1、第第8章章焊接结构可靠性分析 化学工业出版社 Chemical Industry Press知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关内容相关内容可靠性分析可靠性分析了解可靠性分析中的不确定了解可靠性分析中的不确定性和工程风险的概念，掌握可性和工程风险的概念，掌握可靠性的定义及表达方式，熟悉靠性的定义及表达方式，熟悉可靠性、安全性和完整性的相可靠性、安全性和完整性的相互互关系关系不确定性：随机性、模糊性和知不确定性：随机性、模糊性和知识不完善性；工程风险性；可靠性、识不完善性；工程风险性；可靠性、可靠度、安全性、完整性；合于使可靠度、安全性、完整性；合于使用用原则原则构件焊接性构件焊接性熟悉焊接结构
2、的构件焊接性熟悉焊接结构的构件焊接性及其影响因素，全面了解焊接及其影响因素，全面了解焊接过程过程“热热-力力-组织组织”之间的相互之间的相互关关联性联性材料的焊接适应性、设计的焊接材料的焊接适应性、设计的焊接可靠性、制造的焊接可行性；影响可靠性、制造的焊接可行性；影响焊接接头强度的因素，影响焊接变焊接接头强度的因素，影响焊接变形和应力的因素；热形和应力的因素；热-力力-组织组织交互交互作用作用焊接结构焊接结构完整性评定完整性评定了解完整性管理的概念，熟了解完整性管理的概念，熟悉完整性评定原理和程序，熟悉完整性评定原理和程序，熟知常用评定知常用评定方法方法结构完整性管理、特点和任务；结构完整性管
3、理、特点和任务；完整性的评定原理和程序；完整性的评定原理和程序；CEGB-R/H/R6、SINTAP、BS7910、API579、GB19624焊接焊接结构失效结构失效分析方法分析方法了解焊接结构断裂类型，熟了解焊接结构断裂类型，熟悉焊接结构断裂的影响因素，悉焊接结构断裂的影响因素，熟悉焊接结构失效分析思路、熟悉焊接结构失效分析思路、步骤、内容和步骤、内容和原因原因失效分析失效分析思路、步骤、内容、原思路、步骤、内容、原因；失效类型、断口分析和失效因；失效类型、断口分析和失效源源2/128 化学工业出版社 Chemical Industry Press3/128对于焊接结构而言，由于焊接过程的
4、热对于焊接结构而言，由于焊接过程的热-组组织织-性能的交叉复杂性和众多非线性影响因素，性能的交叉复杂性和众多非线性影响因素，要正确描述焊接接头的性能不均匀性、焊接变要正确描述焊接接头的性能不均匀性、焊接变形与应力、应力集中以及焊接缺陷等影响因素，形与应力、应力集中以及焊接缺陷等影响因素，准确把握焊接接头强度、结构稳定、抗断裂和准确把握焊接接头强度、结构稳定、抗断裂和耐持久性等质量问题变得非常困难。耐持久性等质量问题变得非常困难。可靠性分析方法成为现代焊接结构设计、可靠性分析方法成为现代焊接结构设计、制造、安装和使用过程中保证结构安全性的重制造、安装和使用过程中保证结构安全性的重要手段。要手段。
5、化学工业出版社 Chemical Industry Press4/1288.1 结构可靠性分析概念结构可靠性分析概念8.2 焊接结构的焊接性分析焊接结构的焊接性分析8.3 焊接结构的完整性评定焊接结构的完整性评定8.4 焊接结构失效分析焊接结构失效分析 化学工业出版社 Chemical Industry Press5/1288.1.1结构设计中的不确定性结构设计中的不确定性 在工程结构制造和使用过程中，结构可在工程结构制造和使用过程中，结构可靠与不可靠是不可预知的，这是因为存在有靠与不可靠是不可预知的，这是因为存在有诸多不确定性的因素。诸多不确定性的因素。不确定性不确定性是指事件出是指事件出现
6、或发生的结果是不能准确确定的，事先不现或发生的结果是不能准确确定的，事先不能给出一个明确的结论，事件的不确定性需能给出一个明确的结论，事件的不确定性需要采用不确定性理论描述，有时还需通过经要采用不确定性理论描述，有时还需通过经验进行分析和判断。按验进行分析和判断。按产生的原因和条件产生的原因和条件，不确定性可分为不确定性可分为、和和。化学工业出版社 Chemical Industry Press6/128随机性是指由于事件发生条件的不充分性随机性是指由于事件发生条件的不充分性导致最后出现结果的不确定性。但这并不意味导致最后出现结果的不确定性。但这并不意味着事件发生的结果是不可控制的，而是将其控
