<过程装备焊接结构>课程辅导教案
（welded construction of process equipment）
（本教案由2部分组成：教案1：文字稿
教案2：多媒体CAI课件）
课程编号：1690513 学分：2 参考学时：36
适用专业：过程装备与控制工程 授课教师：唐委校 教授
课程的性质、目的和任务
《过程设备设计》是为过程装备与控制工程专业的专业必修课之一。本课程主要介绍过程装备焊接结构的设计。其中主要内容：适用与过程装备（压力容器、各种反应、传质、传热设备）焊接过程的焊接温度场、焊接接头及焊接规范、焊接应力分布、焊接结构受力分析、强度计算及其典型过程装备焊接结构的设计。学生通过本课程的学习，掌握典型过程装备焊接结构的设计基本原则和方法，并进一步运用它了解、分析、设计其他类型的设备与结构，进行创造性工作。
课程的基本要求
突出焊接基本理论与过程装备焊接结构设计的有机结合，强化工程实用性和专业针对性，力求与过程设备技术的最新进展同步，培养学生的实际工程过程装备焊接结构的设计能力，以实现符合专业培养目标的要求。
三．授课内容：
《过程装备焊接结构》由五部分内容组成：
第一章：绪论 2 学时第二章：焊接接头与焊接规范 8 学时第三章：焊接变形与应力 12 学时第四章：焊接接头的强度计算 4 学时第五章：焊接结构的断裂失效与防治 2 学时第六章：过程装备焊接结构设计 6 学时
（机动） 2 学时四．教材,过程装备与控制工程专业课程自编教材：《过程装备焊接结构》，唐委校主编，山东大学,2001.
Chapter 1 绪论 (2学时)
（Brief Introduction）
本章重点：1,焊接基本概念及与其它连接（铆接、铸造、螺栓）的比较；
2．焊接的发展史及趋势；
3．.焊接的种类，焊接设备。
本章难点：焊接基本概念
1.1 焊接定义：两种或以上材料通过加压或加温或加压加温，可以加填充材料或不用，实现分子或原子的融合的永久连接。
1.2 焊接技术,(welding technique)自二十世纪兴起以来，发展十分迅速，现已广泛地应用与机械制造，石油，化工交通，电力，航空航天，造船，海洋工程，原子能等许多工业部门，在化工容器与设备的制造中，焊接结构所占比例可达90%以上，在整个工业中占45%。
1.3 焊接技术的优点
1.3.1结构可靠，接头连接系数高；接头连接系数=，优质焊接接头可达100%，而铆接达到70%已很困难。
1.3.2 与铆接和铸件相比，结构简单（可节省材料，模具，不用铆钉孔，也不用辅料）
1.3.3 连接厚度大，焊接最大可达300mm，而 铆接最大可达50mm
1.3.4 密封性好，焊接结构对各种流体介质都有良好的密封性
1.3.5 可焊接不同的材料，充分发挥各种材料的耐腐蚀性和高强度等优点
1.3.6 设计灵活简单，焊接结构可通过对接，角接，搭接等多种方法设计成任何结构
1.3.7 制造工艺简单，生产周期短，成本低，（200，000t的焊接船，三个月可下水）
1.4 焊接的缺点
1.4.1 焊接变形和焊接残余应力，多数焊接方法采用局部加热，从而产生一个不均匀的温度场，在一定的条件下会影响结构的承载能力，加工精度和尺寸的稳定性。
1.4.2 焊接接头的性能不均匀性，由于填充金属和基体金属的成分组织不同，这种不均匀性对结构的力学行为，尤其对断裂行为的影响。
1.4.3 止裂性差，裂纹一旦扩展就不容易制止。
1.4.4 焊接缺陷——气孔、裂纹、夹渣。
1.5 焊接的发展史及趋势公元前3000年：低温钎焊（铜金合金，铅锡合金）
1850年：高、低温的钎焊，锻接（能源=木炭+煤）
19世纪后期：（能源=电）
1880-1890：碳弧焊、金属电弧焊、氧-乙炔焊、电阻焊
1921年：建成第一艘全焊远洋轮船
1930年：焊飞机、埋弧焊（二战，全焊船，焊接经验少，断裂性难以控制）
1.6 焊接的分类
Chapter 2 焊接接头与焊接规范
Welding joint and welding parameter
本章重点：1.焊接温度场
2.焊接规范的选择
3.焊接规范对焊缝形状的影响
4.焊接接头形式及焊缝代号本章难点：1.焊接温度场的影响及分布
2.焊接规范的选择及对焊缝形状的影响基本概念：
焊接过程（welding process）：从焊接开始到形成优良的接头的过程焊接工艺（welding technology）：焊接过程的一整套的技术规定包括（焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接顺序、焊接的最佳选择、焊后热处理）
焊接接头（welding joint）
接头设计（joint design）:根据工艺条件确定的
接头形式
2.1 焊接温度场（welding temperature field）
2.1.1温度场定义：某一瞬时工件上各点的温度T分布称为温度场
T—工件上某点某一瞬时的温度
x,y,z—工件上某点的空间坐标
t—时间
2.1.2 研究温度场的方法 特点：各线面不相交，存在温度差（梯度）
温度梯度 （单位长度上的温度变化）
2.1.3 温度场的分类
2.2 规范的选择
2.2.1 电弧对金属的加热
实际焊接热功率称为有效功率，用q u表示
--电弧热效率，主要决定于，焊接方法，焊接规范，焊接材料的种类
手工电弧焊 =0.77~0.87
埋弧自动焊 =0.77~0.99
2.2.2 焊接规范的选择焊接规范的定义：焊接时，焊接电流I（welding current），电弧电压U(arc voltange)，焊接速度VH(welding speed),进条速度VT的数值的大小焊接线能量(energy input)是焊接规范的一个综合指标，它表示单位长度焊缝上投入的有效热量用qL表示
qL= [J/cm]
= [cm/s]
L—焊缝长度
t—焊接时间规范→温度场→成形→焊缝质量
2.2.3 手工电弧焊焊接规范的选择
电弧电压一般为20~25V，由于高温会导致药皮的脱落，所以温度应控制在400oC，电流不能太大，根据经验公式:
2.2.4埋弧自动焊接规范的选择电流的选择：一种是根据焊缝熔深选择，
另一种是根据焊条直径选择，
进条速度VT的选择：要保证电弧不断的稳定的燃烧，必须使进条速度等于溶化速度
单位时间溶化的焊条的重量 [g/h]
单位时间送进的焊条的重量 [g/h]
--焊条截面积
--焊条比重
Conclusion:
焊接速度VH的选择：
Conclusion:
电弧电压的选择：一般为20~40V
2.3 焊接规范对焊缝形状的影响
2.3.1 焊缝形状特征
形状系数
基体金属比
填充系数
[注]：焊缝成形(appearance of weld)---熔焊时，液态焊缝金属冷凝形成的焊缝外形
2.3.2 焊接电流对焊缝形状的影响：对熔深影响最大（正比），熔宽和增高量影响不大
2.3.3 电弧电压对焊缝形状的影响：对熔宽影响最大（正比），熔深和增高量有所下降
2.3.4 焊接速度对焊缝形状的影响：随着焊接速度的增加，焊接线能量减小，熔宽明显变窄，增高量有所增加，熔深逐渐减小。
2.3.5 焊丝直径对焊缝形状的影响：焊丝直径增加，电弧摆动作用加强，熔宽增加，当焊接电流不变，随着焊丝直径的减小，电流密度有所增加，熔深也相应增加。
2.4 焊接接头型式及焊缝代号（welding symbols）
2.4.1 焊接接头的基本型式，对接焊接边缘分为：卷边，平对，V型，X型，K型，U型等坡口，目的是为了确保接头的质量及其经济性，坡口尺寸按照GB985-88和GB986-88
2.4.2 焊缝代号及标注方法：按照GB324-88规定
2.4.2.1 常用焊接方法的代号，用一个大写的英文字母
2.4.2.2 基本代号，采用近似焊缝横截面形状的符号表示
2.4.2.3 辅助符号，表示焊缝表面形状特征的符号
