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1、1,焊接结构、接头和结构细节设计,2,1.1 焊接结构的设计特点和常用的设计方法 焊接结构是金属结构中一种最主要的结构形式，如钢结构、船舶壳体、锅炉及压力容器，以及工程机械、动力机械、汽车拖拉机、铁路车辆等结构都是焊接结构，它们大多依据有关的规程规范进行设计，焊接手册第3卷、焊接结构设计手册及其他大量著作中，对此进行详细的研讨，这些理论工作及实践应用促进了焊接结构的发展。1焊接结构的设计特点(1)焊接结构设计的内容 它包括的内容有：1)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
2、设计、焊接的设计和计算。4)绘制施工图，规定产品的技术条件、工艺要求等。5)最后还要编制设计计算说明书，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。,3,(2)焊接结构设计的基本要求和遵循原则,设计的焊接结构的基本要求：实用性、安全性工艺性和经济性等。设计的焊接结构的遵循原则：1)合理地选择材料的种类。材料的种类不同，强度等级和性能就有差别，工艺性能也不同。所选材料强度与性能，包括塑性、韧性、耐磨性等应能满足结构使用性能的要求；加工性能，如材料的冷热加工，包括焊接性都能满足加工要求。2)设计焊接结构时应大量采用标准件、通用件和型材，包括标准型材和异型材，并且规格越单一越好。3)合理地设
3、计结构形式。尽量采用简洁明快的结构构造形式，采用最简单和最合理的接头形式，并且种类越少越好，减少短而不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。4)合理地布置焊缝。例如对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密集，重要的工作焊缝要连续，次要的联系焊缝可用断续焊缝，这有利于焊接施工和减少焊接工作量，便于控制焊接应力和变形。5)施工方便并考虑改善工人劳动条件，便于生产组织和管理。设计结构时就要考虑到日后施工的很多问题，如可达性问题，保证各种施工必需的操作空间问题等。总之，设计结构要有良好的工艺性，较高的技术经济指标，产品质量好、价格低，才具有竞争力。,4,2焊接结构常用的设计方法,(1)许用应力法，又称为常规设
4、计方法、安全系数设计法。它是目前最常用的结构设计方法，如压力容器、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。焊接容器结构设计的强度条件：(2)以概率论为基础的极限状态设计法 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。如果选择确定结构的最优可靠度，达到设计结构在技术上可靠、在经济上节省，这就是所谓的概率设计法。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：rRR krsSk 式中 R k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。,5,1.2 焊接接头
5、的设计,1.焊接接头(1)基本类型：熔焊接头、压焊接头和钎焊接头。应用最广泛的是熔焊。1)熔焊接头 熔焊接头由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材所组成。而焊缝金属是填充材料和部分母材熔化后凝固而成的铸造组织。熔焊接头各部分的组织是不均匀的，性能上也存在差异。焊缝金属往往形成柱状晶铸造组织，一般较母材的强度高且硬，而韧性下降。对于高强度钢，采用适当的工艺措施，如预热、缓冷或采用合适的热输入也可获得要求性能的焊缝金属。焊缝金属强度相对母材强度可能要高或低，前者称为高匹配，后者称为低匹配。宽度不大的热影响区，由于焊接温度场梯度大，各点的热循环大不相同,造成组织和性能的不同。特别要指出的是，经过焊接热循
6、环后发生的“动应变时效”(热应变时效)会使接头性能恶化。将钢材、铝材等经预应变后，会产生变脆的“时效”现象，这种预应变及时效都是在低温(室温)下发生的，通常称为“静应变时效”。而焊接热影响区经焊接热循环后会产生热应变，焊接的高温加速时效脆化，所以“动应变时效”大大降低接头的性能，要注意防止。,6,7,1)熔焊接头-续,熔焊焊缝主要有对接焊缝和角焊缝，以这两种焊缝为主体构成的焊接接头有：对接接头、角接接头、T形(十字)接头、搭接接头和塞焊接头等。常用焊缝坡口基本形式与所构成的上述接头形式见图5-1。其坡口形式、尺寸、熔化形成的焊缝金属(图中用细实线表示)。由符号字母代表的有关尺寸见表5-6。表5
7、-6是参照GBT 9851988、GBT 9861988标准规定列出的。选择哪一种坡口形式除按照上述两标准外，也可按行业和企业标准由焊件厚度确定，并且有一个合适的区间。,例如：厚度为30mm的板对接，既可以选择图5-1i所示的双Y形坡口(由表5-6可查得：用焊条电弧焊时，该坡口适于1260mm厚的板；用埋弧焊时，适于24-60mm厚的板)，也可以选择图5-lm所示带钝边的双U形坡口。无论选择哪一种坡口形式，都首先要保证接头质量，同时还要考虑经济性。,8,常用熔焊接头坡口形式,图5-1 常用熔焊接头的坡口形式 a)n)对接接头 o)角接头,9,图5-1 常用熔焊接头的坡口形式 p)u)角接头 v
8、)b)T形（十字）接头 c)d)搭接接头,10,电渣焊接头,它是熔焊接头中一种重要的接头。当焊件厚度大于30mm时即可以考虑采用电渣焊接头，特别是大断面的焊缝，如焊件厚度大于60mm，电渣焊比电弧焊接头效率要高。常用接头的基本形式（图5-2）。电渣焊焊件焊后通常要经正火回火或高温退火热处理，以消除大焊接热输入造成的宽热影响区、粗晶粒、高残余应力的不良影响。,11,电子束焊接接头,它是熔焊接头中的一种特殊接头。它是利用聚焦的高速电子流轰击焊件，使电子动能转化为热能而熔化焊接接头的焊缝区而进行的熔焊。特点：可焊接各种特殊的金属，大厚度，焊缝的深宽比大(可达25:1)。应用：核反应堆元件，航空、航天
