第五章 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、Chapter 5 Chapter 5 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一篇第一篇 連接成形理論基礎(chǔ)連接成形理論基礎(chǔ)2 本章重點(diǎn)和難點(diǎn)：本章重點(diǎn)和難點(diǎn)： p焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和原則焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和原則p焊接接頭的設(shè)計(jì)（接頭、坡口等）焊接接頭的設(shè)計(jì)（接頭、坡口等）p焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)案例焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)案例3焊接結(jié)構(gòu)是金屬結(jié)構(gòu)中一種最主要的結(jié)構(gòu)形式，如鋼焊接結(jié)構(gòu)是金屬結(jié)構(gòu)中一種最主要的結(jié)構(gòu)形式，如鋼結(jié)構(gòu)、船舶殼體、鍋爐及壓力容器，以及工程機(jī)械、動(dòng)力結(jié)構(gòu)、船舶殼體、鍋爐及壓力容器，以及工程機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、汽車(chē)拖拉機(jī)、鐵路車(chē)輛等結(jié)構(gòu)都是焊接結(jié)構(gòu)，大多機(jī)械、汽車(chē)拖拉機(jī)、鐵路車(chē)輛等結(jié)構(gòu)都是焊接結(jié)構(gòu)，大多依據(jù)有關(guān)

2、的規(guī)程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)有關(guān)的規(guī)程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，焊接手冊(cè)焊接手冊(cè)第第3卷、卷、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)及其他大量著作。及其他大量著作。一、焊接結(jié)構(gòu)概述一、焊接結(jié)構(gòu)概述 4影響構(gòu)件焊接性的因素與材料有關(guān)的因素與制造有關(guān)的因素與設(shè)計(jì)有關(guān)的因素母材和填充材料母材和填充材料的類(lèi)型的類(lèi)型( (化學(xué)化學(xué)) )成成分和顯微組織分和顯微組織結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐條件和負(fù)載，條件和負(fù)載，焊縫類(lèi)型，焊縫類(lèi)型，坡口形狀坡口形狀，厚度和配置厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，焊接方法、焊速，焊接操作，焊接順序焊接順序，多層焊，定位焊。，多層焊，定位焊。夾緊、預(yù)熱和焊后熱處理。夾緊、預(yù)熱和

3、焊后熱處理。51焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 (1) 選擇結(jié)構(gòu)的材料，包括制造結(jié)構(gòu)的材料種類(lèi)和規(guī)格。選擇結(jié)構(gòu)的材料，包括制造結(jié)構(gòu)的材料種類(lèi)和規(guī)格。(2) 確定結(jié)構(gòu)的形式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等確定結(jié)構(gòu)的形式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等進(jìn)行的計(jì)算進(jìn)行的計(jì)算(這種計(jì)算是在力系分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的這種計(jì)算是在力系分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的)。(3) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、焊接的設(shè)計(jì)和計(jì)算。進(jìn)行結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、焊接的設(shè)計(jì)和計(jì)算。 (4) 繪制施工圖，規(guī)定產(chǎn)品的技術(shù)條件、工藝要求等。繪制施工圖，規(guī)定產(chǎn)品的技術(shù)條件、工藝要求等。(5) 最后還要編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)，其中包括設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最后還要編制設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)

4、，其中包括設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性的論證。的構(gòu)造合理性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)先進(jìn)性的論證。二、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62. 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求和遵循原則焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求和遵循原則 u基本要求：實(shí)用性、安全性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等?；疽螅簩?shí)用性、安全性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。u遵循原則：遵循原則：（1） 合理選擇合理選擇材料的種類(lèi)，盡量材料的種類(lèi)，盡量采用采用標(biāo)準(zhǔn)件、通標(biāo)準(zhǔn)件、通用件和型材用件和型材。在滿(mǎn)足焊接件使用性能的前提下，盡量在滿(mǎn)足焊接件使用性能的前提下，盡量選用焊接性好的材料。選用焊接性好的材料。7多用工字鋼、槽多用工字鋼、槽鋼和鋼管等成型材料，鋼和鋼管等成型材料，對(duì)形狀比

