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焊接零排放防毒技术规范
fmjzzh 2018-7-28 07:02
焊接零排放防毒技术规范 天津施为安全防护技术研究院 中安(天津)机电技术研究院 碳缘(北京)环保工程设计院 零排放(天津)工业设计院 一就专利设计服务股份有限公司 诗道科技投资股份有限公司 标准起草人、发明人、著作权人 吴煜文 、白津生、魏德立、陈曦、杨耿煌、荆锴、王忠孝、秦建、屈艳利 1本标准规定了焊接工艺零排放防毒的技术要求和竹理措施。 本标准适用于焊接工艺过程中粉尘、毒物危害控制的零排放工程技术和处理,也适用于相关部门对焊接工艺过程中粉尘、毒物危害的监督。 2 规范性引用文件 下列标准所包含的条款,通过在本标准中引用而构成本标准的条款。凡是注日期的引用 文件,其随后所有的修改单 ( 不包括勘误的内容 ) 或修订版均不适用于本标准,然而,鼓励 根据本标准达成陇议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文 件,其最新版本适用于本标准。 GB 2894 安全标志及其使用导则 GB/T 3609.1 职业眼面部防护 . 焊接防护 . 第 1 部分 : 焊接防护具 GB 8958 缺氧危险作业安全规程 GB 9448 4.2 焊接与切割安全焊工防护用品 GB 11651 劳动防护用品选用规则 GBZ 1 工业企业设计卫生标准 GBZ 2. 1 工业场所有害因素职业接触限值化学有害因素 GBZ 158 工作场所职业病危害警示标识 GBZ 188 职业健康监护技术规范 GBZ/T 205 密闭空间作业职业危害防护规范 AQ/T 9002 生产经营单位安全生产事故应急预案编制导则 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本标准。 3.1 焊接 welding 通过加热或加压,或两者并用,并目使用 ( 或不用 ) 填充材料,使工件达到永久性结合 的方法。 3.2 焊接工艺 welding procedure 焊接过程中的一整套工艺程序及其技术规定。包括 : 焊接方法、焊前准备加工、装配、 焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、焊接工艺参数以及焊后处理等。 3.3 焊接操作 welding operation 按照给定的焊接工艺完成焊接过程的各种动作的统称。 3.4 焊接烟尘 welding fume 焊接过程中,由高温蒸汽经氧化后冷凝而产生的烟雾状微粒,卞要源于焊接材料和母材的蒸发、氧化。 3.5 受限空间 confined space 受限空间又叫密闭空间或有限空间。一切通风不良、容易造成有毒有害气体积聚和缺氧 的封闭、半封闭的设备、设施及场所。如各种设备内部 ( 塔、釜、槽、罐、炉膛、锅筒、竹 道、容器等 ) 和下水道、沟、坑、井、池、涵洞、阀门间、污水处理设施等。 3.6 焊工金属热 welder metal fume fever 焊接金属烟尘中的金属氧化物和氟化物等物质通过上呼吸道进入末梢细支气竹和肺,引 起典型性骤起体温升高和白细胞增多等急性全身性疾病。 3.7 压力引射式局部通风装置 pressure ejector-type local ventilation devices 压力引射式局部通风装置卞要由引射器、胶布风筒和磁性固定支座二部分组成。具有安 全可靠、体积小、质量轻、控制焊接烟尘扩散的有效范围大等特点。 3.8 零排放 Zero emission 无限地减少污染物和能源排放直至为零的活动 。 3.9 焊接零排放技术 采用下排风系统,利用排风量控制新风量,保证焊接区域形成焊件烟尘下排风导出,经过过滤、降温、液浴、中和、凝液收集。 4 一般要求 4.1 焊接工艺防尘防毒工作应坚持预防为卞、防治结合、源头控制、过程可控、综合治理 的原则,优先选择提高焊接操作的机械化、自动化水平,在焊接工作量较大的厂房、车间及 露天作业时,使用机械手或机器人代替人工操作,使操作人员远离焊接尘毒危害区域。 4.2 使用焊接工艺的企业的选址应符合 GB50187, GBZ1 的相关要求。 4.3 使用焊接工艺的企业的新建、改建、打一建建设项日,焊接工艺防尘防毒设施应与卞体 工程同时设计、同时施工、同时投入生产和使用,并进行评价。 4.4 有焊接尘毒发生源的车间应设置在厂区全年最小频率风向的上风侧。焊接作业车间的 设计和布局应符合 GB50187 的相关要求。 4.5 应积极改善焊接工艺,并采用先进的焊接材料及焊接技术以降低焊接过程中尘毒等有 害物质浓度。 4.6 引进的国外焊接防尘防毒技术和设备应符合国家、地方和行业关于防尘防毒的规定。 凡从国外引进成套焊接技术和设备,应同时引进或建设相应的防尘防毒技术和设备,不得削 减。 4.7 在焊接作业场所操作配备有除尘防毒装置的机器设备,在作业开始时,应先启动除尘 防毒装置、后启动卞机 ; 作业结束时,应先关闭卞机、后关闭除尘防毒装置。 4.8 应定期对焊接作业场所尘毒有害因素进行检测,并对通风排尘装置和其它卫生防护装 置的效果进行评价,焊接防尘防毒通风设施不得随意拆除或停用。 4.9 接触尘毒的焊接作业岗位应在醒日位置设置警示标志,标志应符合 GB2894, GBZ158 的要求。 4.10 焊接作业场所产生的电焊烟尘浓度及有毒物浓度应符合 GBZ 2. 1 的要求。 5. 工艺和焊接材料 5.1 在满足产品质量要求的前提下,合理设计焊接工艺。 5.1.1 选用烟尘产生量少的焊接方法,打一大半自动焊和自动焊的使用范围。 5.1.2 i1: 确选择电源极性,不锈钢焊条采用直流极性 i1 ,接法焊接时发尘量较低,而结构钢 焊条直流极性 i1 ,接时发尘量较大。 5.1.3 选择合适的焊接位置,选择恰当的焊接参数,选用低锰、低氢、低尘、低毒焊条。 5.2 在受限空间内进行焊接作业时,尽量采用单面焊双面成型工艺。 5.3 在不改变产品焊接特性的基础上,使用有害成分少的材料来替代有害成分多的材料。 6 粉尘和有毒气体的防护 6.1 合理进行作业的布局,合理设计通风系统,充分利用自然通风方法进行通风。 6.2 通风应遵循局部通风为卞,全面通风为辅的原则。 6.3 焊接车间或焊接量大、焊机集中的工作地点,实施全面机械通风。当焊接作业室净高 度低于 3. 5m 、或每个焊工工作空间小于 200m3 、或工作间 ( 室、舱、柜、容器等 ) 内部结构 影响空气流动而使焊接工作点的尘毒浓度超过规定时,必须实施全面机械通风。 6.4 进行全面机械通风时,应按每个焊工通风量不小于 57m3/min 进行设计。 6.5 面式打一散源应采用全面通风方式通风。 6.6 常用的全面机械通风措施包括 : 天窗、屋顶风机、轴流风机、引射风机。 6.6.1 侧墙设置轴流风机加强自然通风器 ( 天窗 ) 排风。 6.6.2 在焊接车间的屋顶设置排风风机。 6.6.3 利用天窗或在侧墙设置轴流风机进行自然通风,天窗侧墙轴流风机非同类宜单独设。 6.6.4 设置诱导风机引射室内焊接烟气流向上流通,经自然通风器排出室外。 6.7 对于点式打一散源,可使用局部排风。 6.8 对半自动焊和自动焊,应使用排烟焊枪等局部通风装置。 6.9 使用局部排风时,应使打一散源处于通风罩控制范围内。 6.10 局部机械排风系统各类型排风罩应符合 GB/T 16758 要求。局部通风形式包括固定式 排烟罩 ( 吸尘罩 ) 、移动式排烟罩、手持式排烟罩等,通风系统卞要由吸尘罩 ( 排烟罩 ) 、风 道、除尘或净化装置以及风机组成,焊接作业采取有效的局部通风的措施 : 6.10.1 局部通风应控制焊接电弧附近的风速,吸尘罩控制点的控制风速应为 0.5 } 1.Om/s o 6.10.2 使用固定式或可移式排烟罩时,应同时安装净化过滤设备或与整体通风净化系统。 6.10.3 使用固定式排烟罩时,有毒气体、粉尘等不经过操作者的呼吸带,排放日的风速以 1.Om/s 为宜 ; 风量应该自行调节,排放日高度必须高于作业厂房顶部 1.0}2.Omo 6.10.4 设置局部排烟罩捕集电焊烟尘和有毒气体,应该设置相应净化设备防止污染大气, 设置原则如下 : a) 尽可能靠近焊接作业点,对流动性较大的焊接作业,应做成可移动式的罩日,作业时罩日 可随焊接点一起移动,以提高烟尘的捕集效果 ; b) 不影响工人操作,检修方便 ; c) 在保证捕集效果的情况下,节省风量。 6.10. 5 应根据不同的作业方式、焊接工件尺寸及工艺,选择使用下吸式吸气罩、侧吸式吸 气罩、上吸式吸气罩或回转式活动吸气罩。 6.10.6 工人操作地点固定和操作方式固定的车间,可根据实际情况安装上吸式、侧吸式或 下吸式排止 I 大 I 罩。 6.10.7 在密闭船舱、化工容器和竹道内施焊或在大作业厂房非定点施焊时,应采用移动式 排烟罩,也可使用压力引射式局部通风装置。使用时,需将吸头置于电弧附近,再开动风机。 6.11 加强通风系统的维打‘和保养,使其有效地发挥作用。 以下涉及技术秘密和知识产权保护
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[转载]【物道专访】我交85后博导,助力大飞机制造|交圕•学堂
jacob8chao 2017-5-31 00:08
