课程编码： 08S4290030
课程中文名称：焊接结构学
课程英文名称：Mechanics of Welding Structure
总学时：40 讲课学时：40 习题课学时：实验学时： 上机学时：0
授课对象：材料科学与工程学院 焊接技术与工程系
先修课程：焊接电弧及弧焊方法 材料力学 金属力学性能
一、课程教学目的
本课程是焊接技术与工程专业本科生的专业基础课,内容涉及到焊接传热学和焊接结构两大方面.目的是通过焊接热过程、焊接接头和构件的应力与变形演变过程、焊接构件的脆断和疲劳特性的学习，使学生了解焊接结构的特点、应用和可能出现的问题及其原因。本课程最大的特点就是理论性更深入，并且与其它学科和工程实际密切联系。通过本课程的学习，为今后从事焊接技术与工程等方面的工作和科学研究奠定较为扎实的基础，培养学生灵活运用知识能力，为解决工程实际问题提供专业思路。
二、教学内容及基本要求
教学内容
绪论
焊接性分析,构件焊接性(材料―焊接适应性,设计―焊接可靠性,制造―焊接可行性)；焊接结构概述,特点,优点,应用范围；本课程的内容范围,结构和学习要求
第一章 焊接的热场与流场
第一节 基本原理
焊接温度场的意义,焊接热源的类型,焊接热源的功率;热传导定律,辐射传热定律,对流传热定律,导热微分方程式,初始条件和边界条件,材料热物理性质的特征值.几何尺寸和热输入的简化模型:必要性,几何尺寸简化,热源空间尺寸形状简化,热源作用时间因素的简化,模型选择应考虑的问题,模型求解(数值解)与试验结果的比较.
第二节 整体温度场
固定瞬时热源作用下的温度场;连续固定和移动热源下的温度场;高斯热源分布;热饱和与温度均匀化;有限尺寸影响;有限元法简介.
第三节 焊接熔池的热场与流场
焊接电弧热源;热平衡与热流密度,熔化焊传热模型,电极熔化,母材熔化,熔化金属与母材的相互作用,焊接熔池模型,焊接电弧模型,表面张力模型,焊缝形状模型,小孔模型.
第四节 其它焊接过程的温度场
火焰加热时的温度场,电阻加热时的温度场,摩擦生热及温度场
第五节 焊接热循环对母材的影响
热影响区显微组织的转变,时间温度转变图,显微组织转变模型,单道焊时热循环的影响,多道焊时热循环的影响.
第二章 焊接应力
第一节 内应力的产生
内应力及其产生原因,弹性热应力场,弹塑性热应力场,热力学基本方程,材料热物性和力学特征值,焊接引起的内应力.
第二节 收缩力与应力源模型
纵向收缩力模型,横向收缩力模型,模型在圆筒和球壳上的应用,残余应力源模型.
第三节 焊接残余应力
焊接残余应力的分布,焊缝纵向残余应力,焊缝横向残余应力,焊接相变赢利,拘束焊接赢利,点焊,喷涂及火焰切割时的残余应力;焊接残余应力的影响,残余应力的测量.
第四节 减少残余应力的措施
必要性,设计措施,选材措施,制造工艺措施(包括焊前措施,焊时措施,焊后措施)
第三章 焊接变形
第一节 焊接变形的一些基本概念
自由变形,外观变形和内部变形,焊接引起变形的种类,产生原因.
第二节 焊接残余变形
纵向收缩变形及挠曲变形,横向收缩及坡口横向偏移,角变形,错边变形及扭曲变形,波浪变形.
第三节 焊接变形的测量与矫正
焊接过程中应变与位移的测量,焊后变形测量.预防焊接变形的措施,焊接过程中变形的调整控制措施,焊后矫正焊接变形的方法.
第四章 焊接接头
第一节 焊接接头的一般性能
焊接接头的基本概念,焊接接头的不均匀性及其力学行为,焊缝及接头的基本形式,分类及表示方法.
