武漢理工大學(xué),金屬工藝學(xué)第16章 焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、第第1616章章 焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 16.1 焊接規(guī)范焊接規(guī)范1 16.2 焊接方法的選擇焊接方法的選擇2 16.3 焊接結(jié)構(gòu)件材料的選擇焊接結(jié)構(gòu)件材料的選擇3 16.4 焊接接頭工藝設(shè)計焊接接頭工藝設(shè)計4 16.5 焊接件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計焊接件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計5重點內(nèi)容：重點內(nèi)容： 掌握焊接結(jié)掌握焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計的基本構(gòu)工藝設(shè)計的基本原則。原則。 一、分析工作條件并提出性能要求一、分析工作條件并提出性能要求16.1 16.1 焊接規(guī)范焊接規(guī)范二、提出設(shè)計方案和優(yōu)化設(shè)計二、提出設(shè)計方案和優(yōu)化設(shè)計三、按照設(shè)計內(nèi)容分步進(jìn)行設(shè)計三、按照設(shè)計內(nèi)容分步進(jìn)行設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的

2、主要內(nèi)容和順序如下：焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容和順序如下： 1）選擇焊接結(jié)構(gòu)材料（母材）； 2）確定焊接方法及焊接材料； 3）確定焊接接頭及坡口形式； 4）合理布置焊縫位置； 5）制訂簡明的焊接工藝。生產(chǎn)單件鋼結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)單件鋼結(jié)構(gòu)件1 1板厚在板厚在3 310 mm,10 mm,強度較低，且焊縫較短應(yīng)選用手工電弧焊。強度較低，且焊縫較短應(yīng)選用手工電弧焊。2 2板厚在板厚在10 mm10 mm以上，焊縫為長直焊縫或環(huán)焊縫應(yīng)選用埋弧焊。以上，焊縫為長直焊縫或環(huán)焊縫應(yīng)選用埋弧焊。3 3板厚小于板厚小于3 mm3 mm，焊縫較短應(yīng)選用，焊縫較短應(yīng)選用COCO2 2焊。焊。生產(chǎn)大批量鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)大批量鋼結(jié)構(gòu)件

3、件1 1板厚小于板厚小于3 mm,3 mm,無密封要求應(yīng)選用電阻點焊，有密封要求應(yīng)選用縫焊。無密封要求應(yīng)選用電阻點焊，有密封要求應(yīng)選用縫焊。2 2板厚在板厚在3 310 mm,10 mm,焊縫為長直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用焊縫為長直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用COCO2 2自動焊。自動焊。3 3板厚大于板厚大于10 mm10 mm，焊縫為長直焊縫和環(huán)焊縫隙，應(yīng)選用埋弧焊或電渣焊。，焊縫為長直焊縫和環(huán)焊縫隙，應(yīng)選用埋弧焊或電渣焊。生產(chǎn)不銹鋼、鋁合金和銅合金結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不銹鋼、鋁合金和銅合金結(jié)構(gòu)件件1 1板厚小于板厚小于3mm, 3mm, 應(yīng)選用脈沖鎢極氬弧焊。應(yīng)選用脈沖鎢極氬弧焊。 2 2板厚在板厚在3 310

4、 mm,10 mm,焊縫為長直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用熔化極氬弧或等焊縫為長直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用熔化極氬弧或等離子弧自動焊。離子弧自動焊。16.2 16.2 焊接方法的選擇焊接方法的選擇焊接材料的選擇原則：焊接材料的選擇原則：16.3 16.3 焊接結(jié)構(gòu)件材料的選擇焊接結(jié)構(gòu)件材料的選擇 1 1、在滿足使用性能要求的前提下，盡量選用焊接性能好、在滿足使用性能要求的前提下，盡量選用焊接性能好的材料。的材料。 低碳鋼和碳當(dāng)量小于0.4%的低合金鋼都具有良好的焊接性能，設(shè)計中應(yīng)盡量選用； 含碳量大于0.4%的碳鋼、碳當(dāng)量大于0.4%的低合金鋼，焊接性不好，設(shè)計時一般不用； 鎮(zhèn)靜鋼脫氧完全，組織致密，質(zhì)量