飞机、汽车等交通工具所使用的镁、铝等轻量化材料不断涌现。在焊接过程中,这些精心设计的轻量化材料极易受加热过程的影响,发生内部结构的剧烈变化,进而造成许多优异性能的衰减,严重影响这些轻量化材料的工业应用。所以,如何把这些材料焊接好、连接好是一个亟待解决的问题。 张超群老师致力于研究新型钛铝异种材料焊接技术,实现对飞机、火箭等减重的目的,进而让飞机飞行成本降低,同时也能减少污染物排放,并取得了显著成效。 特别在2016年9月,张超群老师受邀参加商飞设计研发中心“青创论坛”,作为青年科技专家做主题报告,与商飞设计研发中心的工作人 员们进行学术与 科研交流, 共同助力国产大飞机的制造! 那么,他的研究和成长经历又有哪些故事呢? 首期“物道专访”将带大家走近他——张超群老师。 张超群,2009-2011年在哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室攻读硕士学位,从事面向航天应用的先进特种搅拌摩擦焊接技术研究;2011-2015在英国曼彻斯特大学攻读博士学位,从事面向航空航天应用的铝钛异种材料焊接技术研究;2015年入职交大机械与动力工程学院,2016年获得博士生导师资格。 主要研究方向为: 面向汽车和航空航天应用的轻量化材料焊接与连接、焊接过程中的微观组织演变、异种金属焊接。在这些领域中,共申请发明专利11项,担任Scripta Materialia等9家国外学术期刊审稿人。2009年至今,主持或参与的横向、纵向课题共12项,其中主持3项课题(在研),包括国家自然科学基金项目和上海市自然科学基金项目等。 “科学研究的乐趣之一就是不断发现新问题,解决新问题。” 好奇心和求知欲是做好科研的最好动力。 感恩前行。“感谢导师和前辈的悉心引导,他们创造的良好科研氛围让我获得了更快的成长。” 中国商飞设计研发中心 “好奇心是最好的老师” 张超群老师小学期间直接跳级读了小学二年级,在读小学二年级之前有一段自学经历,“小时候家里有很多书,在家可以自主学习和自由阅读,”他认为这是培养他自主学习和创新思维能力的关键时期。 当时的他,只是单纯地想要探索自己未知的领域,主动付出时间和精力去看书、去学习,并不是在老师家长的压力下被迫接受。所以,他在学习上的自主性很强,会利用很多业余时间去钻研问题,去自主学习课堂上并不要求掌握的知识。比如,他初中时就对物理产生了浓厚的兴趣,在求知欲的驱动下,主动钻研高中和大学物理的知识。 “ 跟单调地应试做题相比,我更想去研究一些自己感兴趣的专业问题。 ” 在专业学习以外,受家里长辈的影响,张超群老师自小便读了很多中外名著,上大学之后虽然学的是理工科专业,但还是读了很多文史哲方面的书,这些书在调节生活的同时也给了他更宽阔的视野。“ 我们的社会需要更多具有深厚人文情怀的科学家,因为科学技术发展的最终目的是为了让人们生活得更幸福,这样我们的社会才不会陷入《黑镜》中展示的高科技悲剧之中。 ” “做科学,要立足生活和实践,更要有社会责任感” 本科期间,张超群老师出于对科学研究的浓厚兴趣,很早就参加了一项与镁铝轻质合金相关的大学生创新性实验项目,并取得了较好的成绩。据张超群老师回忆说:“这类项目当时在国内刚刚兴起,旨在鼓励本科生积极参与科研。”他把这段早期的成功科研经历归功于当时的导师,“我当时遇到的导师很好,给予了我们学生很大的自由探索空间,在科研中提供了很大的支持。” 后来,《机械设计》的授课老师向他推荐了全国大学生机械创新设计大赛,需要围绕特定主题完成一个机械类的作品。当时正值08年,南方雪灾严重,张超群老师在看电视时偶然得知,湖南、贵州等多地在零下1-2度的湿冷情况下,很多高压线上出现了冰凌。冰柱越来越大,就很有可能把高压线压垮,导致大面积停电,给当地工业生活带来诸多不便的危险。当时的他就思考是否可以设计一个除冰机器人来解决这个问题。于是,通过进行大量的网上检索,他发现当时几乎没有这样的专用输电线除冰机器人,便带领参赛团队申请了国内第一个输电线除冰机器人方面的发明专利,并制作了样机,获得了大赛二等奖并被当时的新闻联播报道。关于参加科研竞赛的收获和感悟,张老师如是总结:“机械创新设计大赛、挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛和节能减排竞赛等科技比赛让我有更多的机会不断思考、不断创新、不断实践,提高了我的动手能力,让我对科研的兴趣更加浓厚。” “我的博士导师Joseph Robson教授曾经说过:‘ When you’re doing your research, you are trying to solve problems that haven’t been solved before. You have to use your brain a lot; you never feel that you're just going through the motions. ’ 我特别赞同,科学研究工作充满了创造性和不可预测性,随时可能会发现新的科学现象,会给专注其中的人带来很大的快乐和成就感。只有喜欢自己的工作,能在工作中找到乐趣,才能真正的把工作做好。” “高山仰止,师恩难忘” 谈到自己的老师,张超群老师的言谈间充满感激。他对本科时期受到两位老师的无私帮助深怀感激,十分庆幸。“本科时,老师们都很支持我的科研想法,而且愿意提供实验场地,还特别为我留了一副实验室的钥匙,以方便我自由进入实验室,实现自己的想法。”硕士期间的导师则很注重基础学术研究,会花很多时间和他细致地讨论一些前沿的学术问题。后来,博士生期间的导师对他的影响也很大,在鼓励他进行自由学术探索、提供良好科研条件的同时,还会在重大的方向上做出很好的指引。 如今也成为一名老师,张超群老师深知自己身上的重任,而对于怎样做好一名老师,他有着自己的想法和计划:“我希望可以成为一名能够启迪学生智慧和创新想法的老师。在带学生的过程中,我会给他们很多自由的空间,我想激发他们内心对研究领域的兴趣。我认为, 当他们的求知欲和好奇心被激发出来以后,才可以更有激情地把自己的学业和科研做得更好。 正如费孝通先生所讲‘我并不认为教师的任务是在传授已有的知识,这些学生们可以从书本上自己去学习,而主要是在引导学生敢于向未知的领域进军。’ ”同时,他认为不仅要指导学生把科研搞好也要让学生全面发展,在高效完成科研任务的同时也要积极参加各种文体活动,做一个健康快乐的人。 此外,张超群老师 特别感谢上海交大对青年教师的支持 ,以及所在研究团队对其学术研究上的帮助:“我所在的团队是由 林院士 建立的,已经有20多年的历史。前年,我刚从英国回来,对国内学术情况不是特别了解,研究团队的各位老师给了我很多很好的建议,在如何申报课题、如何撰写基金申请书等方面给了我很大的帮助。” “所有的经历都是财富” 为了攻克钛铝异种材料焊接技术,张超群老师曾受国家留学基金的资助,赴英国曼彻斯特大学攻读钛铝异种材料焊接方向的博士学位。英国公派留学的经历使他的思想发生了较大的转变:“出国之前,我大部分的精力用来关注学术,其他方面关心的比较少。而英国的环境比较自由,不仅在学术上给了我更大的空间,兴趣拓展的机会也增加了很多,慢慢地我发现其他方面的经历也很重要。”在英国期间,他积极参加了很多社团活动,并担任曼彻斯特中国学生学者联谊会副主席和全英中国学生学者联谊会执委。 在留学期间,张超群老师受邀参加了第八届全英高层次人才创新创业大赛。这个大赛是中英高科技项目对接的前沿平台,国内通过这个平台引进国际高新技术。他带领的团队携先进磁控电阻点焊技术及装备项目参加了比赛,项目获得了包括英国皇家工程院院士、业内资深教授和风险投资人在内的专家组的一致好评,并在剑桥大学举行的总决赛中获得了冠军。“这次大赛让我对国内创新创业环境有了进一步了解,同时对如何把科技成果产业化有了深入了解。”张超群老师如是说。 多年的海外求学经历,张超群接受到了多元的文化熏陶,拓宽了工作、生活的视野。工作不是人生的全部,有趣的生活、健康的身体同样重要。在业余时间他坚持游泳,参加了Swimathon等业余游泳比赛,同时他还参加了跳水、潜水、皮划艇和帆船等水上运动,摄影和葡萄酒也是他调节生活的小爱好。“ 这些爱好不仅没有耽误科研,而且能让我以更好的状态投入到科研。 ” 结 语 作为一名青年科研人员,张超群老师深知自己的科研历程才刚刚起步。在未来,他将 不忘初心,心怀感恩,继续前行 ...... 物道专访之学者荐书 在采访过程中,我们希望张超群老师可以向交大的学生推荐一本他最喜欢的书。他提到要做 “有人文情怀的科学家和工程师” ,希望交大的学生打破科学与人文间的界限,在科学与人文的融合中寻求更广阔的视野。因此,他特别向大家推荐了这本社会心理学著作。 推荐书目: 《社会性动物》 推荐理由: 作者Eliot Aronson是当今最杰出的社会心理学家之一。这本书很好的结合了专业性和趣味性,通过读这本书可以让大家更加科学和批判性地看待很多个人行为和社会现象。   物道专访   “物道专访”是“交圕•学堂”之“励志学堂”的组成之一,通过网络文章推送“真人图书馆”的方式,对有一定影响力的青年学者进行深度采访,并附上其特别推荐的图书,以此激励青年学生和科技工作者勇攀科学高峰,传承、发扬李政道先生的科研精神,展示李政道图书馆的文化内涵。 注:“交圕•学堂”是以李政道图书馆“五馆合一”独特的功能定位为基础,为支撑学校“学在交大”的战略目标,精心设计并推出的全方位、多维度的文化育人服务新品牌。“交圕•学堂”聚焦于“实践体验”与“人格养成”,发挥名师、展览、空间、档案、技术等资源的聚集优势,围绕特定主题,提供集特色展览、科普教育、艺术沙龙、网络档案、社会实践于一体的全方位、立体化的体验式学习活动。 李政道图书馆微信公众号原文链接: http://mp.weixin.qq.com/s/_kAoWiqI_FS5kTUOGnqmdw 上海交通大学 上海交大 85后 博导 博士生导师 张超群 机械与动力工程学院
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构件的连接(二)——金属构件的连接
热度 6 武际可 2017-3-13 10:16
构件的连接(二) ——金属构件的连接 对于金属构件的连接就不能用木材或石材那样通过榫卯来连接了。固然也有少量的连接是从榫卯连接那里移用过来的,例如图 1 所示的键连接,它是把左下的一根轴和右上的齿轮连接在一起,以便轴和齿轮同步旋转,我们看到轴上有一个键槽,齿轮的内孔上也有一个键槽,在轴上方的那个键就插在这两个键槽之间使轴和齿轮牢固地连接在一起。键的作用有点像我们介绍过的榫卯连接中的楔钉的作用。在机械领域固然键连接用得也很普遍,不过我们认为,它并不是由于金属构件独特的特点发展起来的连接方式。 图 1 键连接 针对金属构件发展起来的独特的连接方式有哪些呢?,我们下面要主要介绍的是:焊接、铆接、螺栓连接和粘接四种。 一. 焊接 焊接是把两个金属构件要连接的地方用高温使其熔化后粘接在一起,一般是用一种比构件熔点低的金属焊条加温熔化后把两个构件粘接在一起。焊接的办法也用在两种塑料构件的连接上。它的实质是 使构件的原子和分子之间产生结合,所使用的方法是加热或加压,或同时加热又加压。 焊接办法产生得很早,我们平常说“好钢用在刀刃上”就是把好钢的刀刃与熟铁的刀背通过锻造焊接在一起的,这种办法在战国时代就已经有了。与此同时还有铸焊、铆焊、钎焊,但加热的方法,都是火炉,加热的范围太大、不集中、温度又低,所以几千年进步不大。只有到了十九世纪末、二十世纪,随着近代科技的发展才有大的改变。先后出现了燃烧乙炔加热的气焊、用电弧加热的电弧焊、薄药皮的焊条电弧焊、等离子弧焊、激光焊、超声波焊、摩擦焊、爆炸焊等新技术,由于焊点的高温,金属容易氧化,而氧化层又严重地影响焊接质量,针对这个问题出现了熔化极惰性气体保护焊、二氧化碳气体保护焊等革新。 目下,焊接的方法很多,一般都根据热源的性质、形成接头的状态及是否采用加压来分类,一般可归结为以下三类,不同的焊接对象与接头特点需要选用最适宜的焊接方法连接。 1 、熔化焊 熔化焊是将焊件接头加热至熔化状态,不加压力完成焊接的方法。