焊接接頭、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造工藝課件

1、焊接接頭、結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造工藝1- 本章重點和難點： 5.1 焊接結(jié)構(gòu)、接頭和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計 5.1.1 焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點和常用的設(shè)計方法 5.1.2 焊接接頭的設(shè)計 5.1.3 焊接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計和焊接結(jié)構(gòu)圖樣表示法5.2 焊接生產(chǎn)工藝過程的設(shè)計 5.2.1 焊接生產(chǎn)及其工藝過程設(shè)計的內(nèi)容、步驟與方法 5.2.2 焊接生產(chǎn)的材料加工工藝及裝配焊接工藝 5.2.3 焊接工藝評定2-5.1 焊接結(jié)構(gòu)、接頭和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計 5.1.1 焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點和常用的設(shè)計方法 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、動力機(jī)械、汽車拖拉機(jī)、鐵路車輛等結(jié)構(gòu)都

2、是焊接結(jié)構(gòu)，它們大多依據(jù)有關(guān)的規(guī)程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，焊接手冊第3卷、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊及其他大量著作中，對此進(jìn)行詳細(xì)的研討，這些理論工作及實踐應(yīng)用促進(jìn)了焊接結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 1焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計特點 (1) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容 它包括的內(nèi)容有： 1) 選擇結(jié)構(gòu)的材料，包括制造結(jié)構(gòu)的材料種類和規(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)定性等進(jìn)行的計算(這種計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、焊接的設(shè)計和計算。 4) 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)計計算說明書，其中包括設(shè)計結(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。3- (2) 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的基

3、本要求和遵循原則 設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)的基本要求：實用性、安全性工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。 設(shè)計的焊接結(jié)構(gòu)的遵循原則： 1) 合理地選擇材料的種類。材料的種類不同，強(qiáng)度等級和性能就有差別，工藝性能也不同。所選材料強(qiáng)度與性能，包括塑性、韌性、耐磨性等應(yīng)能滿足結(jié)構(gòu)使用性能的要求；加工性能，如材料的冷熱加工，包括焊接性都能滿足加工要求。 2) 設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時應(yīng)大量采用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件和型材，包括標(biāo)準(zhǔn)型材和異型材，并且規(guī)格越單一越好。 3) 合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)形式。盡量采用簡潔明快的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，采用最簡單和最合理的接頭形式，并且種類越少越好，減少短而不規(guī)則的焊縫和避免不易加工的空間曲面結(jié)構(gòu)。 4) 合理地布置焊縫。例如

4、對稱布置焊縫、避免焊縫交叉、密集，重要的工作焊縫要連續(xù)，次要的聯(lián)系焊縫可用斷續(xù)焊縫，這有利于焊接施工和減少焊接工作量，便于控制焊接應(yīng)力和變形。 5) 施工方便并考慮改善工人勞動條件，便于生產(chǎn)組織和管理。設(shè)計結(jié)構(gòu)時就要考慮到日后施工的很多問題，如可達(dá)性問題，保證各種施工必需的操作空間問題等。 總之，設(shè)計結(jié)構(gòu)要有良好的工藝性，較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，產(chǎn)品質(zhì)量好、價格低，才具有競爭力。 4- 2焊接結(jié)構(gòu)常用的設(shè)計方法 (1) 許用應(yīng)力法，又稱為常規(guī)設(shè)計方法、安全系數(shù)設(shè)計法。 它是目前最常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，如壓力容器、鍋爐、起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)和焊接機(jī)器零件等都采用這種設(shè)計方法。 焊接容器結(jié)構(gòu)設(shè)計的強(qiáng)度條件：

5、(2) 以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計法 如果已知應(yīng)力和抗力的隨機(jī)變量分布函數(shù)，則利用概率論的數(shù)學(xué)方法可以計算出結(jié)構(gòu)可靠度。如果選擇確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)可靠度，達(dá)到設(shè)計結(jié)構(gòu)在技術(shù)上可靠、在經(jīng)濟(jì)上節(jié)省，這就是所謂的概率設(shè)計法。 目前仍是近似的概率設(shè)計法，采用分項系數(shù)表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，即： rRR krsSk 式中 R k和Sk材料抗力R和載荷效應(yīng)S的標(biāo)準(zhǔn)值； rR和rs 按概率設(shè)計法(包括可靠指標(biāo)、變異系數(shù)、均值和標(biāo)準(zhǔn)差等)決定的分項系數(shù)。 5-5.1.2 焊接接頭的設(shè)計 1. 焊接接頭 (1) 基本類型：熔焊接頭、壓焊接頭和釬焊接頭。應(yīng)用最廣泛的是熔焊。 1) 熔焊接頭 熔焊接頭由焊縫金屬、熔合線、

