焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、 第第8 8章章 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8.1 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則 8.1.1 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般思路 焊接設(shè)計(jì)包括： 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 焊接工藝設(shè)計(jì) 焊接設(shè)備設(shè)計(jì) 焊接工裝設(shè)計(jì) 焊接材料設(shè)計(jì) 焊接車間設(shè)計(jì)。 1.1.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般思路焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般思路 （1）實(shí)用性必須達(dá)到產(chǎn)品所需要的使用功能和預(yù)期效果。 （2）可靠性焊接結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)必須安全可靠，受力必須合理，能滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、抗震性、耐蝕性等方面的要求。 （3）工藝性焊接結(jié)構(gòu)必須能夠方便的進(jìn)行焊接操作，其中包括金屬材料具有良好的焊接性，結(jié)構(gòu)的焊前預(yù)加工，焊后處理，焊接與檢驗(yàn)操作的可達(dá)性等。此外，還應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自

2、動(dòng)化焊接。 （4）經(jīng)濟(jì)性制造焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，所消耗的原材料，能源和工時(shí)應(yīng)該最少，其綜合成本盡可能低?？傊詫?shí)用為核心，以可靠性為前提，以工藝性和經(jīng)濟(jì)性為制約條件。此外，在可能的條件下還應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)的造型美觀。 2. 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法（1 1）許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法）許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法 工作應(yīng)力許用應(yīng)力 工作變形 許用變形 安全系數(shù) 許用安全系數(shù)1)1)母材的許用應(yīng)力和安全系數(shù)母材的許用應(yīng)力和安全系數(shù)靜載時(shí)，母材的許用應(yīng)力等于材料的極限強(qiáng)度除以安全系數(shù)。 =c/nc因此，材料的安全系數(shù)取值參照設(shè)計(jì)手冊(cè)確定,如表8-1。 2 2）焊縫的許用應(yīng)力）焊縫的許用應(yīng)力 確定焊縫需用應(yīng)力的方法： 一是電弧焊按母材的

3、許用應(yīng)力乘以一個(gè)系數(shù)，該系數(shù)1； 一是熔透的對(duì)接焊縫，經(jīng)質(zhì)檢符合設(shè)計(jì)要求，系數(shù)可取1. （2 2）可靠性設(shè)計(jì)法）可靠性設(shè)計(jì)法 可靠性設(shè)計(jì)是保證機(jī)械及零部件滿足給定的可靠性指標(biāo)的一種機(jī)械設(shè)計(jì)方法。 把與設(shè)計(jì)有關(guān)的載荷，強(qiáng)度，尺寸和壽命等數(shù)據(jù)如實(shí)地當(dāng)做隨機(jī)變量，運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行處理。 其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更符合生產(chǎn)實(shí)際。 （3）有限元數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)法 利用有限元模擬法可以分析已設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的物理系統(tǒng)，可得出焊接結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的工作應(yīng)力分布，從而改進(jìn)焊縫形狀及尺寸設(shè)計(jì)。 常用的軟件有ANSYS,ABQUS,SAP2000等有限元軟件。8.2 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性分析 1.1.從實(shí)用性

4、和可靠性分析焊接結(jié)構(gòu)的合理性從實(shí)用性和可靠性分析焊接結(jié)構(gòu)的合理性 （1）合理選擇基體材料和焊接材料 所選擇的金屬材料必須同時(shí)能滿足使用性能和加工性能要求。如，強(qiáng)度，塑性，韌性，耐磨性，耐蝕性等。 全面考慮結(jié)構(gòu)的使用性能，如有防腐要求的結(jié)構(gòu)，以碳素鋼為基體，不銹鋼為工作面復(fù)合鋼板，或在基體上堆焊耐蝕層。 焊接材料的選擇取決于基體材料的匹配狀態(tài)，如成分匹配（耐蝕要求），強(qiáng)度匹配（高組配，等強(qiáng)度組配，低組配）。 （2）合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)形式 1）要有良好的受力狀態(tài) 殘余應(yīng)力小，焊接變形小的對(duì)接接頭 2）要重視局部構(gòu)造 如局部節(jié)點(diǎn)，斷面變化，接頭形狀等 3）要有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化焊接 盡量采用簡(jiǎn)單平

5、直的構(gòu)造形式，避免復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)。 （3）合理設(shè)計(jì)焊接接頭形式 一般情況下，對(duì)接接頭是最理想的，但是加蓋板的對(duì)接接頭是不合理的，另外，角焊縫力求均勻布置。 （4）合理布置焊接接頭位置 1）避免應(yīng)力集中如圖根部角接接頭應(yīng)力集中嚴(yán)重，承載能力低。在封頭加工一個(gè)槽，效果近似于對(duì)接接頭。另外，最好的方法是將封底改換成球面封頭，以對(duì)接接頭連接筒體和封頭。 2）集中載荷處，必須有較高剛度的依托。 圖a，支耳背面無依托，容易在支耳兩端的焊縫上產(chǎn)生裂紋。改進(jìn)成圖b結(jié)構(gòu)，支耳有依托，應(yīng)力分布均勻。 3）工字鋼垂直連接時(shí)，增加加強(qiáng)肋板，應(yīng)力會(huì)均勻分布。 4）焊縫宜對(duì)稱地布置并盡可能接近中心軸。 表8-2 焊接接頭的

