1、国际焊接学会授权的培训机构国际焊接学会授权的培训机构 哈尔滨焊接技术培训中心哈尔滨焊接技术培训中心 Harbin Welding Training Institute 国际焊接工程师培训课程国际焊接工程师培训课程Training Course for International Welding EngineerIIW Authorised Training Body3/3.21-22焊接铝结构的设计焊接铝结构的设计Design of Welded Aluminium Structures吉林大学吉林大学 李桂中李桂中 IIW Authorized Training Body1、概述、概述2、铝
2、合金结构的标准状态、铝合金结构的标准状态3、铝合金的特点及应用、铝合金的特点及应用4、铝合金材料、铝合金材料5、铝合金焊接接头特点及计算、铝合金焊接接头特点及计算主要内容主要内容IIW Authorized Training Body 轻型材料的应用（特别是铝材）使轻型结构的制轻型材料的应用（特别是铝材）使轻型结构的制造成为可能。铝及其合金焊接技术的快速发展满足造成为可能。铝及其合金焊接技术的快速发展满足了铝结构焊接的要求。了铝结构焊接的要求。1 概述概述IIW Authorized Training Body 铝结构焊接和设计的标准主要由三份标准组成。铝结构焊接和设计的标准主要由三份标准组成
3、。应用标准既没有应用标准既没有EN标准，也没有标准，也没有ISO标准。仅在标准。仅在母母 材和填充材料有相应的标准或者在起草阶段。材和填充材料有相应的标准或者在起草阶段。DIN4113-1：1980主要静载荷铝结构；载荷分析和设计主要静载荷铝结构；载荷分析和设计DIN4113-2：1993主要静载荷铝结构；计算和铝结构焊接接头制造主要静载荷铝结构；计算和铝结构焊接接头制造建筑研究院规程：建筑研究院规程：1987铝结构焊接规程铝结构焊接规程DVS1608：1983轨道车辆铝结构焊接轨道车辆铝结构焊接ISO9692-3：2001坡口准备；铝及其合金的坡口准备；铝及其合金的MIG焊和焊和TIG焊焊欧
4、洲欧洲9号（号（EN1999) 铝结构铝结构ANSI/AWS D1.2：2003 结构焊接规程结构焊接规程 铝铝 相关钢结构标准相关钢结构标准DIN18800-1：1990钢结构钢结构-计算和设计计算和设计IIW Authorized Training Body 铝结构的设计，虽然在计算方法上与钢结构基铝结构的设计，虽然在计算方法上与钢结构基本相同（强度设计、稳定性设计和刚度设计），本相同（强度设计、稳定性设计和刚度设计），但由于其焊接接头性能的特殊性，在接头设计、但由于其焊接接头性能的特殊性，在接头设计、许用应力等方面又不同于钢结构。许用应力等方面又不同于钢结构。铝与钢相比重要的区别：铝与钢
5、相比重要的区别：比较低的强度；比较低的强度；低弹性模量低弹性模量焊接热影响区焊接热影响区挤压型材的成型挤压型材的成型有减少轻型结构质量可能性有减少轻型结构质量可能性IIW Authorized Training Body 铝与钢的性能对比 纯铝有以下特定的性能： 属于轻金属，比重仅有2.7g/cm3；（钢7.8） 耐大气腐蚀；（表面有致密的氧化膜） 具有良好的低温韧性（面心立方晶格，无冷脆现象）； 具有良好的导热性和导电性； 线膨胀系数大；（是钢的2倍） 熔点低（660C）; （钢1536C） 强度低，0.2仅为10MPa；（钢Q235为240 MPa） 弹性模量E小，仅为6.7104；（钢2
6、1104） 液态铝水的表面张力小； 加热过程从固相到液相无明显的颜色变化（钢由黑变红）； 具有良好的延展性和加工性（易挤压成型或铸造成型）； 氧化物熔点高，Al2O3熔点为2050C（Fe2O31455C）。IIW Authorized Training Body铝铝结构钢结构钢密度密度2.7g/cm37.8 g/cm3弹性模量弹性模量70,000N/mm2210,000 N/mm2剪切模量剪切模量26,500 N/mm281, 000 N/mm2横向延伸率横向延伸率0.330.30热膨胀系数热膨胀系数23.5*10-6 1/K12*10-6 1/K屈服强度屈服强度20-470 N/mm224