6、熱影響區(qū)和母材所組成。而焊縫金屬是填充材料和部分母材熔化后凝固而成的鑄造組織。熔焊接頭各部分的組織是不均勻的，性能上也存在差異。 焊縫金屬往往形成柱狀晶鑄造組織，一般較母材的強(qiáng)度高且硬，而韌性下降。對于高強(qiáng)度鋼，采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，如預(yù)熱、緩冷或采用合適的熱輸入也可獲得要求性能的焊縫金屬。焊縫金屬強(qiáng)度相對母材強(qiáng)度可能要高或低，前者稱為高匹配，后者稱為低匹配。 寬度不大的熱影響區(qū)，由于焊接溫度場梯度大，各點的熱循環(huán)大不相同,造成組織和性能的不同。特別要指出的是，經(jīng)過焊接熱循環(huán)后發(fā)生的“動應(yīng)變時效”(熱應(yīng)變時效)會使接頭性能惡化。將鋼材、鋁材等經(jīng)預(yù)應(yīng)變后，會產(chǎn)生變脆的“時效”現(xiàn)象，這種預(yù)應(yīng)變及時效

7、都是在低溫(室溫)下發(fā)生的，通常稱為“靜應(yīng)變時效”。而焊接熱影響區(qū)經(jīng)焊接熱循環(huán)后會產(chǎn)生熱應(yīng)變，焊接的高溫加速時效脆化，所以“動應(yīng)變時效”大大降低接頭的性能，要注意防止。6-7-1) 熔焊接頭-續(xù) 熔焊焊縫主要有對接焊縫和角焊縫，以這兩種焊縫為主體構(gòu)成的焊接接頭有：對接接頭、角接接頭、T形(十字)接頭、搭接接頭和塞焊接頭等。 常用焊縫坡口基本形式與所構(gòu)成的上述接頭形式見圖5-1 。其坡口形式、尺寸、熔化形成的焊縫金屬(圖中用細(xì)實線表示)。由符號字母代表的有關(guān)尺寸見表5-6。表5-6是參照GBT 9851988、GBT 9861988標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定列出的。選擇哪一種坡口形式除按照上述兩標(biāo)準(zhǔn)外，也可按行業(yè)

8、和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由焊件厚度確定，并且有一個合適的區(qū)間。 例如：厚度為30mm的板對接，既可以選擇圖5-1i所示的雙Y形坡口(由表5-6可查得：用焊條電弧焊時，該坡口適于1260mm厚的板；用埋弧焊時，適于24-60mm厚的板)，也可以選擇圖5-lm所示帶鈍邊的雙U形坡口。無論選擇哪一種坡口形式，都首先要保證接頭質(zhì)量，同時還要考慮經(jīng)濟(jì)性。8-常用熔焊接頭坡口形式圖5-1 常用熔焊接頭的坡口形式 a) n) 對接接頭 o) 角接頭9-圖5-1 常用熔焊接頭的坡口形式 p)u) 角接頭 v)b) T形（十字）接頭 c)d) 搭接接頭10-電渣焊接頭 它是熔焊接頭中一種重要的接頭。當(dāng)焊件厚度大于30mm時即

9、可以考慮采用電渣焊接頭，特別是大斷面的焊縫，如焊件厚度大于60mm，電渣焊比電弧焊接頭效率要高。常用接頭的基本形式（圖5-2）。 電渣焊焊件焊后通常要經(jīng)正火回火或高溫退火熱處理，以消除大焊接熱輸入造成的寬熱影響區(qū)、粗晶粒、高殘余應(yīng)力的不良影響。 11-電子束焊接接頭 它是熔焊接頭中的一種特殊接頭。它是利用聚焦的高速電子流轟擊焊件，使電子動能轉(zhuǎn)化為熱能而熔化焊接接頭的焊縫區(qū)而進(jìn)行的熔焊。 特點：可焊接各種特殊的金屬，大厚度，焊縫的深寬比大(可達(dá)25:1)。 應(yīng)用：核反應(yīng)堆元件，航空、航天設(shè)備中的某些特殊金屬、超高強(qiáng)度鋼及耐熱合金零件的焊接。12- 2) 壓焊接頭 電阻焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、超聲波焊

