3.3.21-22鋁合金結(jié)構(gòu)解析課件

1、3/3.21-22焊接鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)Design of Welded Aluminium Structures吉林大學(xué) 李桂中 1、概述2、鋁合金結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)3、鋁合金的特點(diǎn)及應(yīng)用4、鋁合金材料5、鋁合金焊接接頭特點(diǎn)及計(jì)算主要內(nèi)容 輕型材料的應(yīng)用（特別是鋁材）使輕型結(jié)構(gòu)的制造成為可能。鋁及其合金焊接技術(shù)的快速發(fā)展?jié)M足了鋁結(jié)構(gòu)焊接的要求。1 概述 鋁結(jié)構(gòu)焊接和設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)主要由三份標(biāo)準(zhǔn)組成。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)既沒有EN標(biāo)準(zhǔn)，也沒有ISO標(biāo)準(zhǔn)。僅在母 材和填充材料有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或者在起草階段。DIN4113-1：1980主要靜載荷鋁結(jié)構(gòu)；載荷分析和設(shè)計(jì)DIN4113-2：1993主要靜載荷鋁結(jié)構(gòu)；計(jì)算和鋁結(jié)構(gòu)焊

2、接接頭制造建筑研究院規(guī)程：1987鋁結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程DVS1608：1983軌道車輛鋁結(jié)構(gòu)焊接ISO9692-3：2001坡口準(zhǔn)備；鋁及其合金的MIG焊和TIG焊歐洲9號(hào)（EN1999) 鋁結(jié)構(gòu)ANSI/AWS D1.2：2003 結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程 鋁 相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)DIN18800-1：1990鋼結(jié)構(gòu)-計(jì)算和設(shè)計(jì) 鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，雖然在計(jì)算方法上與鋼結(jié)構(gòu)基本相同（強(qiáng)度設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和剛度設(shè)計(jì)），但由于其焊接接頭性能的特殊性，在接頭設(shè)計(jì)、許用應(yīng)力等方面又不同于鋼結(jié)構(gòu)。鋁與鋼相比重要的區(qū)別：比較低的強(qiáng)度；低彈性模量焊接熱影響區(qū)擠壓型材的成型有減少輕型結(jié)構(gòu)質(zhì)量可能性 鋁與鋼的性能對(duì)比純鋁有以下特定的性能：

3、屬于輕金屬，比重僅有2.7g/cm3；（鋼7.8）耐大氣腐蝕；（表面有致密的氧化膜）具有良好的低溫韌性（面心立方晶格，無冷脆現(xiàn)象）；具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性；線膨脹系數(shù)大；（是鋼的2倍）熔點(diǎn)低（660C）; （鋼1536C）強(qiáng)度低，0.2僅為10MPa；（鋼Q235為240 MPa）彈性模量E小，僅為6.7104；（鋼21104）液態(tài)鋁水的表面張力?。患訜徇^程從固相到液相無明顯的顏色變化（鋼由黑變紅）；具有良好的延展性和加工性（易擠壓成型或鑄造成型）；氧化物熔點(diǎn)高，Al2O3熔點(diǎn)為2050C（Fe2O31455C）。鋁結(jié)構(gòu)鋼密度2.7g/cm37.8 g/cm3彈性模量70,000N/mm22

4、10,000 N/mm2剪切模量26,500 N/mm281, 000 N/mm2橫向延伸率0.330.30熱膨脹系數(shù)23.5*10-6 1/K12*10-6 1/K屈服強(qiáng)度20-470 N/mm2240-960 N/mm2抗拉強(qiáng)度70-520 N/mm2360-1100 N/mm2鋁合金和鋼的性能比較鋁梁和鋼梁的區(qū)別 鋁鋁梁和鋼梁的區(qū)別 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(diǎn)，因此在工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面都有大量應(yīng)用。由于其優(yōu)良的防腐性能和低溫韌性好的特點(diǎn)，因此在石油、化工、深冷行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在建筑行業(yè)，由于鋁的重量輕、防腐性能好，因此鋁結(jié)構(gòu)代替鋼結(jié)構(gòu)也有大量應(yīng)用。