它包括气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊、堆焊和铝热焊等。 2 、压焊 压焊是通过对焊件施加压力(加热或不加热)来完成焊接的方法。它包括爆炸焊、冷压焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、高频焊和电阻焊等。 3 、钎焊 钎焊是采用比母材熔点低的金属材料作钎料,在加热温度高于钎料低于母材熔点的情况下,利用液态钎料润湿母材,填充接头间隙,并与母材相互扩散实现连接焊件的方法。它包括硬钎焊、软钎焊等。 焊接连接多用在连接处需要密切不留痕迹的对接地方,例如船舶外壳的板材必须用焊接连接,自行车车轮毂与车架,输气或输送液体的的管道连接、高压气体的容器等也多用焊接。图 2 所示就是进行船舶外壳焊接的情形。 图 2 船舶外壳的焊接 焊接连接的优点是连接比较密实,不会有漏气漏水的问题。焊接可以减少结构的总重,比起铆接和螺栓连接节约不少材料。另外焊接连接的强度一般不比基材的强度差。所以焊接被广泛应用。 但是由于焊接的地方是要经过加热熔化,所以局部的金属组织结构就有被改变的可能。 焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用时,发生组织和性能变化,这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同,焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬火硬化或退火软化现象,使焊件性能下降。还有一个问题就是由于加热后构件连接在一起,在冷却后,构件在焊接时温度高低分布,所以在冷却时不同点的收缩比例也就不同,就会产生焊接残余应力和焊接变形。这些都会降低焊接的质量,使结构精度降低并且在受力后比较容易破坏。为克服焊接产生的这些问题,需要调整焊接条件,焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。另外,由于操作不当,焊接有时会产生焊接缺陷,使焊接处产生气泡、焊缝留有未焊透的空隙和焊缝留有焊渣等问题。 二. 铆接 铆接就是把两个厚度不大的板构件,通过在要连接的部位上打洞,然后将铆钉放进去,用铆钉枪冲击或加压机将铆钉铆死而将两个板构件的物体连接在一起的方法。比起焊接来说,由于焊接是把两个构件的通过原子分子的结合而融合为一体,而铆接,两个构件物理上还各是各,只是通过铆钉把它们连接在一起。所以铆接比起焊接来说,密实程度要低。但由于铆施工比较方便,所以还是有大量的结构使用铆钉连接的。我们在第一节中谈到巴黎的艾菲尔斯铁塔,就全部是用 250 万个铆钉把 18038 个构件连接在一起的。图 3 是上海建于 1908 年的浙江路桥。可以看出全桥密密麻麻的铆钉,完全是用铆钉连接的钢结构。图 4 是凸头铆钉铆接的过程。 图3 建于1908年的上海百年浙江路桥 铆接有热铆和冷铆的区分,冷铆要求铆钉的可塑性比较好,在常温下就能够产生镦头那样很大的塑性变形把构件铆死,对于比较大的构件,铆钉尺寸比较大,不妨说钉杆大于 10mm 的钢铆钉则需要热铆,即把铆钉加热到 1000 ° C 左右能够产生足够大的塑性变形的条件下,进行冲击铆接。 一般凸头铆钉会影响连接后结构的外形,例如在飞机蒙皮上用铆钉,铆钉的凸起对空气动力有影响,所以人们研究出许多新型的埋头铆钉,如图 5 。在对外力的反应来说,铆接比焊接对冲击和振动的耐受性要好得多,所以钢结构桥梁结构多用铆接。 图 4 一般凸头铆钉铆接的过程 图 5 各种铆钉头部形状和埋头铆钉 图 6 各种实心和空心的不同的铆钉 图 7 典型的铆接件, 1为铆钉;2、3为被联接件;4为盖板。 三. 螺栓连接 谈到螺栓连接,需要把话拉长一点,先从钉子谈起。因为从钉子到螺栓都统称为紧固件。 钉子的历史很长,无论中外,最早手工打造的钉子都是四棱形的椎体。自人类有铜的时代就开始有这种钉子,后来有铁器了又有铁制的钉子。这些钉子一直是用来连接木质构件的,特别是小的木质构件。至于建筑结构上的大构件,称为大木作,还有比较精致的家具,一般都用榫卯连接而不用钉子。一直到 19 世纪,所有的钉子都是手工制作的。机制的钉子,是分两步走的,最早的机制钉子是将一块适当厚度的铁板,宽度与钉子的长度一样,靠机器一条一条地剪切下来,进一步捶锻撴出顶头,这种办法称为剪板法,西方各国一直沿用到二十世纪初。所制造出的钉子仍然是四棱锥形,比起手工钉子略扁。 图 8 上边为手工钉、中间为剪板钉、下边为铁丝圆钉 后来由于发明了轧制铁丝或钢丝的方法,人们把成盘的铁丝剪成一段一段,然后把一头撴出钉头,另一头锻尖,这就是铁丝法制钉。用铁丝制作钉子是十九世纪末的事情。到二十世纪初才得到大规模生产普及应用。也就相当于清末民初,这种机制圆钉才大规模进口到中国,淘汰掉中国老式手工方形钉,中国人早先称这种圆钉为洋钉。(图 8 ) 螺丝的生产大约是和近代产业革命同步的,在 18 世纪 70 年代英国人发明了车床,于是就能够用车床车螺丝了。一直到 19 世纪中叶,人们一直是用车床来车螺丝的,到 1836 年美国人才开始有螺纹滚压工艺的专利,螺丝才开始能够大规模生产。用车床车螺丝,既浪费材料又费工,所以要作为大规模紧固原件是不可能的,滚压螺纹既省料又省时,这才为螺丝作为的紧固件的普及开辟了道路。所以实际上,大规模把螺丝应用到钢结构构件的连接上,是 19 世纪末到二十世纪初的事情。 螺栓连接的最大的优点是施工简单,拆卸和重组装都很方便,所以适宜用螺栓连接的地方大半都会采用螺栓连接。特别是在机械行业,小到钟表大到大型发动机,大部分构件都是用螺栓与螺母连接的。迄今螺栓连接已经发展得花样繁多。小的螺丝有使用十字和一字不同改锥的,大的螺栓有外六角和内六角的。特别是国际上比较流行的有两种标准,即公制与英制。此外还有美制螺纹标准。我国一般都采用公制,遇到别的标准的构件使用的时候需特别注意。图 9 和图 10 是一些常见的紧固件。图 11 是有工字钢用螺栓连接成的框架结构在一个节点上的情形。有一种把两根杆件接续起来的方法(图 12 ),就是套筒连接,把要接续的两端都攻出螺纹,然后用有螺纹的套筒把它们连接起来。 近年来出现了一种装配式网架结构(图 13 ),其施工方式很简单,把构件运到现场,一个个构件的螺纹端拧进由连接球组成的节点就完成了。每根杆两端是不同的,一端直接由螺纹连接连接球,另一端要由高强度螺栓来连接杆与连接球(图 14 )。 图 9 小的螺丝与螺栓紧固件 图 10 螺栓与螺母 图 11 用螺栓连接的钢结构节点 图 12 用套筒把两根钢筋连接在一起 图 13 网架结构 图 14 网架的连接节点 四. 胶接 胶接是利用胶粘剂在联接面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力而使两个胶接件起来的方法。胶接不仅适用于同种材料,也适用于异种材料。胶接工艺简便,胶接件不大产生变形,接头应力分布也比较均匀,胶接处具有良好的密封性、电绝缘性和耐腐蚀性。 人类应用胶接的历史很长,有几千年的历史。早期一直是使用天然的皮胶、鱼鳔胶、淀粉胶和树脂胶等。胶接的构件又以木质构件居多,大部分情形下,榫卯连接与胶接并用。二十世纪三十年代出现了高分子化学工业,有人造树脂人造橡胶的出现,之后以这些高分子材料为基料的粘结剂大量出现。二次世界大战期间,英国人把胶接法用在部分飞机结构上,后来德国人又把它用于钢铁构件的连接。 即使在现今,胶接技术仍然大量用在木材加工上,用在大量的层合板、组合版、木制家具上。胶接技术还大量用在金属与非金属构件之间的粘结,修补含有沙眼和磨损的机械零件。对于受力不大的构件之间的连接可以直接使用胶接,对于受力较大的构件之间的连接则可以与铆接、螺栓连接联合使用。胶接能够减轻结构的重量,所以胶接被大量应用于航空工业中,特别是近年来航空工业中复合材料的大量应用,胶接技术用得也就随之增加。 在介绍完构件的主要连接方式后,我们还要介绍一种不用连接的连接方法。这种连接方法,很简单,起源很早,即把一个构件简单地搁置在另一构件上。随着结构愈来愈大,愈来愈复杂,这种简单搁置的连接方法又产生重要的应用。当结构的跨度很大时,例如桥梁的跨度很大时,梁随温度变化的伸缩变形就会相当可观,如果采用我们上面说的那些把构件固接的连接方式,桥梁的伸长就足以引起桥墩的破坏。为此就要采用一种柔性连接的方式把桥梁与桥墩连接起来。这时也不能采用简单的搁置 ,因为桥梁很重,梁和桥墩之间的摩擦力很大,桥梁还是无法自由伸缩。为此人们研究一种特别的桥梁支座。目前一般是采用一种不可压缩但易于产生剪切变形的材料做成支座(图 16 )。当然还有滚柱式或其他的方式,不管是什么方式,其原理是要在上部结构变形时对下部构件的受力影响不大。这种连接方式统称为柔性连接。 图 15 桥梁的支座 1- 上钢板, 2- 不锈钢板, 3- 四氯滑板支座, 4- 下钢板, 5- 防尘罩, 6- 锚固螺栓孔, 7- 支座垫石, 8- 梁底预埋钢板, 9- 导向板 图 16 四氯滑板支座示意 我们已经介绍过迄今为止,各种材质构件连接的最主要的几种方式。一种方式的应用与推广,首先要考虑的是它的力学上的合理性与强度上的可靠性,其次便是他是不是方便和便于普及。在满足力学上的合理性的前提下,人们研究和改善各种办法使它易于推广应用。例如现今人们下大力量研究的焊接与铆接的自动化,焊接机器人就属于这方面的努力。加强自动化不仅能够节省人力,同时又能够改善连接的质量,使连接更为可靠。胶接法施工比较方便,但是在强度方面的可靠性就不容易控制,提高胶接技术的力学和强度性能乃是当今对胶接技术研究的重点。 2016/8/23
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他一介基层技工,竟改变了中国航天进程,堪称技工之王
热度 12 beckzl 2016-10-28 22:35
