焊接培训中心 焊接铝合金结构设计.ppt

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1、IIW Authorized Training Body焊接培训中心 焊接铝合金结构设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望IIW Authorized Training Body1、概述、概述轻型材料的应用（特别是铝材）使轻型结构的制轻型材料的应用（特别是铝材）使轻型结构的制造成为可能。铝及其合金焊接技术的快速发展满足了造成为可能。铝及其合金焊接技术的快速发展满足了铝结构焊接的要求。铝结构焊接的要求。IIW Authorized Training B

2、ody铝结构焊接和设计的标准主要由三份标准组成铝结构焊接和设计的标准主要由三份标准组成。应用标准既没有。应用标准既没有EN标准，也没有标准，也没有ISO标准。仅在母标准。仅在母材和填充材料有相应的标准或者在起草阶段。材和填充材料有相应的标准或者在起草阶段。DIN4113-1：1980主要静载荷铝结构；载荷分析和设计主要静载荷铝结构；载荷分析和设计DIN4113-2：1993主要静载荷铝结构；计算和铝结构焊接接头制造主要静载荷铝结构；计算和铝结构焊接接头制造建筑研究院规程：建筑研究院规程：1987铝结构焊接规程铝结构焊接规程DVS1608：1983轨道车辆铝结构焊接轨道车辆铝结构焊接ISO969

3、2-3：2001坡口准备；铝及其合金的坡口准备；铝及其合金的MIG焊和焊和TIG焊焊未来欧洲标准是欧洲未来欧洲标准是欧洲9号（号（EN1999），此标准在投票阶段。），此标准在投票阶段。ANSI/AWS D1.2：2003 结构焊接规程结构焊接规程 铝铝相关钢结构标准相关钢结构标准DIN18800-1：1990钢结构钢结构-计算和设计计算和设计IIW Authorized Training Body铝结构的设计，虽然在计算方法上与钢结构基本铝结构的设计，虽然在计算方法上与钢结构基本相同（强度设计、稳定性设计和刚度设计），但由于相同（强度设计、稳定性设计和刚度设计），但由于其焊接接头性能的特殊性

4、，在接头设计、许用应力等其焊接接头性能的特殊性，在接头设计、许用应力等方面又不同于钢结构。方面又不同于钢结构。铝与钢相比重要的区别：铝与钢相比重要的区别：比较低的强度；比较低的强度；低弹性模量低弹性模量焊接热影响区焊接热影响区挤压型材的成型挤压型材的成型有减少轻型结构质量可能性有减少轻型结构质量可能性IIW Authorized Training Body铝铝结构钢结构钢密度密度2.7g/cm37.8 g/cm3弹性模量弹性模量70,000N/mm2210,000 N/mm2剪切模量剪切模量26,500 N/mm281,000 N/mm2横向延伸率横向延伸率0.330.30热膨胀系数热膨胀系数

5、23.5*106 1/K12*106 1/K屈服强度屈服强度20-470 N/mm2240-960 N/mm2抗拉强度抗拉强度70-520 N/mm236-1100 N/mm2IIW Authorized Training Body铝梁和钢梁的区别铝梁和钢梁的区别 IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body2、铝结构应用、铝结构应用 铝及铝合金具有重量轻、防腐性能好、低温韧性好铝及铝合金具有重量轻、防腐性能好、低温韧性好和易于压力加工等特点，因此在工业领域的各个方面和易于压力加工等特点，因此在工业领域的各个方面都有大量应用。

6、都有大量应用。由于其优良的防腐性能和低温韧性好的特点，由于其优良的防腐性能和低温韧性好的特点，因此在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。因此在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的重量轻、防腐性能好，在建筑行业，由于铝的重量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。因此铝结构代替钢结构也有大量应用。在轨道交通行业，大量的使用铝代替钢制造轨在轨道交通行业，大量的使用铝代替钢制造轨道车辆，并且呈现上升趋势。道车辆，并且呈现上升趋势。包括航空、电子技术、包装、机器制造、炼钢包括航空、电子技术、包装、机器制造、炼钢等行业都是用铝及其合金。等行业都是用铝及其合金。IIW Autho

7、rized Training Body应用特点应用特点能否降低成本，相似结构使用其它材料代替能否降低成本，相似结构使用其它材料代替?能否节省材料，例如相似结构，铝结构相对钢结构能否节省材料，例如相似结构，铝结构相对钢结构可以节省至少可以节省至少40的材料的材料?减轻重量而节省成本，如节省火箭发动机用燃料。减轻重量而节省成本，如节省火箭发动机用燃料。能否因减轻重量增加容积；能否因减轻重量增加容积；使用铝结构无须考虑防腐保护，由于铝结构的这种使用铝结构无须考虑防腐保护，由于铝结构的这种优点，节省了防腐费用；优点，节省了防腐费用；能否改变产品外观，例如在建筑上；能否改变产品外观，例如在建筑上；结构在