5、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。包括航空、電子技術(shù)、包裝、機(jī)器制造、煉鋼等行業(yè)都是用鋁及其合金。2 鋁結(jié)構(gòu)應(yīng)用應(yīng)用特點(diǎn)能否降低成本，相似結(jié)構(gòu)使用其它材料代替?能否節(jié)省材料，例如相似結(jié)構(gòu)，鋁結(jié)構(gòu)相對(duì)鋼結(jié)構(gòu)可以節(jié)省至少40的材料?減輕重量而節(jié)省成本，如節(jié)省火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用燃料。能否因減輕重量增加容積；使用鋁結(jié)構(gòu)無須考慮防腐保護(hù)，由于鋁結(jié)構(gòu)的這種優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了防腐費(fèi)用；能否改變產(chǎn)品外觀，例如在建筑上；結(jié)構(gòu)在100以上的性能；擠壓型材的發(fā)展，節(jié)省制造費(fèi)用；考慮鋁的重要性能，例如低彈性模量、高塑性、高導(dǎo)電率等典型鋁合金結(jié)構(gòu)產(chǎn)品 3.1鋁及其合金的產(chǎn)品形式 鋁及其合金的供貨形式

6、主要包括普通的板材、管材、型材和特殊擠壓型材常用鋁合金供貨形式 3. 材 料3.2 力學(xué)性能鋁和鋼的延伸率 非熱處理強(qiáng)化的鋁合金在焊接狀態(tài)下的斷裂強(qiáng)度和0.2%屈服強(qiáng)度與供貨狀態(tài)幾乎沒有區(qū)別，而對(duì)于可熱處理強(qiáng)化鋁合金則有明顯的差別。非熱處理強(qiáng)化鋁合金的 比值大約0.5至0.6之間，在焊接狀態(tài)要稍低一些，對(duì)于熱處理強(qiáng)化鋁合金鋼在0.7至0.8之間。AlZn4.5Mg（7xxx）鋁合金的抗拉強(qiáng)度值僅比普通結(jié)構(gòu)鋼S235低5%；而屈服強(qiáng)度值卻比S235高19%。特別適用于高層建筑和車輛制造中的承載焊接構(gòu)件。鋁合金的斷裂延伸率還沒有達(dá)到普通結(jié)構(gòu)鋼的一半（S235大約為25%）。焊后接頭軟化b；Al-Z

7、n-Mg合金b較高，適于建筑及承載構(gòu)件；鋁合金的延伸率不到普通結(jié)構(gòu)鋼的1/2；鋁合金基本沒有低溫脆性.焊縫許用應(yīng)力（IFBT規(guī)程） 材料選擇 熱處理強(qiáng)化鋁合金常用于結(jié)構(gòu)制造的6xxx鋁合金包括EN AW-6082、 EN AW-6061、 EN AW-6005A、 EN AW-6106、 EN AW-6063 和 EN AW-6060， 7xxx鋁合金包括EN AW-7020。非熱處理強(qiáng)化鋁合金包括EN AW- 5049、EN AW-5052、EN AW-5454 、 EN AW-5754、EN AW-5083、EN AW-3004、EN AW-3005、EN AW-3103 和 EN AW