第二节 焊接接头的工作应力分布工作性能
应力集中的概念,电弧焊接头的工作应力分布和工作性能,接触焊接头的工作应力分布和工作性能,铆焊联合结构与铆焊联合接头.
第三节 焊接接头静载强度计算
工作焊缝与联系焊缝,强度计算的假设,电弧焊与接触焊接头的静载强度计算,焊缝许用应力.
第五章 焊接结构类型及其力学特点
第一节 焊接结构的基本类型
焊接结构的各种分类方法及相应类型的特点,焊接结构的合理性分析.
第二节 焊接结构的力学特征
桁架结构及其力学特征,板壳结构及其力学特征,实体结构及其力学特征.
第三节 焊接结构实例分析
桥梁,焊接容器,机床机身,旋转体,薄板结构等.
第六章 焊接结构的脆性断裂
第一节 金属材料的脆性断裂
脆断事故及研究脆断的意义,脆断的形态特征及影响因素,脆性断裂的能量理论,材料断裂的评定方法.
第二节 焊接结构的特点及其对脆断的影响
刚度大,整体性强的特点,焊接结构制造工艺特点
第三节 焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法
脆性断裂的产生,扩展与停止,焊接接头抗开裂性能试验,止裂试验.
第四节 预防焊接结构脆性断裂的措施
正确选材,采用合理的焊接结构设计,用断裂力学方法评定结构安全性.
第七章 焊接接头和焊接结构的疲劳强度
第一节 材料的疲劳断裂
研究的意义,疲劳断裂的过程和断口特征,疲劳限和疲劳强度的表示法.
第二节 焊接接头疲劳强度的计算
第三节 断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用
裂纹的亚临界扩展,疲劳裂纹扩展特性,疲劳裂纹扩展寿命的估算.
第四节 影响焊接接头疲劳强度的因素和改进措施
应力集中的影响及降低应力集中的措施,近缝区金属性能变化的影响及材料机械性能的改善,残余应力的影响及残余应力场的调整,缺陷的影响及特殊保护措施.
第八章 焊接结构设计
第一节 焊接结构设计的一般原则
焊接结构设计的一般思路,焊接结构的合理性分析,结构强度,制造工艺及经济性等,焊接结构设计中应注意的问题.
第三节 焊接结构设计实例
焊接机身,压力容器,薄板结构等.
本课程的基本要求是：
1、了解和掌握焊接热过程的分析和计算方法；
2、了解焊接应力和变形产生的原因及调整和控制应力与变形的方法；
3、掌握焊接接头承载能力的计算方法；
4、了解焊接结构设计中应注意的问题。
三、课程负责人示范性教学设计
1.内容体系
（1）教学定位
本课程是焊接技术与工程专业的一门专业课程，又是一门多学科并且学科交叉的课程。需要结合先修课程，如理论力学、材料力学、金属力学性能、金属学及热处理等知识，加深对本课程的理解和掌握。通过本课程的学习，为今后从事焊接技术与工程等方面的工作和研究奠定必要的基础。
（2）知识点与学时分配
①．焊接结构力学总论 2学时
焊接结构概述介绍焊接结构的特点、焊接结构的应用范围、结构焊接性分析
②．焊接的热场与流场 13学时
焊接的热场与流场基本原理，包括电弧焊热过程概述、焊接热源、传热的基本原理、焊接熔池的数学模型；焊接整体温度场，瞬时固定热源温度场，连续移动热源作用下的温度场，高斯分布热源作用下的温度场；焊接热循环及其主要参数，焊接热循环参数的计算，多层焊接时的热循环，焊接热循环对母材的影响；熔化区域的局部热作用，热平衡与热源密度，电极的加热与熔化；其它焊接过程的温度场。
③．焊接应力与变形 14学时