九层之台起于垒土 千里之行始于足下 ...    就在这个月17日,神舟十一号成功上天    这是我大中国第6次成功发射载人飞船    同时也将是载人飞行任务最长的一次    终于,我们不会被神舟的新闻刷屏好几天了    而将会是整整一个月 神舟十一号发射    有人关心发射成功后相关制造业的股市    有人关心景海鹏与陈冬多达100种的食品    有人关心两位宇航员养蚕种菜的特殊任务 景海鹏太空遛蚕    我们似乎都遗忘了一群最重要的幕后工作者    他们不是什么总指挥总工程师,也不是科学家    他们只是工作在火箭制造第一线的技术工人 火箭生产第一线    高凤林就是这一群技术工人中的佼佼者    他只是一名最基层的火箭焊接工人    却常常出现在最高级别的技术分析会上    还被指定参与制定高级别焊接质量标准 高凤林在给徒弟讲解    甚至被丁肇中邀请参与世界反物质探测器项目    仅一天就提出了令所有专家满意的制造方案 反物质探测器    长征系列火箭里他焊过的占了一半以上    能成为这样的焊接技工,天知道他经历了什么 长征系列运载火箭 …    2004年,一次全国精英表彰会议在北戴河召开    来自祖国各行业的建设精英齐聚一堂    其中有身为中国太空第一人的宇航员杨利伟    也有鲜有耳闻的一线技术工人高凤林 航天英雄杨利伟    杨利伟第一次知道了默默无闻的另一个“航天英雄”    也第一次握起了那双曾经决定他命运的手 航天幕后英雄高凤林    其实,中国的航天事业发展也经历过痛苦的时期    1974年,我国发射的搭载长空一号侦查卫星的风暴一号火箭,因发动机焊缝撕裂导致发射再度失败    这是那一代航天人心中不愿提起的痛    徒有先进的理论技术却因小小的工艺不过关而失败    共和国航天事业的根扎得还远不够深 1975年11月26日,“长征二号”火箭成功发射第一颗遥感返回式卫星    1962年,高凤林出生在最困难的年代    三年自然灾害过后生活物资极度匮乏    最好的营养便是从菜市场捡来的一点烂菜叶 三年饥荒时期捡菜叶的市民    这些苦他都扛下来了,可是还没到上学的年纪    父亲突然撒手人寰,宛如晴天霹雳    母亲一个人省吃俭用苦苦支撑着这个家庭    他也倒是很争气,在学校永远是品学兼优的那一批    高中毕业后,考入了技工学校学习焊接技术    其实高凤林对焊接的热爱远多于对收入的渴求    他内心那股 工匠精神 远不是那个讲相声的胖子所能企及的    在技校的第一堂课,高凤林就从老师口中听说到了焊接火箭发动机    这对于焊接技工来说,恐怕就是最高的荣誉了    一丝一毫的微小瑕疵都会带来巨大的事故    这可能相当于球员能在世界杯决赛首发    虽然很困难,但是成功的喜悦也会是巨大的    高凤林看了看自己的手,紧紧地攥起了拳头 冯·布劳恩博士与人类最强火箭发动机F-1    短短两年,技校的学习生活结束了    同学们大多都留在实习的单位成为正式的职员    毕业那天,学校传来一个令人惊讶的大新闻    高凤林被火箭发动机车间的领导看中了!    难道高凤林有什么贵人相助?    其实高凤林并没有什么过人的天赋    他第一次拿起焊枪时,焊条无意地碰到了铁板    耀眼的弧光和嗞嗞声吓得他一屁股坐到了地上    半天没有再动一下,过了好久才缓过来    可是他实习时的努力是一般人无法想象的    课余时间别的同学在打篮球在聊天    他就手握红砖,伸直胳膊练手臂的耐力    就连喝水时也不忘用装满水的杯子练力量    高凤林几乎将所有的时间都花在了车间    他几乎做了所有的杂活累活,成了所有师傅的徒弟    关键是,几乎所有的师傅都对他赞赏有加 高凤林现在已经成为很多人的师傅    刚刚毕业到厂里工作,高凤林就又搞了个大新闻    一个连经验丰富的老师傅都束手无策的问题    竟然被初出茅庐的高凤林解决了    1983年,长征三号火箭发动机燃烧室的研制进入尾声    但是却在最后的组装阶段出现了棘手的问题    由于新火箭采用了特殊的金属材料和复杂的结构    焊接十分困难,焊缝十分脆弱达不到设计要求 长征三号火箭发动机    老师傅们纷纷挠头,不知道如何解决这一难题    可高凤林却认为不是师傅们的技术问题    关键在于焊接材料的应力,应该由此入手改进    一个没经验的小辈竟然一举打开了大家的思路    随后领导更是放手让高凤林着手研究新的工艺    最终完美解决了问题,立了三等功,这年他21岁 高凤林    这一次的成功让高凤林意识到了知识的重要    他开始从每月交给母亲的工资中扣下5元    用来购买焊接方面的专业书籍,扩充自己    几年后,一项更重要的任务落在高凤林肩上    那是当时亚洲最大的火箭振动测试塔    测试塔的振动大梁由于材料特殊和极高的要求    这难倒了一众专家,只有高凤林信心满满    他闭关修炼一般整整研究了3天都没出门    提出了一种以温度控制的全新焊接方案    得到了从总工程师到一线技术人员的一致认可 亚洲第一高测试塔    火箭经这座振动测试塔检验通过    伴着巨大的轰鸣声和升腾的烈焰升上太空    高凤林却依旧在工作间里忙碌着    十年后,神舟载人航天计划被提上了日程    高凤林主焊的振动塔面临着升级和改造    工作人员例行对振动塔进行检测    结果令所有人大吃一惊    十年前制造的振动大梁承载能力超过了设计性能多达60吨!再测再算,还是60吨!    他们的心情绝对不亚于我们现在读到“德国下水道油布包零件”时的那种惊叹 神舟五号升空    当然,高凤林也不是没有遇到过挫折    在研究发动机螺旋管束式大喷管的焊接中    高凤林和自己的焊接小组攻关近一个月    这一个月高凤林几乎没怎么合过眼    每天工作到五点钟才回家休息    洗漱完已经是早上了,他又回到了车间继续工作    头几宿还有些师傅跟我熬到十二点,后来过几天,这些师傅说,那你就自己做你自己的吧,我也都非常理解,就说那你们都回去吧    这打了一个月的鸡血,让高凤林的头都秃了不少    可是却没有换来想象中的成功 高凤林一家唯独他一个秃 了 头    验收时,经过X光的检验却发现了200多处裂纹    好不容易歇下来的高凤林怎么经得起这样的打击    他始终不相信经过自己严密计算和细心焊接的大喷管会有这么多缺陷    经过重复的实验,他做出了一个大胆的判断    X光的检验结果是假象! X光图像下焊缝的缺陷    这个结论惊动了火箭研究院的总设计师    他们听取了高凤林的专题汇报,做了剖切分析    最后认可了他的结论,不是裂纹    说起这件事,当时的副总设计师还很是自豪    对这个项目研究,还让他获得了国家科技进步二等奖    要知道这样的奖项对于一个教授来说也是个可以吹一辈子的成就    高凤林的故事也许太过传奇,读起来不免让人想起充满主旋律的雷锋日记    但高凤林的优秀可是获得了国际专家们的认可    2006年,由世界16个国家参与的反物质探测器项    因为低温超导磁铁的制造特殊性而陷入困境    专家提出的两个方案,都没有通过国际联盟的评审    一筹莫展之时,丁肇中教授打听到了高凤林,请他出手相助    高凤林听取了之前两个方案的分析,凭借自己丰富的实践经验和深厚的理论,第二天就拿出了方案    并获得了NASA和国际联盟专家的以一致好评认可    甚至还被丁肇中点名,以特派专家的身份督导项目    一位专家这样评价高凤林: “你既有深厚的理论,又有丰富的实践经验,你是两个维度看问题,看来高技能人才是大有用武之地!” 诺贝尔获奖者丁肇中    高凤林对中国航天的贡献无疑是巨大的    长征系列火箭的研制离不开众多科学家    更离不开像高凤林这样的 “小人物”    然而以高凤林工人的身份,职称最高也只是个高级技师    如今国家破格授予他特级技师的头衔    曾经有公司开出四倍的薪酬,外加两套北京住房聘请他    虽然难免有心动,但高凤林还是选择留下    他说: 看着自己造的火箭载着卫星飞船飞上太空,那种成功之后的自豪感,是金钱不能买到的 _____________ 我们同样热爱科技 对科技未知充满孩子般的好奇 为科技给生活带来的一切改变感到热血沸腾 我们将科技的感性给大家
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焊接经验(一)
dongxiaoxi 2012-12-12 15:32
(1) 先焊接0805封装出现频次最高的元件 (2) 在设计时,一定要做好安装孔,在焊接时,将安装孔上下表面均套上螺丝,这样就可以防止娇弱的器件亲吻工作台。 (3) 联合 PROTEL 的材料清单进行工作,从材料清单上找出需求量比较多的元件,按元件顺序在 PCB 图上 COMPONENT 菜单中找到对应元件。在有元器件名称标注的情况下,通过屏幕左下方的预览窗口即可以找到所需要焊接的元器件。数出元器件个数后,将光标停在第一个需要焊接的材料清单处,每完成一次焊接,就将框内 +1 ,并挪到下一个元件处,第一块板子上的该种元件全部焊完后,要让光标从下往上循环焊接第二块板子的相同器件。这样做的好处是,经过第一块板子的焊接后,第二块板子的元件位置往往烂熟于心,不易出错。焊接进度进行了科学有效的管理,方便下次焊接时继续。 (4) 焊接前,要做如下事情:水杯保持在不易打翻,又能够得着的地方;面巾纸放在远离烙铁的地方备用;去卫生间并洗手;手机调成航空模式,并设定闹钟在 2 小时(酌情而定);关闭 QQ, 无关网页,无关程序;清理焊台,清洗海绵。 (5) 焊接完所有出现频次高的 0805 元件的时间需要记录。 (6)功能焊接(在重复性工作完成后,边焊接边测试的焊接方法)首先进行 电源部分焊接与调试。 (7) 焊接后,要及时把芯片上方防护塑料薄膜的多余部分剪掉,以避免由于不小心撕扯造成的薄膜脱落,从而芯片掉出。。。 (8) 大的贴片元件在焊接时,要先在一个焊盘上着锡,待融化焊锡后,将元件该端焊上,然后,调转镊子,使用镊子扁平端轻压元件,将其放平后补锡焊接。同理,多管脚 DIP 封装可用手指触碰的元件(例如 ISP10 接口),要先用胶带固定(绿色电工胶带要比透明胶布好使),然后焊接一个管脚,揭下胶布,注意观察元件位置是否垂直,元件主体是否压实,如果不齐,就用手指按住非焊接端(这步骤一定要注意,防止烫伤),然后焊接已焊接管脚,利用手指上的力道将芯片位置摆正后再行焊接。 (9)设计电路时出现的管脚错位,封装错误等在必要的时候可以通过刮去焊板表面镀锡,露出镀铜层的方法来解决。 (10) 买来的元件往往是用小塑料袋封装,应该在剪开个小口取完元件后,用胶布将小口封上,以防元件丢失
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一款ATMEGA16项目焊接笔记
dongxiaoxi 2012-11-8 00:00
一款ATMEGA16项目焊接笔记