5、較復(fù)雜的部對(duì)形狀比較復(fù)雜的部分可以采用鑄鋼、鍛分可以采用鑄鋼、鍛鋼和沖壓件來(lái)焊接，鋼和沖壓件來(lái)焊接，減少焊縫數(shù)量、簡(jiǎn)化減少焊縫數(shù)量、簡(jiǎn)化工藝，增加結(jié)構(gòu)件的工藝，增加結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和鋼度。強(qiáng)度和鋼度。8（2）簡(jiǎn)潔明快的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明快的結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)造形式，造形式，簡(jiǎn)單合理的接頭形簡(jiǎn)單合理的接頭形式式，并且，并且種類(lèi)越少越好種類(lèi)越少越好，減，減少短而不規(guī)則的焊縫和避免少短而不規(guī)則的焊縫和避免不易加工的空間曲面結(jié)構(gòu)。不易加工的空間曲面結(jié)構(gòu)。采用合理的采用合理的焊接順序焊接順序，避免，避免應(yīng)力。應(yīng)力。a)a)合理合理 b) b)不合理不合理工字梁的焊接順序工字梁的焊接順序9（3）焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)盡量采用）焊接結(jié)構(gòu)件

6、應(yīng)盡量采用同等厚度同等厚度的材料焊接，或的材料焊接，或者在較厚的板材上加工出過(guò)渡形式，避免應(yīng)力集中、接頭者在較厚的板材上加工出過(guò)渡形式，避免應(yīng)力集中、接頭兩邊受熱不均而產(chǎn)生焊不透等缺陷。兩邊受熱不均而產(chǎn)生焊不透等缺陷。10（4） 合理地合理地布置焊縫布置焊縫。例如：焊縫應(yīng)盡量處于。例如：焊縫應(yīng)盡量處于平焊平焊位置，采用位置，采用對(duì)稱(chēng)布置焊縫、避免焊縫交叉、密對(duì)稱(chēng)布置焊縫、避免焊縫交叉、密集集，重要的重要的工作焊縫要工作焊縫要連續(xù)連續(xù)，次要的次要的聯(lián)系焊縫可用聯(lián)系焊縫可用斷續(xù)焊縫斷續(xù)焊縫，這有利于焊接施工和，這有利于焊接施工和減少焊接工作量減少焊接工作量，便于控制便于控制焊接應(yīng)力和變形焊接應(yīng)力和

7、變形。11管子對(duì)接水平固定全位置焊接管子對(duì)接水平固定全位置焊接121999年年1月月4日，重慶日，重慶市綦江縣城跨越綦河兩市綦江縣城跨越綦河兩岸的人行彩虹橋（長(zhǎng)虹岸的人行彩虹橋（長(zhǎng)虹臥波，綦城一景臥波，綦城一景 ）整體）整體垮塌垮塌 ，人遇難。，人遇難。 連接時(shí)兩管的橫切面完連接時(shí)兩管的橫切面完全抵?jǐn)n，使鋼管之間的焊接全抵?jǐn)n，使鋼管之間的焊接面減到了最低限度面減到了最低限度 ，只在，只在表層焊接，而且沒(méi)有加強(qiáng)塊表層焊接，而且沒(méi)有加強(qiáng)塊 1314焊縫布置應(yīng)避免密集和交叉焊縫布置應(yīng)避免密集和交叉1516（5 5） 焊縫應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力最大和應(yīng)力集中的部位焊縫應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力最大和應(yīng)力集中的部位17（6） 施工

8、方便并考慮施工方便并考慮改善工人勞動(dòng)條件改善工人勞動(dòng)條件。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)考慮到考慮到日后施工的很多問(wèn)題日后施工的很多問(wèn)題，如，如可達(dá)性問(wèn)題可達(dá)性問(wèn)題，保證各種施工必需的空間，保證各種施工必需的空間點(diǎn)焊、縫焊焊縫位置點(diǎn)焊、縫焊焊縫位置不合理不合理合理合理焊條電弧焊焊縫位置焊條電弧焊焊縫位置不合理不合理合理合理1819（7 7）焊縫位置應(yīng)遠(yuǎn)離加工表面焊縫位置應(yīng)遠(yuǎn)離加工表面 20三、焊接接頭的設(shè)計(jì)三、焊接接頭的設(shè)計(jì)對(duì)接接頭對(duì)接接頭butt joint角接接頭及角接接頭及 T字形接頭字形接頭corner joint and T joint搭接接頭搭接接頭lap joint（a）對(duì)接接頭；）對(duì)接