本课的核心内容介绍内应力的产生，热应变与相变应变；焊接应力与变形的形成过程，包括简单杆件的应力与变形，不均匀温度场作用下的应力与变形，焊接引起的应力与变形；焊接残余变形内容有焊接残余变形的分类，纵向收缩变形及其引起的挠曲变形，横向收缩变形及其引起的挠曲变形，角变形，其它变形；焊接残余应力部分包括，焊接残余应力的分布，焊接残余应力的影响，残余应力的测定与调节；减小焊接残余应力与变形的措施。本部分内容完成后，进入焊接力学试验部分，该部分包括a.焊接变形的测试与校正，b.焊接残余应力与测试
④．焊接接头 4学时
本部分内容包括焊接接头的不均匀性及其力学行为、焊接接头的工作应力分布和工作性能、应力集中、电弧焊接头工作应力分布和工作性能、焊接接头强度计算。
⑤．焊接结构的脆性断裂 4学时
本部分介绍的知识有：金属材料的断裂及其影响因素、金属材料的断裂形态特征、影响金属脆断的主要因素、金属材料脆断的能量理论、材料断裂的评定方法、转变温度法、断裂力学方法、焊接结构的特点及其对脆断的影响、焊接结构抗开裂性能与止裂性能的评定方法、脆性断裂的引发,扩展和停止、焊接结构的两种设计原则、抗开裂性能试验、止裂试验，预防焊接结构脆断的措施，断裂力学评定安全性。
⑥．焊接接头和结构的疲劳强度 4学时
本部分内容是比较重要的，密切与实际工程相联系，讲解的重点在疲劳断裂过程和断口特征，焊接结构的疲劳限表示法，焊接接头疲劳强度计算；断裂力学在疲劳裂纹扩展研究中的应用，裂纹的亚临界扩展，疲劳裂纹扩展特性da/dN-�K 曲线；疲劳裂纹扩展寿命估算；影响焊接接头疲劳强度的因素，应力集中的影响，近缝区金属性能变化的影响，残余应力的影响，缺陷的影响；提高焊接接头疲劳强度的措施，包括降低应力集中，调整残余应力场，改善材料的机械性能，特殊措施。
2.教材的选择
《焊接结构学》 方洪渊 主编 机械工业出版社
《焊接热效应》 D.拉达伊 著 机械工业出版社 1997（辅助）
《焊接热过程计算》H.H.雷卡林 著 中国工业出版社（辅助）
3. 课程的讲授
（1）重点及难点
焊接热循环参数的计算，多层焊接时的热循环，焊接热循环对母材的影响；熔化区域的局部热作用，热平衡与热源密度，电极的加热与熔化；焊接应力与变形的形成过程，焊接残余应力的影响；焊接结构的特点及其对脆断的影响；焊接结构的疲劳限表示法，影响疲劳强度的因素，即应力集中的影响，近缝区金属性能变化的影响，残余应力的影响。
（2）课程中应该注意的授课方法
首先需要结合先修课程，如理论力学、材料力学、金属力学性能、金属学及热处理等知识，加深对本课程的理解和掌握；其次要结合大量典型具体工程实例，例如KM6工程,“神舟”号飞船返回仓制造过程中的焊接应力与变形控制等，帮助学生加深理解理论知识，同时提高学习热情和兴趣。
4.作业等
根据教学进度和学生理解情况，针对重点和难点部分向学生布置约5次作业，以此了解学生对所学内容的掌握情况，及时发现和解决相关问题。
5.考试与课程评定
本门课程为考查课，平时及期中占20%，作业占10%，实验占10%，期末考试占60%
实验项目明细表:
序号 | 实验项目名称 | 学时 | 实验要求 | 实验类型 | 每组人数 |
1 | 焊接应力与变形的测量 | 2 | 必修 | 验证 | 5 |
2 | 焊接变形控制 | 2 | 必修 | 验证 | 5 |
注：实验要求填写：必修或选修
实验类型在以下四种中选择：演示、验证、综合、设计
每组人数指一次实验共用同一套设备的人数