焊接结构设计与实践

前言
在刚刚从事焊接结构设计时，对焊接结构的一些基本设计方法并不十分理解。例如，采用对接焊结构形式时，在重要的部位焊缝余高经常要通过打磨的方法去除，而去除材料会减小截面尺寸，影响承载能力，为什么还要去除呢？又如，在一次设计过程中结构强度不能满足标准要求，我认为最简单的方法就是选用强度更高的材料，但外方专家指出替换材料并不能提高焊缝区域的疲劳强度，当时还有很多有经验的设计师提出了质疑，但外方专家也没有给出合理的解释，只说标准中就是这样说明的。现在回想，当时对焊接结构设计的认知确实非常肤浅，这其中重要的原因就是缺少对焊接结构设计理论知识的系统学习，缺乏实践经验。可想而知，当时设计出的产品也很难令人放心。
随着理论的更新与技术的发展，现在的设计师们已经具有了更好的学习条件，也具备了更扎实的理论基础。上述两个问题如果能正确回答，说明您在焊接结构设计方面有着良好的基础；如果不能也没关系，因为焊接结构的设计是理论与实践相结合的一门学科，要求设计师既要打好理论基础，又要积累实践经验。当前，青年设计师已经成为这一领域的主力军。受客观条件所限，有些设计师实践经验较少，有可能考虑问题不系统全面，这显然会影响产品的源头设计质量，从以往产品质量问题的发生，也反映出这个问题。
庄子说：“且夫水之积也不厚，则其负大舟也无力。”技术创新的过程就是“水涨船高”的过程。性能、品质更优良的产品，往往依靠具有更高技术水平的设计师来研发。而设计师要想提高能力与水平，必然要不断增长知识和经验。只有设计师的“内功”提高了，开发出产品的质量、技术性能才会更好。这是一个“化无形为有形”的自然过程。同时，理论指导实践，实践检验理论，实践经验也是设计过程中的宝贵财富，只要在理论上、方法上、实践上进行全面而系统的学习与积淀，就能更有效地提升设计师们的能力与水平，这样所研发出的产品技术更xianjin、品质更优良。
焊接结构设计所涉及的产品领域繁多、学科知识广泛。本书从焊接结构设计的基本知识入手，介绍焊接结构设计时所涉及的基本原理和方法，从焊接结构设计的强度评估、工艺性评估等方面为设计人员提供有益的参考，并通过工程实例的介绍，使理论与实践相结合，指导设计人员开展焊接结构的设计，提升设计人员的能力与水平，进一步促进产品设计质量的提高，这也是编著本书的基本出发点。
非常感谢国际焊接学会专家董平沙教授在本书编写过程中给予的指导，同时也要感谢大连交通大学兆文忠教授提出的宝贵建议。
由于作者水平所限，有引用或编写不当之处，敬请读者批评指正。

李向伟

《焊接结构设计与实践》从焊接结构设计强度评估、工艺性评估等方面为设计人员提供了有益的参考。书中先介绍了焊接结构设计的基础知识；然后阐述了焊接结构设计时所涉及的指导原则、焊接接头质量对承载性能的影响、焊接残余应力与变形控制等；通过大量工程实例，指导设计人员开展焊接结构设计；最后研究了搅拌摩擦焊机理及抗疲劳性能。通过对本书的学习，可以吸取作者的设计经验，有效提升焊接结构设计人员的能力与水平，进而促进产品设计质量的提升。