7、0-960 N/mm2抗拉强度抗拉强度70-520 N/mm2360-1100 N/mm2铝合金和钢的性能比较铝合金和钢的性能比较IIW Authorized Training Body铝梁和钢梁的区别铝梁和钢梁的区别 铝铝IIW Authorized Training Body铝梁和钢梁的区别铝梁和钢梁的区别 IIW Authorized Training Body 铝及铝合金具有重量轻、防腐性能好、低温韧性好铝及铝合金具有重量轻、防腐性能好、低温韧性好和易于压力加工等特点，因此在工业领域的各个方面和易于压力加工等特点，因此在工业领域的各个方面都有大量应用。都有大量应用。由于其优良的防腐性能
8、和低温韧性好的特点，由于其优良的防腐性能和低温韧性好的特点，因此在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。因此在石油、化工、深冷行业得到广泛应用。在建筑行业，由于铝的重量轻、防腐性能好，在建筑行业，由于铝的重量轻、防腐性能好，因此铝结构代替钢结构也有大量应用。因此铝结构代替钢结构也有大量应用。在轨道交通行业，大量的使用铝代替钢制造轨在轨道交通行业，大量的使用铝代替钢制造轨道车辆，并且呈现上升趋势。道车辆，并且呈现上升趋势。包括航空、电子技术、包装、机器制造、炼钢包括航空、电子技术、包装、机器制造、炼钢等行业都是用铝及其合金。等行业都是用铝及其合金。2 铝结构应用铝结构应用IIW Authorized
9、 Training Body应用特点应用特点能否降低成本，相似结构使用其它材料代替能否降低成本，相似结构使用其它材料代替?能否节省材料，例如相似结构，铝结构相对钢结构能否节省材料，例如相似结构，铝结构相对钢结构可以节省至少可以节省至少40的材料的材料?减轻重量而节省成本，如节省火箭发动机用燃料。减轻重量而节省成本，如节省火箭发动机用燃料。能否因减轻重量增加容积；能否因减轻重量增加容积；使用铝结构无须考虑防腐保护，由于铝结构的这种使用铝结构无须考虑防腐保护，由于铝结构的这种优点，节省了防腐费用；优点，节省了防腐费用；能否改变产品外观，例如在建筑上；能否改变产品外观，例如在建筑上；结构在结构在10
10、0以上的性能；以上的性能；挤压型材的发展，节省制造费用；挤压型材的发展，节省制造费用；考虑铝的重要性能，例如低弹性模量、高塑性、高考虑铝的重要性能，例如低弹性模量、高塑性、高导电率等导电率等IIW Authorized Training Body典型铝合金结构产品典型铝合金结构产品 IIW Authorized Training Body3.1铝及其合金的产品形式铝及其合金的产品形式 铝及其合金的供货形式主要包括普通的铝及其合金的供货形式主要包括普通的板材板材、管材管材、型材和、型材和特殊挤压型材特殊挤压型材常用铝合金供货形式常用铝合金供货形式 3. 材材 料料IIW Authorized T
11、raining Body3.2 力学性能力学性能铝和钢的延伸率铝和钢的延伸率 IIW Authorized Training Body 非热处理强化的铝合金在焊接状态下的断裂强度和非热处理强化的铝合金在焊接状态下的断裂强度和0.2%屈服强度与供货状态几乎没有区别，而对于可热屈服强度与供货状态几乎没有区别，而对于可热处理强化铝合金则有明显的差别。处理强化铝合金则有明显的差别。非热处理强化铝合金的非热处理强化铝合金的 比值大约比值大约0.5至至0.6之之间，在焊接状态要稍低一些，对于热处理强化铝合金间，在焊接状态要稍低一些，对于热处理强化铝合金钢在钢在0.7至至0.8之间。之间。zP/2 . 0I
12、IW Authorized Training BodyAlZn4.5Mg（7xxx）铝合金的）铝合金的抗拉强度值抗拉强度值仅比普仅比普通结构钢通结构钢S235低低5%；而；而屈服强度值屈服强度值却比却比S235高高19%。特别适用于高层建筑和车辆制造中的承载焊接构件。特别适用于高层建筑和车辆制造中的承载焊接构件。铝合金的铝合金的断裂延伸率断裂延伸率还没有达到普通结构钢的还没有达到普通结构钢的一一半半（S235大约为大约为25%）。）。焊后接头软化焊后接头软化b；Al-Zn-Mg合金合金b较高，适于建筑及承载构件；较高，适于建筑及承载构件；铝合金的延伸率不到普通结构钢的铝合金的延伸率不到普通结构
