1、 第第8 8章章 焊接結構設計焊接結構設計 8.1 焊接結構設計的一般原則 8.1.1 焊接結構設計的一般思路 焊接設計包括： 焊接結構設計 焊接工藝設計 焊接設備設計 焊接工裝設計 焊接材料設計 焊接車間設計。 1.1.焊接結構設計的一般思路焊接結構設計的一般思路 （1）實用性必須達到產品所需要的使用功能和預期效果。 （2）可靠性焊接結構在使用期內必須安全可靠，受力必須合理，能滿足強度、剛度、穩定性、抗震性、耐蝕性等方面的要求。 （3）工藝性焊接結構必須能夠方便的進行焊接操作，其中包括金屬材料具有良好的焊接性，結構的焊前預加工，焊后處理，焊接與檢驗操作的可達性等。此外，還應易于實現機械化和自

2、動化焊接。 （4）經濟性制造焊接結構時，所消耗的原材料，能源和工時應該最少，其綜合成本盡可能低。總之，以實用為核心，以可靠性為前提，以工藝性和經濟性為制約條件。此外，在可能的條件下還應該注重結構的造型美觀。 2. 焊接結構設計的基本方法（1 1）許用應力設計法）許用應力設計法 工作應力許用應力 工作變形 許用變形 安全系數 許用安全系數1)1)母材的許用應力和安全系數母材的許用應力和安全系數靜載時，母材的許用應力等于材料的極限強度除以安全系數。 =c/nc因此，材料的安全系數取值參照設計手冊確定,如表8-1。 2 2）焊縫的許用應力）焊縫的許用應力 確定焊縫需用應力的方法： 一是電弧焊按母材的

3、許用應力乘以一個系數，該系數1； 一是熔透的對接焊縫，經質檢符合設計要求，系數可取1. （2 2）可靠性設計法）可靠性設計法 可靠性設計是保證機械及零部件滿足給定的可靠性指標的一種機械設計方法。 把與設計有關的載荷，強度，尺寸和壽命等數據如實地當做隨機變量，運用概率論和數理統計的方法進行處理。 其設計結構更符合生產實際。 （3）有限元數值模擬輔助設計法 利用有限元模擬法可以分析已設計的焊接結構靜態和動態的物理系統，可得出焊接結構局部區域的工作應力分布，從而改進焊縫形狀及尺寸設計。 常用的軟件有ANSYS,ABQUS,SAP2000等有限元軟件。8.2 焊接結構設計的合理性分析 1.1.從實用性

4、和可靠性分析焊接結構的合理性從實用性和可靠性分析焊接結構的合理性 （1）合理選擇基體材料和焊接材料 所選擇的金屬材料必須同時能滿足使用性能和加工性能要求。如，強度，塑性，韌性，耐磨性，耐蝕性等。 全面考慮結構的使用性能，如有防腐要求的結構，以碳素鋼為基體，不銹鋼為工作面復合鋼板，或在基體上堆焊耐蝕層。 焊接材料的選擇取決于基體材料的匹配狀態，如成分匹配（耐蝕要求），強度匹配（高組配，等強度組配，低組配）。 （2）合理設計焊接結構形式 1）要有良好的受力狀態 殘余應力小，焊接變形小的對接接頭 2）要重視局部構造 如局部節點，斷面變化，接頭形狀等 3）要有利于實現機械化和自動化焊接 盡量采用簡單平

5、直的構造形式，避免復雜曲面結構。 （3）合理設計焊接接頭形式 一般情況下，對接接頭是最理想的，但是加蓋板的對接接頭是不合理的，另外，角焊縫力求均勻布置。 （4）合理布置焊接接頭位置 1）避免應力集中如圖根部角接接頭應力集中嚴重，承載能力低。在封頭加工一個槽，效果近似于對接接頭。另外，最好的方法是將封底改換成球面封頭，以對接接頭連接筒體和封頭。 2）集中載荷處，必須有較高剛度的依托。 圖a，支耳背面無依托，容易在支耳兩端的焊縫上產生裂紋。改進成圖b結構，支耳有依托，應力分布均勻。 3）工字鋼垂直連接時，增加加強肋板，應力會均勻分布。 4）焊縫宜對稱地布置并盡可能接近中心軸。 表8-2 焊接接頭的