9、设备中的某些特殊金属、超高强度钢及耐热合金零件的焊接。,12,2)压焊接头 电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆炸焊统称为压焊，其中电阻焊和摩擦焊应用最广。电阻焊和摩擦焊在汽车工业中应用很普遍，电阻焊中的点焊(包括滚点焊)和缝焊多是采用搭接接头。摩擦焊接头通常也是采用对接接头。3)钎焊接头 钎焊接头也有多种类型，但基本类型只有对接接头和搭接接头两种。,13,(2)熔焊坡口形式的选择,熔焊坡口形式根据其形状可分为三类：基本型，I形、V形和单V形、U形和单U形等（图5-1）；特殊型，如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、开槽焊等；组合型，就是上述各型组合而成，图5-1中绝大多数都是组合型的坡口
10、。1)工厂的加工条件。采用双V形、Y形、单边V形、双单边V形、V形、I形等坡口可用气割、等离子弧切割，也可用金属切削方法加工。但双U形、带钝边U形、带 钝边J形、U形、Y形坡口一般需用刨边机加工，效率较热切割低。2)可达性的好坏。采用Y形、带垫板Y形(图5-1 e、f)、带垫板V形、VY形(图g)、带钝边的U形(图h)等坡口的接头，施焊时，一般可不需翻转。内径较小的容器或管道，不便翻转的结构，为避免仰焊及不能从内侧施焊，可采用这种坡口和焊缝形式。3)减小焊接材料的消耗量。一般熔敷金属量小，焊接材料消耗也小，也节省加工时间。同样板厚：Y形比双Y形坡口的熔敷金属量增加最大可达50，双U形或UY形则
11、更加节省熔敷金属。因此，对于大厚度的焊接接头，多采用这种较经济的坡口。对于不适于电渣焊、电子束焊的特厚件焊缝还采用窄间隙焊。4)考虑焊接变形与应力。例如：单面焊可能引起角变形和焊缝根部的严重焊接残余应力，此时要考虑材料(母材)特点，采用适当的工艺和坡口形式，以便获得合格的接头。,14,直角焊缝的截面形状,无论是对接焊缝还是角焊缝，其焊缝表面都可以是凹陷、凸起或平齐的。直角焊缝的四种形式，除三种等边平的、凹的和凸的直角焊缝外(图5-3ac)，还有平的不等边直角焊缝(图d)。焊脚尺寸K为角焊缝的特征尺寸，角焊缝的焊脚尺寸为焊缝内接等腰直角三角形的直角边，图5-3。,图5-3 直角焊缝的截面形状 a
12、)平齐等边角焊缝 b)凹陷等边角焊缝 c)凸起等边角焊缝 d)平齐不等边角焊缝,15,(3)工作接头、联系接头和密封接头,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。,图5-4承载焊缝和非承载焊缝a）承载焊缝b)非承载焊缝,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，如图5-4。密封接头主要任务是防止泄漏，故多
13、属于工作接头。,16,(4)焊接接头工作应力的分布,图5-1熔焊接头主要有：对接接头、角接接头、T形（十字）接头和搭接接头(包括塞焊接头)。焊接接头中工作应力的分布不是均匀的，存在应力集中，而各种接头应力集中的情形也不相同。其中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（图5-5）。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（图5-6）。,图5-6 对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数K的关系,图5-5 对接接头中工作应力的分布,应力集系数：,17,18,T形(十字)接头-力的传递(添加),以角焊缝构成的各种接头，其几何形状都有
14、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。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。,19,T形(十字)接头：,由母材向焊缝过渡急剧，力的传递转折大，力线扭曲，应力分布不均，易出现较大的应力集中（图5-7）。图a由不开坡口角焊缝构成的T形(十字)接头，其最大应力在角焊缝的根部，如I-I、-截面的A点和-截面的B点。图b开坡口焊透，则应力分布大为改善。T形(十字)接头应用也很广，在造船业中占70，所以改善其应力分布十分重要。I形坡口的角焊缝构成的T形接头，随着焊脚尺寸的增大和角的减小(图a)，应力集中下降。当角小于或大于45，即属图5-
15、3d不等边角焊缝时，只有长边顺着力线方向(即45)，才会改善应力分布不均的状况。,图5-7 T形(十字)接头的应力分布a）由I形坡口角焊缝构成的接头 b）开K形坡口角焊缝构成的接头,20,搭接接头：,应力分布很不均匀，不是理想的接头形式，在动载和低温时尤其应避免采用。但搭接接头装配十分简便、焊前准备简单、构件收缩量小，在一些受静载的建筑结构和用薄板制造的储罐结构中仍被采用。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，图5-8。图c中，当焊缝长度增加，应力分布不均加剧，中段几乎不受力，故一些标准规定承载搭接焊缝(侧面搭接)的长度。,图5-8侧面搭接焊缝的应力分布图 a)等截面板搭接b)不等截面板搭接 c)焊缝长度与切应力x分布的关系曲线,21,正面搭接焊缝的应力分布-添加,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。,