9、接頭； （b）角接接頭；）角接接頭； （c）搭接接頭）搭接接頭焊接接頭的三種形式焊接接頭的三種形式1、焊接接頭的形式、焊接接頭的形式 21受熱均勻，受力對(duì)稱(chēng)，便于無(wú)損檢測(cè)，焊接質(zhì)量容受熱均勻，受力對(duì)稱(chēng)，便于無(wú)損檢測(cè)，焊接質(zhì)量容易得到保證。易得到保證。（1）對(duì)接接頭）對(duì)接接頭 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互連接零件在兩個(gè)相互連接零件在接頭處的中面接頭處的中面處于同一平面或處于同一平面或同一弧面內(nèi)進(jìn)行焊接的接頭。同一弧面內(nèi)進(jìn)行焊接的接頭。特點(diǎn)：特點(diǎn)：應(yīng)用：應(yīng)用：最常用的焊接結(jié)構(gòu)形式。最常用的焊接結(jié)構(gòu)形式。22結(jié)構(gòu)不連續(xù)，承載后受力狀態(tài)不如對(duì)接接頭，應(yīng)力結(jié)構(gòu)不連續(xù)，承載后受力狀態(tài)不如對(duì)接接頭，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重

10、，且焊接質(zhì)量也不易得到保證。集中比較嚴(yán)重，且焊接質(zhì)量也不易得到保證。（2）角接接頭和）角接接頭和T型接頭型接頭 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互連接零件在兩個(gè)相互連接零件在接頭處的中面相互垂直或相接頭處的中面相互垂直或相交成某一角度交成某一角度進(jìn)行焊接的接頭。進(jìn)行焊接的接頭。 T型接頭指兩構(gòu)件成型接頭指兩構(gòu)件成T字形焊接在一起的接頭。字形焊接在一起的接頭。特點(diǎn)：特點(diǎn)：某些特殊部位：接管、法蘭、夾套、管板和凸緣的某些特殊部位：接管、法蘭、夾套、管板和凸緣的焊接等。焊接等。應(yīng)用：應(yīng)用：23（3）搭接接頭）搭接接頭 主要用于加強(qiáng)圈與殼體、支座墊板與器壁以及凸主要用于加強(qiáng)圈與殼體、支座墊板與器壁以及凸緣與容器的焊

11、接。緣與容器的焊接。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互連接零件在接頭處有部分重合在一起，兩個(gè)相互連接零件在接頭處有部分重合在一起，中面相互平行，進(jìn)行焊接的接頭。中面相互平行，進(jìn)行焊接的接頭。特點(diǎn)：特點(diǎn)：屬于角焊縫，與角接接頭一樣，在接頭處結(jié)構(gòu)明屬于角焊縫，與角接接頭一樣，在接頭處結(jié)構(gòu)明顯不連續(xù)，承載后接頭部位受力情況較差。顯不連續(xù)，承載后接頭部位受力情況較差。應(yīng)用：應(yīng)用：24板材對(duì)接焊縫試件板材對(duì)接焊縫試件 管材對(duì)接焊縫試件管材對(duì)接焊縫試件 板材角焊縫試件板材角焊縫試件 管與管與 板角焊縫試件板角焊縫試件 對(duì)接焊縫試件對(duì)接焊縫試件 角焊縫試件角焊縫試件 焊接接頭（焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)）焊接接頭（焊縫、熔合

12、區(qū)、熱影響區(qū)）25對(duì)接接頭 T形接頭 角接接頭 鎖底接頭對(duì)接焊縫 對(duì)接焊縫 對(duì)接焊縫 對(duì)接焊縫角接接頭 T形接頭 搭接接頭 對(duì)接接頭角焊縫 角焊縫 角焊縫 角焊縫26（1）焊接坡口）焊接坡口為保證全熔透和焊接質(zhì)量，減少焊接變形，施焊為保證全熔透和焊接質(zhì)量，減少焊接變形，施焊前，一般將焊件連接處預(yù)先加工成各種形狀。前，一般將焊件連接處預(yù)先加工成各種形狀。焊接坡口，取決于焊接方法和焊件厚度等因素。焊接坡口，取決于焊接方法和焊件厚度等因素。2、坡口形式、坡口形式 27形形V形形單邊單邊V形形U形形J形形基本坡口形狀基本坡口形狀組合形狀組合形狀坡口形狀坡口形狀特殊形狀特殊形狀28坡口的基本形式坡口的基