7、着事件发生的结果是不可控制的，而是将其控制在一定范围内，在概率意义上是可以控制的。制在一定范围内，在概率意义上是可以控制的。在结构可靠性理论中，随机性可分为在结构可靠性理论中，随机性可分为：物理不确定性物理不确定性 如材料强度的变化、焊如材料强度的变化、焊接接头的不均匀以及外加载荷的随机性等，在接接头的不均匀以及外加载荷的随机性等，在一定的环境和条件下，这些变量的不确定性是一定的环境和条件下，这些变量的不确定性是由其内在因素和外在条件共同决定的，由其内在因素和外在条件共同决定的，称为物称为物 化学工业出版社 Chemical Industry Press7/128不确定性，属于事物本质上的不确
8、定性。不确定性，属于事物本质上的不确定性。当与制造过程有关时，可通过提高技术水平当与制造过程有关时，可通过提高技术水平或控制质量水平来降低物理不确定性，但过或控制质量水平来降低物理不确定性，但过分严格控制会提高构件制造的成本，降低生分严格控制会提高构件制造的成本，降低生产效率。产效率。统计不确定性统计不确定性 在实际设计、制造与在实际设计、制造与使用过程中，许多性能参数都是随机变量。使用过程中，许多性能参数都是随机变量。这些随机变量的统计参数与样本的容量有关，这些随机变量的统计参数与样本的容量有关，理论上只有当样本的容量为无穷时，估计的理论上只有当样本的容量为无穷时，估计的参数才是准确和确定的
9、。参数才是准确和确定的。化学工业出版社 Chemical Industry Press8/128这种由于随机变量样本量的不足而导致这种由于随机变量样本量的不足而导致统计参数估计值的不确定性称为统计不确定性。统计参数估计值的不确定性称为统计不确定性。降低统计不确定性的手段是增大样本容量，但降低统计不确定性的手段是增大样本容量，但由于客观条件的限制，很多情况下并不能得到由于客观条件的限制，很多情况下并不能得到足够多的数据。足够多的数据。模型不确定性模型不确定性 在工程结构设计和分析在工程结构设计和分析中，常需要根据一些已知变量通过公式或模型中，常需要根据一些已知变量通过公式或模型计算另一变量，由计
10、算公式不准确或模型简化计算另一变量，由计算公式不准确或模型简化而产生的不确定性称为模型不确定性。降低模而产生的不确定性称为模型不确定性。降低模型不确定性的途径是使计算假定尽量型不确定性的途径是使计算假定尽量与实际情与实际情 化学工业出版社 Chemical Industry Press况相符况相符，并采用先进的计算手段。但这些都要并采用先进的计算手段。但这些都要受到科学技术发展水平和经济条件的限制，如受到科学技术发展水平和经济条件的限制，如许多问题目前还不能建立准确的模型，精确的许多问题目前还不能建立准确的模型，精确的分析则可能需要更多的费用。分析则可能需要更多的费用。9/128模糊性是指事物
11、属性的不分明或中间过模糊性是指事物属性的不分明或中间过渡性所产生的不确定性，即一个事物是否属于渡性所产生的不确定性，即一个事物是否属于一个集合是不明确的。图一个集合是不明确的。图8-18-1为国际标准为国际标准ISO2394-1998ISO2394-1998结构可靠性总原则给出的结构可靠性总原则给出的关关 化学工业出版社 Chemical Industry Press10/128于结构使用性能存在中间过渡特性的图示，当于结构使用性能存在中间过渡特性的图示，当指标指标 1 2 时，结构是处于可使用和完全不时，结构是处于可使用和完全不可使用的中间状态，可使用的程度与可使用的中间状态，可使用的程度与
12、 的值有的值有关。关。图图8-1 结构使用性能存在的中间过渡特性结构使用性能存在的中间过渡特性 化学工业出版社 Chemical Industry Press11/128知识的不完善性是由于客观信息的不完备知识的不完善性是由于客观信息的不完备和主观认识的局限性而产生的不确定性。和主观认识的局限性而产生的不确定性。知识知识的不完善性可分为的不完善性可分为：一种是：一种是知道事物变化知道事物变化的趋势，但没有数据预测事物未来变化的程度的趋势，但没有数据预测事物未来变化的程度，如我国铁路列车速度不断提高，不同车速对铁如我国铁路列车速度不断提高，不同车速对铁路桥梁的要求是不同的，设计桥梁时，需要考路桥