2.4.2.4 补充符号，是补充说明焊缝的某些特征的符号
2.4.2.5 尺寸符号，是表示焊缝各部分焊缝尺寸大小的符号
2.4.2.6 指引线，表示焊缝位置的符号（是由箭头线，和两条基准线）
思考题：
思考题1~3,[习题集],思考2.1 ~2.3;
习 题:
习 题1~6,[习题集] 2.1--1 ~ 2.1-3,
[习题集] 2.2 –1~ 2.2-2,
[习题集] 2.3 –1,
Chapter 3 焊接变形与应力
Stress and reform of welding
本章重点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力
2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力
3.焊接残余变形
4.预防和矫正残余变形的方法
5.焊接残余应力
6.焊接残余应力的调节及消除措施本章难点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力
2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力
3.焊接残余变形
4.焊接残余应力
3.1 焊接应力与变形的基本概念
3.1.1 焊接应力产生的原因及分类按应力的分布范围
根据结构中的空间位置
根据应力与焊缝的相对位置
根据应力产生、作用的时间
根据应力形成原因
3.1.2 焊接变形产生原因及分类自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。
单位长度的自由变形量：
外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形。
内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形
3.1.3 焊接残余变形的基本类型
3.2 杆件的均匀加热和冷却过程中的变形和应力简化假定：1,金属材料的性参数是与温度变化无关的参数
2,金属的相变温度很高，不考虑组织应力
3.2.1 不同拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力
1,
2,；
3,；
杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力
1,
2,；
3,；
3.3 长板条（长宽比>>4~5）在不均匀温度场作用下变形和应力假定：1.单向应力
2.线热源，厚度方向上温度是均匀的
3.截面保持平面
3.3.1 长板条在中心加热引起的纵向收缩变形和应力
3.3.2 长板条非对称加热引起的变形和应力残余应力的分布是：焊缝及近焊缝区域受到拉应力，常达以后随远离焊缝依次是压应力，拉应力，形成三个正负相间的应力分布区。
3.4 焊接残余变形
3.4.1 纵向收缩变形及产生的弯曲变形纵向收缩变形结论
纵向引起弯曲变形结论
3.4.2 横向收缩变形及其产生的挠曲变形横向收缩变形结论
横向引起弯曲变形与焊缝到焊件形心的距离成正比
3.4.3 角变形焊缝横向收缩引起的弯曲角变形焊缝金属收缩引起的倾斜角变形丁字接头和搭接接头的角变形防止方法：可采用对称焊；双面V形坡口多道焊；单面开U型坡口；非对称双面V形坡口（先焊小的）
3.4.4 波浪变形
原因：薄板在承受压应力，当其中的压应力达到-临界应力，薄板将出现波浪变形失去承载能力，称之为失稳。
3.4.5 错边变形
原因：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善会造成错边
3.5预防和矫正焊接残余变形的方法
3.5.1 预防焊接残余变形的方法合理设计：选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴合理的选择焊缝的尺寸和形式：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊工艺措施
1,正确的确定装配、焊接顺序不正确的装配次序：工字构件，先丁字，然后在装另一块盖板
丁字
工字
焊后仍有较大的挠度，正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序
2,选择适当的施焊次序和方向
原则：
反变形法定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。
刚性固定法在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好合理的选择焊接的方法和焊接规范选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊代替单层焊
3.5.2 矫正残余变形的方法
机械矫正法：将变形的构件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而恢复和达到形状的要求，可以利用螺旋、气动、液压的器具来加外力
火焰矫正法：利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材）
3.6 焊接残余应力
3.6.1焊接残余应力分布
1,纵向应力的分布
2,横向应力的分布
厚板中的残余应力分布封闭焊缝中的残余应力分布组织应力[相变应力]
3.6.2 焊接残余应力的影响
3.6.2.1 对静载强度的影响
3.6.2.2 对机械加工精度的影响原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证
3.6.2.3 对疲劳强度的影响（研究不够充分）
3.6.2.4 对应力腐蚀的影响原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。
3.6.2.5 对结构刚度的影响
结论：在静载下，焊件经过一次加载，卸载后，以后再次加载，只要其大小不超过前一次，残余应力不再起作用，外载也不影响焊件内部残余应力的分布
3.7 焊接残余应力的调节及消除措施
3.7.1 调节残余应力的措施设计措施设计上减小焊接应力的核心是正确布置焊缝，以避免应力叠加
原则
工艺措施
原则
3.7.2 消除残余应力的措施
注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。
3.8 焊接残余应力的测定
3.8.1 应力测定方法的分类
按其对结构的是否破坏来分
按测试原理分
3.8.1 应力释放法原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。
切条法：将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变片或加工机械引申计的标距孔然后测原始读数，然后切断，然后在读数根据可以算出应力。
车削法：此法多用于测圆柱零件堆焊后的残余应力分布小孔法：是应力破坏性最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推算小孔处的应力。
套孔法：采用套料钻或管形电火花加工环形孔来释放应力，在孔内预先贴上应变片，可以算出表面残余应力，切削深度为[0.6~0.8]D，破坏性不大。
3.8.2 X射线衍射法原理：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用X射线，以掠角入射到晶体表面时，如果能满足2dSin=n，则X射线在反射方向因干涉而加强缺点：
思考题：
思考题1~9,[习题集] 思考3.1--1 ~ 3.7-2,