10、、冷壓焊和爆炸焊統(tǒng)稱為壓焊，其中電阻焊和摩擦焊應(yīng)用最廣。 電阻焊和摩擦焊在汽車工業(yè)中應(yīng)用很普遍，電阻焊中的點焊(包括滾點焊)和縫焊多是采用搭接接頭。摩擦焊接頭通常也是采用對接接頭。 3) 釬焊接頭 釬焊接頭也有多種類型，但基本類型只有對接接頭和搭接接頭兩種。13-(2) 熔焊坡口形式的選擇 熔焊坡口形式根據(jù)其形狀可分為三類：基本型，I形、V形和單V形、U形和單U形等（圖5-1）；特殊型，如卷邊的、帶墊板的、鎖邊的和塞焊、開槽焊等；組合型，就是上述各型組合而成，圖5-1中絕大多數(shù)都是組合型的坡口。 1) 工廠的加工條件。采用雙V形、Y形、單邊V形、雙單邊V形、V形、I形等坡口可用氣割、等離子弧切

11、割，也可用金屬切削方法加工。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。采用Y形、帶墊板Y形(圖5-1 e、f)、帶墊板V形、VY形(圖g)、帶鈍邊的U形(圖h)等坡口的接頭，施焊時，一般可不需翻轉(zhuǎn)。 內(nèi)徑較小的容器或管道，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。 3) 減小焊接材料的消耗量。一般熔敷金屬量小，焊接材料消耗也小，也節(jié)省加工時間。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，對于大厚度的焊接接頭，多采用這種較經(jīng)濟(jì)的坡口。 對于不適于電渣焊

12、、電子束焊的特厚件焊縫還采用窄間隙焊。 4) 考慮焊接變形與應(yīng)力。例如：單面焊可能引起角變形和焊縫根部的嚴(yán)重焊接殘余應(yīng)力，此時要考慮材料(母材)特點，采用適當(dāng)?shù)墓に嚭推驴谛问剑员惬@得合格的接頭。14-直角焊縫的截面形狀 無論是對接焊縫還是角焊縫，其焊縫表面都可以是凹陷、凸起或平齊的。 直角焊縫的四種形式，除三種等邊平的、凹的和凸的直角焊縫外(圖5-3ac)，還有平的不等邊直角焊縫(圖d)。焊腳尺寸K為角焊縫的特征尺寸，角焊縫的焊腳尺寸為焊縫內(nèi)接等腰直角三角形的直角邊，圖5-3。 圖5-3 直角焊縫的截面形狀 a) 平齊等邊角焊縫 b)凹陷等邊角焊縫 c)凸起等邊角焊縫 d)平齊不等邊角焊縫1

13、5-(3) 工作接頭、聯(lián)系接頭和密封接頭 工作焊縫： 它是將結(jié)構(gòu)中的作用力由一個零件傳至另一個零件，焊縫和零(構(gòu))件串聯(lián)在一起，這種焊縫必須進(jìn)行強(qiáng)度計算。 聯(lián)系焊縫： 它是焊縫和零(構(gòu))件并聯(lián)在一起，與零(構(gòu))件一起同時受力和變形，焊縫即使破壞，一般也不會影響整個結(jié)構(gòu)的安全工作，傳遞作用力不是焊縫的主要任務(wù)，通?？刹贿M(jìn)行強(qiáng)度計算。 圖5-4承載焊縫和非承載焊縫a）承載焊縫b) 非承載焊縫 焊接結(jié)構(gòu)焊縫又可按直接承受載荷與否分為承載焊縫和非承載焊縫，習(xí)慣上又稱為工作焊縫和聯(lián)系焊縫，如圖5-4。密封接頭主要任務(wù)是防止泄漏，故多屬于工作接頭。16-(4) 焊接接頭工作應(yīng)力的分布 圖5-1熔焊接頭主要