13、钢的1/2；铝合金基本铝合金基本没有低温脆性没有低温脆性.IIW Authorized Training Body焊缝许用应力（焊缝许用应力（IFBT规程）规程） IIW Authorized Training Body材料选择材料选择 热处理强化铝合金热处理强化铝合金常用于结构制造的常用于结构制造的6xxx铝合金包括铝合金包括EN AW-6082、 EN AW-6061、 EN AW-6005A、 EN AW-6106、 EN AW-6063 和和 EN AW-6060， 7xxx铝合金包括铝合金包括EN AW-7020。非热处理强化铝合金非热处理强化铝合金包括包括EN AW- 5049、E
14、N AW-5052、EN AW-5454 、 EN AW-5754、EN AW-5083、EN AW-3004、EN AW-3005、EN AW-3103 和和 EN AW 5005IIW Authorized Training BodyEN AW-6082 该合金是最广泛应用的热处理铝合金之一，是结该合金是最广泛应用的热处理铝合金之一，是结构用焊接或非焊接铝合金中的首选。该合金可提供各构用焊接或非焊接铝合金中的首选。该合金可提供各种产品形式（实心和中空材料，管、板、薄板和锻件）种产品形式（实心和中空材料，管、板、薄板和锻件）并具有最高的强度，暴露在海洋条件下使用的部件中并具有最高的强度，暴露
15、在海洋条件下使用的部件中应用更广泛。应用更广泛。 通常的供货状态为通常的供货状态为EN AW-6082T6。该合金通常。该合金通常以板和薄板形式供货。以板和薄板形式供货。 选择这种合金是基于其良好的综合性能，热处理选择这种合金是基于其良好的综合性能，热处理后的高强度、良好的耐蚀性、可焊性（使用后的高强度、良好的耐蚀性、可焊性（使用TIG和和MIG焊）、焊）、T4条件下好的塑性和好的机械性能。焊接条件下好的塑性和好的机械性能。焊接接头及热影响区的接头及热影响区的强度下降强度下降是必须注意的。其强度在是必须注意的。其强度在自然时效自然时效后部分恢复。如果使用挤压型材，相对于其后部分恢复。如果使用挤
16、压型材，相对于其它它6xxx铝合金，在得到复杂截面形式时，其壁厚大。铝合金，在得到复杂截面形式时，其壁厚大。IIW Authorized Training BodyEN AW-6061 该合金也是广泛应用的结构用焊接或非焊接热处理该合金也是广泛应用的结构用焊接或非焊接热处理铝合金（实心和中空材料，管）。通常的供货状态为铝合金（实心和中空材料，管）。通常的供货状态为EN AW-6061T6。该合金通常以板和薄板形式供货。该合金通常以板和薄板形式供货。选择这种合金是基于其良好的综合性能，热处理后的选择这种合金是基于其良好的综合性能，热处理后的高强度、良好的耐蚀性、可焊性（使用高强度、良好的耐蚀性、
17、可焊性（使用TIG和和MIG焊）、焊）、T4条件下好的塑性和好的机械性能。焊接接头条件下好的塑性和好的机械性能。焊接接头及热影响区的强度下降是必须注意的。其强度在自然及热影响区的强度下降是必须注意的。其强度在自然失效后部分恢复。如果使用挤压型材，相对于其它失效后部分恢复。如果使用挤压型材，相对于其它6xxx铝合金，在得到复杂截面形式时，其壁厚大。铝合金，在得到复杂截面形式时，其壁厚大。IIW Authorized Training BodyEN AW-6005A 该合金也被推荐用于结构，具有中等强度，但仅以该合金也被推荐用于结构，具有中等强度，但仅以挤压型材挤压型材供货，与供货，与EN AW-
18、6082和和EN AW-6061相比该相比该合金可以制造更为合金可以制造更为复杂截面形状的型材复杂截面形状的型材，特别是薄壁，特别是薄壁中空型材。与中空型材。与EN AW-6082和和EN AW-6061相似，相似， EN AW-6005A也适合也适合TIG焊和焊和MIG焊，其焊缝及热影响焊，其焊缝及热影响区也有区也有强度下降问题强度下降问题。 焊缝及非焊接件的耐蚀性与焊缝及非焊接件的耐蚀性与EN AW-6082相似或更相似或更好，机械性能与好，机械性能与EN AW-6082相似。相似。IIW Authorized Training BodyEN AW-7020 该合金也被推荐用于结构制造。它
