常用金屬材料焊接及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用金屬材料焊接及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、金屬材料的焊接性1、焊接性：在一定的焊接工藝條件(焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式等)下，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。焊接性包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：

1）接合性能：即在給定的焊接工藝條件下，對產(chǎn)生焊接缺陷的敏感性，尤其是對產(chǎn)生裂紋的敏感性

2）使用性能：即在給定的焊接工藝條件下，焊接接頭對使用要求的適應(yīng)性、可靠性。第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日2、焊接性的評定在焊接結(jié)構(gòu)中最常用的金屬材料是鋼材。影響鋼材焊接性的主要因素是化學(xué)成分。碳當(dāng)量：將鋼中合金元素的含量按其對焊接性的影響程度換算成碳的相當(dāng)含量。它可作為評定鋼材焊接性的一種參考指標(biāo)。式中各元素的含量都取其成分范圍的上限。第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日

當(dāng)ωCE＜0.4%時(shí)，焊接性優(yōu)良，焊前一般不需預(yù)熱；當(dāng)ωCE＝0.4~0.6%時(shí)，焊接性較差，需要預(yù)熱、緩冷；當(dāng)ωCE＞0.6%時(shí)．焊接性很差，需要嚴(yán)格的工藝措施。第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日利用碳當(dāng)量法估算鋼材焊接性是粗略的，因?yàn)殇摬牡暮附有赃€受結(jié)構(gòu)剛度、焊后應(yīng)力條件、環(huán)境溫度等因素的影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬材料的焊接性除了按碳當(dāng)量進(jìn)行估算外，還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行抗裂性實(shí)驗(yàn)，并配合進(jìn)行接頭使用性能試驗(yàn)，以制定正確的焊接工藝。第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、碳鋼及低合金鋼的焊接1、低碳鋼的焊接低碳鋼含碳量＜0.25％，其塑性好，一般沒有淬硬傾向，對焊接過程不敏感，焊接性好。焊這類鋼時(shí)，不需要采取特殊的工藝措施，通常在焊后也不需進(jìn)行熱處理。2、中、高碳鋼的焊接因含碳量較高，焊接接頭易產(chǎn)生淬硬組織和冷裂紋，焊接性較差。焊接這類鋼常選用手弧焊，焊前應(yīng)預(yù)熱，焊件選用抗裂性能好的低氫型焊條，焊時(shí)，采用細(xì)焊條、小電流、開坡口、多層焊，盡量防止母材金屬過多地熔入焊縫。焊后緩冷，防止產(chǎn)生冷裂。第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日3、低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接低合金結(jié)構(gòu)鋼的含碳量均屬于低碳鋼范圍，但由于其它化學(xué)成分不同，故焊接性有明顯差別。強(qiáng)度等級(jí)在300~400MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，塑性和韌性好，碳當(dāng)量ωCE＜0.40%，焊接性良好。常用的方法是手弧焊和埋弧自動(dòng)焊，通常不需采取特殊工藝措施。強(qiáng)度等級(jí)＞450MPa的低合金結(jié)構(gòu)鋼，碳當(dāng)量ωCE＞0.40%，焊接性較差。焊前一般需預(yù)熱(預(yù)熱溫度＞150℃)。焊接時(shí)，應(yīng)調(diào)整焊接規(guī)范來嚴(yán)格控制熱影響區(qū)的冷卻速度，焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力。第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日

三、高合金不銹鋼的焊接

高合金不銹鋼中應(yīng)用最廣泛的是奧氏體耐蝕鋼(如18—8型鉻鎳奧氏體不銹鋼)。焊接性能良好。焊接時(shí)，一般不需要采取特殊的工藝措施。

手弧焊時(shí)，選用與母材化學(xué)成分相同的焊條；氬弧焊和埋弧自動(dòng)焊時(shí)，選用的焊絲應(yīng)保證焊縫化學(xué)成分與母材相同。焊接奧氏體不銹鋼的主要問題是晶界腐蝕和熱裂紋。第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日四、鑄鐵的焊接

鑄鐵含碳量高，焊接性很差，所以鑄鐵焊接只用于修補(bǔ)鑄件缺陷。焊接鑄鐵的主要問題是易出現(xiàn)白口組織和裂紋。

(1)熱焊焊前將焊件整體或局部預(yù)熱到500一700℃，焊補(bǔ)過程中溫度不低于400℃，焊后緩冷，從而防止白口組織和裂紋的產(chǎn)生。熱焊焊補(bǔ)質(zhì)量較好，但工藝復(fù)雜，生產(chǎn)率低、勞動(dòng)條件差。一般僅用于焊后要求機(jī)械加工的鑄鐵件。如機(jī)床導(dǎo)軌、汽缸體等。