与其说是笔记,不如说是错误大集合。 首先,思考了一下两个人及两个人以上的同学焊接的分工合作问题。对于一块电路板而言,手工焊接中,一块板子在同一时刻内,只允许一种0805元器件出现在焊接进程中,否则,极易出现焊接错误。但是,如果分工合理,是可以保证焊接速度的。如果焊接的同学有两个人,那焊工好的同学负责定位焊接,即只焊接0805元件的一个管脚或是ATMEGA16等贴片的对角管脚。如果焊接的同学有四人,则应两两一组,两组间不得同时焊接0805电容(因为0805电容没有标识,极易出错)。 其次,焊接的顺序为:先焊接在电路中应用最广的元件,比如0.1UF电容,当剩余元件中,一块板上的同种元件数量不超过2个时,可考虑改为功能焊接。先焊接电源部分。测试电源无误后,再焊接单片机及其外围电路。焊好外围电路后,是可以用简单的程序测试一下单片机电路是否可用。最后,焊接实用部分。编制程序。这样的好处,是既兼顾了焊接效率,又确保了成品率。 第三,介绍一个对于初学者较为常犯的错误,以资警示自己!ATMEGA16出厂时,使用的是内部1M晶振,超级坑爹啊有木有!!!周日锁死了一个芯片,周一做实验就掉链子啊有木有!!!PROGISP(USBASP)程序必须把编程熔丝勾上,太杯具啊有木有!!!熔丝低位不全选1就没法用外加7.3728M晶振啊有木有!!!为这个事耽误时间不值得啊有木有!!! 在设计一款产品时,应该在原型机设计时,多考虑使用可插拔件。即使要用ATMEGA16TQFP封装,也必须是用有芯片座的那种。这样,在设计中一旦出现错误,可以很快的进行改进,不会耽误调试的进行。直到设计有确实的把握了,才能考虑体积的缩小。同时,应该注意按键的封装必须正确,杜邦线的接触是很不牢靠的,而设计几个大小合适的按键过孔,就能实现按键的插拔,从而不会影响整个实验和调试。 使用外部7.3728M晶振时的熔丝位设定
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管脚密集贴片芯片焊接心得
dongxiaoxi 2012-10-9 17:04
(1)在PCB设计之初,就要延长其贴片焊盘,保证贴片焊盘和管脚间能够以阶梯状接触 (2)焊接前,必须使用助焊剂 (3)先焊接2个管脚作为固定 (4)焊锡丝在贴近管脚的焊盘端面,烙铁在对着管脚的焊盘端面,给锡时顺势一划,确保管脚接触点能够和焊盘连接即可 (5)焊接后需进行导通检查 个人感觉,按有些高手所述堆砌焊锡,然后轻轻一抹对于我这种笨手来说有点难度。一旦出现短路的情况,可能会毁掉整个焊板,这样追求的速度是得不偿失的。 个人研究笔记,欢迎交流与批评指正。
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CAE仿真分析应用之焊接及通讯电子领域——元计算pFEPG
serenashi 2012-9-4 17:25
http://www.ectec.asia/hy_qt.asp 焊接、通讯领域应用案例: 1 、半导体芯片温度场的数值仿真 Motorola公司在测试芯片过程需要考虑到温度场的变化,他们采用“自动生成系统”产生的有限元程序,模拟了三维温度场的演变过程,为他们的测试实验室的建造提供了可靠的依据。 半导体芯片温度场分布 2 、 GaN基LED中电输运过程的模拟 半导体和集成电路制造是一个流程高度复杂,资金高度密集的加工过程。如今,半导体(芯片或集成电路)越来越便宜,越来越普遍。然而集成电路(IC)的制造成本变得越来越高和工艺越来越复杂。合理的对半导体器件与工艺进行仿真,对生产效率的提高有着直接的影响。不同的半导体材料和器件之间差异巨大,且具有很强的非线性效应,因此其模拟工作需要程序具有很强的可修改性。pFEPG 的高度开放性和广泛适应性非常适合于此类问题的计算,采用pFEPG 系统自动生成并编制了三维的弹塑性计算程序计算了复杂而完整的三维半导体器件结构,同时考虑了半导体材料间的接触问题和多种材料参数、不同电极结构对器件性能的影响。计算结果正确合理,达到预测并且指导设计施工的目的。 数值计算所得结果 实物照片 3、激光熔池(包括融化和凝固两个过程)的有限元模拟 激光熔池(包括融化和凝固两个过程)的有限元模拟,为一复杂的高速流动的自由边界流体问题,并伴有能量的对流扩散发生。 温度变化 浓度变化 4、光敏液晶高弹体的本构特性及光致弯曲行为研究 液晶高弹体是通过对液晶高分子交联而形成的一种软物质。它同时具有高弹 体的超弹性,以及液晶特殊的物理性质,其力学行为复杂而丰富,表现出热一力- 序相互耦合的特性,各向异性以及软弹性。尤其是2001年以来成功制备了新型 的光敏液晶高弹体,可以在光照下发生大变形,甚至发生光致弯曲,有望制成微 型的光传感器和驱动器。通过pFEPG对光敏液晶高弹体的本构特性和光致弯曲进行研究与模拟。 液晶高弹体光照示意图
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焊接的分类 (从网络中摘抄整理得到)
Refri2010 2011-11-8 19:14
金属 焊 接方法 有 40 种以上,主要分 为 熔 焊 、 压焊 和 钎焊 三大 类 。 熔 焊 是在 焊 接 过 程中将工件接口加 热 至熔化状 态 ,不加 压 力完成 焊 接的方法。 熔 焊时 , 热 源将待 焊 两工件接口 处 迅速加 热 熔化,形成熔池。熔池随 热 源向前移 动 ,冷却后形成 连续 焊缝 而将两工件 连 接成 为 一体。 必要时,也会使用焊材。 压焊 是在 加 压 条件下,使两工件在固 态 下 实现 原子 间结 合,又称固 态焊 接。常用的 压焊 工 艺 是 电 阻 对焊 ,当 电 流通 过 两工件的 连 接端 时 , 该处 因 电 阻很大而温度上升,当加 热 至塑性状 态时 ,在 轴 向 压 力作用下 连 接成 为 一体。 钎焊 是使用比工件熔点低的金属材料作 钎 料,将工件和 钎 料加 热 到高于 钎 料熔点、低于工件熔点的温度,利用液 态钎 料 润 湿工件,填充接口 间 隙并与工件 实现 原子 间 的相互 扩 散,从而 实现焊 接的方法。 所谓的铜焊,就属于钎焊。 日语里焊接就写成熔接,溶接: Welding ロウ 付け: Brazing ろう付け (ろう付、ろうづけ、鑞付け、 brazing )とは、 金属 を 接合 する方法である 溶接 の一種。接合する部材(母材)よりも融点の低い 合金 (ろう)を溶かして一種の 接着剤 として用いる事により、母材自体を溶融させずに複数の部材を接合させることができる。 電気機器の配線等を接合するのに利用される はんだ が有名である。これに対して、ろう付けに用いる合金を 硬ろう といい、金属加工の分野では 銀 の合金を用いた銀ろうが最も多用されている。 溶接 (ようせつ)は、材料の接合部に連続性を持たせ接合すること。 熱 又は 圧力 もしくはその両方、さらに必要があれば適当な溶加材を使用して、部材を接合する方法。溶接、 圧接 、ろう接に分類される。 かつては 鎔接 や 熔接 の文字が利用されていたが、「鎔」「熔」ともに 当用漢字 に入れられなかったため、同音の「溶」で 同音の漢字による書きかえが されることになった。 融接は被溶接材料(母材)の溶接しようとする部分を加熱し母材のみか、または母材と溶加材(溶接棒など)とを融合させて溶融金属を作ってこれを凝固させ接合する方法で機械的圧力は加えません。 圧接は接合部へ機械的圧力を加えて行う溶接法です。 ろう接は母材を溶融することなく、母材よりも低い融点を持った金属の溶加材(ろう)を溶融させて、毛細管現象を利用して接合面の間隙(すきま)にゆきわたらせて接合をする方法で、硬ろうを用いるろう付と比較的融点の低い軟ろうを用いるはんだ付とがあります。
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我国核电面临的资源、技术、安全问题与挑战
热度 10 rczeng 2011-7-4 16:42
我国核电面临的资源、技术、安全问题与挑战 1. 我国发展核电的必然性 能源是社会和经济发展的基础 , 是人类生活和生产要素。随着社会的发展,能源的需求在不断扩大。核能不仅单位能量大,而且资源丰富,是公认的唯一现实的可大规模替代常规能源的清洁、经济能源。 国际原子能机构( IAEA )组织 2003 年 5 月统计,全球正在运行的核电机组到 2002 年底共有 441 座,总发电能力为 3597TW ,发电量约占全世界总发电量的 16% ,即约为总发电量的 1/6 。目前全世界还有 32 座核电机组正在兴建。 我国一次能源分布极为不均匀, 70% 的煤炭资源分布在西北地区,水电资源主要分布在西南地区,而经济发达的东南沿海地区,煤炭资源仅占全国的 1% ,水电资源不足 6% 。全国铁路运输能力的 40% 和水运总量的 1/3 用于煤炭运输。至 2000 年底,我国发电装机容量达到 319320MW ,其中水电 79350MW 占 24.9% ;火电 237540MW 占 74.4% ;核电 2100MW ,占 0.7% ;风力、太阳能等新能源发电约 330MW 。 我国核电在今后十年内会有快速的发展,据有关报道,在 2020 年前,力争使核电的发电总量从现在的 900 万千瓦增加到 4000 万千瓦,占我国发电装机容量的比例从 1.5% 增加到 4% 。也就是说在今后十几年中,中国要兴建一批核电站。 核电示意图 1986 年初夏,建设中的秦山一期核电站进入核反应堆安全壳施工阶段(秦山核电公司资料照片)。 2005 年 1 月 15 日是我国核工业创建 50 周年纪念日。 2. 我国核电现状 核电工业是一个技术密集型高科技产业,也是一个国家综合实力的象征。我国核电站建设坚持 “ 以我为主、中外合作 ” 的方针逐步推动国产化相结合,实现自主设计、自主制造、自主建设、自主营运的发展目标。 20 世纪 80 年代初开始,我国自行设计建造了秦山核电站,利用外资、引进国外技术、设备及管理经验合作建造了大亚湾核电站。九五期间,我国相继建成了秦山二期、秦山三期核电站,岭澳核电站,引进俄罗斯技术合作建造的田湾核电站也即将投入商业运营。十五期间,岭澳二期、浙江三门核电站、广东台山核电站已经投入建设准备,山东海阳、辽宁大连及湖南、重庆、甘肃等省也陆续开始核电站建设的调研工作。 我国已运营和核准的核电机组达 4393 万千瓦,超过国务院批准的 2020 年核电 4000 万千瓦的装机规模( 2010 年 8 月底)。我国核电站正在运行的有 13 台,在建的有 26 台(中央电视台 2010 年 12 月 13 日)。全国已完成核电厂址初步可行性研究,准备新上的核电项目总规模为 2 亿多千瓦。截至 2011 年 9 月底,国务院已核准 34 台核电机组,装机容量 3692 万千瓦,其中已开工在建机组达 25 台、 2773 万千瓦,是全球核电在建规模最大的国家。到 2015 年,我国将形成 “ 东中部核电带 ” ,即在辽宁、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西、海南等沿海省区加快发展核电;稳步推进江西、湖南、湖北、安徽、吉林等中部省份内陆核电项目。 3. 我国核电面临的问题与挑战 3.1 铀资源不足 资源的瓶颈可能成为限制中国核电装机容量继续增长的主要因素。