8、结构在100以上的性能；以上的性能；挤压型材的发展，节省制造费用；挤压型材的发展，节省制造费用；考虑铝的重要性能，例如低弹性模量、高塑性、高考虑铝的重要性能，例如低弹性模量、高塑性、高导电率等导电率等IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body材料铝及其合金的产品形式材料铝及其合金的产品形式 铝尽其合金的供货形式主要包括普通的板材、管铝尽其合金的供货形式主要包括普通的板材、管材、型材和特殊挤压型材材、型材和特殊挤压型材IIW Authorized Training Body3、材料特点、材料特点可以看出，非热处理强化的铝合金在

9、焊接状态下的断裂强度和可以看出，非热处理强化的铝合金在焊接状态下的断裂强度和0.2%屈服屈服强度与供货状态几乎没有区别，而对一可热处理化铝合金则有明显的差别。强度与供货状态几乎没有区别，而对一可热处理化铝合金则有明显的差别。非热处理强化铝合金的非热处理强化铝合金的 比值大约比值大约0.5至至0.6之间，在焊接状态要稍之间，在焊接状态要稍低一些，对于热处理强化铝合金钢在低一些，对于热处理强化铝合金钢在0.7至至0.8之间。之间。IIW Authorized Training BodyAlZn4.5Mg（7xxx）铝合金的强度值只比铝合金的强度值只比St37钢钢(S235)低低25%。特别适。特别

10、适用于高层建筑和车辆制造用于高层建筑和车辆制造中的承载焊接构件。中的承载焊接构件。铝合金的断裂延伸率铝合金的断裂延伸率还没有达到普通结构钢的还没有达到普通结构钢的一半（一半（S235大约为大约为25%）。）。焊后接头软化焊后接头软化b；Al-Zn-Mg合金合金b较高，较高，适于建筑及承载构件；适于建筑及承载构件；铝合金的延伸率不到铝合金的延伸率不到普通结构钢的普通结构钢的1/2；铝合金基本没有低温铝合金基本没有低温脆性脆性.IIW Authorized Training Body 许用应力的选择许用应力的选择焊缝的许用应力焊缝的许用应力IIW Authorized Training Body接

11、头形式接头形式接头形式与焊缝计算厚度；接头形式与焊缝计算厚度；IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body 焊接接头的强度特点焊接接头的强度特点 铝结构焊接接头的热影响区有强度普遍下降的问题铝结构焊接接头的热影响区有强度普遍下降的问题 IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body4、焊缝准备及结构形式、焊缝准备及结构形式 钢和铝的坡口有两个区别：钢和铝的坡口有两个区别：铝由于熔点较低一般熔深较大铝由于熔点较低一般熔深较大焊铝时由热传导较快要求较大的坡口张开焊铝

12、时由热传导较快要求较大的坡口张开角度以避免可能产生的未熔合角度以避免可能产生的未熔合IIW Authorized Training Body对所有气体保护焊方法要求根部焊透。为了使根部更对所有气体保护焊方法要求根部焊透。为了使根部更好地熔合，应在根部一侧开斜边见图好地熔合，应在根部一侧开斜边见图11。建议使用熔。建议使用熔池保护装置。池保护装置。IIW Authorized Training Body铜质或高合金保护铜质或高合金保护Cr-Ni钢丝钢丝 型材保护型材保护 IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body5 5、计算准

13、则、计算准则 焊接铝结构的计算原理上可以与按焊接铝结构的计算原理上可以与按DIN18800T1DIN18800T1进行的钢结构的计算相比较。但母材和焊缝的许用应进行的钢结构的计算相比较。但母材和焊缝的许用应力却不一样，必须按不同的标准规程选取。对于母材力却不一样，必须按不同的标准规程选取。对于母材的许用应力在的许用应力在DIN4113DIN4113第一部分中给出，对焊缝则按第一部分中给出，对焊缝则按建筑技术研究所的规程选取。建筑技术研究所的规程选取。IIW Authorized Training Body应该考虑到，焊接时在热影响区的横截面内要应该考虑到，焊接时在热影响区的横截面内要产生强度的

14、降低。焊接结构的热影响区是从焊缝中点产生强度的降低。焊接结构的热影响区是从焊缝中点及根部算起向各个方向延伸及根部算起向各个方向延伸30mm的区域。的区域。IIW Authorized Training Body5.2动载时的计算准则动载时的计算准则动载铝结构的设计和计算需按动载铝结构的设计和计算需按DVS1608规程并结规程并结合合DS952规程一私人企业金属材料焊接规程。规程一私人企业金属材料焊接规程。受动载的铝结构的应用领域是车辆，飞机和船舶受动载的铝结构的应用领域是车辆，飞机和船舶制造等。制造等。目前唯一适用于受动载铝结构的规程是目前唯一适用于受动载铝结构的规程是DVS1608规程。其它