(2)冷焊焊前對焊件不預(yù)熱或預(yù)熱溫度較低(400℃以下)。冷焊比熱焊生產(chǎn)率高，成本低，勞動(dòng)條件好，但焊補(bǔ)質(zhì)量有時(shí)不易保證。焊接時(shí)應(yīng)盡量用小電流、分段焊，短弧焊等工藝，焊后立即輕輕錘擊焊縫，以減少焊接應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋。第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日五、非鐵金屬及其合金的焊接1、鋁及鋁合金的焊接焊接鋁及其合金的主要困難是：

(1)易氧化鋁極易被氧化形成難熔的氧化鋁(A12O3)薄膜，熔點(diǎn)為2050℃，它覆蓋在金屬表面，阻礙金屬熔合；且氧化鋁密度大，難于排除，易形成夾渣缺陷。

(2)易產(chǎn)生缺陷液態(tài)鋁能大量溶解氫，而在固態(tài)時(shí)幾乎不溶解氫，因此易生成氣孔，高溫時(shí)鋁的強(qiáng)度、塑性很低，熱膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力、變形和裂紋；鋁及鋁合金由固態(tài)加熱到液態(tài)時(shí)無顏色變化，故操作時(shí)難以掌握加熱溫度，易燒穿。

氬弧焊是焊接鋁和鋁合金最為理想的焊接方法。第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日2、銅及銅合金的焊接銅和銅合金的焊接性較差，主要存在的問題是：

(1)銅的熱導(dǎo)性好，焊接時(shí)要求熱源集中，焊前要預(yù)熱，否則易產(chǎn)生未焊透或末熔合等缺陷。

(2)銅的線脹系數(shù)大，凝固時(shí)收縮率也大，因此焊接應(yīng)力與變形大。

(3)銅在高溫時(shí)極易與氧形成氧化亞銅(Cu2O)，它與銅形成低熔點(diǎn)共晶體(Cu2O—Cu)，分布在晶界上，易產(chǎn)生熱裂紋。

(4)銅在液態(tài)時(shí)能溶解大量氫氣，凝固時(shí)溶解度急劇下降，易形成氣孔。

(5)焊接黃銅時(shí)會(huì)產(chǎn)生鋅的蒸發(fā)，使黃銅焊縫的強(qiáng)度和耐蝕性下降。鋅蒸氣有毒，對人體有害。

氬弧焊是焊接紫銅和青銅的有效方法。焊接黃銅常用氣焊，鋅的蒸發(fā)較少，而且由于氣焊可采用輕微氧化焰和含硅焊絲相配合，使熔池表面形成一層致密的氧化硅薄膜，保護(hù)效果強(qiáng)，焊接質(zhì)量高。第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日10.4焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，除應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的使用性能要求外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)焊接工藝的要求，以保證焊接質(zhì)量，力求高生產(chǎn)率、低成本。

焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般包括:焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇焊接接頭的工藝設(shè)計(jì)（包括焊縫布置、接頭型式、坡口形式等）第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇在滿足結(jié)構(gòu)使用性能要求的前提下，應(yīng)盡可能選用焊接性良好的材料來制造焊接結(jié)構(gòu)件。第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)多采用工字鋼、槽鋼、角鋼和鋼管等型材，以降低結(jié)構(gòu)重量，減少焊縫數(shù)量、簡化焊接工藝，增加結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛性。對形狀比較復(fù)雜的部分，還可以選用鑄鋼件、鍛件或沖壓件來焊接。第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、焊接接頭的工藝設(shè)計(jì)(一)焊縫的布置按焊縫在空間位置的不同，可分為平焊、橫焊、立焊和仰焊。其中平焊操作方便，易于保證焊接質(zhì)量，故焊接時(shí)，應(yīng)盡量使焊絕處于平焊位置。第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日1）焊縫位置應(yīng)便于焊接操作布置焊縫時(shí)，要考慮到有足夠的焊接操作空間，以滿足焊接運(yùn)條的需要。第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日1）焊縫位置應(yīng)便于焊接操作（續(xù)）布置焊縫時(shí)，要考慮到焊接工藝方法的要求。第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日2）應(yīng)避免密集和交叉的焊縫焊縫密集或交叉會(huì)使接頭處嚴(yán)重過熱，力學(xué)性能下降，并將增大焊接應(yīng)力。一般兩條焊縫的間距要大于三倍的鋼材厚度。第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日3）盡可能使焊縫對稱焊縫對稱布置可使各條焊縫產(chǎn)生的焊接變形相互抵消，這對減小梁、柱等結(jié)構(gòu)的焊接變形有明顯效果。第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日4）焊縫應(yīng)盡量避開最大應(yīng)力和應(yīng)力集中的位置大跨度橫梁，最大應(yīng)力在跨度中間。橫梁由兩焊件焊成，焊縫在中間使結(jié)構(gòu)承載能力減弱。修改后的結(jié)構(gòu)，雖增加了一條焊縫，但改善了焊縫受力情況，提高了橫梁的承載能力。