中国的铀矿储量并不给力。中国核能行业协会公布的数据显示,中国现在已探明的铀矿储量只够 2020 年 1/3 的用量。中国铀矿储量基本满足 2020 年核电装机容量达到 4000 万千瓦的需要。如果我国实现超常规发展,将来需要依赖进口。很多人用油气进口的惯性思维来推断中国可通过进口来满足国内核电项目对铀资源的需求。实际上,铀矿的贸易严格受国际原子能机构的监控。目前还没有任何一个西方发达国家向中国出口铀。在一些铀资源丰富的非洲国家,西方公司占据了高品质的铀矿。面对中国不断攀升的核电发展目标,国外燃料企业随时可提高燃料价格。由此来看,中国核电发展只有保证了充足通畅的燃料供给,才能考虑进一步扩大装机。如果铀矿资源受控于人,不管建多少核电站,最终都将面临铁矿石一样的困境。 3.2 某些关键材料及技术没掌握 这些关键核电材料包括 核电用不锈钢、锆管,几乎全靠进口; 加工技术包括压力容器 ( 包括蒸发器等 ) 用钢及其特大锻件稳定化生产、热处理、焊接、腐蚀防护。 3.2.1 关键材料 压力容器是核电厂最重要的设备,在核电厂整个寿期内不可更换。 508-3 钢已成为通用选择。我国试制和生产 508-3 钢也已有多年的历史,基本具备满足我国核电厂建设需求的条件。但是,我国并没有完全摸清该钢不同吨位大锻件的最佳化学成分配比、冶金质量精细控制技术、最佳热加工工艺和最佳的热处理工艺,这些严重制约着 508-3 钢特大锻件的稳定化生产。另外,随着构件设计尺寸的加大,应注意到 508-3 钢的淬透性极限问题,否则是无法保证压力容器性能的均匀性和稳定性 。虽然具有更好淬透性的压力容器用钢正在开发之中,但要积累足够的辐照后的数据需要时间。 蒸汽发生器用耐蚀合金 Inconel690 管。近年来的核电厂运行实践证明,相对而言, Inconel690 因其具有较好的抗应力腐蚀性能是目前最适用压水堆核电机组蒸汽发生器的传热管材料。我国目前不能进行这种钢管的工业规模生产,核电厂建设全部依靠进口。 2007 年 6 月 28 日宝钢股份公司和江苏宜兴银环精密钢管厂合资在江苏宜兴成立了宝银特种钢管有限责任公司 , 我国在生产装备上将具备生产核用高质量 Inconel690 管的能力。但这只是迈出了核用高质量 Inconel690 管国产化的关键一步,我国仍然需要组织各方科研力量,结合生产实际情况,解决现场制造中的诸多难题以及服役环境下可能出现的问题。 300 系列奥氏体不锈钢。核电厂反应堆一般多选用奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢在水堆中的应用主要包括:堆芯结构件、堆内元件、压力容器内壁堆焊层、一二回路冷却循环系统、汽轮机部件等。从不锈钢生产线装备水平而言,我国太原钢铁公司和宝钢股份不锈钢分公司目前处于世界领先水平。从不锈钢的冶金技术水平而言,我国亦处于世界先进水平。但是,核用不锈钢的生产是个系统工程,从冶金企业出厂时品质优良并不意味着制成反应堆构件后的品质仍然优良。 我国引进的 AP1000 主管道设计采用整体锻造 316LN 异形弯管,不锈钢锭重量达到 90t 左右,存在巨大技术挑战。作为世界上第一个 AP1000 核电站建设的总承包商,美国西屋公司目前正在世界范围内组织 316LN 主管道技术攻关。在工程应用中,奥氏体不锈钢构件易出现应力腐蚀、晶间腐蚀和疲劳腐蚀问题,这些问题与冶金、制造和使用都有关系,这些问题必须得到关注、控制和解决。 3.2.2 焊接材料与技术 焊接材料与技术是核电厂建造最重要的技术之一,没有合理、完善和可行的焊接材料与工艺技术就无法完成核电厂的建造,在工程实践中出现的很多问题都直接或间接地与焊接有关。目前我国在核电厂焊接材料研发和工艺技术方面与国外相比存在着差距,需要组织力量攻关解决,其中包括自动化焊接方法的开发和应用。 3.2.3 材料的腐蚀与防护 腐蚀是核电厂设备结构失效的主要模式之一,目前,核电机组的预期设计寿命是 60 年。为保障核电机组能在整个寿期内安全可靠运行,材料的腐蚀与防护问题是必须面对的长期问题。 核电设备的腐蚀问题是保障核电站安全运行的重要技术之一。根据核电站功能单元,可将核电站的腐蚀分为一回路不锈钢应力腐蚀、腐蚀疲劳;镍基合金腐蚀;二回路 FAC 腐蚀;循环水及 BOP 设备的腐蚀。核电站腐蚀研究的重点是核电站材料的腐蚀,其中镍基合金腐蚀是核电站材料腐蚀研究的核心。目前核电站腐蚀问题的解决依然以对国外技术的引进消化吸收为主,广东核电集团根据我国核电发展的形势,提出 “ 核电技术创新 ” 工程,在引进法国 EDF 、美国 EPRI 防腐蚀技术的基础上,与苏州热工院合作首次建立了核电站设备腐蚀大纲,对核电站腐蚀问题进行系统、全面的管理。 核电站的腐蚀除了海水和海洋大气造成的腐蚀外,二回路中汽轮机的冲蚀、二回路汽水二相管道的流体加速腐蚀、蒸汽发生器的多种腐蚀失效模式的综合、一回路压力边界的高温水应力腐蚀开裂、核岛设备的硼酸腐蚀、高辐照区的辐照应力腐蚀开裂等等都是核电站面临的腐蚀问题,并且根据过去的运行经验来看,它们对核电站的运行安全和经济成本造成了比较大的影响。 由于核电站属于高投入高产出设施,百万千瓦级核电站停堆一天,可损失数十到上百万美元。美国沸水堆和压水堆核电站在 1980-1994 年期间 , 沸水堆再循环管道和压水堆蒸汽发生器管的应力腐蚀破裂是主要原因,估计损失在数百亿美元以上。美国在国会支持下于 1999 年开始对 1998 年度美国由于腐蚀导致的损失进行调查,于 2002 年发表了世界著名的调查报告,美国 1998 年腐蚀的直接耗费是 1379 亿美元,电力系统为 69 亿美元,其中核电 :42 亿美元 ; 火电 :19 亿美元 ; 水电及其它 :1.5 亿美元 ; 输电及分配 :6 亿美元。 腐蚀给核电站安全运行带来的危害可以从三个方面来考虑:( 1 )腐蚀使核电站一回路、二回路或其它设备的完整性遭到破坏;( 2 )腐蚀产物在回路的发热部位沉积,还有是腐蚀产物受放射线辐照而活化,变成放射性核素;( 3 )腐蚀使一回路、二回路或设备完整性遭到破坏。 在现代核电站中,一般都有三道核安全屏障:核燃料包壳、一回路压力边界和安全壳。但是腐蚀对它们的完整性都能产生影响,其中腐蚀能使第一、第二道屏障直接破坏,对安全壳钢内衬也有影响。如燃料元件包壳锆合金的应力腐蚀开裂和高温水腐蚀能使它破损,它破损使裂变产物泄漏到一回路,增加一回路冷却剂的放射性;一回路压力边界镍基合金、不锈钢和低合金钢的一回路水应力腐蚀开裂( PWSCC )、硼酸腐蚀、辐照应力腐蚀开裂等等都能使其完整性遭到破坏,致使一回路放射性水泄漏。而蒸汽发生器传热管的破裂则使带放射性的冷却水漏入二回路污染了二次侧的水,并有可能最终带入环境。 这方面主要的案例有: 1991 年法国 Burry-3 核电站十年安全评审对一回路进行水压试验时发现控制棒驱动机构( CRDM )贯穿件有应力腐蚀开裂,并且有泄漏。这是最早发现 CRDM 贯穿件存在应力腐蚀开裂。此后,许多国家都加强了对该部位的检查,法国发现类似的事件最多,这可能也是法国电力公司( EDF )决定更换其所有有 600 合金的反应堆压力容器顶盖的原因。 2000 年美国 V.C. Summer 核电站发现一回路主管道 A 热管段管咀应力腐蚀开裂,并造成了约 90 公斤硼酸泄漏到安全壳厂房地面。 2002 年美国 Davis Besse 核电站发现反应堆压力容器顶盖 3# 管咀附近的大盖本体金属被硼酸腐蚀了一个大洞,这部分压力边界仅剩下 1cm 厚的不锈钢内衬层,并且在内衬层上也发现了裂纹。 2003 年美国 South Texas Project - 3 核电站发现反应堆压力容器底部贯穿件有应力腐蚀开裂并且有硼酸溶液泄漏。由于此部位温度相对较低,且此部位属于在整个核电站都不能更换的设备或部件之一,此事件还是引起核电界的广泛关注。 2002年俄核俄州核电厂硼酸腐蚀事故,硼酸在6英寸厚钢制封头上腐蚀一个足球大的孔洞。 (图片来源: The New York Times reports ; http://www.treehugger.com/files/2010/06/nuclear-reactor-eaten-leaky-acid-again.php ) 日本 Tsuruga-2 稳压器仪表管咀发现硼结晶并确认是 PWSCC 引起的。这是最近一起稳压器泄漏事件,稳压器的上部仪表管咀和底部的加热套管处所用材料有 600 合金,其 PWSCC 也值得关注。 全世界范围内采用 600 合金作传热管的蒸汽发生器由于一回路侧、二回路侧的应力腐蚀开裂问题,大部分不得不整体更换蒸汽发生器。由于蒸汽发生器更换所需要的工期长,维修代价非常大。 除了核安全屏障外,其它设备的腐蚀损坏同样对核电站的安全运行造成影响,特别是公众形象。例如二回路设备高能设备的腐蚀,象汽轮机的冲蚀,二回路管到的流体加速腐蚀( FAC ),这些设备如果腐蚀程度很深的话往往会造成设备的严重损坏或人员伤亡。 最近日本 Mihama-3 核电站二回路给水管线的破裂大量蒸汽外喷导致 5 人死亡,几十人受伤的事件,就是由于二回路管道的流体加速腐蚀造成的。该事件虽然与核安全无关,但是对核电站在公众中的形象还是造成了很大的损害。 另外冷凝器传热管因腐蚀穿孔泄漏,循环冷却水进入二回路,使二回路水质严重超标,不但影响二回路设备腐蚀速率增加,更重要的是蒸汽发生器的杂质积累变得更加严重。   我国广东省深圳市的 大亚湾 核电厂维修检查期间,曾发现一条盛载冷却水的钢管出现裂痕,泄漏微量辐射。(来源 : 2010-11-16 16:16 世界经理人文摘 http://digest.icxo.com/htmlnews/2010/11/16/1423860_0.htm )。据香港核电投资有限公司董事总经理陈绍雄在回应媒体查询时表示, 大亚 湾 核电厂的一个机组反应堆上月底进行例行大修,工作人员在辅助冷却系统的管道发现问题,上报后拆开组件检查,确认有异常,再通报国家核安全局,验证后评为一级事故。不会影响公众安全。 除了上面讨论的这些设备外,其它设备象与海水接触的循环冷却水系统、大型的储存灌等压力容器、酸碱盐设备等设备的腐蚀都给核电站的安全运行带来影响。 腐蚀产物带来的不良影响主要有两种: 腐蚀产物将沉积在回路的发热部位,如一回路燃料元件棒表面、二回路蒸汽发生器二次侧传热管束表面,会导致热传导不良,积垢部位过热而损坏,而这些部位则是核电站中非常敏感的设备。一回路腐蚀产物因受放射性辐照而活化,变成放射性核素,粘附在设备的内表面非常难以清除,最常见的是钴元素。这给这些设备的维修带来很大的麻烦,会大大增加维修人员吸收的剂量。 3.3 人才短缺 核电人才短缺是个全球性的问题,我国也不例外。中国核能行业协会发布的调查数据表明,过去核电行业发展较为缓慢,但近年来,扩张式发展带来的人才渴求比较强烈。 