武汉理工大学,金属工艺学第16章焊接件的结构设计.

第16章焊接件的结构设计主要内容：16.1焊接规范116.2焊接方法的选择216.3焊接结构件材料的选择316.4焊接接头工艺设计416.5焊接件结构工艺设计5重点内容：掌握焊接结构工艺设计的基本原则。一、分析工作条件并提出性能要求16.1焊接规范二、提出设计方案和优化设计三、按照设计内容分步进行设计焊接结构设计的主要内容和顺序如下：1）选择焊接结构材料（母材）；2）确定焊接方法及焊接材料；3）确定焊接接头及坡口形式；4）合理布置焊缝位置；5）制订简明的焊接工艺。生产单件钢结构件1．板厚在3～10mm,强度较低，且焊缝较短应选用手工电弧焊。2．板厚在10mm以上，焊缝为长直焊缝或环焊缝应选用埋弧焊。3．板厚小于3mm，焊缝较短应选用CO2焊。生产大批量钢结构件1．板厚小于3mm,无密封要求应选用电阻点焊，有密封要求应选用缝焊。2．板厚在3～10mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝，应选用CO2自动焊。3．板厚大于10mm，焊缝为长直焊缝和环焊缝隙，应选用埋弧焊或电渣焊。生产不锈钢、铝合金和铜合金结构件1．板厚小于3mm,应选用脉冲钨极氩弧焊。2．板厚在3～10mm,焊缝为长直焊缝或环焊缝，应选用熔化极氩弧或等离子弧自动焊。16.2焊接方法的选择焊接材料的选择原则：16.3焊接结构件材料的选择1、在满足使用性能要求的前提下，尽量选用焊接性能好的材料。低碳钢和碳当量小于0.4%的低合金钢都具有良好的焊接性能，设计中应尽量选用；含碳量大于0.4%的碳钢、碳当量大于0.4%的低合金钢，焊接性不好，设计时一般不用；镇静钢脱氧完全，组织致密，质量较高，重要的焊接结构应选用；沸腾钢氧含量较高，组织成分不均匀，焊接时易产生裂纹，厚板焊接时还可能出现层状撕裂；2、异种金属的焊接，要注意它们的焊接性能，要尽量选用化学成分、物理性能相近的材料。一般要求接头强度不低于被焊钢材中的强度较低者，并应在设计中对焊接工艺提出要求，按焊接性较差的钢种采取措施，如预热或焊后热处理；3、此外，设计焊接结构时，应多采用工字钢、槽钢、角钢和钢管等型材，以降低结构重量，减少焊缝数量，简化焊接工艺，增加结构件的强度和刚性。16.4.1焊接接头及坡口的形式16.4焊接接头的工艺设计焊接接头的基本形式有对接、搭接、角接和T形接等。1、对接接头对接接头受力均匀，易保证焊接质量，静载荷疲劳强度都比较高，且节约材料，但对下料尺寸精度要求较高。一般应尽量选用对接接头，例如锅炉、压力容器等结构件。一、接头形式2、搭接接头搭接接头因两工件不在同一平面，受力时将产生附加弯矩，而且金属消耗量也大，一般应避免采用。但搭接接头不需要开坡口，装配时尺寸要求不高，对某些受力不大的平面连接与空间构架，采用搭接接头可节省工时。3、T形接头和角接头T形接头和角接头受力情况都较对接接头复杂，但接头成直角或一定角度连接时，必须采用这种接头形式。接头形式的确定与焊接方法因素的关系很大。焊条电弧焊可采用对接、搭接、T形接、角接四种接头形式；埋弧焊采用的形式与焊条电弧焊基本相同；电渣焊的接头可采用对接、T形接、角接形式，常用对接形式；点焊与缝焊只能用搭接；钎焊常用搭接。焊条电弧焊对板厚为1~6mm对接接头施焊时，一般可不开坡口（级Ι形坡口）直接焊成。当板厚增大时，为保证焊透，接头处应根据工件厚度预制出各种形式的坡口，坡口角度和装配尺寸按标准选用。二、坡口形式当两个焊件的厚度相同时，常用的坡口形式及角度可按前面图中选用。Y形坡口和U形坡口用于单面焊，其焊接性较好，但焊后角度变形大，焊条消耗量也多。