15 焊接結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計

厚德博學(xué)追求卓越15焊接結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計主要內(nèi)容焊接工藝規(guī)范一焊接結(jié)構(gòu)材料與焊接方法選擇二三焊接接頭的工藝設(shè)計四焊接結(jié)構(gòu)工藝圖一、焊接工藝規(guī)范焊接工藝規(guī)范

分析工作條件并提出性能要求首先要根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)本身的情況及其工作條件進行分析，了解工況。例如：載荷的大小、性質(zhì)與分布、使用溫度、環(huán)境狀況、使用的期限及工作可靠性要求等。根據(jù)上述情況對焊接結(jié)構(gòu)提出性能要求，包括強度、剛度、塑性、韌性等力學(xué)指標及抗蝕性等物理化學(xué)性能指標。0102提出設(shè)計方案和優(yōu)化設(shè)計由焊接結(jié)構(gòu)的性能要求，提出多種設(shè)計方案，進行分析對比，確定出合理的最優(yōu)方案。在設(shè)計時應(yīng)熟悉有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的國家技術(shù)標準與規(guī)程；掌握焊接結(jié)構(gòu)的工藝性；選擇焊接結(jié)構(gòu)件的材料；確定焊接方法；進行焊接接頭工藝設(shè)計。03按照設(shè)計內(nèi)容分步進行設(shè)計（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。二、焊接結(jié)構(gòu)材料與焊接方法選擇2.1焊接結(jié)構(gòu)材料選擇

1.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，盡可能避免選用異種材料或不同成分的材料。對鋼材的焊接性能而言，一般要求抗裂性要好，因此材料在焊接時要求淬硬程度低、冷裂傾向小，從而在成分上希望材料的碳當量低，主要碳的質(zhì)量分數(shù)要小。對有剛度和穩(wěn)定性要求為主的各種焊接結(jié)構(gòu)，例如大型管道、塔架、支承箱體等，由于成分對材料的剛性影響較小，因此應(yīng)盡可能選用焊接性能最優(yōu)的材料，通常選擇ωC＜0.25%的碳素結(jié)構(gòu)鋼或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，或者選用ωC＜0.20%（ωCE＜0.4%）的低合金結(jié)構(gòu)鋼。對于以強度和韌性要求為主的焊接結(jié)構(gòu)，例如機器中的受力機械零件，結(jié)構(gòu)裝置以及容器、橋梁、船體等，應(yīng)選擇焊接性能良好、強度級別又較高的材料，例如中、高強度級別的低合金結(jié)構(gòu)鋼。對ωC＞0.5%的碳素結(jié)構(gòu)鋼或優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，或ωC＞0.4%(ωCE＞0.4%~0.6%)的合金鋼，焊接性能不好，盡量不予選擇，如果實際需要使用，有必要采用相應(yīng)的工藝措施，以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫質(zhì)量。2.1焊接結(jié)構(gòu)材料選擇

材料的冶金質(zhì)量包括冶煉時脫氧完全程度，雜質(zhì)的數(shù)量、大小及分布狀況等。2.選擇焊接結(jié)構(gòu)材料要注重材料的冶金質(zhì)量。

鎮(zhèn)靜鋼脫氧完全、組織致密，重要的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)選用這種鋼材。

焊接的特點之一是可按工作需要在不同部位選用不同強度和性能的材料拼焊。

沸騰鋼含氧較高，沖擊韌度較低，性能不均勻，焊接時易產(chǎn)生裂縫、厚板焊接時還可能產(chǎn)生層狀撕裂，不可用于制造承受動載荷或低溫工作的重要焊接結(jié)構(gòu)，但可用于一般焊接結(jié)構(gòu)。3.異種鋼材或異種金屬的焊接，要盡量選擇化學(xué)成分、物理性能相近的材料。

在鍛件、鑄件與型材的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，必須考慮兩種材料的焊接性能，對于異種金屬材料的焊接，更應(yīng)考慮它們的焊接性能。

低碳鋼或低合金鋼和其它鋼種焊接，則焊接性能有一定差異，一般要求焊接接頭強度不低于被焊鋼材強度較低者，可按焊接性能較差的鋼種設(shè)計工藝、采取相應(yīng)措施進行焊接，例如采取預(yù)熱或焊后熱處理，選擇合適的焊接材料。4.優(yōu)先選擇型材，以減少焊縫數(shù)量，簡化焊接工藝，增加焊件強度和剛度。5.合理選擇焊接結(jié)構(gòu)材料供應(yīng)時的尺寸、形狀規(guī)格，以便下料、套料，減少邊角余料的損失和減少拼料時的焊縫數(shù)量。2.2焊接方法選擇

