轨道交通装备焊接结构设计知识培训

诚信创新永恒精品人品同在——但楚臣2018年8月轨道交通装备焊接结构设计知识分享诚信创新永恒精品人品同在目录contents焊接分类与典型焊接接头设计一2轨道装备产品焊接设计相关标准三焊接结构焊缝的图样表示法二焊接结构设计的工艺性技术四焊接结构设计相关知识总结五诚信创新永恒精品人品同在焊接分类与典型焊接接头设计一3一、焊接结构是金属结构中一种最主要的结构形式，如轨道车辆、钢结构、桥梁、船舶、锅炉及压力容器以及工程机械等结构主要都是焊接结构，它们大多依据有关的规程规范进行设计，《焊接手册》第3卷、《焊接结构设计手册》、EN15085、AWSD1.1、GB50017等大量著作及技术标准规范。焊接分类与典型焊接接头设计4一、焊接分类与典型焊接接头设计熔化焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。这类焊接方法的特点是，将被焊金属的结合处局部加热到熔化状态，互相熔合，冷却凝固彼此结合在一起。如气焊、电弧焊（111-SMAW、131/135-GMAW、141-GTAW)等最常用）、埋弧焊、电子束焊等。压焊是在焊接过程中，对被焊金属施加一定的压力（也可同时加热或不加热），促使被焊件间的接合面精密接触，使原子间产生结合作用，以获得永久性的连接，又称固态焊接。如电阻焊（最常用，如汽车及飞机制造行业）、摩擦焊、扩散焊、超声波焊和爆炸焊等。51、焊接分类(1)熔化焊(应用最广泛）(2)压力焊一、焊接分类与典型焊接接头设计61、焊接分类钎焊，是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法。钎焊在电机、仪表、无线电等部门都得到了广泛的应用。根据钎料熔点的不同，钎焊又分为硬钎焊（铝基材料，银基材料，铜基钎料）和软钎焊（锡基钎料）——钎料450°C为分界。(3)钎焊一、焊接分类与典型焊接接头设计对应的接头本类型：熔焊接头、压焊接头和钎焊接头。熔焊应用最广泛（尤其是轨道交通装备及工程机械行业），本次培训的将重点介绍。相关标准：ISO4063或GB/T5185：焊接及相关工艺方法代号2、焊接接头形式对接接头角接接头及T字形接头搭接接头焊接接头主要形式7一、焊接分类与典型焊接接头设计对接接头受热均匀，受力对称，应力集中较小，能承受较大的静载荷或动载荷，一般作为主承载焊缝；也便于无损检测，焊接质量容易得到保证。结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。特点：对应接头的特性说明：135°≦a≦180°一、焊接分类与典型焊接接头设计对应接头的特性说明：对接接头：应力集中最小，形式最简单，力的传递也较少转折，故是最合理的、典型的焊接接头形式（下图a）。但是如果出现较大的余高和过渡处圆弧半径较小，则应力集中将增大（下图b）。图a对接接头中工作应力的分布图b对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数Kσ的关系应用：最常用的焊接结构形式。一、焊接分类与典型焊接接头设计角接与T型接头角接接头和T字接头都以形成角焊缝为主。结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。结构：角接是指两个相互连接零件在接头处的中面相交成某一角度（30~135°）而进行焊接的接头。T型接头指两构件成T字形（直角或近似直角）焊接在一起的接头。特点：一、焊接分类与典型焊接接头设计角接与T型接头的特性说明：以角焊缝构成的接头，其几何形状都有急剧的变化，力线的传递复杂，焊缝的根部和趾部的应力集中，一般都比对接焊缝大。右图中十字接头的力线传递是挠曲不直的，在A点和B点都有较大的应力集中。角接承载能力比较差，多用于不重要的结构；T形接头在钢结构件中应用较多，多作为一种联系焊缝，它能承受各方向的力和力矩。