课程教学大纲介绍-主要学习内容
3.焊接结构服役安全性及剩余寿命评估评价
断裂力学基础 焊接结构脆性和延性断裂 焊接结构的疲劳强度 焊接结构的脆断安全性评价
焊接结构的剩余寿命评估
4.焊接结构的失效分析
失效分析的思路与分析方法 焊接结构失效特征及分析 焊接缺欠的评定实例
核心教学目的：
掌握断裂力学在焊接结构可靠性评估中的运用方法。
1.2.2影响焊接结构可靠性的主要因素
焊接缺欠（明确“缺欠”与“缺陷”的差 别） 焊接应力（静载、疲劳、尺寸稳定性、机 加工精度、受压稳定性、应力腐蚀） 焊接变形 焊接接头的组织和微区力学性能（恶化） 应力集中 服役载荷特征（高低温、疲劳、静载、腐 蚀）

1.2.3焊接结构的主要失效形式
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法 自卸车承载后销轴短期疲劳失效-解决方案
解决方案：改变焊缝位置、降低应力集中
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
举例7：电机转轴短期疲劳失效 （断轴）
解决方案：降低焊接应力和应力集中
1.4焊接结构可靠性学习重点与分析思路
1.4.1各类失效事故统计 制造中验收不合格：
断口照片 焊缝根部未熔合、
预热温度低-应力高
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
自卸车承载后销轴短期疲劳失效
设计缺陷-应力集中大导致销轴根部短期疲劳断裂
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法 自卸车承载后销轴短期疲劳失效-解决方案
有限元建模分析是本案例核心方案
-解决结构设计（焊接应力、应力集中）及焊接工艺问题
320mm
车体侧墙板结构
地板结构
底架结构 11
高速列车事故直接反映出的问题
德 国 韩 国
1）由于结构制造质量方面的原因导致的早期疲 劳失效甚至灾难事故时有发生；
2）科研工作还不够深入，远远不能满足结构安 全可靠运行的迫切需求 ； 3）疲劳载荷的复杂性、焊接制造过程的不确定 性和接头性能的损失； 4）复杂焊接结构的受力分析方面还是与之相适 应的结构优化设计方面，目前的研究工作积累严 重不足，失效案例反映出的相关问题特别突出。
设计不合理（未合理考虑焊接过程的不利影响）、材料或焊接接 头性能测试不合格
*2）制造后服役前验收不合格：
尺寸超标、缺陷超标、残余应力超标 **3）服役过程中的可靠性分析与早期（非预期）失效 脆断、疲劳、腐蚀、蠕变—分析失效原因，提出解决方案，进入 评估流程。
***评估流程：缺陷检测、接头性能测试、受力分析、安全性评 定、服役寿命评估、优化结构、重新评估直至满足要求。
1.4.2焊接结构失效分析与安全可靠性的内容
1）焊接结构的构造特点：设计、制造； 2）焊接缺欠与缺陷：种类、危害性等级；
3）失效分析一般步骤及断口分析：脆断与疲劳；
4）焊接结构服役可靠性的断裂力学评价
a. 脆断安全性
5）典型案例分析。
b.服役寿命评估理论与方法
1.4.3结构可靠性断裂力学研究（评定）思路
焊接应力过高、焊接变形超标（导致附加应力、或无法进入下一工 序制造、裂纹、组织恶化） 服役失效：
1、疲劳：占80-90%，焊接缺陷（裂纹等）、应力集中（设计 缺陷）、焊接应力、组织恶化； 2、韧断与脆断：约5%，焊接缺陷、低温、冲击载荷、应力与 组织状态恶化； 3、蠕变：高温失效。 4、环境失效：（腐蚀、应力腐蚀或腐蚀疲劳），可使失效速率 提高100-1000倍。
Paris公式
安全性水平
裂纹容限
剩余寿命水平
20
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
举例1：焊接变形问题引发泄露及其控制
KM6真空容器制造安装技术
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
KM6真空容器焊接变形控制-保证真空度、防泄漏
(1)材质为0Cr18Ni9 (2) 主容器 : 立式圆柱形，直径 12m ，高 22.4m 。壁厚 22mm 。 (3)辅容器:卧式圆柱形，直径7.5m，长15m，壁厚20mm。
举例5：水轮机转轮结构短期疲劳失效
焊接应力引发转轮叶片断裂问题、损失巨大
焊接缺欠的分析与对策（实例）
转轮结构装配焊接（组焊）前上冠与下环定位
2.4.2焊接缺欠的分析与对策（实例）
在上冠与下环之间组装点固叶片
“哈电机”水轮 机转子的焊接
破坏位置：上冠进水端或下环出 水端离熔合线30-50mm的叶片上开裂
结构材料测试 力学性能测试
断裂韧性 屈服强度 杨氏模量
结构受力分析
有限元数值模拟 焊接残余应力 动应力
热物理参数测试
线膨胀系数、 热导率、比热
确定危险部位
SINTAP/FITNET安全性评定
FAD图
剩余寿命评估
Paris公式
安全性水平
裂纹容限
剩余寿命水平
36
典型失效事故拆解分析及解决问题的思考方法
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
举例6：自卸车承载后横梁短期疲劳失效
结构设计不合理、焊缝布局不合理引发短期失效
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法 自卸车承载后横梁短期疲劳失效
自卸车承载后横梁短期疲劳失效
结构设计不合理、焊缝布局不合理、焊接工艺执行不规范引发断裂
结构设计 缺陷--应 力集中大
课程教学大纲的介绍-主要参考文献
课程主要教材： 《焊接工程缺欠分析与对策》陈伯蠡编著，机械工业出版社， 《焊接结构断裂行为及评定》霍立兴编著，机械工业出版社。 主要参考文献： 《焊接手册》第三卷.“焊接结构”，中国机械工程学会焊接学会 编，机械工业出版社 《焊接结构疲劳强度》（德）D.拉达伊 著，机械工业出版社
焊接结构的可靠性评价及失效分析
授课时间：2015年春季 授课单位：哈工大 材料学院焊接系 （先进焊接与连接国家重点实验室）
课程教学大纲介绍-主要学习内容
1.绪论、失效案例分析
结构可靠性含义 失效事故危害性的概述 2.焊接接头与焊接缺欠 介绍焊接缺欠与缺陷的定义 焊接接头的构造特点 焊接缺欠的种类及影响 焊接缺欠的容限规范与对策
度210mm，采用机器人焊接
•轨道交通工具：高速列车
•工程机械：起重机、挖掘机、吊车、自卸车
焊接结构应用的重要工业领域
焊接结构“非预期”失效形式