焊接方法的選擇是根據(jù)材料的可焊性、工件厚度、生產(chǎn)率要求、各種焊接方法的適用范圍和現(xiàn)場條件來綜合考慮的。工件板厚為中等厚度(10～20mm)，則采用焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊均可施焊，但氬弧焊成本較高，一般情況下不采用氬弧焊；工件為長直焊縫或圓周焊縫，生產(chǎn)批量也較大，可選用埋弧自動焊；工件為單件生產(chǎn)或焊縫短而處于不同空間位置，則采焊條電弧焊最為方便；工件是薄板輕型結(jié)構(gòu)，無密封要求，則采用點焊生產(chǎn)率較高；工件為35mm以上厚板的重要結(jié)構(gòu)，條件允許可采用電渣焊。工件是薄板輕型結(jié)構(gòu)，有密封要求，可用縫焊；低碳鋼焊接2.2焊接方法選擇

焊接方法的選擇是根據(jù)材料的可焊性、工件厚度、生產(chǎn)率要求、各種焊接方法的適用范圍和現(xiàn)場條件來綜合考慮的。焊接合金鋼，不銹鋼等重要工件，則應(yīng)采用氬弧焊以保證焊接質(zhì)量。焊接鋁合金結(jié)構(gòu)件時，因可焊性不好，最好采用氬弧焊來保證接頭質(zhì)量；如果鋁合金焊件的生產(chǎn)批量不大或是單件生產(chǎn)，現(xiàn)場又無氬弧焊機，也可以采用氣焊。焊接稀有金屬或高熔點金屬的特殊構(gòu)件，則采用等離子弧焊、真空電子束焊或脈沖氬弧焊；如果是微型箔件，則應(yīng)采用微束等離子弧焊或脈沖激光點焊。其他材料焊接2.2焊接方法選擇

在工業(yè)生產(chǎn)中，往往遇到異種金屬焊接結(jié)構(gòu)，它不僅能滿足不同工作條件對材質(zhì)提出的不同的要求（如耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等），而且還能節(jié)約高合金鋼、銅、鈦等貴重金屬和降低成本。焊條電弧焊對異種鋼焊接應(yīng)用最廣。熔化極氣體保護焊由于采用高合金鋼焊絲、電阻大、熔點低，采用小電流焊接時也能對異種鋼進行焊接，得到滿意的效果。銅及銅合金與鋼的焊接，在銅及銅合金上或在鋼上或同時堆焊過渡層（純鎳），然后進行手弧焊或埋弧自動焊及氣體保護焊均可得到高質(zhì)量接頭。鋁與鋼的焊接只能采用壓力焊的方法。異種金屬結(jié)構(gòu)焊接三、焊接接頭的工藝設(shè)計

3.1焊接接頭設(shè)計

焊接接頭是組成焊接結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵部分，它的性能直接關(guān)系焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。

焊接接頭的基本形式有對接、搭接、角接和T形接等。對接接頭受力均勻，應(yīng)力集中較小，易保證焊接質(zhì)量，靜載和疲勞強度都比較高，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)受力焊縫常用對接接頭。搭接接頭受力復(fù)雜，接頭處產(chǎn)生附加彎矩，材料耗損大，不需要坡口，下料尺寸精度要求低，可用于受力不大的平面連接，例如廠房屋架、橋梁、起重機吊臂等桁架結(jié)構(gòu)，多用搭接接頭。T形接頭和角接接頭受力復(fù)雜，與搭接接頭一樣易產(chǎn)生焊接缺陷。

3.1焊接接頭設(shè)計

焊接接頭形式應(yīng)該根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的某些因素具體確定，如焊接結(jié)構(gòu)的形狀、厚度、焊縫部位、強度要求、焊接方法及工藝、材料焊接性能、焊后變形、坡口加工等因素。

接頭形式的確定，還要保證焊接質(zhì)量并能使成本降低，也與焊接方法因素的關(guān)系很大?？刹捎脤?、搭接、T形接、角接四種接頭形式。焊條電弧焊采用的形式與焊條電弧焊基本相同。埋弧焊可采用對接、T形接、角接形式，常用對接形式。電渣焊接頭形式的選擇只能用搭接。點焊與縫焊釬焊常用搭接。釬焊薄板可采用氣焊或鎢極氬弧焊，為了避免燒穿或省去添加填充焊絲，可采用卷邊接頭。氣焊或鎢極氬弧焊

3.1焊接接頭設(shè)計

采用對接接頭時，厚度小于6mm以下一般為I形坡口（即對接處留適當間隙）。

當板厚較大時，為了保證焊透，需在接頭處預(yù)制各種坡口。焊條電弧焊的基本坡口形式有I形、V形、雙V形、U形、雙U形。

V形和U形坡口可單向焊接，焊接性較好，但角變形較大，消耗焊條多；雙V形和雙U形坡口需兩面施焊，受熱均勻，變形較小，焊條消耗少；U形和雙U形較V形和雙V形坡口易焊透，消耗焊條少，但形狀復(fù)雜，加工困難，成本高，一般在重要厚板結(jié)構(gòu)中采用。