19、是一种该合金也被推荐用于结构制造。它是一种高强度高强度合金，可以实心或空心型材供货，包括板、薄板和管。合金，可以实心或空心型材供货，包括板、薄板和管。 它它不易制造不易制造复杂截面的复杂截面的空心挤压型材空心挤压型材， 通常以通常以EN AW-7020 T6状态供货状态供货。因为。因为自然时效自然时效的原因，它的原因，它比比6xxx合金合金有更好的焊缝强度有更好的焊缝强度。IIW Authorized Training Body3.3 焊接接头的强度特点焊接接头的强度特点 铝结构焊接接头的铝结构焊接接头的热影响区热影响区普遍有普遍有强度下降的问题强度下降的问题 铝焊接接头的热影响区力学性能变化
20、铝焊接接头的热影响区力学性能变化IIW Authorized Training Body铝焊接接头的热影响区力学性能变化铝焊接接头的热影响区力学性能变化IIW Authorized Training Body钢和铝的坡口有两个区别：钢和铝的坡口有两个区别：铝由于铝由于熔点低熔点低，一般熔深较大，且铝液的，一般熔深较大，且铝液的表表面张力小面张力小，所以焊缝，所以焊缝易焊漏易焊漏；建议使用熔池保护装建议使用熔池保护装置。置。焊铝时因其母材焊铝时因其母材导热快导热快，易产生的坡口，易产生的坡口未熔未熔合；合；要求采用要求采用较大的坡口角度较大的坡口角度。 电弧焊时：电弧焊时： 钢焊缝的坡口钢焊缝的
21、坡口角度：角度：4060度；度； 铝铝焊缝的坡口焊缝的坡口角度：角度：5070度；甚至达到度；甚至达到90度。度。4 焊缝准备及结构形式焊缝准备及结构形式IIW Authorized Training Body 对所有气体保护焊方法要求根部焊透，及理想的对所有气体保护焊方法要求根部焊透，及理想的背面成型。为了使根部更好地熔合，应在根部一侧开背面成型。为了使根部更好地熔合，应在根部一侧开斜边（见下图）。斜边（见下图）。A未开斜边未开斜边 B开斜边开斜边铝合金坡口根部处理铝合金坡口根部处理IIW Authorized Training Body铜质或高合金保护铜质或高合金保护Cr-Ni钢丝钢丝 型
22、材保护型材保护 焊缝背面保护焊缝背面保护IIW Authorized Training BodyISO9692-2节选节选IIW Authorized Training Body 焊接铝结构的计算原理上可以与按焊接铝结构的计算原理上可以与按DIN18800T1DIN18800T1进行的钢结构的计算相比较。但进行的钢结构的计算相比较。但母材母材和和焊缝焊缝的的许用许用应力应力却却不一样不一样！必须！必须按按不同的标准不同的标准或或规程规程选取选取：母材许用应力母材许用应力按按DIN4113DIN4113第一部分第一部分选取；选取；焊缝许用应力焊缝许用应力按按建筑技术研究所规程建筑技术研究所规程(
23、IFBT)(IFBT)选取。选取。5 计算准则计算准则5.1 静载时的计算准则静载时的计算准则 IIW Authorized Training Body 应该考虑到，焊接时在热影响区的横截面内要产应该考虑到，焊接时在热影响区的横截面内要产生强度的降低。焊接结构的热影响区是从焊缝中点生强度的降低。焊接结构的热影响区是从焊缝中点及根部算起向各个方向延伸及根部算起向各个方向延伸30mm的区域（见图）。的区域（见图）。 热影响区区域热影响区区域IIW Authorized Training Body 在针对失效时焊缝在针对失效时焊缝纵向纵向产生的断裂进行计算时采用产生的断裂进行计算时采用减小横截面减小
24、横截面值（值（许用应力按许用应力按DIN4113第一部分第一部分选取）选取） ：A2 . 02 . 0WEZ=A总-（1-）AWEZ,i = 联系焊缝联系焊缝按母材按母材进行校核，进行校核， 但应扣除热影响区的但应扣除热影响区的强度损失部分强度损失部分！IIW Authorized Training BodyAlZn4.5Mg(7020)许许=160N/mm2 = 205/290=0.71 A=A总总-（1-）AHAZ,I =2800 (1-0.71)830=2559mm2=F/A=375000/2559=146.5N/mm2IIW Authorized Training Body5.2 动载
25、时的计算准则动载时的计算准则 动载铝结构的设计和计算需按动载铝结构的设计和计算需按DVS1608规程并结规程并结合合DS952规程一私人企业金属材料焊接规程。规程一私人企业金属材料焊接规程。 受动载的铝结构的应用领域是车辆，飞机和船舶制受动载的铝结构的应用领域是车辆，飞机和船舶制造等。造等。 目前唯一适用于受动载铝结构的规程是目前唯一适用于受动载铝结构的规程是DVS1608规规程。其它制造上的技术数据（焊接材料的选择，焊接程。其它制造上的技术数据（焊接材料的选择，焊接时热输入等）则应根据计算的特性值结合应力极限比时热输入等）则应根据计算的特性值结合应力极限比=+1至至=-1时的二载荷曲线来给出
