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(jì)

1、第第1616章章 焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)焊接接頭工藝設(shè)計(jì)4 16.5 焊接件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)焊接件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)5重點(diǎn)內(nèi)容：重點(diǎn)內(nèi)容： 掌握焊接結(jié)掌握焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)的基本構(gòu)工藝設(shè)計(jì)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(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)二、提出設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)三、按照設(shè)計(jì)內(nèi)容分步進(jìn)行設(shè)計(jì)三、按照設(shè)計(jì)內(nèi)容分步進(jìn)行設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的

2、主要內(nèi)容和順序如下：焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(qiáng)度較低，且焊縫較短應(yīng)選用手工電弧焊。強(qiáng)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(zhǎng)直焊縫或環(huán)焊縫應(yīng)選用埋弧焊。以上，焊縫為長(zhǎng)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(wú)密封要求應(yīng)選用電阻點(diǎn)焊，有密封要求應(yīng)選用縫焊。無(wú)密封要求應(yīng)選用電阻點(diǎn)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(zhǎng)直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用焊縫為長(zhǎng)直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用COCO2 2自動(dòng)焊。自動(dòng)焊。3 3板厚大于板厚大于10 mm10 mm，焊縫為長(zhǎng)直焊縫和環(huán)焊縫隙，應(yīng)選用埋弧焊或電渣焊。，焊縫為長(zhǎng)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(zhǎng)直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用熔化極氬弧或等焊縫為長(zhǎng)直焊縫或環(huán)焊縫，應(yīng)選用熔化極氬弧或等離子弧自動(dòng)焊。離子弧自動(dòng)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(jì)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(jì)時(shí)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(shí)易產(chǎn)生裂紋，厚板焊接時(shí)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?；瘜W(xué)成分、物理性能相近的材料。 一般要求接頭強(qiáng)度不低于被焊鋼材中的強(qiáng)度較低者，并應(yīng)在設(shè)計(jì)中對(duì)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(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)多采用工字鋼、槽鋼、角鋼、此外，設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，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(jiǎn)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(jiǎn)化焊接工藝，增加結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛性。藝，增加結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)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(jì)焊接接頭的工藝設(shè)計(jì)焊接接頭的基本形式有對(duì)接、搭接、角接和T形接等。 1 1、對(duì)接接頭、對(duì)接接頭 對(duì)接接頭受力均勻，易保證焊接質(zhì)量，靜載荷疲勞強(qiáng)度都比較高，且節(jié)約材料，但對(duì)下料尺寸精度要求較高。 一般應(yīng)盡量選用對(duì)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(shí)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(shí)尺寸要求不高，對(duì)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(shí)。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(duì)接接頭復(fù)雜，但接頭成直角或一定角度連接時(shí)，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(duì)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(duì)接、T形接、角接形式，常用對(duì)接形式；點(diǎn)焊與縫焊只能用搭接；釬焊常用搭接。 焊條電弧焊對(duì)板厚為16mm對(duì)接接頭施焊時(shí)，一般可不開坡口（級(jí)形坡口）直接焊成。 當(dāng)板厚增大時(shí)，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(gè)焊件的厚度相同時(shí)，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(shí)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(guò)渡形式三、接頭過(guò)渡形式 設(shè)計(jì)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(shí)，接頭處會(huì)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(duì)接時(shí)，允許的厚度差如下表。 如果1超過(guò)表中規(guī)定值或雙面超過(guò)2（ 1 ）時(shí)，應(yīng)在較厚板料上加工出單面或雙面斜邊的過(guò)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(guò)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(huì)造成金屬過(guò)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(duì)稱布置。焊縫的位置盡可能對(duì)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(huì)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(jī)械加工表面。焊縫應(yīng)盡量避開機(jī)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(jì)焊接件結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shí)及便于機(jī)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(chǎng)翻轉(zhuǎn)設(shè)備及焊工技術(shù)水平受到限制時(shí)，應(yīng)避免設(shè)計(jì)仰焊縫。 2）當(dāng)結(jié)構(gòu)材料的

11、塑性較好時(shí)，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(dòng)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(jī)械裝置。 如圖所示的工字鋼若沿圖中點(diǎn)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(chǎng)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(wèn)題之一。5）變角接為對(duì)接以增加接頭強(qiáng)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(jì)受壓丁字接頭的設(shè)計(jì)(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(guò)渡。焊縫應(yīng)避免尖角的設(shè)計(jì)焊縫應(yīng)避免尖角的設(shè)計(jì)(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(shí)例改善結(jié)構(gòu)工藝性的實(shí)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(jì)要點(diǎn)：筒身用鋼板冷卷，按實(shí)際尺寸可分為三節(jié)，為避免焊縫密集，筒身縱焊縫相互錯(cuò)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(hào)序號(hào)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