為了在焊接時使接頭兩側(cè)加熱均勻，避免變形，要求接頭處加工成相同或相近的尺寸。

不同厚度金屬材料對接時允許的厚度差如表所示。

3.2焊縫的布置

焊縫位置布置的合理與否是焊接結(jié)構(gòu)接頭設(shè)計的關(guān)鍵，它與產(chǎn)品質(zhì)量、成本、生產(chǎn)率及工人的勞動條件有著密切的關(guān)系。

1.焊縫應(yīng)盡可能分散布置

焊縫分布過于密集或交叉，會造成金屬過熱，加大熱影響區(qū)，使接頭組織粗大。因此，兩條相鄰的焊縫的距離一般要求大于3倍板厚且不小于100mm。

3.2焊縫的布置

2.焊縫應(yīng)盡可能對稱布置

焊縫布置對稱可減小焊接變形。如圖(a)、(b)所示的焊件，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。圖(c)、(d)、(e)所示的焊件，焊縫位置分布對稱，焊后不會發(fā)生明顯的變形。

3.2焊縫的布置

3.焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中部位

對于受力較大較復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，在最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置不應(yīng)該布置焊縫。例如大垮度的焊接鋼梁，板料的拼接焊縫應(yīng)盡量避免放在梁的中間，如圖a改成d的狀態(tài)，寧可增加一條焊縫。

壓力容器的凸形封頭應(yīng)有一段直壁，使焊縫避開應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角位置，如圖中b應(yīng)改為e狀態(tài)，其直壁長度應(yīng)大于25mm。

在構(gòu)件截面有急劇變化的位置，或尖銳棱角部位，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，不應(yīng)在該處布置焊縫，如果結(jié)構(gòu)要求必須在該處設(shè)置焊縫，則應(yīng)使該處接觸面積盡可能一致，如圖中c應(yīng)改為f狀態(tài)。

3.2焊縫的布置

4.焊縫應(yīng)盡量避開機械加工表面

有些焊接結(jié)構(gòu)上有要求較高的加工表面時，為使加工精度不受影響，焊縫應(yīng)盡可能離加工面遠一些或避開加工表面。

3.2焊縫的布置

5.焊縫位置應(yīng)便于焊接操作

布置焊縫時，要考慮到有足夠的操作空間。如圖a、b、c所示的內(nèi)側(cè)焊縫，焊接時焊條無法伸入。若必須焊接，只能將焊條彎曲，但操作者的視線被遮擋，極易造成缺陷。因此，應(yīng)改為圖d、e、f所示的設(shè)計。

埋弧焊結(jié)構(gòu)要考慮接頭處在施焊中存放焊劑和熔池的保持問題。

點焊與縫焊應(yīng)考慮電極伸入的方便性。

3.2焊縫的布置

6.盡量減少焊縫長度和數(shù)量

減少焊縫長度和數(shù)量不僅可減少焊接熱輸入量、減少焊接應(yīng)力和變形，而且可減少焊接材料消耗，提高生產(chǎn)率。

如圖所示為采用型鋼和沖壓件減少焊縫數(shù)量的設(shè)計，a圖、b圖各有4條焊縫，而改成c圖、d圖結(jié)構(gòu)后僅有兩條焊縫。

3.3焊接結(jié)構(gòu)工藝性實例

結(jié)構(gòu)名稱：中壓容器

材料：Q355B

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)

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。工藝圖如圖15-14所示。

3.3焊接結(jié)構(gòu)工藝性實例

根據(jù)各焊縫的不同情況，選用不同的焊接方法、焊接材料、焊接工藝和接頭型式。四、焊接結(jié)構(gòu)工藝圖焊接結(jié)構(gòu)工藝圖

焊接結(jié)構(gòu)工藝圖是指使用國家標準中規(guī)定的有關(guān)焊縫的圖形、符號、畫法、標注等表達設(shè)計人員關(guān)于焊縫的設(shè)計思想，并能被他人正確理解的焊接結(jié)構(gòu)圖樣。

為了使焊接結(jié)構(gòu)圖樣清晰，并減輕繪圖工作量，一般采用圖示法及一些符號對焊縫進行標注。焊接結(jié)構(gòu)工藝圖

在需要確切說明焊縫的表面形狀時，要用輔助符號，輔助符號是表示焊縫表面形狀特征的符號。常見的輔助符號及標注示例見表15-4。焊接結(jié)構(gòu)工藝圖

指引線采用細實線繪制，一般是由帶有箭頭的指引線（箭頭線）和兩條基準線（一條為實線，一條為虛線）組成，如圖15-15所示。

焊縫尺寸一般不標注，如設(shè)計或生產(chǎn)需要注明焊縫尺寸時才標注。常用的焊縫尺寸符號見表15-4。焊