习 题:
习题1~12,[习题集] 3.1--1 ~ 3.1-2,
[习题集] 3.2 –1~ 3.2-2,
[习题集] 3.3 –1,
[习题集] 3.4--1 ~ 3.4-2,
[习题集] 3.5 –1~ 3.5-2,
[习题集] 3.6 –1,
[习题集] 3.7-1 ~3.7-2
Chapter 4 焊接接头的强度计算
Intensity calculation of welding joint
本章重点：1.焊接接头的应力集中
2.焊接接头的应力分布
3.焊缝静载强度计算
本章难点：1.焊接接头的应力分布
2.焊缝静载强度计算
4.1 焊接接头的应力集中
4.1.1 应力集中的概念
4.1.1.1定义
由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大应力比平均应力值高，这种情况称应力集中。
4.1.1.2表达式：
4.1.2 焊接接头中存在应力集中的影响因素
① 焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。
② 不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。
③ 接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。
④ 制造过程中的缺陷。
⑤ 焊接残余应力。
4.2 电弧焊焊接接头的应力分布
4.2.1 对接接头的应力分布
① 对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力集中部位在焊趾。
② 应力集中系数：
4.2.1.1丁字接头（十字接头）的应力分布
4.2.1.2 十字接头有熔透和未熔透两种
① 未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，其中以焊根处为最大。
② 熔透的十字接头有较小的应力集中系数。
4.2.2塔接接头的应力分布塔接接头据焊缝受力的不同：
把与力作用方向垂直的焊缝称为正面角焊缝相平行的称为侧面角焊缝介与两者中间的称为斜向角焊缝
4.2.3 应力分布
4.2.3.1 正面角焊缝的应力分布
① 焊缝根部A点、焊趾B点应力集中严重
② 焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边的夹角而变
③ 减小、增大熔深焊透根部和增大底边焊脚长度，可使减小
4.2.3.2 侧面角焊缝的应力分布
4.2.4 点焊接头的应力分布单排点焊接头的应力分布（如图）
多排点焊以两端焊点受力最大（如图）
4.3 焊缝的静载强度计算
4.3.1,焊缝接头强度计算的假设
① 残余应力对接头强度无影响
② 应力集中对接头强度无影响
③ 接头的工作应力是均布的，以平均应力计
④ 不计正面与侧面焊缝、焊缝的加强与减弱和不同焊接规范引起的焊缝性能差异，而用统一的计算截面和许用应力
⑤ 角焊缝都是在切应力作用下破坏的。角焊缝的计算断面在角焊缝截面的最小高度上，取内接三角形高度为计算高度，（如图）。直角等要角焊缝的计算高度：
⑥ 尽管加强和小量的熔深对于接头强度没有影响，但埋弧自动焊和保护焊的熔深较大应予以考虑，其角焊缝计算断面厚度（如图）
4.3.2电弧焊接接头的静载强度计算
4.3.2.1 对接接头的静载强度计算：
对接焊缝强度计算公式如下：
受拉时：
受压时：
受剪时：
而内弯：
垂直弯：
∴ 综合作用：
[注]：对于未焊透的对接接头，上述各式中应将中减去未焊透深度， l取实际焊缝长度，、、分别焊缝许用拉、压、切应力。
4.3.2.2 塔接接头的静载强度计算
4.3.2.2.1 受拉、压的塔接接头
① 单面焊、正面或侧面塔接焊缝的强度公式：
② 单面焊的正面、侧面联合塔接焊缝的强度公式：
4.3.2.2.2 受弯矩的塔接接头计算
受弯矩的塔接接头计算方法有三种：
① 分段计算法,
② 轴惯性矩计算法
最大切应力：
③ 极惯性计算法
最大切应力：
-极惯性矩， （又等于相互垂直的两个轴的计算惯性矩之和）；
4.3.2.2.3 受偏心载荷的塔接接头计算
① 采用分段法或轴惯性矩法计算，则按下式求合成应力：
② 若采用极惯性矩法计算，将分解成水平的（，）和垂直的（，）两个力，再合成：
[注]：的计算是按全部焊缝计算，还是只考虑水平焊缝或只考虑垂直焊缝，要按具体情况而定。（如图）可按全部焊缝承受的剪力，均匀分布于全部焊缝中，其方向同P一致。
4.3.2.3 丁字接头强度计算
4.3.2.3.1 载荷平行于焊缝的丁字接头计算：
① 由于产生最大应力的危险点在焊缝的最上端，同时受有两个切应力的作用，一个是由引起的，另一个由Q=P引起的，和相互垂直，所以该点的合成应力为：
② 若开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属截面等于母材截面（F=·h）,若不开坡口时，按下式计算：
4.3.2.3.2 弯矩垂直于板面的丁字头计算：
① 如开坡口并焊接，其强度按对接接头计算，强度计算公式为：
② 当接头不开坡口，用角焊缝连接，强度计算公式为：
（其中W=）
4.3.2.4 复杂截面构件接头的计算
◆ 计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题：
① 计算时要先分析受载情况：
各载荷引起的应力，确定各应力的方向、性质和位置。
确定危险点，最高合成应力，（若危险点难以确定时，应选几个高应力点计算合成应力，其中合成应力最高处为危险点）。
② 计算合成应力时，最大正应力和最大切应力虽不在同一点上，但常以最大正应力和平均切应力计算其合成应力，偏于安全。
③ 粗略计算时，有时把正应力作为切应力考虑，也是偏于安全的简化计算方法。
4.3.2.4.1 受弯矩联接接头的强度计算
① 若构件同时承受弯矩M和轴向力N时，焊缝中应力分别求出和，由于两者方向相同，所以合成应力：
② 若构件同时承受横向力P和轴力N时，则要同时考虑弯矩M=P·L和轴向力N及剪切力Q=P的作用。由于构件承受切力Q时，只是腹板承受的，故切力只由联接腹板的焊缝承受，并设切应力沿焊缝均匀分布。计算联接的焊缝强度时，应验算两个位置的合应力：
一个是盖板外侧受拉的焊缝的合成应力：
另一个是腹板立焊缝端点的合成应力：
4.3.2.4.2 受扭矩的接头强度计算
① 矩形截面构件的接头若开坡口四周全焊，接头的最大切应力按下式计算：
若不开坡口四周全部角焊，接头的最大切应力为：
② 圆形截面构件接头4.1.1.1
若不开坡口沿圆周全部角焊接，接头中的最大切应力按下式计算： （其中）
4.4 母材及焊缝的许用应力
4.4.1,设计应力小于许用应力。
4.4.2,母材和焊缝的许用应力分别用[]和[]表示。
4.4.3,焊缝的许用应力[]大小与许多因素有关，不但与焊缝工艺、材料有关，而且也与焊接检验方法的精确程度有关。
4.4.4,焊缝的许用应力[]也可以由母材的许用应力[]乘以焊缝的强度减弱系数f来估算，即：[]=[]（取值）
思考题：
思考题1~3,[习题集] 思考4.1--1 ~ 4.1-3
习 题:
习题1~5,[习题集] 4.1--1 ~ 4.1-2,
[习题集] 4.2 –1~ 4.2-2,
[习题集] 4.3 –1,
Chapter 5 焊接结构的断裂失效与防治
本章重点：1.焊接结构断裂失效的分类及危害
2.焊接脆性断裂的防治方法
3.焊接疲劳断裂的防治方法
4.焊接应力腐蚀断裂防治方法本章难点：1.焊接结构断裂失效的分类及危害
2.焊接脆性断裂的防治方法
5.1 焊接结构断裂失效的分类及危害
5.1.1焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种类型。