13、本形式一般接頭應(yīng)開(kāi)設(shè)坡口，而搭接接頭無(wú)需開(kāi)坡口即可焊接。一般接頭應(yīng)開(kāi)設(shè)坡口，而搭接接頭無(wú)需開(kāi)坡口即可焊接。U型型單邊單邊V型型I型型J型型V型型29雙雙V形坡口由兩個(gè)形坡口由兩個(gè)V形坡口和一個(gè)形坡口和一個(gè)I形坡口組合而成形坡口組合而成 雙雙V形坡口形坡口30（2） 坡口形式的選擇坡口形式的選擇熔焊坡口形式：熔焊坡口形式：基本型基本型，I形、形、V形和形和單單V形、形、U形和單形和單U形形等等特殊型特殊型，如卷邊的、帶，如卷邊的、帶墊板的、鎖邊的和塞焊、墊板的、鎖邊的和塞焊、開(kāi)槽焊等開(kāi)槽焊等組合型組合型31 壓焊接頭壓焊接頭電阻焊電阻焊中的中的點(diǎn)焊點(diǎn)焊和和縫焊縫焊多是采用多是采用搭接接頭搭接接頭

14、。摩摩擦焊接頭擦焊接頭通常采用通常采用對(duì)接接頭對(duì)接接頭。釬焊接頭釬焊接頭 釬焊接頭也有多種類(lèi)型，但釬焊接頭也有多種類(lèi)型，但基本類(lèi)型基本類(lèi)型只有只有對(duì)接接對(duì)接接頭和搭接接頭頭和搭接接頭兩種。兩種。32 坡口形式選擇時(shí)還要考慮：坡口形式選擇時(shí)還要考慮：1) 工廠的加工條件工廠的加工條件采用V形、雙V形、Y形、單邊V形、I形等坡口可用氣割、等離子弧切割或金屬切削方法加工。但雙U形、帶鈍邊U形、帶鈍邊J形、U形、Y形坡口一般需用刨邊機(jī)加工，效率較熱切割低。2) 可達(dá)性的好壞可達(dá)性的好壞采用Y形、帶墊板Y形、帶墊板V形、VY形(上圖g)、帶鈍邊的U形(上圖h)等坡口的接頭，施焊時(shí)，一般可不翻轉(zhuǎn)。內(nèi)徑較小

15、的容器或管道，不便翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，為避免仰焊及不能從內(nèi)側(cè)施焊，可采用這種坡口和焊縫形式。33 坡口形式的選擇坡口形式的選擇3) 減小焊接材料的消耗量減小焊接材料的消耗量同樣板厚：Y形比雙Y形坡口的熔敷金屬量增加最大可達(dá)50，雙U形或UY形則更加節(jié)省熔敷金屬。因此，常用于大厚度的焊接接頭。4) 考慮焊接變形與應(yīng)力考慮焊接變形與應(yīng)力例如：?jiǎn)蚊婧缚赡芤鸾亲冃魏秃缚p根部的嚴(yán)重焊接殘余應(yīng)力。34四、壓力容器焊接接頭四、壓力容器焊接接頭為對(duì)錯(cuò)邊量、熱處理、無(wú)損檢測(cè)、焊縫尺寸等為對(duì)錯(cuò)邊量、熱處理、無(wú)損檢測(cè)、焊縫尺寸等方面有針對(duì)性地提出不同的要求，方面有針對(duì)性地提出不同的要求，GB150根據(jù)根據(jù)，接頭所連接兩元

16、件的接頭所連接兩元件的以及以及，把，把接頭分成接頭分成A、B、C、D四類(lèi)。四類(lèi)。1、壓力容器焊接接頭分類(lèi)、壓力容器焊接接頭分類(lèi)（GB1501998鋼制壓力容器鋼制壓力容器）35 壓力容器焊接接頭分類(lèi)壓力容器焊接接頭分類(lèi)球形封頭球形封頭筒體筒體錐形封頭錐形封頭法蘭法蘭接管接管圓筒部分的縱向接頭、球形封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭、圓筒部分的縱向接頭、球形封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭、各類(lèi)凸形封頭中的所有拼焊接頭以及嵌入式接管與殼體對(duì)各類(lèi)凸形封頭中的所有拼焊接頭以及嵌入式接管與殼體對(duì)接連接的接頭。接連接的接頭。 A類(lèi)：類(lèi)：36 壓力容器焊接接頭分類(lèi)壓力容器焊接接頭分類(lèi)球形封頭球形封頭筒體筒體錐形封頭錐形封頭