對壓力容器應(yīng)使焊縫避開應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角處位置。第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日壓力容器應(yīng)使焊縫避開應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角處位置。第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日5）焊縫轉(zhuǎn)角處應(yīng)平滑過接焊縫轉(zhuǎn)角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，尤其在尖角處集中效應(yīng)更為嚴(yán)重，應(yīng)平滑過渡。第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日6）焊縫應(yīng)盡量避開機(jī)械加工表面有些焊接結(jié)構(gòu)是一些零件，需要進(jìn)行機(jī)械加工。其焊縫位置的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能距離已加工表面遠(yuǎn)一些。第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日（二）接頭形式的選擇與設(shè)計(jì)１、接頭形式：

對接接頭應(yīng)力分布均勻，接頭質(zhì)量容易保證，節(jié)省材料，是焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最多的一種接頭型式，但對焊前準(zhǔn)備和裝配要求較高。

搭接接頭常用于對焊前準(zhǔn)備和裝配要求簡單的板狀類部件結(jié)構(gòu)中，但因兩焊件不在同一平面上，受力時(shí)將產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，降低接頭強(qiáng)度，且不經(jīng)濟(jì)，故搭接接頭是薄板焊件的基本接頭型式。

角接接頭一般只起連接作用，不能用來傳遞工作載荷。

T形接頭應(yīng)用較廣泛，在船體結(jié)構(gòu)中，約70%的焊縫是采用這種接頭型式。第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日２、接頭坡口形式開坡口的目的是：為了保證焊縫根部焊透，便于清除熔渣，獲得較好的焊縫形狀，并且坡口能起到調(diào)節(jié)母材金屬和填充金屬的比例作用。

（1）手弧焊板厚＜6mm時(shí)，一般不開坡口。

（2）板厚在6—26mm時(shí)，開Y形坡口，這種坡口便于加工，但焊后焊件易變形。第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日（3）板厚在12—60mm時(shí)，可采用雙Y形按口。在相同厚度情況下，雙Y形坡口比Y形坡口能減少焊條消耗量約1／2左右，焊件變形較小。（4）帶鈍邊U形坡口焊著金屬量更少，焊件變形也更小，但加工坡口較困難，一般用于較重要的焊接結(jié)構(gòu)件。第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日手弧焊常用的焊縫坡口基本形式與標(biāo)注方法

第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日手弧焊常用的焊縫坡口基本形式與標(biāo)注方法

（續(xù)1）第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日手弧焊常用的焊縫坡口基本形式與標(biāo)注方法

（續(xù)2）第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日３、接頭過渡形式

設(shè)計(jì)焊接構(gòu)件最好采用相等厚度的金屬材料，以便獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。當(dāng)兩塊厚度相差較大的金屬材料進(jìn)行焊接時(shí)，接頭處會(huì)造成應(yīng)力集中。而且接頭兩邊受熱不勻易產(chǎn)生焊不透等缺陷。

不同厚度金屬材料對接時(shí)，允許的厚度差如表所示。如果超過表中規(guī)定值，應(yīng)在較厚板料上開出單面或雙面斜邊的過渡形式。第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日10.5焊縫質(zhì)量的檢驗(yàn)第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日1、磁粉檢驗(yàn)2、超聲波檢驗(yàn)第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日3、X射線檢驗(yàn)第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日例題第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日焊接結(jié)構(gòu)實(shí)例

——壓力容器生產(chǎn)工藝過程第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日一、壓力容器簡介壓力容器示意圖第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日壓力容器實(shí)物圖第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日二、壓力容器生產(chǎn)工藝過程壓力容器生產(chǎn)工藝過程實(shí)物圖第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日壓力容器生產(chǎn)工藝流程框圖

第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日1.封頭生產(chǎn)工序（1）下料第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日（2）拉深（3）消除應(yīng)力退火第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日（4）切邊（5）縮口第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日2.筒體節(jié)生產(chǎn)工序（1）下料（2）加工坡口第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日（3）卷圓第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日（5）焊接雙面縱焊縫（4）裝配及定位焊第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日筒體節(jié)縱焊實(shí)物圖第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月2