6、合理性 2. 2. 從工藝性及經(jīng)濟(jì)性分析焊接結(jié)構(gòu)的合理性從工藝性及經(jīng)濟(jì)性分析焊接結(jié)構(gòu)的合理性（1）焊接結(jié)構(gòu)的備料工作量V坡口耗材料最大， U型坡口次之， X坡口較小，雙U型坡口耗材最少，但是加工量大，而X坡口易于加工。開坡口的原則：焊縫填充量盡量小，具有良好的可達(dá)性，坡口形狀容易加工，便于調(diào)控焊接變形。 （2）焊接結(jié)構(gòu)形式與焊接工藝選擇鑄鍛焊都可以完成。小尺寸，大批量，鑄造。大尺寸小批量焊接大批量，分半壓制，然后拼焊 （3）焊縫的可焊到性和可檢測(cè)性 必須使結(jié)構(gòu)上每 條焊縫都能方便地 施焊和方便地進(jìn) 行質(zhì)量檢查。 必須考慮焊接裝配焊接次序?qū)珊傅叫缘挠绊?，圖8-9 （4）減少焊接工作量 減少焊縫

7、數(shù)量和焊縫填充金屬。 選用軋制型鋼代替一部分焊件； 角焊縫多且密集的地方可用鑄鋼代替； 角焊縫保證強(qiáng)度的條件下，盡量減少焊腳尺寸。 對(duì)接焊縫，保證熔透的情況下選用填充金屬最少的坡口形式。 （5）焊接變形控制 把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分成幾個(gè)部件制造，盡量減少最后總裝配時(shí)的焊縫，對(duì)于防止結(jié)構(gòu)總體變形時(shí)有利的。 （6）操作者勞動(dòng)條件的改善 （7）材料的合理利用8.1.3 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題 1.改造結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) （1）鉚接結(jié)構(gòu)的改造 圖8-13 （2）鑄造結(jié)構(gòu)的改造 改造前進(jìn)行分析 1）要注意所用材料性質(zhì)上的差別 2）要注意鑄造工藝和焊接工藝各自的要求 3）要注意振動(dòng)和屈曲問題 按等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，焊接結(jié)構(gòu)的

8、壁厚將減薄，可能會(huì)因壁板振動(dòng)剛度不足，可適當(dāng)增加肋板。 2.考慮自動(dòng)化焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.考慮現(xiàn)代生產(chǎn)管理的設(shè)計(jì)8.3 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例 8.3.1 8.3.1 壓力容器壓力容器 1.壓力容器接頭分類單層受壓殼體上的焊接接頭按其受力狀態(tài)可分以下幾類：A類接頭，圓柱形殼體筒節(jié)的縱向?qū)咏宇^，球形容器的環(huán)向?qū)咏宇^，鍛制接管與筒體的對(duì)接接頭；B類接頭 圓柱形，錐形筒節(jié)間的環(huán)向?qū)咏宇^，接管與法蘭相接的環(huán)向?qū)咏宇^。C類接頭 法蘭、平封頭、管板與筒身，以及封頭和接管相連的角接接頭；D類接頭 接管，入孔圈、法蘭與封頭相接的T形或角接接頭。E類接頭 吊耳、支撐、支座與筒身相接的對(duì)接接頭。F類接頭 在筒身

9、、封頭、接管、法蘭和管板表面上的堆焊接頭。 2.壓力容器焊接接頭的設(shè)計(jì)要求（1）A類和B類焊接接頭 這兩類接頭必須為全焊透對(duì)接焊縫的接頭形式，一般為雙面焊接頭形式；也可采用單面開坡口的接頭形式；單面開坡口的采用氬弧焊完成全焊透的封底焊道，或在焊縫背面加臨時(shí)襯墊,保證根部焊道與坡口兩側(cè)完全熔透。注意： 1）避免殘余應(yīng)力和熱影響區(qū)的疊加，A類和B類接頭之間的距離至少大于3倍壁厚，不小于100mm。2）對(duì)于壁厚大于20mm的壓力容器殼體應(yīng)盡量避免十字接頭。3）在A類，B類接頭及附近不應(yīng)直接開管孔。4）容器筒身和封頭上的A類、B類焊接接頭應(yīng)布置在不直接接受彎曲應(yīng)力作用的部位。 （2）壓力容器的C類焊接