在选用时尽量避免单面角焊缝，因其根部有较深的缺口，承载能力很低，必要时可开坡口或者背面封底。应用：一、焊接分类与典型焊接接头设计搭接接头两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。结构：多形成角焊缝（也可形成塞焊、长孔内角焊等），与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。特点：一、焊接分类与典型焊接接头设计应用：静载、非重要结构的连接焊缝。它可分为正面搭接、侧面搭接和斜向搭接；正面和侧面搭接焊缝中的应力分布不同。侧面搭接焊缝沿焊缝长度的应力分布不均。搭接接头的特性说明：正面搭接焊缝的工作应力分布是很不均匀的，在焊缝根部的A点和焊趾B点都有较大的应力集中。侧面搭接焊缝的应力分布正面搭接焊缝的应力分布搭接接头角焊缝一、焊接分类与典型焊接接头设计工作接头、联系接头和密封接头焊接结构焊缝又可按直接承受载荷与否分为承载焊缝和非承载焊缝，习惯上又称为工作焊缝和联系焊缝，如右图。密封接头主要任务是防止泄漏，故多属于工作接头。工作焊缝：它是将结构中的作用力由一个零件传至另一个零件，焊缝和零(构)件串联在一起，这种焊缝必须进行强度计算。联系焊缝：它是焊缝和零(构)件并联在一起，与零(构)件一起同时受力和变形，焊缝即使破坏，一般也不会影响整个结构的安全工作，传递作用力不是焊缝的主要任务，通常可不进行强度计算。承载焊缝和非承载焊缝a）承载焊缝b)非承载焊缝一、焊接分类与典型焊接接头设计注意：接头是由焊缝连接而成，同一种焊缝可以连接不同的接头（如下所示）。对接接头T形接头角接接头锁底接头对接焊缝对接焊缝对接焊缝对接焊缝15角接接头T形接头搭接接头角焊缝角焊缝角焊缝一、焊接分类与典型焊接接头设计板材对接焊缝试件管材对接焊缝试件板材角焊缝试件管与板角焊缝试件对接焊缝试件角焊缝试件焊接接头的设计特点（简述）1)优先采用接头(焊缝)形式简单、应力集中小、不破坏结构连续性的，即不使或很少使力线密集或出现转折的接头和焊缝形式。对接接头是最符合上述条件的，因此应优先考虑采用；其次，应考虑采用T形(十字)接头；搭接接头则应避免采用，但其在一些静载的、不是很重要的结构中为了施工方便仍有采用。优良的接头设计是防止结构破坏的条件之一。进行焊接接头设计时，进行设计应考虑以下问题：2)尽量将焊接接头布置在工作载荷较小处，以及构件几何尺寸和形状不变的地方。一、焊接分类与典型焊接接头设计3、坡口形式与选择基本坡口形状Ⅰ形V型单边V形U形J形坡口形状组合形状17特殊形状如卷边、锁边及开槽焊等为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度与接头类型。3)角焊缝的焊脚尺寸不宜过大（除非设计强度需要），搭接角焊缝不宜过长。4)充分考虑制造厂的条件，提高设计接头的工艺性。如：使焊接结构的接头种类少，采用的焊接方法种类少，接头尺寸单一；施焊性好等等。一、焊接分类与典型焊接接头设计18坡口的基本形式注意：熔焊对接接头一般应设计坡口，坡口形式选择与结构的“板厚、位置、可达性、加工条件、焊接变形与应力控制及选用的焊接工艺”等有关系。一、焊接分类与典型焊接接头设计双V形坡口由两个V形坡口和一个I形坡口组合而成其他：电阻焊以搭接为主，摩擦焊以对接为主，钎焊基本以对接和搭接接头为主。一、焊接分类与典型焊接接头设计201)选择结构的材料，包括制造结构的材料种类和规格。2)确定结构的形式，进行结构强度、刚度、稳定性等进行的预计算(这种计算是在力系分析基础上进行的)。3)进行结构的细节设计、焊接连接方式的设计和计算。4)绘制施工技术图，规定产品的制造技术条件、工艺技术及检验要求等。5)编制结构的设计计算说明书，其中包括设计结构的构造合理性和技术经济先进性的论证等。6）选取典型结构进行试验验证，形成验证报告。本章小结1．焊接结构的设计内容一、焊接分类与典型焊接接头设计21(1)许用应力法（又称为常规设计方法、安全系数设计法）它是目前最常用的结构设计方法，如工程机械、锅炉、起重机金属结构和焊接机器零件等都采用这种设计方法。