5.1.1.1,脆性断裂失效脆性断裂---通常称为低应力脆断。一般都在应力低于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的。
5.1.1.2疲劳断裂失效金属材料及其结构因受交变载荷而发生损坏或断裂的现象，称为疲劳断裂。
疲劳断裂过程一般由三个阶段组成：
① 初始疲劳裂纹在应力集中区孕育、萌生；
② 裂纹亚临界扩展或稳定扩展；
③ 失稳扩展，以至与断裂。
5.1.1.3应力腐蚀断裂失效腐蚀是材料与周围介质作用产生的物理化学过程。而应力腐蚀是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用下所产生的腐蚀断裂过程。
5.2 焊接结构脆性断裂的防治
5.2.1,焊接结构脆性断裂的原因
① 由大量破坏、失效事故的分析研究中发现，焊接结构低应力脆断破坏的根本原因在于结构中存在着各种缺陷和裂纹。
② 这些裂纹和缺陷的产生一部分是在结构的加工制造过程中。另一部分是在使用过程中如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹。
③ 其中裂纹是最严重的缺陷，而焊接则是产生裂纹的主要原因。
5.2.2焊接过程还会引起两种脆化：
① 焊接时由于加热、冷却引起接头区冶金组织变化，冷却过程中形成的高碳马氏体和粗大晶粒等金相组织将使焊接接头区韧性降低，另外，微量有害元素偏聚和氢含量增加也是导致韧性降低的原因。
② 焊接热循环过程中产生的塑性应变会引起热应变脆化。
5.2.3 焊接结构脆性断裂的防治方法
5.2.3.1 降低结构局部区域的应力水平
① 设计过程中的控制措施
②制造工艺中的控制措施
③消除焊接残余应力
5.2.3.2减少结构缺陷
① 合理设计
② 优化制造工艺
5.2.3.3 改善材料的断裂韧性
① 正确的设计选材
应采用“等韧性”或“等性能”原则，才能保证焊缝区不成为结构的薄弱环节，以避免脆性断裂。
② 优化焊接工艺
③ 合理制订、严格执行耐压试验规程
5.3 焊接结构疲劳断裂的防治方法
5.3.1 焊接结构疲劳断裂的原因和影响因素疲劳断裂是在循环应力、拉应力和塑性应变这三者的共同作用下发生的低应力破坏。由于焊接结构易于存在焊接缺陷和较严重的应力集中，所以焊接结构的疲劳往往是从焊接接头处产生。
5.3.1.1 应力的影响
① 增加拉伸应力会降低疲劳寿命，而增加压缩应力则可提高疲劳强度。
② 焊接残余应力会降低焊接接头的疲劳强度，这时构件的平均应力随之提高，应力比增大，裂纹扩展速率会增加。
5.3.1.2接头形式及应力集中的影响
5.3.1.3焊接缺陷的影响
5.3.1.4热影响区金属性能变化的影响
5.3.2 提高焊接结构疲劳强度的方法
5.3.2.1降低应力集中
凡是降低应力集中的措施都可提高结构的疲劳强度，有：
① 合理设计构件的结构形式，减少应力集中。
② 尽量选择应力集中系数小的焊接接头形式，并保证母材与焊缝之间平缓过渡。
5.3.2.1减少、调整焊接应力
对于焊接接头，减小、消除残余拉应力或使该处产生残余应力都可提高疲劳强度。
5.3.2.2 焊缝表面打磨、抛光，表面强化处理
5.4 焊接结构应力腐蚀断裂的防治
5.4.1应力腐蚀裂纹产生的机理和影响因素
5.4.1.1 定义：
应力腐蚀：指敏感金属或合金在一定拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用下所引起的腐蚀断裂过程。
5.4.1.2两种机理：
电化学应力腐蚀机理机械破裂应力腐蚀开裂机理
5.4.2防止和控制焊接结构产生应力腐蚀的措施
5.4.2.1设计方面的控制
5.4.2.2制造工艺过程中的控制
① 焊接材料选择
② 焊接工艺条件的控制
③ 控制冷作变形
思考题：
思考题1~6,[习题集] 思考5.1--1 ~ 5.1-6,
习 题:
习题1~10,[习题集] 5.1--1 ~ 5.1-2,
[习题集] 5.2 –1~ 5.2-3,
[习题集] 5.3 –1,
[习题集] 5.4--1 ~ 5.4-4,
Chapter 6 过程装备焊接结构设计
Design of welded structure
6.1 过程装备焊接结构设计要求
6.1.1总的设计要求焊接结构总的设计要求是结构整体或各部分在使用过程中不应产生致命的破坏，并达到所要求的使用性能。
6.1.2焊接接头的设计原则
① 合理选择接头型式
② 焊缝填充金属应尽量少
③ 合理选择破口角度、钝边高、根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，以最大限度地减少焊接缺陷。
④ 按等强度要求，接头的强度应不低于母材标准规定的强度下限值。
⑤ 焊缝外形应尽量连续、圆滑过渡，以减少应力集中。
6.2 压力容器焊缝形式及分类
6.2.1压力容器焊接接头形式
6.2.2 压力容器焊缝分类按GB150—《钢制压力容器》，对于温度t20℃的钢制单层、多层包扎、热套压力容器的焊缝，按其所在的位置，分为A,B,C,D四类。
6.2.3 对不同类别的焊缝的要求
注：1,A，B类焊缝的射线探伤按GB-3323-87《钢熔化焊对接接头探伤射线照相和质量等级》进行，检查结果对100%探伤的，I级的为合格，局部探伤的II级的为合格
2,A，B类焊缝的超声波探伤按GB-1152-81《锅炉及压力容器对接焊缝超声波探伤》进行，检查结果对100%探伤的，I级的为合格，局部探伤的II级的为合格
3,相邻筒体的A类焊缝间的距离
6.3 化工容器与设备的常用的焊接结构
6.3.1容器主体的焊接接头
6.3.2接管与壳体的焊接接头
6.3.3 凸缘与管嘴的焊接接头
6.3.4 接管与法兰的焊接接头
6.3.5 管板与筒体及管子的焊接接头
6.3.6 筒体与夹套连接的焊接结构
6.3.7 容器支座及其与主体的连接
6.3.8 多层容器的焊接结构
思考题：
思考题1~4,[习题集] 思考6.1--1 ~ 6.1-4,
习 题:
习题1~8,[习题集] 6.1--1 ~ 6.1-2,
[习题集] 6.2 –1~ 6.2-2,
[习题集] 6.3 –1 ~ 6.4-4
（welded construction of process equipment）
（本教案由2部分组成：教案1：文字稿
教案2：多媒体CAI课件）
课程编号：1690513 学分：2 参考学时：36
适用专业：过程装备与控制工程 授课教师：唐委校 教授
课程的性质、目的和任务
《过程设备设计》是为过程装备与控制工程专业的专业必修课之一。本课程主要介绍过程装备焊接结构的设计。其中主要内容：适用与过程装备（压力容器、各种反应、传质、传热设备）焊接过程的焊接温度场、焊接接头及焊接规范、焊接应力分布、焊接结构受力分析、强度计算及其典型过程装备焊接结构的设计。学生通过本课程的学习，掌握典型过程装备焊接结构的设计基本原则和方法，并进一步运用它了解、分析、设计其他类型的设备与结构，进行创造性工作。
课程的基本要求
突出焊接基本理论与过程装备焊接结构设计的有机结合，强化工程实用性和专业针对性，力求与过程设备技术的最新进展同步，培养学生的实际工程过程装备焊接结构的设计能力，以实现符合专业培养目标的要求。
三．授课内容：
《过程装备焊接结构》由五部分内容组成：
第一章：绪论 2 学时第二章：焊接接头与焊接规范 8 学时第三章：焊接变形与应力 12 学时第四章：焊接接头的强度计算 4 学时第五章：焊接结构的断裂失效与防治 2 学时第六章：过程装备焊接结构设计 6 学时
（机动） 2 学时四．教材,过程装备与控制工程专业课程自编教材：《过程装备焊接结构》，唐委校主编，山东大学,2001.