工程事故和结构的短期失效大多与缺陷及应力载荷 作用直接相关，仅结构脆断和疲劳失效两项造成的 损失占发达国家国民经济总产值10%。举例： 1、交通；高速列车的断裂失效 2、压力容器：泄露和爆炸事故频发 3、石油天然气管道：裂纹、泄露 4、能源动力：水轮机、锅炉、核电设施的断裂 5、航天、重型机械、国防武器、船舶的脆断与疲劳
焊接结构安全可靠性得到信赖
1）多学科交叉及材料、设备的发展为制造优质焊接结构奠定基础
2）焊接冶金理论进展改进焊接性能
3）焊接结构理论的发展是设计更科学合理，适应不同的工作条件 4）质量控制标准及“合用性”准则使质量和经济性得到保证
1.2安全性、可靠性含义及分析流程
1.2.1焊接结构可靠性的含义与构成
失效原因分析 应力的影响
o 工作应力的影响 o 焊接应力的影响
材质的影响 水轮机转子设计及制造的影响
o 结构设计的影响 o 应力集中的影响
1-上冠
2-叶片
3-下环
o 焊接顺序的影响
裂纹 裂 纹
岩滩转轮
李家峡转轮
水轮机短期失效开裂位置
焊接缺欠的分析与对策
水轮机服役开裂裂纹
可靠性丧失及其解决方案概述
高速列车的制造要求与服役可靠性之间矛盾-轻量化与承载能力的矛盾


高速列车设计中要求结构轻，降低能耗，提 高效能。结构轻量化设计的途径：
主体结构采用轻合金材料如铝合金 ； 大量采用型材保证结构刚度 ； 采用焊接加工方式提高生产效率和减少材料的消耗并实现灵 活设计和制造。
370mm
980mm
1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法
KM6真空容器变形控制
制造难度 KM6真空容器是空间环境模拟器的核心设备。其结构复杂，建设周期短， 制造安装技术难度大。KM6真空容器结构庞大，无法整体运输，主要大件 的最终成形和组焊，都必须在现场进行。 变形控制方案 采用预留间隙控制周长、分段退焊、短段加分段退焊及下厚上薄的焊接 工艺控制法兰面外变形和面内角变形的方案。为制定正确的容器装配焊 接顺序和工艺过程，进行了相应的数值模拟，最终成功地控制了焊接变 形。保证了容器的精度和真空密封，焊接变形控制技术方面达到了国际 先进水平，真空试验一次调试合格，真空度指标优于美国和俄罗斯，经 三次“神舟”号飞船测试实际证明，完全满足使用要求。其中，直径12m 精加工大法兰焊后平面度小于0.10mm/m，法兰整体平面度 1.57mm/m，其 焊接精度达到国际领先水平。 获奖情况
课程学习达到的目标
掌握焊接结构满足“合于使用”的原则和保证 构件的不发生失效事故的基本思考方法 掌握焊接结构失效分析的手段 掌握工程问题的科学思考方法、技术解决方案、 实现构想的正确步骤 深刻体会创新思维的培养和形成过程

1、绪论、可靠性评估的一般流程
1.1焊接结构重要性
•航天：不锈钢、铝合金、钛合金制造发动机、高压容器、大推力火箭
日 本
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事故分析：疲劳载荷导致裂纹和局部断裂
材料、设计、制造、 服役条件均存在不足。 面临的核心问题是： 或者不能有效保证结 构的可靠性和安全性， 或者为偏于安全而不 能有效减轻结构重量 和降低制造成本。
13
焊接结构的优势
焊接结构生产容易实现“高效益、低成本”的要求
1）设计灵活； 2）节省材料，费用低； 3）制造过程高效率，适应迅速变化的工程需要。
发动机-钛合金结构，KM6、KM8-不锈钢与碳钢结构