前言
第1章 概述1
1.1 从实例谈起1
1.2 焊接结构设计应考虑的问题3
第2章 焊接结构设计基础4
2.1 焊接工艺方法4
2.1.1 焊接基本原理4
2.1.2 焊接方法分类与特点5
2.1.3 焊接区域的组成与特征7
2.1.4 焊接接头的通用术语9
2.2 焊接结构形式12
2.2.1 焊接接头的种类12
2.2.2 焊缝坡口的基本形式13
2.2.3 焊接位置种类14
2.2.4 焊接符号15
2.3 焊接结构的特殊性16
2.4 焊接接头的破坏模式17
2.5 焊接结构设计应注意的问题19
2.6 焊接结构设计程序20
参考文献22
第3章 焊接结构设计指导原则24
3.1 概述24
3.2 刚度与强度26
3.2.1 刚度26
3.2.2 强度29
3.2.3 应力集中32
3.2.4 刚度协调设计与实例36
3.3 稳定性39
3.4 焊接结构静强度评估41
3.4.1 焊缝静强度评估42
3.4.2 评估焊缝静强度的有限元法43
3.4.3 强度分析实例44
3.5 焊接结构疲劳强度评估45
3.5.1 BS标准疲劳评估方法46
3.5.2 IIW标准疲劳评估方法48
3.5.3 ASME标准疲劳寿命评估方法49
3.5.4 寿命评估方法实例51
3.6 焊接结构的工艺性评估53
参考文献55
第4章 焊接接头质量对承载性能的影响57
4.1 焊接接头的缺陷57
4.2 常见缺陷的影响60
4.2.1 错边与角变形的影响60
4.2.2 咬边的影响62
4.2.3 根部余高的影响63
4.2.4 未焊透/未熔合的影响65
4.2.5 气孔的影响67
4.2.6 夹渣的影响69
4.2.7 类裂纹缺陷的影响71
4.3 其他因素的影响72
4.3.1 焊脚尺寸的影响72
4.3.2 辅助垫板的影响73
4.3.3 焊接接头非匹配性74
4.4 接头质量与承载性能74
参考文献76
第5章 焊接残余应力与变形控制77
5.1 焊接残余应力77
5.1.1 焊接内应力77
5.1.2 残余应力产生机理及影响78
5.2 残余应力测试方法86
5.2.1 有损检测法86
5.2.2 无损检测法87
5.3 去除残余应力的方法88
5.4 焊接变形与控制89
5.4.1 焊接变形及影响因素89
5.4.2 焊接变形控制91
参考文献95
第6章 焊接结构设计实践96
6.1 焊接结构设计指导96
6.1.1 焊接结构的材料选择96
6.1.2 焊接方法的选用97
6.1.3 常用焊接接头形式选择98
6.1.4 焊接接头坡口形式的确定99
6.1.5 合理地确定焊缝尺寸100
6.1.6 焊缝的合理设计与布置100
6.1.7 合理设计整体结构103
6.1.8 其他要求104
6.2 焊接接头设计流程104
6.3 典型焊缝设计要求108
6.3.1 箱形梁108
6.3.2 不等厚度部件的对接焊缝108
6.3.3 塞焊与槽焊焊缝109
6.3.4 两接头间的距离109
6.3.5 纵向焊缝上的加强板109
6.3.6 填充金属及穿越孔110
6.3.7 角接板与加强板端部110
6.3.8 角接板的形状110
6.3.9 焊缝周边焊110
6.3.10 角焊缝111
6.3.11 对接焊缝111
6.3.12 有拘束的接头112
6.3.13 混合的接头类型112
6.3.14 防腐113
6.3.15 焊趾、焊缝形状的改善113
6.3.16 断续焊缝113
6.3.17 防止层状撕裂114
6.3.18 板的连接节点116
6.4 焊缝的设计实例117
6.5 结构设计工程实例124
参考文献128
第7章 工程实践及失效分析130
7.1 地铁车辆车体焊接结构设计130
7.2 正交异性钢桥面板结构设计133
7.3 铁路货车产品焊缝裂纹分析136
7.3.1 铁路货车产品结构136
7.3.2 铁路货车产品运用过程中出现的问题137
7.3.3 C80B车连接板焊缝裂纹分析138
7.3.4 C80铝合金车上心盘座焊缝处裂纹分析142
7.3.5 C80E车横梁上盖板与地板焊缝裂纹分析145
7.4 关节式集装箱平车端横梁裂纹原因分析及改进149
7.4.1 端横梁裂纹原因分析150
7.4.2 改进方案对比及分析152
7.4.3 工艺实施154
7.4.4 小结155
参考文献156
第8章 搅拌摩擦焊机理及抗疲劳性能研究157
8.1 FSW基础157
8.1.1 FSW技术介绍157
8.1.2 FSW术语159
8.1.3 FSW的接头形式160
8.1.4 FSW工艺参数161
8.1.5 FSW常见缺陷163
8.2 FSW机理研究164
8.2.1 FSW热传导方程164
8.2.2 FSW材料流动理论166
8.2.3 工艺窗选择原理及缺陷形成机理170
8.2.4 FSW界面原子运动172
8.3 FSW接头性能研究174
8.3.1 材料检测及焊接174
8.3.2 FSW微观组织175
8.3.3 拉伸及弯曲试验176
8.3.4 FSW硬度试验178
8.3.5 FSW腐蚀试验179
8.3.6 FSW残余应力180
8.4 FSW疲劳试验182
8.4.1 试验材料182
8.4.2 试样182
8.4.3 试验设备和加载条件183
8.4.4 试验要求183
8.4.5 试验停止条件183
8.4.6 最小二乘法数据统计184
8.4.7 名义应力试验数据184
8.4.8 断口形貌186
8.4.9 断口电镜扫描187
8.5 FSW主S-N曲线研究190
8.5.1 主S-N曲线的定义190
8.5.2 应力集中系数及应力换算191
8.5.3 SCF计算191

《焊接结构设计与实践》从焊接结构设计强度评估、工艺性评估等方面为设计人员提供了有益的参考。书中先介绍了焊接结构设计的基础知识；然后阐述了焊接结构设计时所涉及的指导原则、焊接接头质量对承载性能的影响、焊接残余应力与变形控制等；通过大量工程实例，指导设计人员开展焊接结构设计；最后研究了搅拌摩擦焊机理及抗疲劳性能。通过对本书的学习，可以吸取作者的设计经验，有效提升焊接结构设计人员的能力与水平，进而促进产品设计质量的提升。

《焊接结构设计与实践》是机械工业出版社高水平学术著作出版基金项目，是一本技术实用型著作，书中阐述了焊接结构设计时所涉及的指导原则、焊接接头质量对承载性能的影响、焊接残余应力与变形控制等；通过大量工程实例，指导设计人员开展焊接结构设计；最后研究了搅拌摩擦焊机理及抗疲劳性能。通过对本书的学习，可以吸取作者的设计经验，有效提升焊接结构设计人员的能力与水平，进而促进产品设计质量的提升。