第21章焊接結構設計

1、金屬材料及工藝（第二版）焊接篇之焊接結構設計主講：主講： 設計焊接結構時，既要根據(jù)該結構的使用要求，包括一定的形狀、工作條件和技術要求等，也要考慮結構的焊接工藝要求，力求焊接質量良好，焊接工藝簡單，生產率高，成本低。焊接結構工藝性，一般包括焊接件材料的選擇、焊接方法的選擇、焊縫的布置和焊接接頭及坡口形式設計等。 22.1 22.1 焊接結構件材料的選擇焊接結構件材料的選擇 焊接結構在滿足使用性能要求的前提下，首先要考慮選擇焊接性能較好的材料來制造。在選擇焊接件的材料時，要注意以下幾個問題： (1) 盡量選擇低碳鋼和碳當量小于0.4%的低合金結構鋼。 (2) 應優(yōu)先選用強度等級低的低合金結構鋼，

2、這類鋼的焊接性與低碳鋼基本相同，鋼材價格也不貴，而強度卻能顯著提高。 鍛壓、沖壓材料 (3) 強度等級較高的低合金結構鋼，焊接性能雖然差些，但只要采取合適的焊接材料與工藝，也能獲得滿意的焊接接頭。設計強度要求高的重要結構可以選用。 (4) 鎮(zhèn)靜鋼比沸騰鋼脫氧完全，組織致密，質量較高，可選作重要的焊接結構。 (5) 異種金屬的焊接，必須特別注意它們的焊接性及其差異，對不能用熔焊方法獲得滿意接頭的異種金屬應盡量不選用。 22.2 22.2 焊接方法的選擇焊接方法的選擇 各種焊接方法都有其各自特點及適用范圍，選擇焊接方法時要根據(jù)焊件的結構形狀、材質、焊接質量要求、生產批量和現(xiàn)場設備等，確定最適宜的焊

3、接方法。以保證獲得優(yōu)良質量的焊接接頭，并具有較高的生產效率。 鍛壓、沖壓材料 選擇焊接方法時應遵循以下原則。 (1) 焊接接頭使用性能及質量要符合要求，如點焊、縫焊都適于薄板結構焊接，縫焊才能焊出有密封要求的焊縫；又如氬弧焊和氣焊都能焊接鋁合金，但氬弧焊的接頭質量高。 (2) 提高生產率，降低成本，若板材為中等厚度時，選擇手工電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊均可。如果是平焊長直焊縫或大直徑環(huán)焊縫，批量生產，應選用埋弧焊；如果是不同空間位置的短曲焊縫，單件或小批量生產，采用手工電弧焊為好。 (3) 可行性，要考慮現(xiàn)場是否具有相應的焊接設備，野外施工有否電源等。 鍛壓、沖壓材料22.3 22.3 焊接接

4、頭的工藝設計焊接接頭的工藝設計 焊接接頭的工藝設計包括焊縫的布置、接頭的形式和坡口的形式等。 22.3.1 22.3.1 焊縫的布置焊縫的布置 合理的焊縫位置是焊接結構設計的關鍵，與產品質量、生產率、成本及勞動條件密切相關。其一般工藝設計原則如下： (1) 焊縫的布置盡可能的分散。焊縫密集或交叉，會造成金屬過熱，熱影響區(qū)增大，使組織惡化。同時焊接應力增大，甚至引起裂紋。如圖22.3.1所示。 (a) 不合理 (b) 合理圖22.3.1 焊縫分散布置的設計示意圖 (2) 焊縫的布置盡可能的對稱。為了減小變形，最好是能同時施焊，如圖22.3.2所示。 (a)不合理 (b) 合理圖22.3.2 焊縫

