焊接结构可靠性及失效分析

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课程教学大纲介绍-主要学习内容核心教学目的：掌握断裂力学在焊接结构可靠性评估中的运用方法。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、大推力火箭发动机-钛合金结构，KM6、KM8-不锈钢与碳钢结构•航空：波导、雷达、铝合金、铜合金、高温合金•舰船：超高速舰艇45-50m/s（采用钛合金或15-5PH，氩弧焊）•核潜艇：高强钢大量使用（980钢，300m）；俄罗斯，钛合金，1000m•桥梁：九江长江大桥、西陵长江大桥、南浦大桥、杨浦大桥等为高强钢结构•压力容器：如600MW核电站压力壳，壁厚256mm，热壁加氢反应器壳体，厚度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11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。地板结构底架结构320mm370mm980mm车体侧墙板结构12高速列车事故直接反映出的问题德国日本韩国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。13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。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。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焊接结构的优势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焊接结构可靠性（安全性、结构完整性、剩余工作寿命）构成：结构设计：可信赖的依据、定量指南材料选用：正确、合理结构制造：材料焊接性、变形与应力、焊材及焊接方法正确无损检测：方法正确、执行缺陷容限标准使用性能：脆断、疲劳、应力腐蚀、蠕变结构可靠性定义：“由于漏检而未能发现的裂纹的亚临界扩展和失效扩展不致造成构件破坏的可能性”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疲劳失效：应力集中、焊接应力、组织脆性断裂：低温、组织、应力集中、应力状态焊接变形超标：焊接应力和工作应力尺寸不稳定变形及机加工精度：组织及应力状态变化应力腐蚀：应力、介质高温蠕变：应力、高温1.2.4焊接结构的可靠性评估与失效分析出发点从出现问题的角度出发：*1）制造前验收不合格：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。1.2.5焊接结构可靠性及剩余寿命预测、优化结构流程20结构材料测试力学性能测试热物理参数测试断裂韧性屈服强度杨氏模量线膨胀系数、热导率、比热结构受力分析有限元数值模拟焊接残余应力动应力确定危险部位SINTAP/FITNET安全性评定剩余寿命评估FAD图Paris公式安全性水平裂纹容限剩余寿命水平结构可靠性断裂力学研究（评定）思路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)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。KM6真空容器焊接变形控制-保证真空度、防泄漏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。获奖情况哈工大2001年获国防科学技术进步一等奖1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法举例2：返回舱焊接变形问题及其控制方案变形超标可引起防热层提前脱落存在的问题529厂焊制的返回舱初样C1焊接变形严重超差，使其重返大气层的隔热层无法与其粘合，控制焊接变形及焊接应力分布成为921－3返回舱研制过程中重大技术关键。变形控制方案•将整体结构合理划分为部件焊接•优化部件组焊次序•采用低应力少变形焊接技术•采用合理的工装夹具、板组件整体热处理•焊后采用焊缝逐点挤压、风动锤击等矫形技术•焊接变形控制质量达到俄罗斯“联盟”号飞船的先进水平，即研究工作达到国际先进水平。获奖情况哈工大2000年12月获国防科学技术二等奖“921”工程1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法举例3：焊接结构的尺寸不稳定性问题及其解决方案“联盟”号载人飞船结构轨道舱结构引发后果：舱门变形打不开、对接失败1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法举例4：焊接应力及组织弱化问题装甲厚板铝合金炮塔导致抗打击能力变弱，易被穿透。解决方案：降低应力、强化接头组织。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断口照片焊缝根部未熔合、预热温度低-应力高结构设计缺陷--应力集中大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）1.3失效事故危害性及其解决方案的思考方法解决方案：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。制造中验收不合格：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）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b.服役寿命评估理论与方法5）典型案例分析。36结构材料测试力学性能测试热物理参数测试断裂韧性屈服强度杨氏模量线膨胀系数、热导率、比热结构受力分析有限元数值模拟焊接残余应力动应力确定危险部位SINTAP/FITNET安全性评定剩余寿命评估FAD图Paris公式安全性水平裂纹容限剩余寿命水平1.4.3结构可靠性断裂力学研究（评定）思路举例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、损失巨大典型失效事故拆解分析及解决问题的思考方法转轮结构装配焊接（组焊）前上冠与下环定位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2.4.2焊接缺欠的分析与对策（实例）“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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o焊接顺序的影响1-上冠2-叶片3-下环岩滩转轮李家峡转轮裂纹裂纹水轮机短期失效开裂位置水轮机服役开裂裂纹焊接缺欠的分析与对策水轮机转轮的受力分析及改进解决方案可靠性丧失及其解决方案概述10600mm5080mm三峡混流式水轮机转轮实体图上冠叶片下环水轮机转轮的实体模型焊接缺欠的分析与对策（实例）叶片的实体模型下环的实体模型2.4.2焊接缺欠的分析与对策（实例）T形接头模型的网格划分情况叶片复杂问题的简化处理思考方法与简化模型转轮实体模型示意图叶片上冠下环转轮实体的有限元网格划分上环叶片进水叶片出水加区域热冠下转轮叶片的加热方式示意图问题简化：结构开裂位置的残余应力控制致裂应力控制方法：1、调整焊接方向降低焊接横向应力；2、局部加热法调控致裂残余应力；3预置应力法