13、梁的要求是不同的，设计桥梁时，需要考虑未来高速列车速度变化，但未来车速会是多虑未来高速列车速度变化，但未来车速会是多少难以确定，需要根据经验和判断给出一个提少难以确定，需要根据经验和判断给出一个提高系数；另一种是高系数；另一种是主观认识的局限性主观认识的局限性，即由于，即由于人对自然规律认识的不足而产生的不确定性。人对自然规律认识的不足而产生的不确定性。化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press14/1288.1.2 结构使用中的风险性结构使用中的
14、风险性工程结构在制造和使用过程中都带有一工程结构在制造和使用过程中都带有一定的风险，风险由定的风险，风险由组成：一是危险事组成：一是危险事件出现的概率；二是一旦危险出现，其后果件出现的概率；二是一旦危险出现，其后果严重程度和损失的大小。危险是可能产生潜严重程度和损失的大小。危险是可能产生潜在损失的征兆，是风险的前提，没有危险也在损失的征兆，是风险的前提，没有危险也就无所谓风险。就无所谓风险。危险危险是是客观存在客观存在，是，是无法改无法改变变的，而的，而风险风险却在却在很大程度很大程度上上随随着人们的着人们的意意志而改变志而改变，亦即按照人们的意志可以改变危，亦即按照人们的意志可以改变危险出现
15、或事故发生的概率。在结构制造和使险出现或事故发生的概率。在结构制造和使 化学工业出版社 Chemical Industry Press15/128用过程中，应对风险有足够的认识，要正确识别用过程中，应对风险有足够的认识，要正确识别高风险的区域，确定可能导致结构破坏的主控因高风险的区域，确定可能导致结构破坏的主控因素，为可靠性分析和工程结构风险管理提供依据。素，为可靠性分析和工程结构风险管理提供依据。工程结构系统的风险性与结构的完整性密切相关，工程结构系统的风险性与结构的完整性密切相关，保证结构的完整性是降低技术风险的保证结构的完整性是降低技术风险的。人们。人们往往认为风险越小越好，实际上这是不
16、现实的，往往认为风险越小越好，实际上这是不现实的，合理的做法是将风险限定在一个可接受的水平上，合理的做法是将风险限定在一个可接受的水平上，要接受合理的风险，不要接受不必要的风险，力要接受合理的风险，不要接受不必要的风险，力求在风险与利益间取得平衡。求在风险与利益间取得平衡。化学工业出版社 Chemical Industry Press16/128近年来出现的近年来出现的ALARP(As Low As Reasonable Practicable)原则就是尽原则就是尽可能降低风险而又能实可能降低风险而又能实现风险可接受的准则之现风险可接受的准则之一，可以认为是风险评一，可以认为是风险评估中的估中
17、的“合于使用合于使用”原则。原则。ALARP原则要求在介于可接受风险和不原则要求在介于可接受风险和不可接受风险之间的风险范围内应尽可能降低风可接受风险之间的风险范围内应尽可能降低风险，能够尽量降低风险的范围称为险，能够尽量降低风险的范围称为ALARPALARP区域区域(图图8-2)。图图8-2 ALARP 原则原则 化学工业出版社 Chemical Industry Press17/1288.1.3 工程结构的可靠性工程结构的可靠性为保证不同设计状况下、不同极限状态时，为保证不同设计状况下、不同极限状态时，结构满足安全、适用、耐久和整体稳定性的要结构满足安全、适用、耐久和整体稳定性的要求，需要
18、保证结构具有一定的可靠性。求，需要保证结构具有一定的可靠性。可定义为可定义为结构在结构在内，在内，在下，完成下，完成的能力的能力。化学工业出版社 Chemical Industry Press18/128所谓所谓规定的时间为结构设计使用年限。规定的时间为结构设计使用年限。在在不同的使用年限内，结构材料性能的变化、可不同的使用年限内，结构材料性能的变化、可能出现的最大荷载是不同的，所以结构可靠度能出现的最大荷载是不同的，所以结构可靠度要规定设计考虑的时间段。要规定设计考虑的时间段。设计使用年限为结构或结构构件不需进行设计使用年限为结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时段，大修即可按其