双Y形坡口双面施焊，受热均匀，变形较小，焊条消耗量较少，但有时受结构形状限制。U形坡口根部较宽，允许焊条深入，容易焊透，而且坡口角度小，焊条消耗量较小，但坡口形状复杂，一般只在重要的受重载的厚板结构中采用。三、接头过渡形式设计焊接构件最好采用相等厚度的金属材料，以便获得优质的焊接接头。当两板厚度相差较大的金属进行焊接时，接头处会造成应力集中，而且接头两边受热不均匀，易产生焊不透等缺陷。不同厚度金属材料对接时，允许的厚度差如下表。如果δ1~δ超过表中规定值或双面超过2（δ1~δ）时，应在较厚板料上加工出单面或双面斜边的过渡形式。钢板厚度不同的角接与T形接头受力焊缝，可考虑下图的过渡形式。16.4.2焊缝的合理布置1．焊缝应尽可能分散。焊缝密集交叉，会造成金属过热，加大热影响区，使组织恶化。因此两条焊缝的间距一般要求大于3倍板厚，且不大于100mm。2．焊缝的位置尽可能对称布置。图中a、b所示的构件，焊缝位置偏离截面中心，并在同一侧，由于焊缝的收缩，会造成较大的弯曲变形。3．焊缝应尽量避开最大应力断面和应力集中位置。4．焊缝应尽量避开机械加工表面。5．焊缝位置应便于焊接操作。16.5焊接件结构工艺设计16.5.1结构工艺性焊件的结构工艺性就是要从结构形状、焊缝布置、接头形式等方面综合考虑如何能保质保量，低耗高产地实现设计要求。1）焊缝应具有良好的可焊性，即便于施焊，应能保证焊接质量和节省工时及便于机械化焊接和降低成本。3）当焊接结构不能翻转或现场翻转设备及焊工技术水平受到限制时，应避免设计仰焊缝。2）当结构材料的塑性较好时，应着重预防焊接变形。若结构材料的塑性较差或结构刚度较大则主要应预防应力和裂纹。为便于采用自动焊提高生产率，焊缝应呈直线或环形的，断续焊缝应改成连续的，操作空间应能容纳机械装置。如图所示的工字钢若沿图中点划线切开后再焊成(b)所示的式样，则在重量不变的情况下刚度可提高几倍，适用于跨度较大而载荷不高的场合，节约了原材料。锯齿合成梁4）节省材料也是应考虑的问题之一。5）变角接为对接以增加接头强度。(a)、(b)不合理(c)、(d)合理6）受压丁字接头应使接触面直接接触传递压力，可减小焊缝面积。受压丁字接头的设计(a)不合理；(b)(c)合理7）筋板切角可避免焊缝交叉，减小应力。(a)不合理；(b)合理8）焊缝的尖角部分易产生应力集中，诱发裂纹，应改为平缓过渡。焊缝应避免尖角的设计(a)、(b)不合理(c)、(d)合理16.5.2改善结构工艺性的实例结构名称：中压容器材料：16MnA板厚：筒身12mm；封头14mm；入孔圈20mm；管接头7mm生产数量：小批生产入孔圈平盖筒身端部3000工艺设计要点：筒身用钢板冷卷，按实际尺寸可分为三节，为避免焊缝密集，筒身纵焊缝相互错开180o；封头采用热压成型，与筒身连接处应有30mm-50mm的直段以避开应力集中位置；入孔圈也为卷制791032165489序号焊缝名称焊接方法与焊接工艺焊接材料1筒身纵缝1、2、3因容器质量要求高，又小批生产，采用埋弧焊双面焊，先内后外，不开坡口。材料为16MnR应在室内焊接。焊丝：H08MnA焊剂：431焊条：结5072筒身环缝4、5、6、7采用埋弧焊双面焊，顺序焊4、5、6焊缝，先内后外，不开坡口。7焊缝装配后先在内部用手弧焊封底，再用埋弧焊焊外环缝。焊丝：H08MnA焊剂：431焊条：结5073管接头焊接9管壁7mm，手弧焊双面焊，装配后角焊缝，不开坡口。焊条：结5074入孔圈纵缝10板厚20mm，焊缝短（100mm），手弧焊，平焊位置，V型坡口。焊条：结5075入孔圈环缝8处于立焊位置的圆角焊缝，采用手弧焊，单面坡口，双面焊焊条：结507