斷裂模式4.3.2 失配性對焊縫裂紋驅(qū)動力的影響4.4 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制4.4.1 影響焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的主要因素4.4.2 焊接結(jié)構(gòu)的斷裂控制4.4.3 焊接結(jié)構(gòu)抗斷裂性能的試驗評定方法4.4.4 焊接結(jié)構(gòu)的合于使用評定思考題第5章 焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度5.1 材料的疲勞強度5.1.1 疲勞斷裂機理5.1.2 材料的疲勞性能5.2 焊接接頭的疲勞及影響因素5.2.1 焊接接頭的疲勞5.2.2 影響焊接接頭疲勞斷裂的主要因素5.3 焊接接頭的疲勞分析方法_5.3.1 焊接接頭疲勞強度分析方法5.3.2 疲勞裂紋擴展參數(shù)5.3.3 疲勞裂紋擴展的概率分析5.3.4 腐蝕疲勞5.4 焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計與工藝措施5.4.1 焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計5.4.2 焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞工藝措施思考題第6章 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計方法6.1 焊接結(jié)構(gòu)的基本要求6.2 載荷6.2.1 載荷分類6.2.2 載荷組合6.3 焊接結(jié)構(gòu)的失效形式6.3.1 斷裂失效6.3.2 表面損傷6.3.3 過量變形6.3.4 材質(zhì)變化失效6.4 焊接結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計計算方法6.4.1 常規(guī)設(shè)計方法6.4.2 概率極限狀態(tài)設(shè)計法6.4.3 分析設(shè)計6.5 焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計6.5.1 截面設(shè)計6.5.2 可達性設(shè)計6.5.3 焊接應(yīng)力和變形控制設(shè)計6.5.4 抗震性設(shè)計思考題參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：焊接結(jié)構(gòu)在航空、航天、交通、能源、化工和建筑等工程裝備與結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)正在不斷擴大焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍。鈦合金構(gòu)件的氬弧焊、電子束與激光焊、等離子電弧焊等先進工藝具有減輕質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)的整體性等優(yōu)勢。新型戰(zhàn)斗機的承力框、帶筋壁板采用焊接結(jié)構(gòu)可降低加工制造成本。在高性能發(fā)動機制造中，大力發(fā)展摩擦焊、擴散焊、電子束焊接技術(shù)，積極采用整體結(jié)構(gòu)以減少零件數(shù)量并減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高航空發(fā)動機的推重比。如美國海軍、普惠公司，GEAE公司、英國的羅羅公司均在研究開發(fā)用線性摩擦焊來制造整體葉盤，風扇葉片則采用了超塑成型－擴散連接方法制造，從而大大減輕了輪盤的質(zhì)量。航天器的發(fā)展要求不斷采用新材料、新結(jié)構(gòu)和先進的制造技術(shù)。焊接是運載火箭與導彈、衛(wèi)星、航天飛機和空間站等航天結(jié)構(gòu)的主要制造工藝。如長征三號運載火箭推進劑貯箱的焊縫總長近600m，螺旋管式噴管焊縫總長達820余米。馬丁公司和馬歇爾飛行中心研究使用變極性等離子弧焊（VPPA）焊接厚度為3～26mm、焊縫長度為900m的2195鋁鋰合金外貯箱，比用氣體保護鎢極電弧焊（GTA）焊接的質(zhì)量高，且成本降低。近年來，攪拌摩擦焊受到航天工業(yè)的關(guān)注。英國焊接研究所（TWI）應(yīng)用攪拌摩擦焊為波音公司制造了鋁合金航天飛機燃料貯箱（見圖0-1）。洛克希德一馬丁公司、波音一麥道公司、羅克韋爾集團、愛迪生焊接研究所等多家航空航天公司和研究機構(gòu)開展了攪拌摩擦焊的研究與應(yīng)用評估和開發(fā)計劃。麥道公司的金屬與先進連接技術(shù)部進行了數(shù)年的將攪拌摩擦焊用于焊接各種鋁合金的研究工作，并已于1996年將該工藝用于制造德爾塔火箭推進劑的貯箱。在現(xiàn)代造船業(yè)中，焊接是一項很關(guān)鍵的工藝，它不僅對船舶的建造質(zhì)量有很大的影響，而且對提高生產(chǎn)率、降低成本、縮短造船周期都起著很大的作用。焊接工時在整個船體建造中占30％～40％。船體結(jié)構(gòu)由板材和型材利用焊接方法連接而成。由于焊接是對船體結(jié)構(gòu)的局部加熱過程，加熱范圍小，溫度梯度大，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復雜的熱應(yīng)力和變形，冷卻后就會出現(xiàn)殘余應(yīng)力和變形。熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力容易導致構(gòu)件在焊接過程中或焊后出現(xiàn)開裂；而變形使構(gòu)件的后續(xù)裝配工作發(fā)生困難，同時也影響外表的美觀，降低連接構(gòu)件的承載能力。

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