焊接培訓中心焊接鋁合金結構設計學習教案

1、會計學1焊接焊接(hnji)培訓中心焊接培訓中心焊接(hnji)鋁合金鋁合金結構設計結構設計第一頁，共42頁。1、概述、概述輕型材料的應用（特別是鋁材）使輕型結構的輕型材料的應用（特別是鋁材）使輕型結構的制造成為可能。鋁及其合金焊接技術制造成為可能。鋁及其合金焊接技術(jsh)的快速發(fā)的快速發(fā)展?jié)M足了鋁結構焊接的要求。展?jié)M足了鋁結構焊接的要求。第1頁/共41頁第二頁，共42頁。鋁結構焊接和設計鋁結構焊接和設計(shj)的標準主要由三份標準的標準主要由三份標準組成組成。應用標準既沒有。應用標準既沒有EN標準，也沒有標準，也沒有ISO標準。僅在母標準。僅在母材和填充材料有相應的標準或者在起草階段。

2、材和填充材料有相應的標準或者在起草階段。DIN4113-1：1980主要靜載荷鋁結構；載荷分析主要靜載荷鋁結構；載荷分析和設計和設計(shj)DIN4113-2：1993主要靜載荷鋁結構；計算和鋁主要靜載荷鋁結構；計算和鋁結構焊接接頭制造結構焊接接頭制造建筑研究院規(guī)程：建筑研究院規(guī)程：1987鋁結構焊接規(guī)程鋁結構焊接規(guī)程DVS1608：1983軌道車輛鋁結構焊接軌道車輛鋁結構焊接ISO9692-3：2001坡口準備；鋁及其合金的坡口準備；鋁及其合金的MIG焊和焊和TIG焊焊未來歐洲標準是歐洲未來歐洲標準是歐洲9號（號（EN1999），此標準在投），此標準在投票階段。票階段。ANSI/AWS D

3、1.2：2003 結構焊接規(guī)程結構焊接規(guī)程 鋁鋁相關鋼結構標準相關鋼結構標準DIN18800-1：1990鋼結構鋼結構-計算和設計計算和設計(shj)第2頁/共41頁第三頁，共42頁。鋁結構的設計，雖然在計算方法上與鋼結構基鋁結構的設計，雖然在計算方法上與鋼結構基本本相同（強度設計、穩(wěn)定性設計和剛度設計），但由于相同（強度設計、穩(wěn)定性設計和剛度設計），但由于其焊接接頭性能的特殊性，在接頭設計、許用應力其焊接接頭性能的特殊性，在接頭設計、許用應力(yngl)等等方面又不同于鋼結構。方面又不同于鋼結構。鋁與鋼相比重要的區(qū)別：鋁與鋼相比重要的區(qū)別：比較低的強度；比較低的強度；低彈性模量低彈性模量焊接

4、熱影響區(qū)焊接熱影響區(qū)擠壓型材的成型擠壓型材的成型有減少輕型結構質量可能性有減少輕型結構質量可能性第3頁/共41頁第四頁，共42頁。鋁鋁結構鋼結構鋼密度密度2.7g/cm37.8 g/cm3彈性模量彈性模量70,000N/mm2210,000 N/mm2剪切模量剪切模量26,500 N/mm281, 000 N/mm2橫向延伸率橫向延伸率0.330.30熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)23.5*106 1/K12*106 1/K屈服強度屈服強度20-470 N/mm2240-960 N/mm2抗拉強度抗拉強度70-520 N/mm236-1100 N/mm2第4頁/共41頁第五頁，共42頁。鋁梁和鋼梁的區(qū)別

5、鋁梁和鋼梁的區(qū)別(qbi) 第5頁/共41頁第六頁，共42頁。第6頁/共41頁第七頁，共42頁。2、鋁結構應用、鋁結構應用 鋁及鋁合金具有重量輕、防腐性能好、低溫韌性好鋁及鋁合金具有重量輕、防腐性能好、低溫韌性好和易于壓力加工等特點和易于壓力加工等特點(tdin)，因此在工業(yè)領域的，因此在工業(yè)領域的各個方面都有大量應用。各個方面都有大量應用。由于其優(yōu)良的防腐性能和低溫韌性好的特點由于其優(yōu)良的防腐性能和低溫韌性好的特點(tdin)，因此在石油、化工、深冷行業(yè)得到廣泛應，因此在石油、化工、深冷行業(yè)得到廣泛應用。用。在建筑行業(yè)，由于鋁的重量輕、防腐性能好，在建筑行業(yè)，由于鋁的重量輕、防腐性能好，因此