19、预定目的使用的时段，规定结构规定结构设计使用年限设计使用年限需考虑需考虑结构的形式结构的形式、使用目的使用目的、使用环境及维修的难易程度使用环境及维修的难易程度、费用和重要性费用和重要性等。等。化学工业出版社 Chemical Industry Press19/128所谓所谓规定的条件是指对结构设计、施工和使用规定的条件是指对结构设计、施工和使用方面的规定方面的规定。具体来讲，结构应由具有具体来讲，结构应由具有设计资质的单位及其设计资质的单位及其具有设计资格的人员具有设计资格的人员按照设计规范进行设计；由具按照设计规范进行设计；由具有有施工资质的单位及其具备相关知识相关技能的技施工资质的单位及
20、其具备相关知识相关技能的技术人员术人员按设计图样和国家施工规范进行施工；按设计图样和国家施工规范进行施工；对于对于用户用户来说，应按设计规定的用途使用，并来说，应按设计规定的用途使用，并进行日常维护。如果不符合上述条件，都不能保证进行日常维护。如果不符合上述条件，都不能保证结构具有可靠性。结构具有可靠性。化学工业出版社 Chemical Industry Press20/128所谓所谓预定的功能预定的功能指结构的指结构的安全性安全性、适用性适用性、耐久性耐久性和和抗连续倒塌能力抗连续倒塌能力，一般是以结构是否，一般是以结构是否达到达到“极限状态极限状态”为标志的。为标志的。由此可以看出，保证结
21、构具有设计的可靠由此可以看出，保证结构具有设计的可靠性，不仅是一个技术问题，而且是一个管理问性，不仅是一个技术问题，而且是一个管理问题，题，可靠性管理是保障结构具有设计可靠度的可靠性管理是保障结构具有设计可靠度的重要手段重要手段。化学工业出版社 Chemical Industry Press21/128结构在结构在内和内和下，完下，完成预定功能的成预定功能的概率概率称为称为结构可靠度结构可靠度。结构。结构是结构是结构的的概率度量概率度量，工程中一般多用，工程中一般多用结构失效概率描述结构的可靠度。结构失效概率描述结构的可靠度。由于使用中工作载荷的变化和结构设计中由于使用中工作载荷的变化和结构设
22、计中的不确定性，载荷效应的不确定性，载荷效应S（也即工作应力）和（也即工作应力）和抗力抗力R（也即许用应力）都是（也即许用应力）都是。化学工业出版社 Chemical Industry Press22/128设设S和和R为服从正态分布的随机变量且二者为服从正态分布的随机变量且二者为线性关系，其概率密度曲线如图为线性关系，其概率密度曲线如图8-3所示，所示，S和和R的平均值分别为的平均值分别为S、R，标准差分别为，标准差分别为S、R（注：不是应力的概念注：不是应力的概念）。）。图图8-3 R和和S的概率密度分布曲线的概率密度分布曲线 化学工业出版社 Chemical Industry Press
23、23/128按照结构设计的要求，显然按照结构设计的要求，显然R必须大于必须大于S，但由于两者分布的原因，但由于两者分布的原因，R曲线和曲线和S曲线产生曲线产生了重叠，了重叠，是是 RS 的区域，其大小反映的区域，其大小反映了抗力了抗力R和载荷效应和载荷效应S之间的概率关系，即为之间的概率关系，即为结构的结构的失效概率失效概率，用用pf表示表示。重叠的范围越小，。重叠的范围越小，结构的失效概率结构的失效概率pf越低；平均值越低；平均值S和和R相差越相差越大，或标准差大，或标准差 和和（离散程度）越小，则（离散程度）越小，则。化学工业出版社 Chemical Industry Press24/12
24、8增加增加R和和S差值差值或减小或减小R和和S的离散的离散程度，可以提高构件程度，可以提高构件的可靠程度。以的可靠程度。以Z表表示示R和和S差值，即差值，即Z=R-S，Z也是服从也是服从正态分布的随机变量，正态分布的随机变量，图图8-4 可靠指标与失效概率关系示意图可靠指标与失效概率关系示意图其概率密度分布曲线如图其概率密度分布曲线如图8-4，则，则Z0 事件的事件的概率就是构件的失效概率，可表示为：概率就是构件的失效概率，可表示为：化学工业出版社 Chemical Industry Press25/128按上式计算失效概率按上式计算失效概率pf比较麻烦，故又建比较麻烦，故又建立了一种可靠指标
25、的计算方法。由于失效概率立了一种可靠指标的计算方法。由于失效概率pf与与Z的平均值的平均值Z值和标准差值和标准差Z值有关，取其比值有关，取其比值可以反映失效概率情况，即为可靠性指标，值可以反映失效概率情况，即为可靠性指标，即即 0)()(dZZfZPpf(8-1)SRSRZZ22 (8-2)化学工业出版社 Chemical Industry Press26/128Z=Z,可以看出可以看出 大大，失效概率小。，失效概率小。和和 pf 一样可作为风险接受准则和可靠性评价指标，一样可作为风险接受准则和可靠性评价指标，已在航空、核电和海洋工程等方面得到普遍已在航空、核电和海洋工程等方面得到普遍应用。表