6、合理性 2. 2. 從工藝性及經濟性分析焊接結構的合理性從工藝性及經濟性分析焊接結構的合理性（1）焊接結構的備料工作量V坡口耗材料最大， U型坡口次之， X坡口較小，雙U型坡口耗材最少，但是加工量大，而X坡口易于加工。開坡口的原則：焊縫填充量盡量小，具有良好的可達性，坡口形狀容易加工，便于調控焊接變形。 （2）焊接結構形式與焊接工藝選擇鑄鍛焊都可以完成。小尺寸，大批量，鑄造。大尺寸小批量焊接大批量，分半壓制，然后拼焊 （3）焊縫的可焊到性和可檢測性 必須使結構上每 條焊縫都能方便地 施焊和方便地進 行質量檢查。 必須考慮焊接裝配焊接次序對可焊到性的影響，圖8-9 （4）減少焊接工作量 減少焊縫

7、數量和焊縫填充金屬。 選用軋制型鋼代替一部分焊件； 角焊縫多且密集的地方可用鑄鋼代替； 角焊縫保證強度的條件下，盡量減少焊腳尺寸。 對接焊縫，保證熔透的情況下選用填充金屬最少的坡口形式。 （5）焊接變形控制 把復雜的結構分成幾個部件制造，盡量減少最后總裝配時的焊縫，對于防止結構總體變形時有利的。 （6）操作者勞動條件的改善 （7）材料的合理利用8.1.3 焊接結構設計中應注意的問題 1.改造結構的設計 （1）鉚接結構的改造 圖8-13 （2）鑄造結構的改造 改造前進行分析 1）要注意所用材料性質上的差別 2）要注意鑄造工藝和焊接工藝各自的要求 3）要注意振動和屈曲問題 按等強度設計，焊接結構的

8、壁厚將減薄，可能會因壁板振動剛度不足，可適當增加肋板。 2.考慮自動化焊接的結構設計 3.考慮現代生產管理的設計8.3 焊接結構設計實例 8.3.1 8.3.1 壓力容器壓力容器 1.壓力容器接頭分類單層受壓殼體上的焊接接頭按其受力狀態可分以下幾類：A類接頭，圓柱形殼體筒節的縱向對接接頭，球形容器的環向對接接頭，鍛制接管與筒體的對接接頭；B類接頭 圓柱形，錐形筒節間的環向對接接頭，接管與法蘭相接的環向對接接頭。C類接頭 法蘭、平封頭、管板與筒身，以及封頭和接管相連的角接接頭；D類接頭 接管，入孔圈、法蘭與封頭相接的T形或角接接頭。E類接頭 吊耳、支撐、支座與筒身相接的對接接頭。F類接頭 在筒身

9、、封頭、接管、法蘭和管板表面上的堆焊接頭。 2.壓力容器焊接接頭的設計要求（1）A類和B類焊接接頭 這兩類接頭必須為全焊透對接焊縫的接頭形式，一般為雙面焊接頭形式；也可采用單面開坡口的接頭形式；單面開坡口的采用氬弧焊完成全焊透的封底焊道，或在焊縫背面加臨時襯墊,保證根部焊道與坡口兩側完全熔透。注意： 1）避免殘余應力和熱影響區的疊加，A類和B類接頭之間的距離至少大于3倍壁厚，不小于100mm。2）對于壁厚大于20mm的壓力容器殼體應盡量避免十字接頭。3）在A類，B類接頭及附近不應直接開管孔。4）容器筒身和封頭上的A類、B類焊接接頭應布置在不直接接受彎曲應力作用的部位。 （2）壓力容器的C類焊接