Chapter 1 绪论 (2学时)
（Brief Introduction）
本章重点：1,焊接基本概念及与其它连接（铆接、铸造、螺栓）的比较；
2．焊接的发展史及趋势；
3．.焊接的种类，焊接设备。
本章难点：焊接基本概念
1.1 焊接定义：两种或以上材料通过加压或加温或加压加温，可以加填充材料或不用，实现分子或原子的融合的永久连接。
1.2 焊接技术,(welding technique)自二十世纪兴起以来，发展十分迅速，现已广泛地应用与机械制造，石油，化工交通，电力，航空航天，造船，海洋工程，原子能等许多工业部门，在化工容器与设备的制造中，焊接结构所占比例可达90%以上，在整个工业中占45%。
1.3 焊接技术的优点
1.3.1结构可靠，接头连接系数高；接头连接系数=，优质焊接接头可达100%，而铆接达到70%已很困难。
1.3.2 与铆接和铸件相比，结构简单（可节省材料，模具，不用铆钉孔，也不用辅料）
1.3.3 连接厚度大，焊接最大可达300mm，而 铆接最大可达50mm
1.3.4 密封性好，焊接结构对各种流体介质都有良好的密封性
1.3.5 可焊接不同的材料，充分发挥各种材料的耐腐蚀性和高强度等优点
1.3.6 设计灵活简单，焊接结构可通过对接，角接，搭接等多种方法设计成任何结构
1.3.7 制造工艺简单，生产周期短，成本低，（200，000t的焊接船，三个月可下水）
1.4 焊接的缺点
1.4.1 焊接变形和焊接残余应力，多数焊接方法采用局部加热，从而产生一个不均匀的温度场，在一定的条件下会影响结构的承载能力，加工精度和尺寸的稳定性。
1.4.2 焊接接头的性能不均匀性，由于填充金属和基体金属的成分组织不同，这种不均匀性对结构的力学行为，尤其对断裂行为的影响。
1.4.3 止裂性差，裂纹一旦扩展就不容易制止。
1.4.4 焊接缺陷——气孔、裂纹、夹渣。
1.5 焊接的发展史及趋势公元前3000年：低温钎焊（铜金合金，铅锡合金）
1850年：高、低温的钎焊，锻接（能源=木炭+煤）
19世纪后期：（能源=电）
1880-1890：碳弧焊、金属电弧焊、氧-乙炔焊、电阻焊
1921年：建成第一艘全焊远洋轮船
1930年：焊飞机、埋弧焊（二战，全焊船，焊接经验少，断裂性难以控制）
1.6 焊接的分类
Chapter 2 焊接接头与焊接规范
Welding joint and welding parameter
本章重点：1.焊接温度场
2.焊接规范的选择
3.焊接规范对焊缝形状的影响
4.焊接接头形式及焊缝代号本章难点：1.焊接温度场的影响及分布
2.焊接规范的选择及对焊缝形状的影响基本概念：
焊接过程（welding process）：从焊接开始到形成优良的接头的过程焊接工艺（welding technology）：焊接过程的一整套的技术规定包括（焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接顺序、焊接的最佳选择、焊后热处理）
焊接接头（welding joint）
接头设计（joint design）:根据工艺条件确定的
接头形式
2.1 焊接温度场（welding temperature field）
2.1.1温度场定义：某一瞬时工件上各点的温度T分布称为温度场
T—工件上某点某一瞬时的温度
x,y,z—工件上某点的空间坐标
t—时间
2.1.2 研究温度场的方法 特点：各线面不相交，存在温度差（梯度）
温度梯度 （单位长度上的温度变化）
2.1.3 温度场的分类
2.2 规范的选择
2.2.1 电弧对金属的加热
实际焊接热功率称为有效功率，用q u表示
--电弧热效率，主要决定于，焊接方法，焊接规范，焊接材料的种类
手工电弧焊 =0.77~0.87
埋弧自动焊 =0.77~0.99
2.2.2 焊接规范的选择焊接规范的定义：焊接时，焊接电流I（welding current），电弧电压U(arc voltange)，焊接速度VH(welding speed),进条速度VT的数值的大小焊接线能量(energy input)是焊接规范的一个综合指标，它表示单位长度焊缝上投入的有效热量用qL表示
qL= [J/cm]
= [cm/s]
L—焊缝长度
t—焊接时间规范→温度场→成形→焊缝质量
2.2.3 手工电弧焊焊接规范的选择
电弧电压一般为20~25V，由于高温会导致药皮的脱落，所以温度应控制在400oC，电流不能太大，根据经验公式:
2.2.4埋弧自动焊接规范的选择电流的选择：一种是根据焊缝熔深选择，
另一种是根据焊条直径选择，
进条速度VT的选择：要保证电弧不断的稳定的燃烧，必须使进条速度等于溶化速度
单位时间溶化的焊条的重量 [g/h]
单位时间送进的焊条的重量 [g/h]
--焊条截面积
--焊条比重
Conclusion:
焊接速度VH的选择：
Conclusion:
电弧电压的选择：一般为20~40V
2.3 焊接规范对焊缝形状的影响
2.3.1 焊缝形状特征
形状系数
基体金属比
填充系数
[注]：焊缝成形(appearance of weld)---熔焊时，液态焊缝金属冷凝形成的焊缝外形
2.3.2 焊接电流对焊缝形状的影响：对熔深影响最大（正比），熔宽和增高量影响不大
2.3.3 电弧电压对焊缝形状的影响：对熔宽影响最大（正比），熔深和增高量有所下降
2.3.4 焊接速度对焊缝形状的影响：随着焊接速度的增加，焊接线能量减小，熔宽明显变窄，增高量有所增加，熔深逐渐减小。
2.3.5 焊丝直径对焊缝形状的影响：焊丝直径增加，电弧摆动作用加强，熔宽增加，当焊接电流不变，随着焊丝直径的减小，电流密度有所增加，熔深也相应增加。
2.4 焊接接头型式及焊缝代号（welding symbols）
2.4.1 焊接接头的基本型式，对接焊接边缘分为：卷边，平对，V型，X型，K型，U型等坡口，目的是为了确保接头的质量及其经济性，坡口尺寸按照GB985-88和GB986-88
2.4.2 焊缝代号及标注方法：按照GB324-88规定
2.4.2.1 常用焊接方法的代号，用一个大写的英文字母
2.4.2.2 基本代号，采用近似焊缝横截面形状的符号表示
2.4.2.3 辅助符号，表示焊缝表面形状特征的符号
2.4.2.4 补充符号，是补充说明焊缝的某些特征的符号
2.4.2.5 尺寸符号，是表示焊缝各部分焊缝尺寸大小的符号
2.4.2.6 指引线，表示焊缝位置的符号（是由箭头线，和两条基准线）
思考题：
思考题1~3,[习题集],思考2.1 ~2.3;
习 题:
习 题1~6,[习题集] 2.1--1 ~ 2.1-3,
[习题集] 2.2 –1~ 2.2-2,
[习题集] 2.3 –1,
Chapter 3 焊接变形与应力
Stress and reform of welding
本章重点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力