5、較高，重要的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)選用；沸騰鋼氧含量較高，組織成分不均勻，焊接時易產(chǎn)生裂紋，厚板焊接時還可能出現(xiàn)層狀撕裂； 2 2、異種金屬的焊接，要注意它們的焊接性能，要盡量選用、異種金屬的焊接，要注意它們的焊接性能，要盡量選用化學(xué)成分、物理性能相近的材料。化學(xué)成分、物理性能相近的材料。 一般要求接頭強度不低于被焊鋼材中的強度較低者，并應(yīng)在設(shè)計中對焊接工藝提出要求，按焊接性較差的鋼種采取措施，如預(yù)熱或焊后熱處理； 3 3、此外，設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，應(yīng)多采用工字鋼、槽鋼、角鋼、此外，設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時，應(yīng)多采用工字鋼、槽鋼、角鋼和鋼管等型材，以降低結(jié)構(gòu)重量，減少焊縫數(shù)量，簡化焊接工和鋼管等型材，以降低結(jié)構(gòu)重量，減

6、少焊縫數(shù)量，簡化焊接工藝，增加結(jié)構(gòu)件的強度和剛性。藝，增加結(jié)構(gòu)件的強度和剛性。 16.4.1 16.4.1 焊接接頭及坡口的形式焊接接頭及坡口的形式16.4 16.4 焊接接頭的工藝設(shè)計焊接接頭的工藝設(shè)計焊接接頭的基本形式有對接、搭接、角接和T形接等。 1 1、對接接頭、對接接頭 對接接頭受力均勻，易保證焊接質(zhì)量，靜載荷疲勞強度都比較高，且節(jié)約材料，但對下料尺寸精度要求較高。 一般應(yīng)盡量選用對接接頭，例如鍋爐、壓力容器等結(jié)構(gòu)件。一、接頭形式一、接頭形式2 2、搭接接頭、搭接接頭 搭接接頭因兩工件不在同一平面，受力時將產(chǎn)生附加彎矩，而且金屬消耗量也大，一般應(yīng)避免采用。 但搭接接頭不需要開坡口，裝

7、配時尺寸要求不高，對某些受力不大的平面連接與空間構(gòu)架，采用搭接接頭可節(jié)省工時。3 3、T T形接頭和角接頭形接頭和角接頭 T形接頭和角接頭受力情況都較對接接頭復(fù)雜，但接頭成直角或一定角度連接時，必須采用這種接頭形式。 接頭形式的確定與焊接方法因素的關(guān)系很大。 焊條電弧焊可采用對接、搭接、T形接、角接四種接頭形式；埋弧焊采用的形式與焊條電弧焊基本相同；電渣焊的接頭可采用對接、T形接、角接形式，常用對接形式；點焊與縫焊只能用搭接；釬焊常用搭接。 焊條電弧焊對板厚為16mm對接接頭施焊時，一般可不開坡口（級形坡口）直接焊成。 當(dāng)板厚增大時，為保證焊透，接頭處應(yīng)根據(jù)工件厚度預(yù)制出各種形式的坡口，坡口角

8、度和裝配尺寸按標(biāo)準(zhǔn)選用。二、坡口形式二、坡口形式 當(dāng)兩個焊件的厚度相同時，常用的坡口形式及角度可按前面圖中選用。 Y形坡口和U形坡口用于單面焊，其焊接性較好，但焊后角度變形大，焊條消耗量也多。 雙Y形坡口雙面施焊，受熱均勻，變形較小，焊條消耗量較少，但有時受結(jié)構(gòu)形狀限制。 U形坡口根部較寬，允許焊條深入，容易焊透，而且坡口角度小，焊條消耗量較小，但坡口形狀復(fù)雜，一般只在重要的受重載的厚板結(jié)構(gòu)中采用。三、接頭過渡形式三、接頭過渡形式 設(shè)計焊接構(gòu)件最好采用相等厚度的金屬材料，以便獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。 當(dāng)兩板厚度相差較大的金屬進(jìn)行焊接時，接頭處會造成應(yīng)力集中，而且接頭兩邊受熱不均勻，易產(chǎn)生焊不透等缺

9、陷。 不同厚度金屬材料對接時，允許的厚度差如下表。 如果1超過表中規(guī)定值或雙面超過2（ 1 ）時，應(yīng)在較厚板料上加工出單面或雙面斜邊的過渡形式。 鋼板厚度不同的角接與T形接頭受力焊縫，可考慮下圖的過渡形式。16.4.2 16.4.2 焊縫的合理布置焊縫的合理布置 1 1焊縫應(yīng)盡可能分散。焊縫應(yīng)盡可能分散。 焊縫密集交叉，會造成金屬過熱，加大熱影響區(qū)，使組織惡化。因此兩條焊縫的間距一般要求大于3倍板厚，且不大于100mm。 2 2焊縫的位置盡可能對稱布置。焊縫的位置盡可能對稱布置。 圖中a、b所示的構(gòu)件，焊縫位置偏離截面中心，并在同一側(cè)，由于焊縫的收縮，會造成較大的彎曲變形。 3 3焊縫應(yīng)盡量避