8、5005EN AW-6082 該合金是最廣泛應(yīng)用的熱處理鋁合金之一，是結(jié)構(gòu)用焊接或非焊接鋁合金中的首選。該合金可提供各種產(chǎn)品形式（實(shí)心和中空材料，管、板、薄板和鍛件）并具有最高的強(qiáng)度，暴露在海洋條件下使用的部件中應(yīng)用更廣泛。 通常的供貨狀態(tài)為EN AW-6082T6。該合金通常以板和薄板形式供貨。 選擇這種合金是基于其良好的綜合性能，熱處理后的高強(qiáng)度、良好的耐蝕性、可焊性（使用TIG和MIG焊）、T4條件下好的塑性和好的機(jī)械性能。焊接接頭及熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降是必須注意的。其強(qiáng)度在自然時(shí)效后部分恢復(fù)。如果使用擠壓型材，相對(duì)于其它6xxx鋁合金，在得到復(fù)雜截面形式時(shí)，其壁厚大。EN AW-6061

9、 該合金也是廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)用焊接或非焊接熱處理鋁合金（實(shí)心和中空材料，管）。通常的供貨狀態(tài)為EN AW-6061T6。該合金通常以板和薄板形式供貨。選擇這種合金是基于其良好的綜合性能，熱處理后的高強(qiáng)度、良好的耐蝕性、可焊性（使用TIG和MIG焊）、T4條件下好的塑性和好的機(jī)械性能。焊接接頭及熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降是必須注意的。其強(qiáng)度在自然失效后部分恢復(fù)。如果使用擠壓型材，相對(duì)于其它6xxx鋁合金，在得到復(fù)雜截面形式時(shí)，其壁厚大。EN AW-6005A 該合金也被推薦用于結(jié)構(gòu)，具有中等強(qiáng)度，但僅以擠壓型材供貨，與EN AW-6082和EN AW-6061相比該合金可以制造更為復(fù)雜截面形狀的型材，特別

10、是薄壁中空型材。與EN AW-6082和EN AW-6061相似， EN AW-6005A也適合TIG焊和MIG焊，其焊縫及熱影響區(qū)也有強(qiáng)度下降問題。 焊縫及非焊接件的耐蝕性與EN AW-6082相似或更好，機(jī)械性能與EN AW-6082相似。EN AW-7020 該合金也被推薦用于結(jié)構(gòu)制造。它是一種高強(qiáng)度合金，可以實(shí)心或空心型材供貨，包括板、薄板和管。 它不易制造復(fù)雜截面的空心擠壓型材， 通常以EN AW-7020 T6狀態(tài)供貨。因?yàn)樽匀粫r(shí)效的原因，它比6xxx合金有更好的焊縫強(qiáng)度。3.3 焊接接頭的強(qiáng)度特點(diǎn) 鋁結(jié)構(gòu)焊接接頭的熱影響區(qū)普遍有強(qiáng)度下降的問題 鋁焊接接頭的熱影響區(qū)力學(xué)性能變化鋁焊

11、接接頭的熱影響區(qū)力學(xué)性能變化鋼和鋁的坡口有兩個(gè)區(qū)別：鋁由于熔點(diǎn)低，一般熔深較大，且鋁液的表面張力小，所以焊縫易焊漏；建議使用熔池保護(hù)裝置。焊鋁時(shí)因其母材導(dǎo)熱快，易產(chǎn)生的坡口未熔合；要求采用較大的坡口角度。 電弧焊時(shí)： 鋼焊縫的坡口角度：4060度； 鋁焊縫的坡口角度：5070度；甚至達(dá)到90度。4 焊縫準(zhǔn)備及結(jié)構(gòu)形式 對(duì)所有氣體保護(hù)焊方法要求根部焊透，及理想的背面成型。為了使根部更好地熔合，應(yīng)在根部一側(cè)開斜邊（見下圖）。A未開斜邊 B開斜邊鋁合金坡口根部處理銅質(zhì)或高合金保護(hù)Cr-Ni鋼絲 型材保護(hù) 焊縫背面保護(hù)ISO9692-2節(jié)選 焊接鋁結(jié)構(gòu)的計(jì)算原理上可以與按DIN18800T1進(jìn)行的鋼結(jié)