26、应用。表8-1列出了常用的结构可靠指标列出了常用的结构可靠指标 与与失效概率失效概率 pf。注：风险可接受准则有许多表达形式，目前多注：风险可接受准则有许多表达形式，目前多应用可靠指标应用可靠指标与失效概率与失效概率pf来表示。（见表来表示。（见表8-1）化学工业出版社 Chemical Industry Press27/128失效失效后果后果严重程度严重程度失效类型与可靠指标失效类型与可靠指标b与失效概率与失效概率 第第类失效类失效塑性失效塑性失效第第类失效类失效韧性撕裂失效韧性撕裂失效第第类失效类失效脆性断裂脆性断裂PfPfPf不严重不严重 对人员伤害、对环境污染对人员伤害、对环境污染程度
27、均很小，经济损失也程度均很小，经济损失也小小3.0910-33.7110-44.2610-5严严 重重对人员可能造成伤害、甚对人员可能造成伤害、甚至导致死亡，对环境可能存至导致死亡，对环境可能存在污染，有明显的经济在污染，有明显的经济损失损失3.7110-44.2610-54.7510-6很严重很严重很大可能性导致一些人员很大可能性导致一些人员伤害或死亡，明显的伤害或死亡，明显的环境污环境污染染和巨大经济和巨大经济损失损失4.2610-54.7510-65.2010-7fpfpfpfp表表8-1 结构可靠指标结构可靠指标与失效概率与失效概率Pf 化学工业出版社 Chemical Industr
28、y Press28/1288.1.4 可靠性、安全性与完整性的关系可靠性、安全性与完整性的关系 可靠性与安全性成为现代工程结构的两大可靠性与安全性成为现代工程结构的两大关键特性。可靠性与安全性的关键特性。可靠性与安全性的含义含义及及目的目的是有是有差异的，差异的，是指结构在是指结构在规定规定的条件下和的条件下和规规定定的时间内，完成的时间内，完成规定规定功能的能力。功能的能力。是是指结构在指结构在各种环境各种环境作用下，不发生事故的能力作用下，不发生事故的能力。研究的研究的对象对象是故障，其是故障，其目的目的是减少故是减少故障的发生，障的发生，研究的研究的对象对象是危险，其是危险，其目的目的是
29、减少事故的发生。是减少事故的发生。化学工业出版社 Chemical Industry Press29/128 对于工程结构而言，一切都不可靠，则系对于工程结构而言，一切都不可靠，则系统都是不安全的；一切都可靠，系统也不一定统都是不安全的；一切都可靠，系统也不一定绝对安全；某部分不可靠，系统不一定不安全。绝对安全；某部分不可靠，系统不一定不安全。是工程结构安全性的是工程结构安全性的，是防范风险，是防范风险的重要保证。的重要保证。是指结构实现其强度、刚度、损失是指结构实现其强度、刚度、损失容限、耐久性、功能性等要求的能力。容限、耐久性、功能性等要求的能力。结构完结构完整性整性所涉及的内容所涉及的内
30、容考虑了考虑了传统的刚度和传统的刚度和强度强度的要求，的要求，又强调了又强调了耐久性和损失耐久性和损失容限的抗断裂性能容限的抗断裂性能，并要求从这两方面，并要求从这两方面结构的使用性能。结构的使用性能。是指结构实现其强度、刚度、损失是指结构实现其强度、刚度、损失容限、耐久性、功能性等要求的能力。容限、耐久性、功能性等要求的能力。结构完结构完整性整性所涉及的内容所涉及的内容考虑了考虑了传统的刚度和传统的刚度和强度强度的要求，的要求，又强调了又强调了耐久性和损失耐久性和损失容限的抗断裂性能容限的抗断裂性能，并要求从这两方面，并要求从这两方面结构的使用性能。结构的使用性能。化学工业出版社 Chemi
31、cal Industry Press30/128是由是由材料性能材料性能、结构形式结构形式、制制造工艺造工艺、载荷类型载荷类型、环境介质环境介质以及以及使用和维护使用和维护等多种因素所决定的。完整性是结构抵抗破坏等多种因素所决定的。完整性是结构抵抗破坏的重要属性，结构的的重要属性，结构的和和在很大程在很大程度上度上依赖于依赖于结构的结构的。推出的焊接结构推出的焊接结构“合于使用合于使用”评定指南中定义：合于使用是指结构在规定的评定指南中定义：合于使用是指结构在规定的寿命期内具有足够的可以承受预见的载荷和环寿命期内具有足够的可以承受预见的载荷和环境条件的能力，即境条件的能力，即“合于使用合于使用