26、。时的二载荷曲线来给出。载荷循环次数载荷循环次数N的最大值为的最大值为N=1107。IIW Authorized Training BodyN=1107表面未处理表面未处理 t 10A 未焊接未焊接D 焊接焊接 缺口等级缺口等级DMIG AlMg5材料及接头的强度曲线图。材料及接头的强度曲线图。IIW Authorized Training Body合理的焊接结构设计的一般要求合理的焊接结构设计的一般要求 尽量减小结构或焊接接头部位的应力集中；尽量减小结构或焊接接头部位的应力集中； 尽量减小结构的刚度，以减小应力集中和附加尽量减小结构的刚度，以减小应力集中和附加应力的影响；应力的影响； 不采用
27、过厚的截面；不采用过厚的截面； 对于附件或不受力焊缝的设计，应与主焊缝同对于附件或不受力焊缝的设计，应与主焊缝同样重视；样重视； 焊缝位置应具有可达性焊缝位置应具有可达性便于施焊和焊前现便于施焊和焊前现场清理。场清理。6 铝结构焊接铝结构焊接IIW Authorized Training Body 受力简单明确，便于制作、安装、维护；受力简单明确，便于制作、安装、维护；采取措施减少热影响对结构和构件强度的影响；采取措施减少热影响对结构和构件强度的影响；铝合金表面长时间受热辐射时，应采取有效措施铝合金表面长时间受热辐射时，应采取有效措施防护；防护；注意防腐。注意防腐。IIW Authorized
28、 Training Body6.1 一般结构焊接一般结构焊接 焊缝在较小应力区，例如：焊缝在较小应力区，例如： 焊缝处在对称轴焊缝处在对称轴IIW Authorized Training Body 避免附加应力的焊接接头形式，例如：避免附加应力的焊接接头形式，例如： 不同板厚焊接接头不同板厚焊接接头IIW Authorized Training Body 产生最小内应力焊接接头，例如：产生最小内应力焊接接头，例如： 避免应力集中焊接接头避免应力集中焊接接头IIW Authorized Training Body 改善焊接热影响区性能下降的接头，例如：改善焊接热影响区性能下降的接头，例如：增厚补
29、强增厚补强的焊接接头的焊接接头IIW Authorized Training Body动载荷下，降低缺口效应的接头，例如：动载荷下，降低缺口效应的接头，例如：减小截面突变减小截面突变的接头的接头IIW Authorized Training Body 与板材厚度相适应的焊缝厚度与板材厚度相适应的焊缝厚度IIW Authorized Training Body带背面保护的焊接接头带背面保护的焊接接头IIW Authorized Training Body节点接头节点接头IIW Authorized Training Body6.2 挤压型材结构焊接挤压型材结构焊接 a上翼板型材上翼板型材 b腹板
30、型材腹板型材 c下翼板型材下翼板型材 d腹板型材腹板型材 优点：优点： + 焊缝不在最高应力区焊缝不在最高应力区 +在轧制型材上已有熔池保护在轧制型材上已有熔池保护 +在轧制型材上已有在轧制型材上已有刚性刚性加强加强 +仅仅2种种不同的型材不同的型材挤压型材梁挤压型材梁IIW Authorized Training Body典型挤压型材截面典型挤压型材截面IIW Authorized Training Body腹板增加厚度，改善强度下降腹板增加厚度，改善强度下降型材带背面保护型材带背面保护改变抗弯矩能力改变抗弯矩能力挤压型材制造的结构挤压型材制造的结构IIW Authorized Training Body挤压型材制造的结构（轨道车辆车体）挤压型材制造的结构（轨道车辆车体）IIW Authorized Training Body 1、铝合金焊缝及、铝合金焊缝及坡口坡口的特点的特点 2、铝合金和钢的性能比较、铝合金和钢的性能比较 3、铝合金材料的特点、铝合金材料的特点 4、铝合金焊接接头的特点及保护措施、铝合金焊接接头的特点及保护措施 5、铝合金接头的强度计算、铝合金接头的强度计算(许用应力许用应力) 6、铝结构设计与典型接头的应用、铝结构设计与典型接头的应用 7、铝合金型材的应用、铝合金型材的应用小结小结