10、接頭低壓力容器中的小直徑法蘭也可以采用不開破口的角焊縫來連接，但必須在法蘭內外兩面進行縫焊，這樣既可防止法蘭的焊接變形，又可保證法蘭的要求的剛度。這類接頭不必采用全焊透的接頭形式，而采用局部焊透的T形接頭。 （3）壓力容器D類焊接接頭 D類接頭是比A類、B類接頭受力條件復雜的T形接頭或角接頭，需要全面分析，選擇最合理，最可靠的接頭形式。 D類接頭常用的接頭形式有： 插入式接管全焊透T形接頭、 插入式接管局部焊頭T形接頭、 帶補強圈接管T形接頭、 鞍座式接管的角接接頭 小直徑法蘭和接管的角接接頭。 （4）壓力容器E類焊接接頭采用雙面開坡口的全焊透角焊縫的接頭形式，主要用于吊耳、支架、角撐等承載部

11、件與殼體的鏈接加強肋之類無強度要求的連接焊縫可采用不開坡口的雙面角焊縫。 3.壓力容器焊接結構設計 （1）焊接強度校核1）薄壁容器 薄壁零件的壁厚比其直徑小很多，應力在壁板厚度上可視為均勻分布，按照薄膜應力計算。A 球形容器壁板應力各向相等，用下式計算： =(pd/4) 合格要求：球形容器壁板各向應力小于焊縫許用應力。B 圓筒形薄壁容器:筒體的環向應力是軸向應力的兩倍，采用下式計算： =(pd/2) t =(pd/4) 為環向應力。 t為軸向應力。 2）厚壁容器厚壁容器應力在壁板厚度方向分布不均勻，應該按照應力最大的部位計算。因此圓筒形厚壁容器的額壁厚可采用下式： =pDn/(2-p)+C其中

12、：p為容器內部壓力，Dn為筒體內徑，為縱向焊縫強度減弱系數，對于低碳鋼，不銹鋼取=1，對高鉻鋼=0.8.C為設計附加值。（2）壓力容器材料選擇 1）薄壁容器 薄壁容器承受應力反復作用，工作溫度變化大，根據容器工作條件，結構形式和制造工藝進行選擇。 一般容器選擇焊接性好的低碳鋼或低合金結構鋼；對于飛行器上的重要容器，選擇高強度材料。2）厚壁容器 因厚壁容器容易發生脆性斷裂，破壞危害極大。因此，厚壁容器的設計和制造有專門的技術規范。才選用的材料繁多，應用最廣的是低碳鋼和低合金結構鋼。 4.壓力容器接頭的設計壓力容器結構：主要有筒體，封頭，法蘭，接管，支座等圖8-21 1）筒體、封頭及其相互間連接的

13、焊接結構 采用縱向焊縫和環向焊縫，全部采用對接接頭，且焊縫和母材之間平滑過渡。縱向焊縫必須與母材等強度，環向焊縫可以用較軟的填充金屬材料。各筒節的環向焊縫以及筒節與封頭間的環向焊縫一般都采用埋弧焊。 2）容器上支管連接支管連接處鉆孔后，孔附近將有相當大的應力集中，為了減少孔口處應力集中的影響，對于薄板可以在孔口周圍進行補強加固。注意：壓力容器考慮疲勞載荷時，疲勞破壞發生在結構不連續處，如突變，開孔，轉角，焊縫和焊接缺陷，法蘭連接處等。支管與容器連接處的應力集中系數KT=2.04.0,可能降低容器的疲勞強度，其影響程度取決于連接處具體工藝形式與工藝措施。實驗證明：帶加強圈的插入式連接管的形式對疲