32、”是结构完整性是结构完整性要求所要达到的目标，是完整性评定所要探索要求所要达到的目标，是完整性评定所要探索的内容。的内容。化学工业出版社 Chemical Industry Press31/128根据工程结构的经济可承受性要求，完根据工程结构的经济可承受性要求，完整性应保证结构的可用性（适用性或合于使用整性应保证结构的可用性（适用性或合于使用性），要证明结构的功能或能力是否足够完成性），要证明结构的功能或能力是否足够完成使用要求。使用要求。针对针对而言，而言，可靠性与失效对应可靠性与失效对应,安全性与风险对应安全性与风险对应，完整性与损伤对应完整性与损伤对应。损伤的程度对结构的完整性产生影响，
33、损伤的程度对结构的完整性产生影响，损伤是结构的功能退化过程，损伤的极限是失损伤是结构的功能退化过程，损伤的极限是失效，而造成损伤的原因是结构所承受的载荷与效，而造成损伤的原因是结构所承受的载荷与环境等各种构成危险的因素。因此，环境等各种构成危险的因素。因此，化学工业出版社 Chemical Industry Press32/128为了全方位了解影响焊接结构使用性为了全方位了解影响焊接结构使用性能和完整性的各种复杂因素和交互作用，能和完整性的各种复杂因素和交互作用，了解制造因素和目标性能的关系，可以从了解制造因素和目标性能的关系，可以从焊接结构形成过程的焊接结构形成过程的热学热学、组织组织和和力
34、学力学三三个环节分析构件的焊接性能。个环节分析构件的焊接性能。化学工业出版社 Chemical Industry Press33/1288.2.1 构件焊接性构件焊接性是指对于一定的材料和结构形是指对于一定的材料和结构形状，通过焊接技术手段获得优质使用性能焊接状，通过焊接技术手段获得优质使用性能焊接结构的可行性。与结构的可行性。与“材料焊接性材料焊接性”的概念相比，的概念相比，构件焊接性的含义更广泛，它可以包含以下三构件焊接性的含义更广泛，它可以包含以下三方面内容，其关系可用图方面内容，其关系可用图8-5表示。表示。化学工业出版社 Chemical Industry Press34/128（1
35、）材料的焊接适应性材料的焊接适应性 这一内容涉及焊接这一内容涉及焊接结构所使用的母材和结构所使用的母材和焊接填充材料的种类、焊接填充材料的种类、化学成分和原始状态等，它们化学成分和原始状态等，它们主要影响熔化凝固后形主要影响熔化凝固后形成的焊接接头显微组织成的焊接接头显微组织和缺陷种类。和缺陷种类。图图8-5 构件焊接性的定义构件焊接性的定义 化学工业出版社 Chemical Industry Press35/128（2）设计的焊接可靠性设计的焊接可靠性 这一内容涉及这一内容涉及焊接结构的形状、尺寸、板材厚度、约束条件焊接结构的形状、尺寸、板材厚度、约束条件、焊缝和焊接接头形式等，它们主要影响
36、焊接、焊缝和焊接接头形式等，它们主要影响焊接接头中的焊接变形和残余应力、应力集中和工接头中的焊接变形和残余应力、应力集中和工作应力分布等。作应力分布等。（3）制造的焊接可行性制造的焊接可行性 这一内容涉及这一内容涉及焊接方法、焊接速度、焊接操作方式、坡口形焊接方法、焊接速度、焊接操作方式、坡口形状、焊接顺序、多层焊、定位焊、预热和焊后状、焊接顺序、多层焊、定位焊、预热和焊后热处理等，它们主要影响焊接接头的形成能力热处理等，它们主要影响焊接接头的形成能力、缺陷类型和综合力学性能等。、缺陷类型和综合力学性能等。化学工业出版社 Chemical Industry Press36/128（1）影响强度
37、性能的因素影响强度性能的因素从狭义上来说，构件焊接性可理解为所需从狭义上来说，构件焊接性可理解为所需求的强度性能。焊接接头的强度受到化学成分求的强度性能。焊接接头的强度受到化学成分和温度循环等主要影响因素的支配，而这些因和温度循环等主要影响因素的支配，而这些因素又受到如焊缝类型、预热温度等的影响。强素又受到如焊缝类型、预热温度等的影响。强度行为可用一些主要的物理特征值来描述，而度行为可用一些主要的物理特征值来描述，而这些主要特征值又可能涉及另一些次要的或工这些主要特征值又可能涉及另一些次要的或工艺的特征值。艺的特征值。8.2.2 影响构件焊接性的因素影响构件焊接性的因素 化学工业出版社 Che