15、制造上的技术数据（焊接材料的选择，焊规程。其它制造上的技术数据（焊接材料的选择，焊接时热输入等）则应根据计算的特性值结合应力极限接时热输入等）则应根据计算的特性值结合应力极限比比=+1至至=-1时的二载荷曲线来给出。时的二载荷曲线来给出。载荷循环次数载荷循环次数N的最大值为的最大值为N=1107。IIW Authorized Training BodyN=1*107表面未处理表面未处理 t10A 未焊接未焊接D 焊接焊接 缺口等级缺口等级DMIG SG AlMg5IIW Authorized Training Body6、铝结构焊接、铝结构焊接合理的焊接结构设计的一般要求合理的焊接结构设计的一

16、般要求 受力简单明确，便于制作、安装、维护受力简单明确，便于制作、安装、维护采取措施减少热影响对结构和构件强度的影响采取措施减少热影响对结构和构件强度的影响铝合金表面长时间受热辐射在铝合金表面长时间受热辐射在80以上时，应采取以上时，应采取有效措施防护有效措施防护注意防腐注意防腐IIW Authorized Training Body 尽量减小结构或焊接接头部位的应力集中；尽量减小结构或焊接接头部位的应力集中；尽量减小结构的刚度，以减小应力集中和附加尽量减小结构的刚度，以减小应力集中和附加应力的影响；应力的影响；不采用过厚的截面；不采用过厚的截面；对于附件或不受力焊缝的设计，应与主焊缝同对于附

17、件或不受力焊缝的设计，应与主焊缝同样重视；样重视；焊缝位置应具有可达性焊缝位置应具有可达性便于施焊和焊前现便于施焊和焊前现场清理。场清理。IIW Authorized Training Body6.1 一般结构焊接一般结构焊接焊缝在较小应力区，例如：焊缝在较小应力区，例如：焊缝处在对称轴焊缝处在对称轴IIW Authorized Training Body避免附加应力的焊接接头形式，例如：避免附加应力的焊接接头形式，例如：不同板厚焊接接头不同板厚焊接接头IIW Authorized Training Body产生最小内应力焊接接头，例如：产生最小内应力焊接接头，例如：避免内应力焊接接头避免内应

18、力焊接接头IIW Authorized Training Body改善焊接热影响区性能下降的接头，例如：改善焊接热影响区性能下降的接头，例如：增加板厚的焊接接头增加板厚的焊接接头IIW Authorized Training Body动载荷下，降低缺口效应的接头，例如：动载荷下，降低缺口效应的接头，例如：减小界面变化的接头减小界面变化的接头IIW Authorized Training Body与板材厚度相适应的焊缝厚度与板材厚度相适应的焊缝厚度IIW Authorized Training Body带背面保护的焊接接头带背面保护的焊接接头IIW Authorized Training Bod

19、y节点接头节点接头IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body美国铝挤压材年表观消费量保持在美国铝挤压材年表观消费量保持在140多万多万吨，加吨，加拿大拿大25万吨。北美地区交通运输业是其最大的铝型材万吨。北美地区交通运输业是其最大的铝型材使用部门，约占铝型材总用量的使用部门，约占铝型材总用量的30%，而建筑结构，而建筑结构业是其第三大铝型材使用领域，约占总量的业是其第三大铝型材使用领域，约占总量的15%。欧洲市场欧洲市场近两年的年消费铝挤压材量欧洲市场欧洲市场近两年的年消费铝挤压材量保持在保持在200多万多万吨吨.日本铝挤压

20、材年表观消费量保持在日本铝挤压材年表观消费量保持在100万万吨左吨左右，其中交通运输业、建筑业及金属加工业铝型材用右，其中交通运输业、建筑业及金属加工业铝型材用量分别占铝型材总用量的量分别占铝型材总用量的36%、16%和和12%。IIW Authorized Training Body挤压挤压轧制型材结构焊接轧制型材结构焊接 a上翼板型材上翼板型材 b腹板型材腹板型材 c下翼板型材下翼板型材 d腹板型材腹板型材 优点：优点：+焊缝不在最高应力区焊缝不在最高应力区+在轧制型材上已有熔池保护在轧制型材上已有熔池保护+在轧制型材上已有钢性加强在轧制型材上已有钢性加强+仅仅2种不同的型材种不同的型材IIW Authorized Training Body腹板增加厚度，改善强度下降腹板增加厚度，改善强度下降型材带背面保护型材带背面保护改变抗弯距能力改变抗弯距能力IIW Authorized Training Body