12、構(gòu)的計(jì)算相比較。但母材和焊縫的許用應(yīng)力卻不一樣！必須按不同的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程選?。耗覆脑S用應(yīng)力按DIN4113第一部分選??；焊縫許用應(yīng)力按建筑技術(shù)研究所規(guī)程(IFBT)選取。5 計(jì)算準(zhǔn)則5.1 靜載時(shí)的計(jì)算準(zhǔn)則 應(yīng)該考慮到，焊接時(shí)在熱影響區(qū)的橫截面內(nèi)要產(chǎn)生強(qiáng)度的降低。焊接結(jié)構(gòu)的熱影響區(qū)是從焊縫中點(diǎn)及根部算起向各個(gè)方向延伸30mm的區(qū)域（見圖）。 熱影響區(qū)區(qū)域 在針對(duì)失效時(shí)焊縫縱向產(chǎn)生的斷裂進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用減小橫截面值（許用應(yīng)力按DIN4113第一部分選?。?：=A總-（1-）AWEZ,i = 聯(lián)系焊縫按母材進(jìn)行校核， 但應(yīng)扣除熱影響區(qū)的強(qiáng)度損失部分！AlZn4.5Mg(7020)許=160N/mm2

13、= 205/290=0.71 A=A總-（1-）AHAZ,I =2800 (1-0.71)830=2559mm2=F/A=375000/2559=146.5N/mm25.2 動(dòng)載時(shí)的計(jì)算準(zhǔn)則 動(dòng)載鋁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算需按DVS1608規(guī)程并結(jié)合DS952規(guī)程一私人企業(yè)金屬材料焊接規(guī)程。 受動(dòng)載的鋁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域是車輛，飛機(jī)和船舶制造等。 目前唯一適用于受動(dòng)載鋁結(jié)構(gòu)的規(guī)程是DVS1608規(guī)程。其它制造上的技術(shù)數(shù)據(jù)（焊接材料的選擇，焊接時(shí)熱輸入等）則應(yīng)根據(jù)計(jì)算的特性值結(jié)合應(yīng)力極限比=+1至=-1時(shí)的二載荷曲線來給出。載荷循環(huán)次數(shù)N的最大值為N=1107。N=1107表面未處理 t 10A 未焊接D

14、焊接 缺口等級(jí)DMIG AlMg5材料及接頭的強(qiáng)度曲線圖。合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求 盡量減小結(jié)構(gòu)或焊接接頭部位的應(yīng)力集中； 盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度，以減小應(yīng)力集中和附加應(yīng)力的影響； 不采用過厚的截面； 對(duì)于附件或不受力焊縫的設(shè)計(jì)，應(yīng)與主焊縫同樣重視； 焊縫位置應(yīng)具有可達(dá)性便于施焊和焊前現(xiàn)場清理。6 鋁結(jié)構(gòu)焊接 受力簡單明確，便于制作、安裝、維護(hù)；采取措施減少熱影響對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件強(qiáng)度的影響；鋁合金表面長時(shí)間受熱輻射時(shí)，應(yīng)采取有效措施防護(hù)；注意防腐。6.1一般結(jié)構(gòu)焊接 焊縫在較小應(yīng)力區(qū)，例如： 焊縫處在對(duì)稱軸 避免附加應(yīng)力的焊接接頭形式，例如： 不同板厚焊接接頭 產(chǎn)生最小內(nèi)應(yīng)力焊接接頭，例如： 避免應(yīng)力集中焊接接頭 改善焊接熱影響區(qū)性能下降的接頭，例如：增厚補(bǔ)強(qiáng)的焊接接頭動(dòng)載荷下，降低缺口效應(yīng)的接頭，例如：減小截面突變的接頭 與板材厚度相適應(yīng)的焊縫厚度帶背面保護(hù)的焊接接頭節(jié)點(diǎn)接頭6.2擠壓型材結(jié)構(gòu)焊接 a上翼板型材 b腹板型材 c下翼板型