6、鋁結構代替鋼結構也有大量應用。因此鋁結構代替鋼結構也有大量應用。在軌道交通行業(yè)，大量的使用鋁代替鋼制造軌在軌道交通行業(yè)，大量的使用鋁代替鋼制造軌道車輛，并且呈現(xiàn)上升趨勢。道車輛，并且呈現(xiàn)上升趨勢。包括航空、電子技術、包裝、機器制造、煉鋼包括航空、電子技術、包裝、機器制造、煉鋼等行業(yè)都是用鋁及其合金。等行業(yè)都是用鋁及其合金。第7頁/共41頁第八頁，共42頁。應用特點應用特點能否降低成本，相似結構使用其它材料代替能否降低成本，相似結構使用其它材料代替?能否節(jié)省能否節(jié)省(jishng)材料，例如相似結構，鋁結構材料，例如相似結構，鋁結構相對鋼結構可以節(jié)省相對鋼結構可以節(jié)省(jishng)至少至少40

7、的材料的材料?減輕重量而節(jié)省減輕重量而節(jié)省(jishng)成本，如節(jié)省成本，如節(jié)省(jishng)火箭發(fā)動機用燃料?；鸺l(fā)動機用燃料。能否因減輕重量增加容積；能否因減輕重量增加容積；使用鋁結構無須考慮防腐保護，由于鋁結構的這種優(yōu)使用鋁結構無須考慮防腐保護，由于鋁結構的這種優(yōu)點，節(jié)省點，節(jié)省(jishng)了防腐費用；了防腐費用；能否改變產品外觀，例如在建筑上；能否改變產品外觀，例如在建筑上；結構在結構在100以上的性能；以上的性能；擠壓型材的發(fā)展，節(jié)省擠壓型材的發(fā)展，節(jié)省(jishng)制造費用；制造費用；考慮鋁的重要性能，例如低彈性模量、高塑性、高導考慮鋁的重要性能，例如低彈性模量、高塑性、

8、高導電率等電率等第8頁/共41頁第九頁，共42頁。第9頁/共41頁第十頁，共42頁。材料鋁及其合金的產品形式材料鋁及其合金的產品形式 鋁盡其合金的供貨形式主要包括普通的板材、管材、鋁盡其合金的供貨形式主要包括普通的板材、管材、型材和特殊型材和特殊(tsh)擠壓型材擠壓型材第10頁/共41頁第十一頁，共42頁。3、材料、材料(cilio)特點特點可以看出，非熱處理強化的鋁合金在焊接狀態(tài)下的斷裂強度和可以看出，非熱處理強化的鋁合金在焊接狀態(tài)下的斷裂強度和0.2%屈服強屈服強度與供貨狀態(tài)幾乎沒有區(qū)別，而對一可熱處理化鋁合金則有明顯的差別度與供貨狀態(tài)幾乎沒有區(qū)別，而對一可熱處理化鋁合金則有明顯的差別(

9、chbi)。非熱處理強化鋁合金的非熱處理強化鋁合金的 比值大約比值大約0.5至至0.6之間，在焊接狀態(tài)要稍低之間，在焊接狀態(tài)要稍低一些，對于熱處理強化鋁合金鋼在一些，對于熱處理強化鋁合金鋼在0.7至至0.8之間。之間。zP/2 . 0第11頁/共41頁第十二頁，共42頁。AlZn4.5Mg（7xxx）鋁合金的強度值只比鋁合金的強度值只比St37鋼鋼(S235)低低25%。特別適。特別適用于高層建筑和車輛制造用于高層建筑和車輛制造中的承載焊接構件。中的承載焊接構件。鋁合金的斷裂延伸率鋁合金的斷裂延伸率還沒有達到普通還沒有達到普通(ptng)結構鋼的一半（結構鋼的一半（S235大約大約為為25%）