10、開最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置。焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力斷面和應(yīng)力集中位置。 4 4焊縫應(yīng)盡量避開機械加工表面。焊縫應(yīng)盡量避開機械加工表面。 5 5焊縫位置應(yīng)便于焊接操作。焊縫位置應(yīng)便于焊接操作。16.5 16.5 焊接件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計焊接件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計16.5.1 16.5.1 結(jié)構(gòu)工藝性結(jié)構(gòu)工藝性 焊件的結(jié)構(gòu)工藝性就是要從結(jié)構(gòu)形狀、焊縫布置、接頭形式等方面綜合考慮如何能保質(zhì)保量，低耗高產(chǎn)地實現(xiàn)設(shè)計要求。 1）焊縫應(yīng)具有良好的可焊性，即便于施焊，應(yīng)能保證焊接質(zhì)量和節(jié)省工時及便于機械化焊接和降低成本。 3）當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)不能翻轉(zhuǎn)或現(xiàn)場翻轉(zhuǎn)設(shè)備及焊工技術(shù)水平受到限制時，應(yīng)避免設(shè)計仰焊縫。 2）當(dāng)結(jié)構(gòu)材料的

11、塑性較好時，應(yīng)著重預(yù)防焊接變形。若結(jié)構(gòu)材料的塑性較差或結(jié)構(gòu)剛度較大則主要應(yīng)預(yù)防應(yīng)力和裂紋。 為便于采用自動焊提高生產(chǎn)率，焊縫應(yīng)呈直線或環(huán)形的，斷續(xù)焊縫應(yīng)改成連續(xù)的，操作空間應(yīng)能容納機械裝置。 如圖所示的工字鋼若沿圖中點劃線切開后再焊成(b)所示的式樣，則在重量不變的情況下剛度可提高幾倍，適用于跨度較大而載荷不高的場合，節(jié)約了原材料。鋸齒合成梁鋸齒合成梁4）節(jié)省材料也是應(yīng)考慮的問題之一。5）變角接為對接以增加接頭強度。(a)、(b)不合理不合理 (c)、(d)合理合理 6）受壓丁字接頭應(yīng)使接觸面直接接觸傳遞壓力，可減小焊縫面積。 受壓丁字接頭的設(shè)計受壓丁字接頭的設(shè)計(a)(a)不合理；不合理；

12、(b)(c(b)(c) )合理合理 7）筋板切角可避免焊縫交叉，減小應(yīng)力。(a)(a)不合理；不合理； (b)(b)合理合理 8）焊縫的尖角部分易產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋，應(yīng)改為平緩過渡。焊縫應(yīng)避免尖角的設(shè)計焊縫應(yīng)避免尖角的設(shè)計(a)(a)、(b)(b)不合理不合理 (c)(c)、(d)(d)合理合理16.5.2 16.5.2 改善結(jié)構(gòu)工藝性的實例改善結(jié)構(gòu)工藝性的實例結(jié)構(gòu)名稱：中壓容器材料：16MnA板厚：筒身12mm；封頭14mm；入孔圈20mm；管接頭7mm生產(chǎn)數(shù)量：小批生產(chǎn) 入孔圈平蓋筒身端部3000 工藝設(shè)計要點：筒身用鋼板冷卷，按實際尺寸可分為三節(jié)，為避免焊縫密集，筒身縱焊縫相互錯開180o；封頭采用熱壓成型，與筒身連接處應(yīng)有30mm-50mm的直段以避開應(yīng)力集中位置；入孔圈也為卷制 791032165489序號序號焊縫名稱焊縫名稱焊接方法與焊接工藝焊接方法與焊接工藝焊焊 接接 材材 料料1筒身縱縫1、2、3因容器質(zhì)量要求高，又小批生產(chǎn)，采用埋弧焊雙面焊，先內(nèi)后外，不開坡口。材料為16MnR應(yīng)在室內(nèi)焊接。焊絲：H08MnA焊劑：431焊條：結(jié)5072筒身環(huán)縫4、5、6、7采用埋弧焊