《焊接结构的特点》教案
一、教学目标
（一）知识目标
1. 理解焊接结构的定义及组成特点，明确其区别于铆接、螺栓连接的本质特征
2. 掌握焊接结构在力学性能、制造工艺、设计灵活性等方面的核心特点
3. 了解焊接结构的常见应用场景及局限性
（二）能力目标
4. 能根据工程需求分析焊接结构的适用性，对比不同连接方式的优劣
5. 具备初步判断焊接结构潜在风险（如应力集中、变形）的能力
（三）素养目标
6. 培养辩证分析工程问题的思维，认识焊接结构在现代制造业中的双面性
7. 强化质量意识，理解焊接工艺对结构安全的决定性影响
二、教学重难点
（一）教学重点
8. 焊接结构的力学性能特点（强度、刚度、密封性）
9. 焊接结构的制造工艺优势（一体化成型、材料节省）
（二）教学难点
10. 焊接残余应力与变形的产生机理及影响
11. 焊接结构脆性断裂的影响因素分析
三、教学方法
? 对比分析法：制作焊接、铆接、螺栓连接的性能对比表
? 案例研讨法：结合压力容器、桥梁桁架等典型结构分析
? 图示讲解法：用应力分布图、变形示意图辅助教学
? 实验演示法：通过薄板焊接实验展示变形现象
四、教学过程
（一）课程导入（5分钟）
12. 展示典型焊接结构实物或图片：
? 三峡大坝压力钢管（厚板焊接结构）
? 波音787机身蒙皮（铝合金焊接结构）
? 核电站反应堆压力容器（特种钢焊接结构）
13. 提问引导：
为什么这些重大工程选择焊接而非螺栓连接？焊接结构有哪些独特优势？
14. 概念界定：
焊接结构是指通过焊接方法将金属构件连接成的整体结构，其基本单元是焊接接头。
（二）焊接结构的核心优势（30分钟）
1.力学性能优异
? （1）高强度连接
? 焊接接头强度可达母材的85%-110%（如Q345钢对接焊缝抗拉强度≥345MPa）
? 案例：某钢桥焊接节点实测强度比螺栓连接高40%
? （2）高刚度整体性
? 无连接件间隙，结构刚度比铆接高30%-50%
? 图示：起重机臂架焊接结构的变形量远小于铆接结构
? （3）良好密封性
? 典型应用：
? 高压储罐（焊接接头泄漏率0.01mL/h）
? 潜艇壳体（水下1000米焊接结构无渗漏）
2.制造工艺优势
? （1）材料利用率高
? 对比：螺栓连接需额外钻孔，材料浪费约15%-20%，焊接结构浪费5%
? 数据：某汽车车架采用焊接工艺后，材料成本降低12%
? （2）一体化成型能力
? 复杂曲面结构一次成型（如风电塔筒圆锥段焊接）
? 案例：某航天器燃料箱采用整体焊接工艺，减少零件数量70%
? （3）自动化适应性强
? 可实现机器人全位置焊接（如管道全位置自动焊）
? 效率对比：手工电弧焊8m/h，自动埋弧焊可达50m/h
3.设计灵活性突出
? （1）截面形状自由设计
? 可制作箱型、工字型、变截面等复杂形状
? 实例：国家体育场鸟巢钢结构的扭曲构件焊接
? （2）异种材料连接可行性
? 铜-铝焊接（变压器绕组连接）
? 钢-钛焊接（化工设备耐腐蚀层）
? （3）轻量化设计潜力
? 焊接结构比铆接轻20%-30%（如高铁车厢焊接铝合金结构）
（三）焊接结构的固有局限性（20分钟）
1.应力与变形问题
? （1）焊接残余应力
? 典型数值：低碳钢焊接残余拉应力可达屈服强度的50%-80%
? 危害：某压力容器因焊接应力导致提前疲劳失效
? （2）焊接变形
? 常见形式：角变形（如板对接焊后呈V型）、波浪变形（薄板焊接）
? 矫正成本：某船舶甲板焊接变形矫正费用占总成本15%
2.质量控制难点
? （1）缺陷隐蔽性
? 内部缺陷（如气孔、夹渣）需无损检测（UT/RT）
? 案例：某管道焊接未检测出的裂纹导致泄漏事故
? （2）性能不均匀性
? 热影响区（HAZ）硬度下降15%-30%（如高强钢焊接）
? 图示：焊接接头各区硬度分布曲线
3.环境适应性限制
? （1）低温脆性倾向
? 某北方桥梁焊接结构在-40℃发生脆性断裂
? （2）疲劳强度短板
? 焊接接头疲劳强度比母材低30%-50%（如吊车梁焊缝）
（四）工程应用对比分析（15分钟）
结构类型
焊接结构
螺栓连接结构
铆接结构
承载能力
高（接头强度接近母材）
中（受螺栓强度限制）
低（铆钉剪切强度低）
制造效率
自动化程度高，适合批量
装配工序多，效率低
需钻孔铆接，效率最低
维护成本
无连接件更换问题
螺栓需定期紧固
铆钉易松动，维护频繁
典型应用
压力容器、桥梁、船舶
临时结构、可拆卸设备
老式钢结构（如古建筑）
（五）课堂互动（10分钟）
15. 小组辩论：
在高层建筑钢结构中，焊接结构是否完全替代螺栓连接？
16. 案例分析：
展示某储油罐焊接裂纹事故