17、法蘭法蘭接管接管殼體部分的環(huán)向接頭、錐形封頭小端與接管連接的接頭、長(zhǎng)殼體部分的環(huán)向接頭、錐形封頭小端與接管連接的接頭、長(zhǎng)頸法蘭與接管連接的接頭。但規(guī)定為頸法蘭與接管連接的接頭。但規(guī)定為A、C、D類(lèi)的除外。類(lèi)的除外。B類(lèi)：類(lèi)：37 壓力容器焊接接頭分類(lèi)壓力容器焊接接頭分類(lèi)球形封頭球形封頭筒體筒體錐形封頭錐形封頭法蘭法蘭接管接管平蓋、管板與圓筒非對(duì)接連接的接頭，法蘭與殼體、接管平蓋、管板與圓筒非對(duì)接連接的接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭，內(nèi)封頭與圓筒的搭接接頭以及多層包扎容器連接的接頭，內(nèi)封頭與圓筒的搭接接頭以及多層包扎容器層板層縱向接頭。層板層縱向接頭。C類(lèi)：類(lèi)：38 壓力容器焊接接頭分類(lèi)壓力容

18、器焊接接頭分類(lèi)球形封頭球形封頭筒體筒體錐形封頭錐形封頭法蘭法蘭接管接管接管、人孔、凸緣、補(bǔ)強(qiáng)圈等與殼體連接的接頭。但已規(guī)接管、人孔、凸緣、補(bǔ)強(qiáng)圈等與殼體連接的接頭。但已規(guī)定為定為A、B類(lèi)的焊接接頭除外。類(lèi)的焊接接頭除外。D類(lèi)：類(lèi)：39所有的縱向及環(huán)向焊接接頭、凸形封頭上的拼接所有的縱向及環(huán)向焊接接頭、凸形封頭上的拼接焊接接頭，必須采用對(duì)接接頭外，其它位置的焊接結(jié)焊接接頭，必須采用對(duì)接接頭外，其它位置的焊接結(jié)構(gòu)也應(yīng)盡量采用對(duì)接接頭。構(gòu)也應(yīng)盡量采用對(duì)接接頭。（1）盡量采用對(duì)接接頭）盡量采用對(duì)接接頭2、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則40容器接管的角接和對(duì)接容器接管的角

19、接和對(duì)接（a）（b）（c）圖中角焊縫，改用對(duì)接焊縫，即由（圖中角焊縫，改用對(duì)接焊縫，即由（a）改為（）改為（b）和（）和（c）。）。減小應(yīng)力集中，方便無(wú)損檢測(cè)，有利于保證接頭的內(nèi)部質(zhì)量。減小應(yīng)力集中，方便無(wú)損檢測(cè)，有利于保證接頭的內(nèi)部質(zhì)量。舉例：舉例：41（2）盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)，不允許產(chǎn)生未熔透缺陷）盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)，不允許產(chǎn)生未熔透缺陷 選擇合適的坡口形式，如雙面焊；選用單面焊選擇合適的坡口形式，如雙面焊；選用單面焊雙面成型的對(duì)接接頭，如用氬弧焊打底，或采雙面成型的對(duì)接接頭，如用氬弧焊打底，或采用帶墊板的坡口等。用帶墊板的坡口等。指基體金屬和焊縫金屬局部未完全熔合而留下指基體金屬和焊縫金屬局部未完全熔合而留下空隙的現(xiàn)象?？障兜默F(xiàn)象。導(dǎo)致脆性破壞和疲勞破壞。導(dǎo)致脆性破壞和疲勞破壞。未熔透未熔透改進(jìn)改進(jìn)42等厚度焊接等厚度焊接，對(duì)不等厚鋼板的對(duì)接，按一定斜，對(duì)不等厚鋼板的對(duì)接，按一定斜度度削薄過(guò)渡削薄過(guò)渡，以避免形狀突變，減緩應(yīng)力集中。，以避免形狀突變，減緩應(yīng)力集中。（3）盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中）盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中 接頭常常是脆性破壞和疲勞破壞的起源處，必須盡接頭常常是脆性破壞和疲勞破壞的起源處，必須盡量、減少應(yīng)力集中。量、減少應(yīng)力集中。措施：措施：43 板厚不等時(shí)的對(duì)接接頭板厚不等時(shí)的對(duì)接接頭441 1、低壓貯氣罐，壁厚、低壓貯氣罐，壁厚8mm8mm，壓力