38、mical Industry Press37/128图图8-6 影响焊接接头强度的主要因素影响焊接接头强度的主要因素 化学工业出版社 Chemical Industry Press38/128图图8-6为一幅仅限于影响焊接接为一幅仅限于影响焊接接头强度性头强度性能的不完全的可变因素图，由此可看出能的不完全的可变因素图，由此可看出“构构件焊接性件焊接性”的复杂性。的复杂性。(2)影响焊接变形和应力的因素影响焊接变形和应力的因素焊接残余应力和焊接变形是构件焊接性焊接残余应力和焊接变形是构件焊接性的重要组成部分，它直接影响到冷、热裂纹的重要组成部分，它直接影响到冷、热裂纹的产生和构件的使用性能并妨碍
39、制造过程。的产生和构件的使用性能并妨碍制造过程。化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Industry Press 化学工业出版社 Chemical Ind
40、ustry Press47/128焊接变形与应力是由多种因素交互作用而焊接变形与应力是由多种因素交互作用而导致的结果。导致的结果。图图8-7给出了引起焊接变形和应给出了引起焊接变形和应力的主要因素及其内在联系。力的主要因素及其内在联系。是产生焊接变是产生焊接变形与应力的决定性因素，热输入是通过材料性形与应力的决定性因素，热输入是通过材料性能因素、制造工艺因素和结构设计因素所构成能因素、制造工艺因素和结构设计因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接变形和应力。影响热源运动，最终形成了焊接变形和应力。影响热源周围金属运动的内拘束
41、度主要取决于材料的热周围金属运动的内拘束度主要取决于材料的热物理参数和力学性能，而外拘束度主要取决于物理参数和力学性能，而外拘束度主要取决于制造工艺因素和结构设计因素。制造工艺因素和结构设计因素。化学工业出版社 Chemical Industry Press48/128图图8-7 影响焊接变形和应力的主要因素及其内在联系影响焊接变形和应力的主要因素及其内在联系 化学工业出版社 Chemical Industry Press49/1288.2.3 热热-力力-组织的交互关系组织的交互关系以往对以往对“构件焊接性构件焊接性”的描述多数为定性的描述多数为定性的语言描述，目前已经发展了一些实验方法，的
42、语言描述，目前已经发展了一些实验方法，可以针对某一具体情况或特定的性能参数来定可以针对某一具体情况或特定的性能参数来定量描述，但宏观上全面对焊接性进行定量描述量描述，但宏观上全面对焊接性进行定量描述却十分复杂，也十分困难。随着科学技术的发却十分复杂，也十分困难。随着科学技术的发展，特别是展，特别是计算机和数值模拟计算机和数值模拟技术的进步，可技术的进步，可将焊接性分解成温度场、变形和应力场以及显将焊接性分解成温度场、变形和应力场以及显微组织状态场，这对于微组织状态场，这对于定量分析焊接问题定量分析焊接问题具有具有重要意义。重要意义。化学工业出版社 Chemical Industry Press
43、50/128 注：注：实线箭头表示存在强烈的影响，虚线箭头表实线箭头表示存在强烈的影响，虚线箭头表示影响较弱，在工程上可以忽略其间的相互关联。示影响较弱，在工程上可以忽略其间的相互关联。图图8-8 温度场、变形和应力场及显微组织状态场温度场、变形和应力场及显微组织状态场 化学工业出版社 Chemical Industry Press51/128显微组织的转变不仅决定于材料的化学成显微组织的转变不仅决定于材料的化学成分，也决定于焊接热循环过程。分，也决定于焊接热循环过程。为强调相变行为强调相变行为的影响，并显示有限元分析中的基本输入和为的影响，并显示有限元分析中的基本输入和输出参数，可以对图输出
44、参数，可以对图8-8加以扩展形成如图加以扩展形成如图8-9所所示示“热热-力力-组织组织”的关系图，使各种影响因素之的关系图，使各种影响因素之间的关系更为清晰和细致。间的关系更为清晰和细致。化学工业出版社 Chemical Industry Press52/128图图8-9 显微组织转变对焊接性的影响显微组织转变对焊接性的影响 化学工业出版社 Chemical Industry Press53/128从前述内容可以看出，焊接结构的性能和从前述内容可以看出，焊接结构的性能和质量问题涉及到三个主要方面：质量问题涉及到三个主要方面：热场热场 即温度场，主要涉及传热学知识；即温度场，主要涉及传热学知识