10、。）。焊后接頭軟化焊后接頭軟化b；Al-Zn-Mg合金合金b較較高，適于建筑及承載構件高，適于建筑及承載構件；鋁合金的延伸率不到鋁合金的延伸率不到普通普通(ptng)結構鋼的結構鋼的1/2；鋁合金基本沒有低溫鋁合金基本沒有低溫脆性脆性.第12頁/共41頁第十三頁，共42頁。 許用應力許用應力(yngl)的選擇的選擇焊縫焊縫(hn fn)的許用應力的許用應力第13頁/共41頁第十四頁，共42頁。接頭接頭(ji tu)形式形式接頭接頭(ji tu)形式與焊縫計算厚度；形式與焊縫計算厚度；第14頁/共41頁第十五頁，共42頁。第15頁/共41頁第十六頁，共42頁。 焊接接頭的強度特點焊接接頭的強度特

11、點 鋁結構鋁結構(jigu)焊接接頭的熱影響區(qū)有強度普遍下降焊接接頭的熱影響區(qū)有強度普遍下降的問題的問題 第16頁/共41頁第十七頁，共42頁。第17頁/共41頁第十八頁，共42頁。4、焊縫準備及結構、焊縫準備及結構(jigu)形式形式 鋼和鋁的坡口有兩個區(qū)別：鋼和鋁的坡口有兩個區(qū)別：鋁由于熔點較低一般熔深較大鋁由于熔點較低一般熔深較大焊鋁時由熱傳導較快要求較大的坡口張開角度以焊鋁時由熱傳導較快要求較大的坡口張開角度以避免可能產生的未熔合避免可能產生的未熔合第18頁/共41頁第十九頁，共42頁。對所有氣體對所有氣體(qt)保護焊方法要求根部焊透。為了使根部更保護焊方法要求根部焊透。為了使根部更

12、好地熔合，應在根部一側開斜邊見圖好地熔合，應在根部一側開斜邊見圖11。建議使用熔池保。建議使用熔池保護裝置。護裝置。第19頁/共41頁第二十頁，共42頁。銅質或高合金銅質或高合金(hjn)保護保護Cr-Ni鋼絲(n s) 型材型材(xn ci)保護保護 第20頁/共41頁第二十一頁，共42頁。第21頁/共41頁第二十二頁，共42頁。5 5、計算準則、計算準則 焊接鋁結構的計算原理焊接鋁結構的計算原理(yunl)(yunl)上可以與按上可以與按DIN18800T1DIN18800T1進行的鋼結構的計算相比較。但母材和焊縫進行的鋼結構的計算相比較。但母材和焊縫的許用應力卻不一樣，必須按不同的標準規(guī)

13、程選取。對的許用應力卻不一樣，必須按不同的標準規(guī)程選取。對于母材的許用應力在于母材的許用應力在DIN4113DIN4113第一部分中給出，對焊縫則第一部分中給出，對焊縫則按建筑技術研究所的規(guī)程選取。按建筑技術研究所的規(guī)程選取。第22頁/共41頁第二十三頁，共42頁。應該考慮到，焊接時在熱影響應該考慮到，焊接時在熱影響(yngxing)區(qū)的區(qū)的橫截面內要橫截面內要產生強度的降低。焊接結構的熱影響產生強度的降低。焊接結構的熱影響(yngxing)區(qū)區(qū)是從焊縫中點是從焊縫中點及根部算起向各個方向延伸及根部算起向各個方向延伸30mm的區(qū)域。的區(qū)域。第23頁/共41頁第二十四頁，共42頁。5.2動載時的

14、計算準則動載時的計算準則動載鋁結構的設計動載鋁結構的設計(shj)和計算需按和計算需按DVS1608規(guī)程規(guī)程并結合并結合DS952規(guī)程一私人企業(yè)金屬材料焊接規(guī)程。規(guī)程一私人企業(yè)金屬材料焊接規(guī)程。受動載的鋁結構的應用領域是車輛，飛機和船舶制受動載的鋁結構的應用領域是車輛，飛機和船舶制造等。造等。目前唯一適用于受動載鋁結構的規(guī)程是目前唯一適用于受動載鋁結構的規(guī)程是DVS1608規(guī)規(guī)程。其它制造上的技術數(shù)據(jù)（焊接材料的選擇，焊接時熱程。其它制造上的技術數(shù)據(jù)（焊接材料的選擇，焊接時熱輸入等）則應根據(jù)計算的特性值結合應力極限比輸入等）則應根據(jù)計算的特性值結合應力極限比=+1至至=-1時的二載荷曲線來給出