5、對稱布置的設計示意圖 鍛壓、沖壓材料 (3) 便于焊接操作。手工電弧焊時，至少焊條能夠進入待焊的位置，如圖22.3.3所示；點焊和縫焊時，電極能夠進入待焊的位置，如圖22.3.4所示。 圖22.3.3 搭接縫焊的布置 圖22.3.4 點焊或縫焊焊縫的布置 鍛壓、沖壓材料 (4) 焊縫要避開應力較大和應力集中部位。對于受力較大、結構較復雜的焊接構件，在最大應力斷面和應力集中位置不應布置焊縫。如大跨度的焊接鋼梁，焊縫應避免在梁的中間，如圖22.3.5 (a)所示；壓力容器的封頭應有一直壁段，不就采用如圖22.3.5 (b)所示的無折邊封頭結構；在構件截面有急劇變化的位置，不應如圖22.3.5 (c

6、)所示布置焊縫。 圖22.3.5 焊縫避開最大應力及應力集中位置布置的設計示意圖 鍛壓、沖壓材料 (5) 焊縫應盡量避開機械加工表面。需要進行機械加工，如焊接輪轂、管配件等。其焊縫位置的設計應盡可能距離已加工表面遠些，如圖22.3.6所示。 圖22.3.6 焊縫遠離機械加工表面的設計示意圖 鍛壓、沖壓材料 (6) 采用埋弧焊焊接時，焊件的結構要有利于焊劑的堆放，如圖22.3.7所示。 圖22.3.7 采用埋弧焊焊接時應有利于焊劑的堆放 鍛壓、沖壓材料22.3.2 22.3.2 接頭的設計接頭的設計 焊接接頭設計應根據(jù)焊件的結構形狀、強度要求、工件厚度、焊后變形大小、焊條消耗量、坡口加工難易程度

7、、焊接方法等因素綜合考慮決定。主要包括接頭形式和坡口形式等，如圖22.3.8所示。 1) 焊接接頭形式 焊接碳鋼和低合金鋼常用的接頭形式可分為對接、角接、T形接和搭接等。對接接頭受力比較均勻，是最常用的接頭形式，重要的受力焊縫應盡量選用。搭接接頭因兩工件不在同一平面，受力時將產生附加彎矩，金屬消耗量也大，一般應避免采用。但搭接接頭不需開坡口，裝配時尺寸要求不高，對某些受力不大的平面連接與空間構架，采用塔接接頭可節(jié)省工時。角接接頭與T形接頭受力情況都較對接接頭復雜，但接頭成直角或定角度連接時，必須采用這種接頭形式。鍛壓、沖壓材料2) 焊接坡口形式 開坡口的目的是使焊件接頭根部焊透，同時焊縫美觀，

8、此外，通過控制坡口的大小，來調節(jié)焊縫中母材金屬與填充金屬的比例，以保證焊縫的化學成分。手工電弧焊坡口的基本形式是I形坡口(或稱不開坡口)、Y形坡口、雙Y形坡口、U形坡口等4種，不同的接頭形式有各種形式的坡口，其選擇主要根據(jù)焊件的厚度，如圖22.3.8所示。 (a) 對接接頭 (b) 角接接頭 (c) T形接頭 (d) 搭接接頭 圖22.3.8 手工電弧焊焊接接頭及坡口形式 鍛壓、沖壓材料 3) 接頭過渡形式 兩個焊接件的厚度相同時，雙Y形坡口比Y形坡口節(jié)省填充金屬，而且雙Y形坡口焊后角變形較小，但是，這種坡口需要雙面施焊。U形坡口也比Y形坡口節(jié)省填充金屬，但其坡口需要機械加工。坡口形式的選擇既取決于板材厚度，也要考慮加工方法和焊接工藝性。如要求焊透的受力焊縫，盡量采用雙面焊，以保證接頭焊透，且變形小，但生產率低。若不能雙面焊時才開單面坡口焊接。 對于不同厚度的板材為保證焊接接頭兩側加熱均勻，接頭兩側板厚截面應盡量相同或相近，如圖22.3.9所示。不同厚度鋼板對接時允許厚度差見表22.3.1。 L5(1) L2.5(1) 圖22.3.9 不同厚度對接圖 鍛壓、沖壓材料22.3.3 22.3.3 焊縫結構和位置的設計舉例焊縫結構和位置的設計舉例 不合理結構合理結構設計理由焊縫應均勻對稱布置，可防止焊接應力分布不對稱而產生的變形焊縫不能交叉密集焊條運