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1、焊接坡口与焊接变形 授课：大山 时间：3.19,焊接接头形式及坡口选用,焊接变形产生的原因,焊接结构设计与坡口设计,焊接变形的控制与矫正,接头型式与坡口的准备1、焊接接头的型式 接头主要有对接、角接、T形接和搭接等4种。1.1对接接头两焊件端面相对平行的接头，称为对接接头。是焊接结构中采用最多的一种型式。根据坡口形式的不同，可分为I形、V形、X形、U形和双U形等,一、焊接接头形式及坡口选用,（a）I形坡口 （b）V形坡口 （c）X坡口 （d）U形坡口 （e）双U形坟口,1.2角接接头 两焊件端面间构成3001350夹角的接头，称为角接接头。根据坡口型式的不同，分为不开坡口、单边V形、V形及K形
2、等4种型式,（a）不开坡口 （b）单边V形坡口 （c）V形坡口 （d）K形坡口,1.3T形接头 一焊件端面与另一焊件表面构成复角或近似直角的接头，称为T形接头。其应用范围仅次于对接接头。根据坡口形式不同，分为不开坡口、单边V形、K形和双U形等4种,（a）I形坡口 （b）单边V形坡口 （c）K形坡口 （d）双U形坡口以T形接头连接焊缝时，板厚小于3mm可不开放口。3个焊件装配成“十”字形接头，叫十字接头。实际上是两T形接头的组合。,1.4搭接接头 两焊件部分重叠构成的接头，叫搭接接头。根据结构形式和对强度要求不同，分为不开坡口、圆孔内塞焊和长孔内角焊等3种,图（a）为不开坡口的搭接接头，用于厚度
3、12mm以下的焊件，有时可采用双面焊接。这类接头承载能力低，用于不重要结构，遇到重叠面积较大时，为保证焊接强度，可分别选用图(b)、(c)两种形式。,2、坡口的准备2.1坡口的定义及作用根据设计或工艺要求，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状和尺寸的沟槽，叫坡口。作用是： (1)使热源(电弧或火焰)能到达焊缝根部，保证根部焊透。 (2)便于操作和清理焊渣。 (3)调整焊缝成型系数，获得较好的焊缝成型。 (4)调节基本金属与填充金属的比例。,2.2选择坡口的原则为获得高质量的焊接接头，应选择适当的坡口型式。坡口的选择，主要取决于母材厚度、焊接方法和工艺要求。选择时，应注意以下问题： (1)尽量减少
4、填充金属量。 (2)坡口形状容易加工。 (3)便于焊工操作和清渣. (4)焊后应力和变形尽可能小。,V、U、X型坡口的比较坡口形式比较条件加工焊缝填充金属量 焊件翻转焊后变形 V 方便 较多 不需要 较大 U 复杂 少 不需要 小 X 方便 较少 需要 较小,2.3坡口制备采取的方法，根据焊件的尺寸、形状及加工条件确定。有以下方法： (1)剪边：以剪板机剪切加工，常用于I形坡口。 (2)刨边：用刨床或刨边机加工，常用于板件加工。 (3)车削：用车床或车管机加工，适用于管子加工。 (4)切割：用氧一乙炔火焰手工切割或自动切割机切割加工成I形、V形、X形和K形坡口。 (5)碳弧气刨：主要用于清理焊
5、根的开槽，效率较高、劳动条件较差。 (6)铲削或磨削：用手工或风动、电动工具铲削或使用砂轮机(或角向磨光机)磨削加工，效率较低，多用于焊接缺陷返修部位的开槽。坡口加工质量对焊接过程有很大影响，应符合图纸或技术条件要求,1 焊接结构材料的选择 焊接结构材料的选择原则： 1.1满足使用要求，选易焊材； 1.2高强度结构钢，尽量优先选； 1.3重要结构应选用：镇静钢； 1.4异种钢材互焊时偏弱者跟措施； 1.5多用锻、压、型材，减少焊缝。,二、焊接结构设计与坡口设计,2 焊接接头的工艺设计 焊缝的布置 焊缝布置的一般原则： 2.1避开应力最大处； 2.2焊缝远离加工面； 2.3对称布置变形小； 2.
