焊接结构的特点及制造性能探析

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接更容易制造水密性与气密性要求高的结构，已广泛用于压力容器、舰船、储罐等结构的制造。焊接结构的服役性能和安全性，是当今焊接结构设计与制造关注的首要问题，特别像核电站、大型客机、石油化工企业等，一旦发生事故，往往造成生命财产的巨大损失。因此焊接结构在使用过程中，不应产生弹性失效、塑性失稳及断裂等突发的致命破坏。图1-3为影响焊接结构制造性能的主要因素。焊接结构在制造过程中，消耗了大量材料及能源。

焊接技术应用广，焊接结构的设计和制造方便灵活，不需要大型装备就能实现各种复杂焊接结构的制造，生产效率高，制造周期短。焊接结构的厚度不受限制，在缺乏大型铸锻设备的情况下，采用拼焊的方法可方便地制造重型部件。根据产品的使用要求，焊接能把不同尺寸或不同材料的零部件方便地连接起来，从而使整个结构的壁厚及材料分布更符合不同服役性能的要求，在保证结构承载能力的条件下，减少贵重材料的消耗，减轻结构的质量，降低制造成本。焊接结构的几何形状不受限制，可以方便地采用空心结构、封闭结构或桁架结构。焊接结构的整体性、完整性好，强韧性好，优质焊接接头的强度可以与母材相当。焊接更容易制造水密性与气密性要求高的结构，已广泛用于压力容器、舰船、储罐等结构的制造。对于尺寸很大的金属结构，还可分部件制造、现场拼焊组装，同时简化了焊接工艺，扩大了工作面，缩短了制造时间。

焊接结构的整体性有时也带来问题，如止裂性能差，扩展的裂纹很容易穿过焊缝，甚至导致灾难性的后果。焊接结构及焊接接头容易产生应力集中，除了在焊接接头的焊趾、焊根及焊接缺陷部位产生应力集中外，在结构截面突变的部位也存在应力集中，若焊接接头位于结构截面突变处，应力集中更为严重，应力集中对结构的脆性断裂和疲劳性能有很大影响。焊接接头区域有可能存在裂纹、气孔、夹渣等冶金缺陷，这些缺陷往往是结构发生破坏的起源。焊接的局部快速加热、冷却，导致焊缝金属极度非平衡熔化与凝固结晶，热影响区经受不同峰值加热和冷却速率的热处理过程，使焊接接头的材料成分、显微组织和力学性能不均匀并存在明显的梯度变化。焊接接头又是焊接残余应力较大的部位，焊接残余应力对结构的强度、刚度、尺寸稳定性及腐蚀性能都有影响。因此，必须采取科学的焊接工艺设计，提高焊接接头的服役性能和结构寿命。

焊接结构的服役性能和安全性，是当今焊接结构设计与制造关注的首要问题，特别像核电站、大型客机、石油化工企业等，一旦发生事故，往往造成生命财产的巨大损失。因此焊接结构在使用过程中，不应产生弹性失效、塑性失稳及断裂等突发的致命破坏。图1-2是影响焊接结构服役性能的主要因素。由图1-2可以看出，从结构设计到选材、加工制造、生产质量管理及服役环境等众多因素都对结构的服役性能产生影响。在焊接结构预期的生命周期内，不但要保持设计要求的结构性能，而且要使用可靠。

图1-3为影响焊接结构制造性能的主要因素。在焊接结构制造过程中，除了确保焊接接头的质量外，不论是个性化的单件、小批量制造，还是大规模投放市场的焊接结构产品，生产率及焊接效率也是影响焊接制造的重要因素。同时，还要兼顾焊接制造的人员及设备条件。近年来发展的3D打印或增材制造技术，采用精密控制的逐层堆焊增材技术，材料逐点累积成形，快速制作全焊缝金属零部件，实现宏微观结构一体化制造，制造零部件的尺寸和几何形状几乎不受限制，零部件近净成形，化学成分比较均匀，适于单件或小批量特种零部件制造，如航空航天复杂结构零件的打印制造。

图1-4为焊接结构的制造、再制造或解体的循环过程。焊接结构在制造过程中，消耗了大量材料及能源。在结构达到使用寿命的时候，通常采用切割或挤压等解体方法，作为金属材料回收再利用。为了节能节材，保护环境，发展循环经济，建设节约型社会，应采用延寿和再制造技术，恢复结构的尺寸和承载能力，使再制造结构的质量达到甚至可能超过新品的性能。另外，在重要焊接结构的设计阶段，就应考虑结构的维修或再制造能力，以免在结构服役末端，再制造难度增大，焊接的可达性差，这对核设施等的水下焊接维修尤为重要。

图1-2 影响焊接结构服役性能的主要因素

图1-3 影响焊接结构制造性能的主要因素

图1-4 焊接结构的制造、再制造或解体的循环过程

焊接结构的特点及制造性能探析

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