2015 年的人才需求比较急迫; 2015 年后,随着人才队伍在实际工作中成长,人才将进入饱和期,人才需求趋于平稳。核电人才专业性非常强,企业培养一名成熟的核电人才一般需要 8 ~ 10 年的时间。 核电站投入运营后,两台百万千瓦级核电机组需要 800 ~ 1000 人的队伍,其中核相关专业需要约 400 人。有预测显示,按照目前核电的发展速度,到 2020 年总共需要近 5000 名核专业技术人员。我国目前只有 清华大学、上海交通大学、西安交通大学和哈尔滨船舶工程学院 等 4 个高校设有核动力相关专业,培养的人才远远满足不了未来核电发展对人才的需求。近几年,随着大批新建核电项目开工,高端人才不断稀释,新人成长缺乏足够的培训和积累。与此同时,一批有经验的技术和管理人才陆续退休,我国核电行业普遍出现了人才资源短缺。 未来我国核电规模发展面临的挑战还体现在核电制造水平不高、安全监管能力薄弱和核燃料后处理能力不足等方面。总的来看,各地在核电项目的规划建设中要统筹考虑好核电发展与人才、燃料、制造等方面的关系,地方发展核电的梦想与现实间的距离还是越小越好。 “ 现在核电 产 业 链上的 各个环节都非常缺人 ,不光是核电站的建设缺人,核电技术的研发、核燃料的供应和处理等也非常缺人。 ”“ 核物理方向的人才并不短缺,相比而言, 更缺少核工程方向的人才。 ”“ 核工程方向不缺中高层,缺少一线和低端的技术人才 。 ” 所缺少的一线和低端的技术人才包括: 核电管理方面,核电现场的运营管理、整个施工现场的管理、操作员的管理,安全控制、计划安排和保证,以及设备维护 等方面都非常缺人。核电建设方面,整个建设场面的控制、各个部门分工和衔接等,也缺少一大批专业人才。 3.4 核废物无法处理 俄罗斯人将核废料放置在靠近芬兰的海底,曾出现核泄漏,导致芬兰人夜不能寐。 核电跃进,核废物处理亟待解决( 2010 年 12 月 06 日 17:55:03 来源: 瞭 望东方周刊) 。核电跃进,核废物 “ 老无所依 ” 。核电大建设席卷中国沿海和内陆,涉及重大安全的核废物处置环节却在核电产业链上留下空白。 核能虽是清洁能源,但其产生的废物不仅不清洁,甚至非常危险。根据放射性的不同,核废物分为高放废物和中低放废物。其中,反应堆用过的核燃料称为乏燃料,具有极高放射性,核电站使用过的工作服、手套、废弃退役的仪器设备等则属于中低放废物。尽管乏燃料只占废物的 1% ,但却对人体危害极大。其中一种被称为钚的核素,只需摄入 10 毫克就能致人死亡。根据规划,我国 2020 年建成的 70 个反应堆,加上当时在建的 30 个反应堆,全寿期 (60 年 ) 产生的乏燃料将为 14 万吨。而目前, 由于中国的高放射性核废物的处置研究还属于初级阶段,所有的乏燃料都暂存在核电站自建的硼水池中,急切等待一个永久性的处置库安身 。中国对中低放废物已经有了较为成熟的处置技术,不论是固体核废料还是液体核废料,都先进行固化处理,然后装进 200 升的不锈钢桶,放在近地表的处置库。目前,中国已建成了两个中低放废物处置场:位于甘肃玉门隶属于中国核工业集团的西北处置场、位于广东北龙由中国广东核电集团建造的华南处置场。高放废物的处置则是一个世界性难题。乏燃料中的众多放射性元素都拥有数以万年计的半衰期,长的约为 210 万年,短的也有近 500 年。对于高放废物的处置,科学家曾提出 “ 太空处置 ” 、 “ 深海沟处置 ” 、 “ 岩石熔融处置 ” 等方案,但从工程技术的角度来说,唯一可行的是深部地质处置,也就是 “ 挖坑埋 ” :将乏燃料废液制成玻璃化的固体,装入可屏蔽辐射的金属罐中,放进位于地下 500 ~ 1000 米的处置库内。 “ 考虑到处置库中的废物毒性大,半衰期长,要求处置库的安全评价期限至少要达到 1 万年。这是目前任何工程所没有的要求。 ” 王驹说, “ 从工程技术的角度来说没有本质的难题,关键问题在选址,也就是如何向监管部门和社会公众证明埋在这里是绝对安全的。 ” 3.5 核废料归宿难觅 美国已明确将于 2017 年建成尤卡山高放废物处置库,芬兰也将于 2020 年建成乏燃料处置库。但中国的高放废物处置库仍没落定。早在十几年前,负责为高放废物处置库选址的核工业北京地质研究院已经圈定了华东、华南、西南、内蒙古、西北和新疆这 6 个预选区。在进行初步比较后,焦点聚集在了甘肃北山地区。 1989 年,北京地质研究院的选址队开始踏入北山。北山是中国最适合建造高放废物处置库的地方:这里人少、经济极不发达、地壳稳定、花岗岩体规模巨大完整、干旱、地下水流速缓慢,一切都切合选址标准。北山是国内目前工作程度最深的场址。 1989 年以来的研究成果表明,该区目前没有颠覆性问题,是一个有远景的预选区。但是,北山并非板上钉钉。除了北山外,其他 5 个区域的钻孔调查也即将开始,然后在几个点中平行比选,挑出三个最好的,再从中选一。备选区域可能在内蒙古和新疆。因为涉及地质、水文、气象、生态等复杂因素,北山之所以没有最后确定下来,也是因为各方对它的看法还没有完全统一,有人持不同意见。 ( http://news.xinhuanet.com/observation/2010-12/06/c_12853051.htm ) 3.6 我国内地建核电的隐患 基于上述分析,我国内地建核电的隐患存在以下几点:( 1 )核电运行、核燃料、废料运输、储存、保管很难保证不出现意外;天灾人祸都有可能发生,材料的腐蚀属于正常现象,压力容器管道难免发生泄漏;( 2 )一旦发生战争,敌人可以捏住我们的命门,一颗导弹就可解决战争;( 3 )内地水资源如母亲河长江污染,流域十多个省市将无一幸免;( 4 )内地人口稠密,不利于疏散。 4 . 结语 鉴于前苏联切尔诺贝利、日本今年的特大核事故,欧洲意大利、德国已经放弃核电,鉴于我国核电发展面临的资源短缺、材料装备技术、核电人才和核废料处置等问题和挑战,建议我国正在内地如湖南桃花江等地规划建设核电项目缓建或 停 建。 注 :本人非核电专家,但对核电的发展很关注。本资料系根据去年秋给本科生上课的教案修改而成,材料都是从网上查找的,有些资料来源可能有疏漏,敬请有关人士指出,并请谅解。
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TIG焊接熔池中的流体流动及传热过程的数值模拟
COMSOLFEM 2010-1-11 10:06
TIG焊接熔池中的流体流动及传热过程的数值模拟 TIG焊接熔池中的流体流动及传热过程的数值模拟
个人分类: 材料与冶金|3848 次阅读|0 个评论
Friction Stir Welding
COMSOLFEM 2009-11-13 17:13
Friction Stir Welding Friction Stir Welding
个人分类: 反应器|2352 次阅读|0 个评论
Friction Stir Welding
COMSOLFEM 2009-11-13 17:09
F R I C T I O N S T I R WE L D I N G | 223 Friction Stir Welding Introduction Manufacturers use a modern welding method called friction stir welding to join aluminum plates. This model analyzes the heat transfer in this welding process. The model is based on a paper by M. Song and R. Kovacevic (Ref. 1). In friction stir welding, a rotating tool moves along the weld joint and melts the aluminum through the generation of friction heat. The tools rotation stirs the melted aluminum such that the two plates are joined. Figure 3-17 shows the rotating tool and the aluminum plates being are joined. Figure 3-17: Two aluminum plates being joined by friction stir welding. The rotating tool is in contact with the aluminum plates along two surfaces: the tools shoulder, and the tools pin. The tool adds heat to the aluminum plates through both interfaces. During the welding process, the tool moves along the weld joint. This movement would require a fairly complex model if you want to model the tool as a moving heat source. This example takes a different approach that uses a moving coordinate system that is fixed at the tool axis (Ref. 1 also takes this approach). After making the coordinate transformation, the heat transfer problem becomes a stationary convection-conduction problem that is straightforward to model. The model includes some simplifications. For example, the coordinate transformation assumes that the aluminum plates are infinitely long. This means that the analysis neglects effects near the edges of the plates. Neither does the model account for the stirring process in the