10、接頭低壓力容器中的小直徑法蘭也可以采用不開破口的角焊縫來連接，但必須在法蘭內(nèi)外兩面進(jìn)行縫焊，這樣既可防止法蘭的焊接變形，又可保證法蘭的要求的剛度。這類接頭不必采用全焊透的接頭形式，而采用局部焊透的T形接頭。 （3）壓力容器D類焊接接頭 D類接頭是比A類、B類接頭受力條件復(fù)雜的T形接頭或角接頭，需要全面分析，選擇最合理，最可靠的接頭形式。 D類接頭常用的接頭形式有： 插入式接管全焊透T形接頭、 插入式接管局部焊頭T形接頭、 帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管T形接頭、 鞍座式接管的角接接頭 小直徑法蘭和接管的角接接頭。 （4）壓力容器E類焊接接頭采用雙面開坡口的全焊透角焊縫的接頭形式，主要用于吊耳、支架、角撐等承載部

11、件與殼體的鏈接加強(qiáng)肋之類無強(qiáng)度要求的連接焊縫可采用不開坡口的雙面角焊縫。 3.壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）焊接強(qiáng)度校核1）薄壁容器 薄壁零件的壁厚比其直徑小很多，應(yīng)力在壁板厚度上可視為均勻分布，按照薄膜應(yīng)力計(jì)算。A 球形容器壁板應(yīng)力各向相等，用下式計(jì)算： =(pd/4) 合格要求：球形容器壁板各向應(yīng)力小于焊縫許用應(yīng)力。B 圓筒形薄壁容器:筒體的環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，采用下式計(jì)算： =(pd/2) t =(pd/4) 為環(huán)向應(yīng)力。 t為軸向應(yīng)力。 2）厚壁容器厚壁容器應(yīng)力在壁板厚度方向分布不均勻，應(yīng)該按照應(yīng)力最大的部位計(jì)算。因此圓筒形厚壁容器的額壁厚可采用下式： =pDn/(2-p)+C其中

12、：p為容器內(nèi)部壓力，Dn為筒體內(nèi)徑，為縱向焊縫強(qiáng)度減弱系數(shù)，對(duì)于低碳鋼，不銹鋼取=1，對(duì)高鉻鋼=0.8.C為設(shè)計(jì)附加值。（2）壓力容器材料選擇 1）薄壁容器 薄壁容器承受應(yīng)力反復(fù)作用，工作溫度變化大，根據(jù)容器工作條件，結(jié)構(gòu)形式和制造工藝進(jìn)行選擇。 一般容器選擇焊接性好的低碳鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼；對(duì)于飛行器上的重要容器，選擇高強(qiáng)度材料。2）厚壁容器 因厚壁容器容易發(fā)生脆性斷裂，破壞危害極大。因此，厚壁容器的設(shè)計(jì)和制造有專門的技術(shù)規(guī)范。才選用的材料繁多，應(yīng)用最廣的是低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。 4.壓力容器接頭的設(shè)計(jì)壓力容器結(jié)構(gòu)：主要有筒體，封頭，法蘭，接管，支座等圖8-21 1）筒體、封頭及其相互間連接的

13、焊接結(jié)構(gòu) 采用縱向焊縫和環(huán)向焊縫，全部采用對(duì)接接頭，且焊縫和母材之間平滑過渡。縱向焊縫必須與母材等強(qiáng)度，環(huán)向焊縫可以用較軟的填充金屬材料。各筒節(jié)的環(huán)向焊縫以及筒節(jié)與封頭間的環(huán)向焊縫一般都采用埋弧焊。 2）容器上支管連接支管連接處鉆孔后，孔附近將有相當(dāng)大的應(yīng)力集中，為了減少孔口處應(yīng)力集中的影響，對(duì)于薄板可以在孔口周圍進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。注意：壓力容器考慮疲勞載荷時(shí)，疲勞破壞發(fā)生在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，如突變，開孔，轉(zhuǎn)角，焊縫和焊接缺陷，法蘭連接處等。支管與容器連接處的應(yīng)力集中系數(shù)KT=2.04.0,可能降低容器的疲勞強(qiáng)度，其影響程度取決于連接處具體工藝形式與工藝措施。實(shí)驗(yàn)證明：帶加強(qiáng)圈的插入式連接管的形式對(duì)疲