14、勞強度降低程度最大，貫穿插入型較好。 3）板管連接 圖8-24管子與管板連接處承受交變載荷，設計時考慮長期使用的安全性和工藝性。圖a,b,為了降低焊縫的拘束度，在管板上加工出一個環形溝槽。圖c為了管接頭與管板接觸跟緊密，焊前把管子端部外擴。圖d當接頭要承受較大的彎曲應力，焊縫可以放在管板中間，焊縫低于應力區。圖e,f采用對接焊縫，受力情況最好，但是裝配工藝復雜。 4）開孔與補強由于工藝要求和檢修需要，在容器的筒體和封頭上開設各種孔，如人孔，手孔，視鏡孔，物料進出接管等。這些孔會減弱容器的斷面強度。因此，一般要采用孔補強，提高材料的利用率。 補強的方式：注意：當容器工作溫度超過300或壁厚超過4

15、0mm時，不采用圖c補強方式。因管孔過于密集而必須開在A類，B類接頭上時，必須對開孔部位焊縫做100%X射線透照。壁厚大于50mm時，在焊接接管之前將開孔區焊縫作消除應力處理。 實例一： 低壓貯氣罐，8mm,壓力1.0mpa,溫度為常溫，介質為壓縮空氣，大批量生產。 設計方案： 1）母材選擇： 短管選用優質碳素鋼10，其他選用塑性和焊接性好的普通碳素鋼Q235-A. 2)設計焊縫位置及焊接接頭，坡口形式： 筒節的縱焊縫和筒節與封頭相連處的兩條環焊縫均采用對接I形坡口雙面焊。 法蘭與短管焊合采用不開坡口角焊縫。 法蘭管座與筒體焊合采用開坡口的角焊縫。 3）選擇焊接方法和焊接材料 角焊縫：采用焊條

16、電弧焊方法，焊條選用E4303（J422）。 縱、環焊縫：采用埋弧焊方法，焊絲選用H08A,配合焊劑HJ431。8.2.2 機床機身 1. 焊接機身的設計 （1）材料的選用 一般采用軋制的鋼板和型鋼焊接而成，形狀特殊的部分可以采用鍛件或鑄件。 多用的金屬是焊接性好的低碳鋼和普通低合金鋼；匹配的鍛件或鑄件用化學成分相近的材料，如20鋼，26鋼等。 （2）焊接接頭的設計 1）采用T形焊接接頭 實驗證明，單面角焊縫比雙面角焊縫的減震性好，單面坡口焊縫比雙面坡口焊縫的減震性好，不完全焊透的坡口焊縫比完全焊透的減震性好。 這說明焊縫形式和接合面的性質對T形焊接接頭的減震性有影響。 2）采用斷續焊縫 斷續

17、焊縫中未焊部分的接觸面具有減震作用，減震能力比連續焊縫的高。 在斷續焊縫中，焊縫比較短的減震性好。 在強度和剛度允許的情況下，盡量采用斷續短焊縫來提高焊接結構的減震性。 3）加強肋板的應用 大多的焊接機身屬于薄壁結構。 需要布置加強肋板以提高壁板的固有頻率。 （3）焊接接頭的位置 1)避免在加工表面上布置焊縫。 2）避免在配合面上布置焊縫。軸承支架就是所有焊縫都避開機加工。 （4）保證焊接構件的定位精度根據實際情況與需要，在焊接構件上加工出定位臺階，以保證焊接結構的精度。圖a,b,c，加工方便，可焊性好，適用于精度要求低的場合；圖d,e,f適合高精度定位場合。 （5）防止加強肋板被鉆穿注意加強肋板布置不宜靠近鉆孔的位置，以防止肋板被鉆穿。8.2.3 薄板結構 1.薄板結構的穩定性 一般情況下薄板受軸向應力大于臨界應力時會會失穩。 2.基于穩定性的薄板結構設計 有三類方法： （1）合理設計構件截面形狀 將薄鋼板壓制成各種斷面形式的桿件，可以提高局部穩定性。 （2）設置加強肋薄板結構設置加強肋以增加