2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力
3.焊接残余变形
4.预防和矫正残余变形的方法
5.焊接残余应力
6.焊接残余应力的调节及消除措施本章难点：1.杆件的均匀加热、冷却过程的变形与应力
2.长板条在不均匀温度场作用下的变形与应力
3.焊接残余变形
4.焊接残余应力
3.1 焊接应力与变形的基本概念
3.1.1 焊接应力产生的原因及分类按应力的分布范围
根据结构中的空间位置
根据应力与焊缝的相对位置
根据应力产生、作用的时间
根据应力形成原因
3.1.2 焊接变形产生原因及分类自由变形：当金属物体温度发生变化，或发生了相变，其尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的阻碍而自由的进行。
单位长度的自由变形量：
外观变形：当金属物在温度变化过程中受到阻碍，不能完全的自由变形，把能表现出来的这部分变形，称为外观变形。
内部变形：把未表现出来的那部分变形，称为内部变形
3.1.3 焊接残余变形的基本类型
3.2 杆件的均匀加热和冷却过程中的变形和应力简化假定：1,金属材料的性参数是与温度变化无关的参数
2,金属的相变温度很高，不考虑组织应力
3.2.1 不同拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力杆件在无拘束条件下杆件均匀加热、冷却时的变形和应力杆件在拘束条件为均匀加热、冷却时皆不能自由变形的变形和应力
1,
2,；
3,；
杆件在拘束条件为加热时不能自由膨胀，冷却时能自由收缩是的变形和应力
1,
2,；
3,；
3.3 长板条（长宽比>>4~5）在不均匀温度场作用下变形和应力假定：1.单向应力
2.线热源，厚度方向上温度是均匀的
3.截面保持平面
3.3.1 长板条在中心加热引起的纵向收缩变形和应力
3.3.2 长板条非对称加热引起的变形和应力残余应力的分布是：焊缝及近焊缝区域受到拉应力，常达以后随远离焊缝依次是压应力，拉应力，形成三个正负相间的应力分布区。
3.4 焊接残余变形
3.4.1 纵向收缩变形及产生的弯曲变形纵向收缩变形结论
纵向引起弯曲变形结论
3.4.2 横向收缩变形及其产生的挠曲变形横向收缩变形结论
横向引起弯曲变形与焊缝到焊件形心的距离成正比
3.4.3 角变形焊缝横向收缩引起的弯曲角变形焊缝金属收缩引起的倾斜角变形丁字接头和搭接接头的角变形防止方法：可采用对称焊；双面V形坡口多道焊；单面开U型坡口；非对称双面V形坡口（先焊小的）
3.4.4 波浪变形
原因：薄板在承受压应力，当其中的压应力达到-临界应力，薄板将出现波浪变形失去承载能力，称之为失稳。
3.4.5 错边变形
原因：主要是焊接过程中对接边的热量不平衡，装配不善会造成错边
3.5预防和矫正焊接残余变形的方法
3.5.1 预防焊接残余变形的方法合理设计：选用对称截面的结构，焊缝布置对称，在设计时，安排焊缝尽可能使焊缝对称于截面的中性轴合理的选择焊缝的尺寸和形式：在保证结构的承载能力的条件下，尽量采用较小的焊缝尺寸尽可能减少焊缝的数量：用型钢代替钢板，用断续焊代替连续焊工艺措施
1,正确的确定装配、焊接顺序不正确的装配次序：工字构件，先丁字，然后在装另一块盖板
丁字
工字
焊后仍有较大的挠度，正确应该是，先点固成工字，然后焊接，注意次序
2,选择适当的施焊次序和方向
原则：
反变形法定义：构件在焊前预制成与变形方向相反的变形，这种方法可以防止弯曲变形，和角变形。
刚性固定法在无反变形的情况下，将构件加以固定来限制焊接变形，（在焊法兰盘上），防止角变形和波浪变形较好合理的选择焊接的方法和焊接规范选择线能量较低的焊接方法，采用多层焊代替单层焊
3.5.2 矫正残余变形的方法
机械矫正法：将变形的构件中的尺寸较短的部分通过机械力作用，使之产生塑性延展变形，而恢复和达到形状的要求，可以利用螺旋、气动、液压的器具来加外力
火焰矫正法：利用火焰加热时产生的局部压缩变形使较长部分在冷却后缩短来消除变形（不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢和淬硬倾向较大的钢材）
3.6 焊接残余应力
3.6.1焊接残余应力分布
1,纵向应力的分布
2,横向应力的分布
厚板中的残余应力分布封闭焊缝中的残余应力分布组织应力[相变应力]
3.6.2 焊接残余应力的影响
3.6.2.1 对静载强度的影响
3.6.2.2 对机械加工精度的影响原因：焊件在不经过焊后消应力处理，内部存在着相互平衡的应力，当进行机械加工时，如切削掉焊件的一部分承受残余应力金属，则焊件会重新变形（二次变形）以使残余应力重新分布来保持平衡，焊件不断的切削，就会不断的变形，加工精度难以保证
3.6.2.3 对疲劳强度的影响（研究不够充分）
3.6.2.4 对应力腐蚀的影响原因：拉应力和介质、腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象，拉应力越大，发生应力腐蚀开裂的时间越早。
3.6.2.5 对结构刚度的影响
结论：在静载下，焊件经过一次加载，卸载后，以后再次加载，只要其大小不超过前一次，残余应力不再起作用，外载也不影响焊件内部残余应力的分布
3.7 焊接残余应力的调节及消除措施
3.7.1 调节残余应力的措施设计措施设计上减小焊接应力的核心是正确布置焊缝，以避免应力叠加
原则
工艺措施
原则
3.7.2 消除残余应力的措施
注：振动法的优点，从应力消除效果看，振动法比用同样大小的静载拉伸效果好，且具有设备简单，价廉，处理成本低，时间短，无高温回火的金属氧化问题等优点。
3.8 焊接残余应力的测定
3.8.1 应力测定方法的分类
按其对结构的是否破坏来分
按测试原理分
3.8.1 应力释放法原理：利用构件在机加工后应力部分释放，回产生变形来重新分布应力来达到平衡，利用应力应变关系来求出应力。属于此法的有切条法，车削法，刨削法，套孔法，小孔法。
切条法：将待测焊件划分几个区域，在各区待测点上贴应变片或加工机械引申计的标距孔然后测原始读数，然后切断，然后在读数根据可以算出应力。
车削法：此法多用于测圆柱零件堆焊后的残余应力分布小孔法：是应力破坏性最小的一种，原理是：在应力场中钻一个小孔，应力平衡受到破坏，钻孔周围的应力重新调整，测得孔附近的应变片的变化，可用弹性力学推算小孔处的应力。
套孔法：采用套料钻或管形电火花加工环形孔来释放应力，在孔内预先贴上应变片，可以算出表面残余应力，切削深度为[0.6~0.8]D，破坏性不大。
3.8.2 X射线衍射法原理：晶体在应力的作用下，原子间距发生变化，其变化与应力大小成正比，当用X射线，以掠角入射到晶体表面时，如果能满足2dSin=n，则X射线在反射方向因干涉而加强缺点：
思考题：
思考题1~9,[习题集] 思考3.1--1 ~ 3.7-2,
习 题:
习题1~12,[习题集] 3.1--1 ~ 3.1-2,
[习题集] 3.2 –1~ 3.2-2,
[习题集] 3.3 –1,
[习题集] 3.4--1 ~ 3.4-2,
[习题集] 3.5 –1~ 3.5-2,
[习题集] 3.6 –1,
[习题集] 3.7-1 ~3.7-2
Chapter 4 焊接接头的强度计算
Intensity calculation of welding joint
本章重点：1.焊接接头的应力集中
2.焊接接头的应力分布
3.焊缝静载强度计算
本章难点：1.焊接接头的应力分布
2.焊缝静载强度计算
4.1 焊接接头的应力集中
4.1.1 应力集中的概念
4.1.1.1定义
由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大应力比平均应力值高，这种情况称应力集中。
4.1.1.2表达式：
4.1.2 焊接接头中存在应力集中的影响因素
① 焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。
② 不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。
③ 接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。
④ 制造过程中的缺陷。
⑤ 焊接残余应力。
4.2 电弧焊焊接接头的应力分布
4.2.1 对接接头的应力分布
① 对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力集中部位在焊趾。
② 应力集中系数：
4.2.1.1丁字接头（十字接头）的应力分布
4.2.1.2 十字接头有熔透和未熔透两种
① 未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，其中以焊根处为最大。
② 熔透的十字接头有较小的应力集中系数。
4.2.2塔接接头的应力分布塔接接头据焊缝受力的不同：
把与力作用方向垂直的焊缝称为正面角焊缝相平行的称为侧面角焊缝介与两者中间的称为斜向角焊缝
4.2.3 应力分布
4.2.3.1 正面角焊缝的应力分布
① 焊缝根部A点、焊趾B点应力集中严重
② 焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边的夹角而变
③ 减小、增大熔深焊透根部和增大底边焊脚长度，可使减小
4.2.3.2 侧面角焊缝的应力分布
4.2.4 点焊接头的应力分布单排点焊接头的应力分布（如图）
多排点焊以两端焊点受力最大（如图）
4.3 焊缝的静载强度计算
4.3.1,焊缝接头强度计算的假设
① 残余应力对接头强度无影响
② 应力集中对接头强度无影响
③ 接头的工作应力是均布的，以平均应力计
④ 不计正面与侧面焊缝、焊缝的加强与减弱和不同焊接规范引起的焊缝性能差异，而用统一的计算截面和许用应力
⑤ 角焊缝都是在切应力作用下破坏的。角焊缝的计算断面在角焊缝截面的最小高度上，取内接三角形高度为计算高度，（如图）。直角等要角焊缝的计算高度：
⑥ 尽管加强和小量的熔深对于接头强度没有影响，但埋弧自动焊和保护焊的熔深较大应予以考虑，其角焊缝计算断面厚度（如图）
4.3.2电弧焊接接头的静载强度计算
4.3.2.1 对接接头的静载强度计算：
对接焊缝强度计算公式如下：
受拉时：
受压时：
受剪时：
而内弯：
垂直弯：
∴ 综合作用：
[注]：对于未焊透的对接接头，上述各式中应将中减去未焊透深度， l取实际焊缝长度，、、分别焊缝许用拉、压、切应力。
4.3.2.2 塔接接头的静载强度计算
4.3.2.2.1 受拉、压的塔接接头
① 单面焊、正面或侧面塔接焊缝的强度公式：
② 单面焊的正面、侧面联合塔接焊缝的强度公式：
4.3.2.2.2 受弯矩的塔接接头计算
受弯矩的塔接接头计算方法有三种：
① 分段计算法,
② 轴惯性矩计算法
最大切应力：
③ 极惯性计算法
最大切应力：
-极惯性矩， （又等于相互垂直的两个轴的计算惯性矩之和）；
4.3.2.2.3 受偏心载荷的塔接接头计算
① 采用分段法或轴惯性矩法计算，则按下式求合成应力：
② 若采用极惯性矩法计算，将分解成水平的（，）和垂直的（，）两个力，再合成：
[注]：的计算是按全部焊缝计算，还是只考虑水平焊缝或只考虑垂直焊缝，要按具体情况而定。（如图）可按全部焊缝承受的剪力，均匀分布于全部焊缝中，其方向同P一致。
4.3.2.3 丁字接头强度计算
4.3.2.3.1 载荷平行于焊缝的丁字接头计算：
① 由于产生最大应力的危险点在焊缝的最上端，同时受有两个切应力的作用，一个是由引起的，另一个由Q=P引起的，和相互垂直，所以该点的合成应力为：
② 若开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属截面等于母材截面（F=·h）,若不开坡口时，按下式计算：
4.3.2.3.2 弯矩垂直于板面的丁字头计算：
① 如开坡口并焊接，其强度按对接接头计算，强度计算公式为：
② 当接头不开坡口，用角焊缝连接，强度计算公式为：
（其中W=）
4.3.2.4 复杂截面构件接头的计算
◆ 计算复杂截面构件接头还要考虑以下几个问题：
① 计算时要先分析受载情况：
各载荷引起的应力，确定各应力的方向、性质和位置。
确定危险点，最高合成应力，（若危险点难以确定时，应选几个高应力点计算合成应力，其中合成应力最高处为危险点）。
② 计算合成应力时，最大正应力和最大切应力虽不在同一点上，但常以最大正应力和平均切应力计算其合成应力，偏于安全。
③ 粗略计算时，有时把正应力作为切应力考虑，也是偏于安全的简化计算方法。
4.3.2.4.1 受弯矩联接接头的强度计算
① 若构件同时承受弯矩M和轴向力N时，焊缝中应力分别求出和，由于两者方向相同，所以合成应力：
② 若构件同时承受横向力P和轴力N时，则要同时考虑弯矩M=P·L和轴向力N及剪切力Q=P的作用。由于构件承受切力Q时，只是腹板承受的，故切力只由联接腹板的焊缝承受，并设切应力沿焊缝均匀分布。计算联接的焊缝强度时，应验算两个位置的合应力：
一个是盖板外侧受拉的焊缝的合成应力：
另一个是腹板立焊缝端点的合成应力：
4.3.2.4.2 受扭矩的接头强度计算
① 矩形截面构件的接头若开坡口四周全焊，接头的最大切应力按下式计算：
若不开坡口四周全部角焊，接头的最大切应力为：
② 圆形截面构件接头4.1.1.1
若不开坡口沿圆周全部角焊接，接头中的最大切应力按下式计算： （其中）
4.4 母材及焊缝的许用应力
4.4.1,设计应力小于许用应力。
4.4.2,母材和焊缝的许用应力分别用[]和[]表示。
4.4.3,焊缝的许用应力[]大小与许多因素有关，不但与焊缝工艺、材料有关，而且也与焊接检验方法的精确程度有关。
4.4.4,焊缝的许用应力[]也可以由母材的许用应力[]乘以焊缝的强度减弱系数f来估算，即：[]=[]（取值）