14、勞強(qiáng)度降低程度最大，貫穿插入型較好。 3）板管連接 圖8-24管子與管板連接處承受交變載荷，設(shè)計(jì)時(shí)考慮長(zhǎng)期使用的安全性和工藝性。圖a,b,為了降低焊縫的拘束度，在管板上加工出一個(gè)環(huán)形溝槽。圖c為了管接頭與管板接觸跟緊密，焊前把管子端部外擴(kuò)。圖d當(dāng)接頭要承受較大的彎曲應(yīng)力，焊縫可以放在管板中間，焊縫低于應(yīng)力區(qū)。圖e,f采用對(duì)接焊縫，受力情況最好，但是裝配工藝復(fù)雜。 4）開孔與補(bǔ)強(qiáng)由于工藝要求和檢修需要，在容器的筒體和封頭上開設(shè)各種孔，如人孔，手孔，視鏡孔，物料進(jìn)出接管等。這些孔會(huì)減弱容器的斷面強(qiáng)度。因此，一般要采用孔補(bǔ)強(qiáng)，提高材料的利用率。 補(bǔ)強(qiáng)的方式：注意：當(dāng)容器工作溫度超過300或壁厚超過4

15、0mm時(shí)，不采用圖c補(bǔ)強(qiáng)方式。因管孔過于密集而必須開在A類，B類接頭上時(shí)，必須對(duì)開孔部位焊縫做100%X射線透照。壁厚大于50mm時(shí)，在焊接接管之前將開孔區(qū)焊縫作消除應(yīng)力處理。 實(shí)例一： 低壓貯氣罐，8mm,壓力1.0mpa,溫度為常溫，介質(zhì)為壓縮空氣，大批量生產(chǎn)。 設(shè)計(jì)方案： 1）母材選擇： 短管選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼10，其他選用塑性和焊接性好的普通碳素鋼Q235-A. 2)設(shè)計(jì)焊縫位置及焊接接頭，坡口形式： 筒節(jié)的縱焊縫和筒節(jié)與封頭相連處的兩條環(huán)焊縫均采用對(duì)接I形坡口雙面焊。 法蘭與短管焊合采用不開坡口角焊縫。 法蘭管座與筒體焊合采用開坡口的角焊縫。 3）選擇焊接方法和焊接材料 角焊縫：采用焊條

16、電弧焊方法，焊條選用E4303（J422）。 縱、環(huán)焊縫：采用埋弧焊方法，焊絲選用H08A,配合焊劑HJ431。8.2.2 機(jī)床機(jī)身 1. 焊接機(jī)身的設(shè)計(jì) （1）材料的選用 一般采用軋制的鋼板和型鋼焊接而成，形狀特殊的部分可以采用鍛件或鑄件。 多用的金屬是焊接性好的低碳鋼和普通低合金鋼；匹配的鍛件或鑄件用化學(xué)成分相近的材料，如20鋼，26鋼等。 （2）焊接接頭的設(shè)計(jì) 1）采用T形焊接接頭 實(shí)驗(yàn)證明，單面角焊縫比雙面角焊縫的減震性好，單面坡口焊縫比雙面坡口焊縫的減震性好，不完全焊透的坡口焊縫比完全焊透的減震性好。 這說明焊縫形式和接合面的性質(zhì)對(duì)T形焊接接頭的減震性有影響。 2）采用斷續(xù)焊縫 斷續(xù)

17、焊縫中未焊部分的接觸面具有減震作用，減震能力比連續(xù)焊縫的高。 在斷續(xù)焊縫中，焊縫比較短的減震性好。 在強(qiáng)度和剛度允許的情況下，盡量采用斷續(xù)短焊縫來提高焊接結(jié)構(gòu)的減震性。 3）加強(qiáng)肋板的應(yīng)用 大多的焊接機(jī)身屬于薄壁結(jié)構(gòu)。 需要布置加強(qiáng)肋板以提高壁板的固有頻率。 （3）焊接接頭的位置 1)避免在加工表面上布置焊縫。 2）避免在配合面上布置焊縫。軸承支架就是所有焊縫都避開機(jī)加工。 （4）保證焊接構(gòu)件的定位精度根據(jù)實(shí)際情況與需要，在焊接構(gòu)件上加工出定位臺(tái)階，以保證焊接結(jié)構(gòu)的精度。圖a,b,c，加工方便，可焊性好，適用于精度要求低的場(chǎng)合；圖d,e,f適合高精度定位場(chǎng)合。 （5）防止加強(qiáng)肋板被鉆穿注意加強(qiáng)肋板布置不宜靠近鉆孔的位置，以防止肋板被鉆穿。8.2.3 薄板結(jié)構(gòu) 1.薄板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 一般情況下薄板受軸向應(yīng)力大于臨界應(yīng)力時(shí)會(huì)會(huì)失穩(wěn)。 2.基于穩(wěn)定性的薄板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 有三類方法： （1）合理設(shè)計(jì)構(gòu)件截面形狀 將薄鋼板壓制成各種斷面形式的桿件，可以提高局部穩(wěn)定性。 （2）設(shè)置加強(qiáng)肋薄板結(jié)構(gòu)設(shè)置加強(qiáng)肋以增加