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IWE-3/11铝合金焊接结构
(吉林大学 )
概述
随着运载工具的轻量化,轻型材料也愈加收到青睐,特别是铝材焊接技术的快速发展,也正在不断满足铝制品和铝结构的焊接需求。
前面的课程已经从铝及其合金的物理性能及焊接性方面作过重点介绍。本次教学重点侧重于铝结构设计方面进行相关介绍。
铝及其合金的焊接性
气孔;热裂纹;接头热影响区软化;接头抗腐蚀性下降。
焊接铝结构设计的一般原则:
铝结构的设计,尽管在计算方法上与钢结构基本相同,但因接
头的氧化与软化现象普遍存在,所以,在接头设计和许用应力等方面又不同于钢结构。
3.1铝结构的设计的一般原则(焊接结构设计的普遍规律)
(1)尽量减小结构或接头局部的应力集中—以便提高结构的疲劳寿命或抗开裂性能;(教材图16、图20)
(2)尽量降低结构的整体刚性或局部刚性—以降低应力集中的敏感性;改善三向拉应力形成的可能性;
(3)不采用过厚的截面防止形成3向拉应力,即平面应变状态;不等厚接头应注意削坡(1:4)或改造成平对接接头;以缓解接头局部的应力集中行为和降低应力集中系数;(教材图17)
(4) 重视次要焊缝的设计,避免引发主体开裂;
(5)充分注意焊缝位置的可操作性:既具有良好的可焊到性,又具有方便焊前坡口清理的操作条件。
(6)控制焊缝的数量和空间分布:避开危险截面、避开高应力区、避免汇交、密集(图23),尽量对称分布;合理采用型材(图8)-焊接结构。
一句话,不能让焊缝处在危险环境,不要刻意去考验焊缝!
最好让焊缝布置在结构横截面的中性轴上(参见图16)。
(7)选择合理的接头形式,降低应力集中系数,改善焊缝成型。
优先选择对接接头;改造搭接接头(端面角焊缝削坡)和角接头(参见图23 把角接头变为对接接头);改善丁/十字接头(开坡口、焊透、表面下凹);注意背面成型(参见图12 改善熔池与背面母材与钝边的润湿性,从而改善背面成型 参见图13)
3.2铝结构设计的特殊问题(引起特别注意的方面)
(1) 因接头热影响区的软化,会直接造成接头强度不足,可考虑增厚补强;设计成近缝区加厚的结构形式; (参见教材图19)
(2) 考虑到接头背面的成型及保护,可设计成自带锁底保护的接头形式;既有利于背面的保护,又方便定位;(参见教材图19)
(3) 考虑到铝材的成型优势,为减少铝结构的整体焊接变形,应尽可能采用形状各异适用铝型材焊接结构;(图7 铝合金车体)
(4) 考虑到铝材在运载工具轻量化和耐腐蚀方面的优势,一般城轨/地铁车辆,航空航天结构应尽量采用高强铝结构(图2);
(5)考虑到铝材与钢材的导热性能和抗氧化方面的差异,厚板双面MIG焊缝应考虑坡口分批开,否则会导致坡口氧化;此外,坡口角比钢材略大些,以防止坡口未熔合现象的发生!
先开内坡口;焊完一面再开另一面坡口。208
先开内坡口;焊完一面再开另一面坡口。
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分批开坡口示意图
铝结构生产方面的特殊性
注意生产环境:
注意生产环境:控温,控湿,清洁。不能与黑色金属混合生产;以防止材料的交叉污染;(如氧化皮、铁锈、金属飞溅、铁屑等)
操作者应穿白色工作服、胶底鞋,鞋底不应有坚硬的铁钉,防止划伤铝制品表面;坡口两侧清理应采用不锈钢丝轮打磨!
铝制品的筒节找圆时,轧辊表面应用棕绳缠好,不能直接用黑色金属轧辊的表面直接碾压铝表面!
铝制品焊接坡口及其两侧的清理后,不应超过24小时;应尽可能防止二次氧化或二次污染!
铝制品的机械矫正时,应用垫有橡胶的榔头;不能直接用铁锤敲击铝制品的表面.
铝与钢相比的一些主要区别(参见表1)
母材强度低——相对弱化;
铝材更活波——母材易氧化;氧化膜必须去除!
接头等强性差——热影响区普遍存在软化;
母材比重小——利于结构的轻量化;
母材塑性好——挤压成型较容易,构件易于型材化;
面心立方晶格——低温无脆化;
母材加热时表面颜色几乎不变化,不容易控制熔池;手工操作易焊漏!
弹性模量低——E钢: E铝为3 :1 ;抗弯能力差;欲得到相同的抗弯刚度,截面尺寸必须比钢材大!(参见图1)
母材易形成致密的氧化膜,抗腐蚀能力比钢材好!
线膨胀系数大——是钢材的2倍!热变形大;为有效控制焊接错边,必须增多点固焊道!
导热系数大——母材散热快,对焊接热功率要求高!
铝及其合金属于非铁磁性材料,不能进行磁力探伤!
铝合金的延伸率低——仅为钢材的一半,低于12.5%;而软钢为25~30%。
铝结构的应用概述和实例
铝材在工业领域的广泛应用,主要是看好铝材具有以下优点:
资源丰富、质量轻、抗腐蚀、耐低温、易成型等。
因此,随着铝材焊接技术的不断进步,铝材的应用领域也逐
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