45、；变形和应力场变形和应力场 涉及有力学知识，包括流涉及有力学知识，包括流体力学、材料力学、弹塑性力学、断裂力学；体力学、材料力学、弹塑性力学、断裂力学；显微组织状态场显微组织状态场 对应有金相学知识，包对应有金相学知识，包括金属学、焊接冶金学、金属力学性能等。括金属学、焊接冶金学、金属力学性能等。化学工业出版社 Chemical Industry Press54/1288.3.1 焊接结构的完整性概念焊接结构的完整性概念（1）结构完整性管理）结构完整性管理基于安全性考虑，工程结构完整性管理基于安全性考虑，工程结构完整性管理在国际上受到高度重视。结构完整性管理特别在国际上受到高度重视。结构完整性
46、管理特别强调检测的作用，检测如同人的体检，就是检强调检测的作用，检测如同人的体检，就是检查结构的损伤情况，为完整性诊断提供查结构的损伤情况，为完整性诊断提供“病病情情”。依据结构可靠性、安全性与完整性的辨。依据结构可靠性、安全性与完整性的辨证关系，证关系，结构完整性管理主要任务结构完整性管理主要任务包括包括结构失结构失效模式分析效模式分析、风险分析及完整性评价风险分析及完整性评价。化学工业出版社 Chemical Industry Press55/128结构在制造及运行过程中不可避免地存结构在制造及运行过程中不可避免地存在或出现各种各样的缺陷、材料组织性能劣在或出现各种各样的缺陷、材料组织性能
47、劣化以及外力损伤等对结构使用性能构成影响化以及外力损伤等对结构使用性能构成影响的因素。的因素。特别是随着结构服役时间的增长，损伤特别是随着结构服役时间的增长，损伤的累积会导致裂纹的形成与扩展，裂纹扩展的累积会导致裂纹的形成与扩展，裂纹扩展到临界尺寸形成断裂，这一过程是结构由初到临界尺寸形成断裂，这一过程是结构由初始状态向破坏（或失效）状态的演变。始状态向破坏（或失效）状态的演变。结构完整性管理就是要监控结构全寿命结构完整性管理就是要监控结构全寿命周期的完整性状态的变化过程。周期的完整性状态的变化过程。因此，结构因此，结构完整性管理也可以称为完整性状态管理完整性管理也可以称为完整性状态管理。化学
48、工业出版社 Chemical Industry Press56/128结构完整性管理是一项系统工程方结构完整性管理是一项系统工程方法，是多学科交叉的集成管理，具有法，是多学科交叉的集成管理，具有与与。积极开展结构完整性管理研究与应积极开展结构完整性管理研究与应用，对保证结构的安全性与经济性具有用，对保证结构的安全性与经济性具有极其重要的意义。极其重要的意义。化学工业出版社 Chemical Industry Press57/128（2）焊接结构的完整性焊接结构的完整性 焊接结构的完整性特点焊接结构的完整性特点 焊接结构的焊接结构的显著特点之一就是整体性强，焊接结构的完整显著特点之一就是整体性强
49、，焊接结构的完整性就是要保证焊接结构在承受载荷和环境介质性就是要保证焊接结构在承受载荷和环境介质作用下的整体性要求。作用下的整体性要求。焊接结构的整体性要求包括接头的强度、焊接结构的整体性要求包括接头的强度、结构的刚度与稳定性、抗断裂性和耐久性等。结构的刚度与稳定性、抗断裂性和耐久性等。焊接接头的性能不均匀性、焊接应力与变形、焊接接头的性能不均匀性、焊接应力与变形、焊接接头应力集中以及焊接缺陷等因素对焊接焊接接头应力集中以及焊接缺陷等因素对焊接结构的完整性都有不同程度的影响，充分考虑结构的完整性都有不同程度的影响，充分考虑这些因素是焊接结构完整性分析的重点内容。这些因素是焊接结构完整性分析的重
50、点内容。化学工业出版社 Chemical Industry Press58/128焊接结构完整性指标焊接结构完整性指标 完整性指标是完整性指标是评价焊接结构完整程度的依据，但目前尚未建评价焊接结构完整程度的依据，但目前尚未建立完善的焊接结构完整性指标体系。立完善的焊接结构完整性指标体系。根据结构完整性的要求，结合焊接结构根据结构完整性的要求，结合焊接结构的特点，焊接结构完整性指标应当包括强度、的特点，焊接结构完整性指标应当包括强度、刚度、断裂韧度、损伤容限、疲劳性能和耐腐刚度、断裂韧度、损伤容限、疲劳性能和耐腐蚀性能等。蚀性能等。每一项指标都受到焊接接头区不均匀性每一项指标都受到焊接接头区不均