思考题：
思考题1~3,[习题集] 思考4.1--1 ~ 4.1-3
习 题:
习题1~5,[习题集] 4.1--1 ~ 4.1-2,
[习题集] 4.2 –1~ 4.2-2,
[习题集] 4.3 –1,
Chapter 5 焊接结构的断裂失效与防治
本章重点：1.焊接结构断裂失效的分类及危害
2.焊接脆性断裂的防治方法
3.焊接疲劳断裂的防治方法
4.焊接应力腐蚀断裂防治方法本章难点：1.焊接结构断裂失效的分类及危害
2.焊接脆性断裂的防治方法
5.1 焊接结构断裂失效的分类及危害
5.1.1焊接结构断裂失效中，最为严重的是脆性断裂失效、疲劳断裂失效和应力腐蚀断裂失效三种类型。
5.1.1.1,脆性断裂失效脆性断裂---通常称为低应力脆断。一般都在应力低于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生的。
5.1.1.2疲劳断裂失效金属材料及其结构因受交变载荷而发生损坏或断裂的现象，称为疲劳断裂。
疲劳断裂过程一般由三个阶段组成：
① 初始疲劳裂纹在应力集中区孕育、萌生；
② 裂纹亚临界扩展或稳定扩展；
③ 失稳扩展，以至与断裂。
5.1.1.3应力腐蚀断裂失效腐蚀是材料与周围介质作用产生的物理化学过程。而应力腐蚀是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用下所产生的腐蚀断裂过程。
5.2 焊接结构脆性断裂的防治
5.2.1,焊接结构脆性断裂的原因
① 由大量破坏、失效事故的分析研究中发现，焊接结构低应力脆断破坏的根本原因在于结构中存在着各种缺陷和裂纹。
② 这些裂纹和缺陷的产生一部分是在结构的加工制造过程中。另一部分是在使用过程中如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹。
③ 其中裂纹是最严重的缺陷，而焊接则是产生裂纹的主要原因。
5.2.2焊接过程还会引起两种脆化：
① 焊接时由于加热、冷却引起接头区冶金组织变化，冷却过程中形成的高碳马氏体和粗大晶粒等金相组织将使焊接接头区韧性降低，另外，微量有害元素偏聚和氢含量增加也是导致韧性降低的原因。
② 焊接热循环过程中产生的塑性应变会引起热应变脆化。
5.2.3 焊接结构脆性断裂的防治方法
5.2.3.1 降低结构局部区域的应力水平
① 设计过程中的控制措施
②制造工艺中的控制措施
③消除焊接残余应力
5.2.3.2减少结构缺陷
① 合理设计
② 优化制造工艺
5.2.3.3 改善材料的断裂韧性
① 正确的设计选材
应采用“等韧性”或“等性能”原则，才能保证焊缝区不成为结构的薄弱环节，以避免脆性断裂。
② 优化焊接工艺
③ 合理制订、严格执行耐压试验规程
5.3 焊接结构疲劳断裂的防治方法
5.3.1 焊接结构疲劳断裂的原因和影响因素疲劳断裂是在循环应力、拉应力和塑性应变这三者的共同作用下发生的低应力破坏。由于焊接结构易于存在焊接缺陷和较严重的应力集中，所以焊接结构的疲劳往往是从焊接接头处产生。
5.3.1.1 应力的影响
① 增加拉伸应力会降低疲劳寿命，而增加压缩应力则可提高疲劳强度。
② 焊接残余应力会降低焊接接头的疲劳强度，这时构件的平均应力随之提高，应力比增大，裂纹扩展速率会增加。
5.3.1.2接头形式及应力集中的影响
5.3.1.3焊接缺陷的影响
5.3.1.4热影响区金属性能变化的影响
5.3.2 提高焊接结构疲劳强度的方法
5.3.2.1降低应力集中
凡是降低应力集中的措施都可提高结构的疲劳强度，有：
① 合理设计构件的结构形式，减少应力集中。
② 尽量选择应力集中系数小的焊接接头形式，并保证母材与焊缝之间平缓过渡。
5.3.2.1减少、调整焊接应力
对于焊接接头，减小、消除残余拉应力或使该处产生残余应力都可提高疲劳强度。
5.3.2.2 焊缝表面打磨、抛光，表面强化处理
5.4 焊接结构应力腐蚀断裂的防治
5.4.1应力腐蚀裂纹产生的机理和影响因素
5.4.1.1 定义：
应力腐蚀：指敏感金属或合金在一定拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用下所引起的腐蚀断裂过程。
5.4.1.2两种机理：
电化学应力腐蚀机理机械破裂应力腐蚀开裂机理
5.4.2防止和控制焊接结构产生应力腐蚀的措施
5.4.2.1设计方面的控制
5.4.2.2制造工艺过程中的控制
① 焊接材料选择
② 焊接工艺条件的控制
③ 控制冷作变形
思考题：
思考题1~6,[习题集] 思考5.1--1 ~ 5.1-6,
习 题:
习题1~10,[习题集] 5.1--1 ~ 5.1-2,
[习题集] 5.2 –1~ 5.2-3,
[习题集] 5.3 –1,
[习题集] 5.4--1 ~ 5.4-4,
Chapter 6 过程装备焊接结构设计
Design of welded structure
6.1 过程装备焊接结构设计要求
6.1.1总的设计要求焊接结构总的设计要求是结构整体或各部分在使用过程中不应产生致命的破坏，并达到所要求的使用性能。
6.1.2焊接接头的设计原则
① 合理选择接头型式
② 焊缝填充金属应尽量少
③ 合理选择破口角度、钝边高、根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，以最大限度地减少焊接缺陷。
④ 按等强度要求，接头的强度应不低于母材标准规定的强度下限值。
⑤ 焊缝外形应尽量连续、圆滑过渡，以减少应力集中。
6.2 压力容器焊缝形式及分类
6.2.1压力容器焊接接头形式
6.2.2 压力容器焊缝分类按GB150—《钢制压力容器》，对于温度t20℃的钢制单层、多层包扎、热套压力容器的焊缝，按其所在的位置，分为A,B,C,D四类。
6.2.3 对不同类别的焊缝的要求
注：1,A，B类焊缝的射线探伤按GB-3323-87《钢熔化焊对接接头探伤射线照相和质量等级》进行，检查结果对100%探伤的，I级的为合格，局部探伤的II级的为合格
2,A，B类焊缝的超声波探伤按GB-1152-81《锅炉及压力容器对接焊缝超声波探伤》进行，检查结果对100%探伤的，I级的为合格，局部探伤的II级的为合格
3,相邻筒体的A类焊缝间的距离
6.3 化工容器与设备的常用的焊接结构
6.3.1容器主体的焊接接头
6.3.2接管与壳体的焊接接头
6.3.3 凸缘与管嘴的焊接接头
6.3.4 接管与法兰的焊接接头
6.3.5 管板与筒体及管子的焊接接头
6.3.6 筒体与夹套连接的焊接结构
6.3.7 容器支座及其与主体的连接
6.3.8 多层容器的焊接结构
思考题：
思考题1~4,[习题集] 思考6.1--1 ~ 6.1-4,
习 题:
习题1~8,[习题集] 6.1--1 ~ 6.1-2,
[习题集] 6.2 –1~ 6.2-2,
[习题集] 6.3 –1 ~ 6.4-4