aluminum, which is very complex because it includes phase changes and material flow from the front to the back of the rotating tool. aluminumshoulderpinwelded regionjoint 224 | C H A P T E R 3 : P R O C E S S I N G A N D M A NU F A C T U R I N G M O D E L S Model Definition The model geometry is symmetric around the weld. It is therefore sufficient to model only one aluminum plate. The plate dimensions are 120 mm 102 mm 12.7 mm, surrounded by two infinite domains in the x direction. Figure 3-18 shows the resulting model geometry: Figure 3-18: Model geometry for friction stir welding. The following equation describes heat transfer in the plate. As a result of fixing the coordinate system in the welding tool, the equation includes a convective term in addition to the conductive term. The equation is where k represents thermal conductivity, is the density, Cp denotes specific heat capacity, and u is the velocity. The model sets the velocity to u = 1.59103 m/s in the negative x direction. The model simulates the heat generated in the interface between the tools pin and the workpiece as a surface heat source (expression adapted from Ref. 2): Here is the friction coefficient, rp denotes the pin radius, refers to the pins angular velocity (rad/s), and is the average shear stress of the material. As indicated, the average shear stress is a function of the temperature; for this model, you approximate this function with an interpolation function determined from experimental data given in Ref. 1 (see Figure 3-20). qsQpinuT0insulationsymmetry surfacenatural convection and surface-to-ambient radiationinfinite domains kT()QCPuT= qpinT()312+()----------------------------rpYT() (W/m2)= YT() F R I C T I O N S T I R WE L D I N G | 225 Additionally, heat is generated at the interface between the tools shoulder and the workpiece; the following expression defines the local heat flux per unit area (W/m2) at the distance r from the center axis of the tool: Here Fn represents the normal force, As is the shoulders surface area, and Tmelt is aluminums melting temperature. As before, is the friction coefficient and is the angular velocity of the tool (rad/s). Above the melting temperature of aluminum, the friction between the tool and the aluminum plate is very low. Therefore, the model sets the heat generation from the shoulder and the pin to zero when the temperature is equal to or higher than the melting temperature. Symmetry will be assumed along the weld joint boundary. The upper and lower surfaces of the aluminum plates lose heat due to natural convection and surface-to-ambient radiation. The corresponding heat flux expressions for these surfaces are where hup and hdown are heat transfer coefficients for natural convection, T0 is an associated reference temperature, is the surface emissivity, is the Stefan-Boltzmann constant, and Tamb is the ambient air temperature. The modeling of an infinite domain on the left-hand side, where the aluminum leaves the computational domain, makes sure that the temperature is in equilibrium with the temperature at infinity through natural convection and surface-to-ambient radiation. You therefore set the boundary condition to insulation at that location. You can compute values for the heat transfer coefficients using empirical expressions available in the heat-transfer literature, for example, Ref. 3. In this model, use the values hup = 12.25 W/(m2K) and hdown = 6.25 W/(m2K) qshoulderrT,()FnAs()r; TTmelt0; TTmelt?????= quphupT0T()Tamb4T4()+=qdownhdownT0T()Tamb4T4()+= 226 | C H A P T E R 3 : P R O C E S S I N G A N D M A NU F A C T U R I N G M O D E L S Results and Discussion Figure 3-19 shows the resulting temperature field. Consider this result as what you would see through a window fixed to the moving welding tool. Figure 3-19: Temperature field in the aluminum plate. The temperature is highest where the aluminum is in contact with the rotating tool. Behind the tool, the process transports hot material away, while in front of the tool, new cold material enters. References 1. M. Song and R. Kovacevic, International Journal of Machine Tools Manufacture, vol. 43, pp. 605615, 2003. 2. P. Colegrove and others, 3-dimensional flow and thermal modelling of the friction stir welding process, Proceedings of the 2nd International Symposium on Friction Stir Welding, Gothenburg, Sweden, 2000. 3. A. Bejan, Heat Transfer, Wiley, 1993.
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漂亮的焊接模拟图
COMSOLFEM 2009-10-27 13:49
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