14、有：對接接頭、角接接頭、T形（十字）接頭和搭接接頭(包括塞焊接頭) 。 焊接接頭中工作應(yīng)力的分布不是均勻的，存在應(yīng)力集中，而各種接頭應(yīng)力集中的情形也不相同。其中對接接頭應(yīng)力集中最小，形式最簡單，力的傳遞也較少轉(zhuǎn)折，故是最合理的、典型的焊接接頭形式（圖5-5 ）。但是如果出現(xiàn)較大的余高和過渡處圓弧半徑較小，則應(yīng)力集中將增大（圖5-6）。圖5-6 對接焊縫余高h(yuǎn)、過渡半徑r與應(yīng)力集中系數(shù)K的關(guān)系圖5-5 對接接頭中工作應(yīng)力的分布應(yīng)力集系數(shù)：17-18-T形(十字)接頭-力的傳遞(添加) 以角焊縫構(gòu)成的各種接頭，其幾何形狀都有急劇的變化，力線的傳遞復(fù)雜，焊縫的根部和趾部的應(yīng)力集中，一般都比對接焊縫大

15、。 圖中十字接頭的力線傳遞是撓曲不直的，在A點和B點都有較大的應(yīng)力集中。19- T形(十字)接頭： 由母材向焊縫過渡急劇，力的傳遞轉(zhuǎn)折大，力線扭曲，應(yīng)力分布不均，易出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中（圖5-7）。 圖a由不開坡口角焊縫構(gòu)成的T形(十字)接頭，其最大應(yīng)力在角焊縫的根部，如I-I、-截面的A點和-截面的B點。 圖b開坡口焊透，則應(yīng)力分布大為改善。 T形(十字)接頭應(yīng)用也很廣，在造船業(yè)中占70，所以改善其應(yīng)力分布十分重要。 I形坡口的角焊縫構(gòu)成的T形接頭，隨著焊腳尺寸的增大和角的減小(圖a)，應(yīng)力集中下降。當(dāng)角小于或大于45，即屬圖5-3d不等邊角焊縫時，只有長邊順著力線方向(即3(-1)，也可兩面

16、削出斜面。1) 以許用應(yīng)力法為基礎(chǔ)的計算25- 搭接接頭強(qiáng)度的計算： 圖5-10為搭接接頭及受力情況。 搭接接頭都是角焊縫組成的，其強(qiáng)度計算主要是計算角焊縫的強(qiáng)度。（對接接頭強(qiáng)度計算主要是驗算對接焊縫的強(qiáng)度）圖5-10 角(塞)焊縫構(gòu)成的搭接接頭及其受力 a)、b)、c) 分別為正面、側(cè)面、聯(lián)合搭接，均承受拉(壓)力 d)、e)、f) 分別為正面、側(cè)面、聯(lián)臺搭接，均承受面內(nèi)彎矩 g)、h) 分別為塞焊和電鉚焊搭接接頭，均承受拉(壓)力26- 搭接角焊縫計算中的4個假定： (1) 對于角焊縫的形狀（圖5-3），都將內(nèi)接等腰直角三角形的高K0作為計算厚度。不計及焊縫的凸凹度，也不考慮熔深的差別，K

17、00.7K，K為焊腳尺寸。當(dāng)熔深較大，如埋弧焊時，可考慮K00.8K，甚至等于K 。 (2) 角焊縫一律按計算截面，即計算厚度截面處受切應(yīng)力破壞來計算，即使接頭承受彎矩，抵抗彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力亦假定為切應(yīng)力，見表5-8中，式(5-12)、式(5-15)、式(5-17)等等。 (3) 不考慮正、側(cè)面角焊縫上應(yīng)力的差別和焊縫應(yīng)力分布的不均，這給計算帶來方便。由于側(cè)面搭接焊縫隨焊縫長度的增加，應(yīng)力不均勻程度增大，上述計算規(guī)定限制計算焊縫的長度。 (4) 限制角焊縫最小焊腳尺寸，一般不小于4mm；當(dāng)板厚小于4mm，則焊腳尺寸可與板厚相同。圖5-10各種搭接接頭強(qiáng)度的計算見表5-8。 圖5-3 直角焊縫的截面形狀 27- T形接頭強(qiáng)度的計算： 圖5-7，T形（十字）接頭可由角焊縫構(gòu)成(圖a)，這種接頭會產(chǎn)生應(yīng)力集中；也可由對接焊縫，如開K形坡口(圖b)焊縫構(gòu)成，后者應(yīng)力集中要小得多。 表5-8所列包括兩種焊縫的強(qiáng)度計算。可以看出，角焊縫的強(qiáng)度計算與搭接角焊縫的強(qiáng)度計算是一樣的，而后者又和對接焊縫強(qiáng)度的計算相同。（P