6、4焊缝布置求分散； 2.5便于操作想周到； 2.6尽量平焊效率高。,3坡口设计原则3.1在设计焊缝尺寸大小及其接头形式时，首先要确定是工作焊缝还是联系焊缝。 工作焊缝：与被连接的元件是串联的，它承担着传递全部载荷的作用，一旦断裂，结构就会失效，其应力称为工作应力。,联系焊缝：焊缝与被连接件是并联的，它传递很小的载荷，主要起元件之间的相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，其应力称为联系应力。,工作焊缝必须进行焊缝强度计算；联系焊缝则需考虑经济性而减小、减短焊缝；具有双重性的焊缝，既有工作应力又有联系应力，则只计算工作应力，而不考虑联系应力；,3.2坡口的设计(1)坡口作用：主要是增大熔
7、深，提高焊缝截面的有效厚度。,以对接Y形坡口为例：坡口角度：3560，太大增加加工余量、焊接成本和变形；钝边高度p：需要熔透时一般为13mm；根部间隙b：保证钝边熔透，一般24mm，过大容易形成虚焊；坡口深度H：根据需要的焊缝厚度来设定。,(2)坡口形式： 对接焊缝的焊接边缘可分为卷边、平对或加工成V形、X形、K形和U形等。方形对接：无间隙适合于板厚小于3mm；有间隙或带垫板的对接适合于厚小于16 mm。加工的经济性最好。,单面V型：适合于板厚在16mm左右；双面V型：适合于板厚在在32mm以下；单面U型：加工难度增加，但比单V型坡口节省焊接材料；双面U型：加工难度增加，但比双V型坡口节省焊接
8、材料。,（3）角焊缝的坡口形式主要有以下3种：,根据受力情况决定是否需要焊透：图a为不开坡口的焊缝，加工的经济性最好；对于较厚的板，可采用图b所示K形坡口，这样做比不开坡口用大尺寸的角焊缝经济，而且疲劳强度高；对要求完全焊透的丁字接头，采用半V形坡口从一面焊，焊后清根焊满，如图c，比采用K形坡口施焊可靠。,坡口设计原则：a.经济性原则：在满足强度要求的前提下，选择合理的接头和坡口，减少焊材的填充量，提高焊接效率。b.考虑坡口加工：优先选择便于加工的坡口，如V形、X形。U形和双U形坡口，加工相对困难。c.避免焊接缺陷：采用不适当的坡口形式容易产生焊接缺陷。比如：坡口角度过大，致使焊接热输入大，工
9、件变形；钝边过高，不能完全熔透，残留的钝边即成了缺陷源。,3.3焊缝大小的的设计对接焊缝的有效厚度S如下图：,根据焊缝强度要求设计，同时考虑经济性；重要焊缝应当采取等强原则，S=(较薄板厚) 。,最小焊脚尺寸,考虑可操作性,三、焊接变形产生的原因,复合板修补时主要是收缩变形、弯曲变形和波浪变形,焊接变形产生的原因,焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。（内变形）焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。 (缩边),四、焊
10、接变形的控制与矫正,1. 设计措施（1）合理地选择焊缝的尺寸和形状（如图） 在保证结构承载力的情况下,尽可能采用较小的焊缝尺寸, 减少热输入对材料性能的影响, 并降低成本。,相同承载力的十字接头,箱形梁的不同接头形式,（2）合理选择焊缝长度和数量 只要允许，多采用型材、冲压件；焊缝多且密集处，可以采用铸焊联合结构，就可以减少焊缝数量。此外，适当增加壁板厚度，以减少肋板数量，或者采用压型结构代替肋板结构，都对防止薄板结构的变形有利。,某加强筋状况,（3）合理地安排焊缝的位置 安排焊缝尽可能对称与截面中性轴,或使焊缝接近中性轴, 这对减少梁柱的挠曲变形有良好的效果。,箱形和工字梁的焊缝布置（后者较
11、好）,2.工艺措施 （1）反变形法 ( 如图),几种反变形措施,（2）留余量法在下料时，将零件的实际长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。留余量法主要用于防止焊件的收缩变形。,（3）刚性固定法1） 将焊件固定在刚性平台上。,薄板拼接时的刚性固定,2）将焊件组合成刚性更大或对称的结构。,T形梁的刚性固定和反变形,3）利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。,对接拼板时的刚性固定,（4） 选择合理的装配焊接顺序。装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。 1）大型而复杂的焊接结构，只要条件允许，把它分成若干个结构简单的部件，单独进行焊接，然后再总装成整体。 2）正在施焊的焊缝应昼靠近结构截面的
12、中性轴。,主梁装配焊接,3）对于焊缝非对称布置的结构，装配焊接时应先焊焊缝少的一侧。,压力机压型上模的焊接顺序,4）焊缝对称布置的结构，应由偶数焊工对称地施焊。,圆筒体对接焊缝焊接顺序,5）长焊缝（1m以上）焊接时，可采用下图所示的方向和顺序进行焊接，以减小其焊后的收缩变形。,矫正焊接变形的措施,1. 手工矫正法 2. 机械矫正法用机械方法矫正变形的原理就是将缩短的尺寸拉长，使之与较长的部分相适应，从而恢复到原来的尺寸，或达到技术条件对几何尺寸的要求。机械矫正法会使金属材料因冷作硬化而变脆，并产生附加应力，因此一般适用于变形不大的小型结构件。,机械矫正法矫正梁的弯曲变形,矫正焊接变形的措施,3.火焰加热矫正法 火焰矫正的原理与机械矫正相反，它是通过局部加热并随之快冷，使焊件伸长的部位缩短，达到矫正变形的目的。火焰加热的方式有点状加热、线状加热和三角形加热。此法一般使用的是气焊炬，不需专门设备。操作简单方便，机动灵活，可以在大型复杂结构上进行矫正。,矫正焊接变形的措施,（2）线状加热,（1）点状加热,矫正焊接变形的措施,三角形加热 工字梁弯曲变形的火焰矫正火焰加热矫正焊接变形的取决于下列三个因素： （1）加热方式 （2）加热位置 （3）加热温度和加热区的面积,谢谢！,