一般焊接结构设计的强度条件：σ[σ]（工作应力/变形许用应力/变形）2．焊接结构常用的设计方法对于轨道车辆车体用材料的许用应力：TB/T1335中规定，客车车体许用应力的安全系数为1.5；在欧洲规范EN12663中，规定的许用应力的安全系数为1.15；在日本规范JISE7015中，规定，许用应力的安全系数为1.0。个人认为：许用应力的安全系数选择1.2~1.5之间（最大可能载荷与超常载荷时，焊缝区与无焊缝材料区，许用应力的安全系数选取的区别？）。一、焊接分类与典型焊接接头设计22(2)有限元模拟计算辅助设计法（ANSYS,ABQUS）注意：在轨道车辆行业：车辆相关部位进行的有限元计算及仿真并不能代替后续的“型式试验与例行试验及运行考核实验”等。TB/T1335第3条-总则规定：车辆的结构强度设计的鉴定主要以“试验与运用考验的资料”为依据。同时，强度计算资料也作为鉴定分析的依据之一。一、焊接分类与典型焊接接头设计23如果已知应力和抗力的随机变量分布函数，则利用概率论的数学方法可以计算出结构可靠度。目前仍是近似的概率设计法，采用分项系数表达式进行结构设计，即：rRRk≥rsSk式中：Rk和Sk——材料抗力R和载荷效应S的标准值；rR和rs——按概率设计法(包括可靠指标、变异系数、均值和标准差等)决定的分项系数。(3)以概率论为基础的极限状态设计法诚信创新永恒精品人品同在焊接结构焊缝的图样表示法二24二、焊接结构焊缝的图样表示法1、焊缝符号相关标准标准应符合ISO2553-2013《熔焊、铜焊和钎焊接头——在图纸上的符号标注法》标准的要求，焊缝标注示意如下图（目前国际上有A与B两种体系，A体系基于ISO25531992，B体系基于环太平洋国家）——GB/T324-2008。--双基准线：一条连续线，一条虚线，在标对称焊缝时，只保留连续线，不画虚线。--虚线画在连续线的上方或下方均可。而焊缝符号标在连续线上或标在虚线上是有区别的，当焊缝在指引线箭头处时，焊缝符号需标在连续线上，当焊缝在指引线的另一侧时，焊缝符号需标在虚线上（备注：基于目前普遍采用的A体系）。二、a,z及k的区别？焊接结构焊缝的图样表示法2、典型焊缝的标注备注：箭头侧是箭头所指向的接头一侧，非箭头侧是箭头所指向的接头一侧的相反一侧，箭头侧与非箭头侧总是同一接头的组成部分。二、焊接结构焊缝的图样表示法2、典型焊缝的标注图2-1有根部余高要求的焊缝标注示例备注：根部余高符号仅用于全熔透接头单面对接焊缝根部余高有最小尺寸要求时，根部余高符号必须与单元符号相对应并位于参照线的另一侧。二、焊接结构焊缝的图样表示法2、典型焊缝的标注图2-2偏折箭头线焊缝标注应用示例二、焊接结构焊缝的图样表示法2、典型焊缝的标注图2-3箭头侧与非箭头侧焊缝标注示例二、焊接结构焊缝的图样表示法2、典型焊缝的标注图2-4双面非对称焊缝焊缝标注示例二、焊接结构焊缝的图样表示法2、典型焊缝的标注图2-5综合焊缝符号标注示例2、典型焊缝的标注图2-6是几种情况下的标注示例：图2-6焊接标注示意（A体系）备注：每条焊缝都必须编写焊缝序号，相同焊缝可编写一个序号，但焊核直径、焊角高度、焊缝长度等不同，不能编写同样序号。焊缝序号应从明细栏材料明细中开始排列，便于SAP自动统计焊接重量。二、焊接结构焊缝的图样表示法诚信创新永恒精品人品同在轨道装备产品焊接设计相关标准三33三、轨道装备产品焊接设计相关标准ISO2553-2013焊接、硬钎焊和软钎焊--图纸符号表示（GB/T324-2008）ISO4063-2010焊接方法名称和代号(GB/T5185-2008)ISO6520-1金属材料中的几何缺欠分类--第一部分：熔化焊ISO9692-1焊接及相关工艺-推荐的焊接坡口--第一部分：钢的焊条电弧焊、气体保护焊接、气焊、TIG焊及高能束焊ISO9692-2焊接及相关工艺-推荐的焊接坡口--第二部分：钢的埋弧焊ISO9692-3焊接及相关工艺-推荐的焊接