15、。時的二載荷曲線來給出。載荷循環(huán)次數(shù)載荷循環(huán)次數(shù)N的最大值為的最大值為N=1107。第24頁/共41頁第二十五頁，共42頁。N=1*107表面表面(biomin)未處理未處理 t10A 未焊接未焊接D 焊接焊接 缺口等級缺口等級DMIG SG AlMg5第25頁/共41頁第二十六頁，共42頁。6、鋁結構焊接、鋁結構焊接合理的焊接結構設計的一般要求合理的焊接結構設計的一般要求 受力簡單明確，便于制作、安裝、維護受力簡單明確，便于制作、安裝、維護采取措施減少熱影響對結構和構件強度的影響采取措施減少熱影響對結構和構件強度的影響鋁合金表面長時間受熱輻射在鋁合金表面長時間受熱輻射在80以上時，應采取以上

16、時，應采取有效有效(yuxio)措施防護措施防護注意防腐注意防腐第26頁/共41頁第二十七頁，共42頁。 盡量減小結構或焊接接頭部位的應力集中；盡量減小結構或焊接接頭部位的應力集中； 盡量減小結構的剛度，以減小應力集中和附加盡量減小結構的剛度，以減小應力集中和附加應力的影響；應力的影響； 不采用過厚的截面；不采用過厚的截面； 對于附件或不受力焊縫的設計，應與主焊縫同對于附件或不受力焊縫的設計，應與主焊縫同樣重視；樣重視； 焊縫位置應具有可達性焊縫位置應具有可達性便于便于(biny)施焊和焊前施焊和焊前現(xiàn)現(xiàn)場清理。場清理。第27頁/共41頁第二十八頁，共42頁。6.1一般結構焊接一般結構焊接焊縫

17、在較小應力焊縫在較小應力(yngl)區(qū)，例如：區(qū)，例如：焊縫處在對稱軸焊縫處在對稱軸第28頁/共41頁第二十九頁，共42頁。避免避免(bmin)附加應力的焊接接頭形式，例如：附加應力的焊接接頭形式，例如：不同板厚焊接接頭不同板厚焊接接頭第29頁/共41頁第三十頁，共42頁。產生最小內應力焊接接頭，例如產生最小內應力焊接接頭，例如(lr)：避免內應力焊接接頭避免內應力焊接接頭第30頁/共41頁第三十一頁，共42頁。改善焊接改善焊接(hnji)熱影響區(qū)性能下降的接頭，例如：熱影響區(qū)性能下降的接頭，例如：增加板厚的焊接增加板厚的焊接(hnji)接頭接頭第31頁/共41頁第三十二頁，共42頁。動載荷下

18、，降低缺口效應動載荷下，降低缺口效應(xioyng)的接頭，例如：的接頭，例如：減小界面變化的接頭減小界面變化的接頭第32頁/共41頁第三十三頁，共42頁。與板材厚度與板材厚度(hud)相適應的焊縫厚度相適應的焊縫厚度(hud)第33頁/共41頁第三十四頁，共42頁。帶背面帶背面(bimin)保護的焊接接頭保護的焊接接頭第34頁/共41頁第三十五頁，共42頁。節(jié)點節(jié)點(ji din)接頭接頭第35頁/共41頁第三十六頁，共42頁。第36頁/共41頁第三十七頁，共42頁。美國鋁擠壓材年表觀消費量保持在美國鋁擠壓材年表觀消費量保持在140多萬噸，加多萬噸，加拿大拿大25萬噸。北美地區(qū)交通運輸業(yè)是其最大的鋁型材萬噸。北美地區(qū)交通運輸業(yè)是其最大的鋁型材使用部門，約占鋁型材總用量的使用部門，約占鋁型材總用量的30%，而建筑，而建筑(jinzh