焊接结构设计

1、 第第8 8章章 焊接结构设计焊接结构设计 8.1 焊接结构设计的一般原则 8.1.1 焊接结构设计的一般思路 焊接设计包括： 焊接结构设计 焊接工艺设计 焊接设备设计 焊接工装设计 焊接材料设计 焊接车间设计。 1.1.焊接结构设计的一般思路焊接结构设计的一般思路 （1）实用性必须达到产品所需要的使用功能和预期效果。 （2）可靠性焊接结构在使用期内必须安全可靠，受力必须合理，能满足强度、刚度、稳定性、抗震性、耐蚀性等方面的要求。 （3）工艺性焊接结构必须能够方便的进行焊接操作，其中包括金属材料具有良好的焊接性，结构的焊前预加工，焊后处理，焊接与检验操作的可达性等。此外，还应易于实现机械化和自

2、动化焊接。 （4）经济性制造焊接结构时，所消耗的原材料，能源和工时应该最少，其综合成本尽可能低。总之，以实用为核心，以可靠性为前提，以工艺性和经济性为制约条件。此外，在可能的条件下还应该注重结构的造型美观。 2. 焊接结构设计的基本方法（1 1）许用应力设计法）许用应力设计法 工作应力许用应力 工作变形 许用变形 安全系数 许用安全系数1)1)母材的许用应力和安全系数母材的许用应力和安全系数静载时，母材的许用应力等于材料的极限强度除以安全系数。 =c/nc因此，材料的安全系数取值参照设计手册确定,如表8-1。 2 2）焊缝的许用应力）焊缝的许用应力 确定焊缝需用应力的方法： 一是电弧焊按母材的

3、许用应力乘以一个系数，该系数1； 一是熔透的对接焊缝，经质检符合设计要求，系数可取1. （2 2）可靠性设计法）可靠性设计法 可靠性设计是保证机械及零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。 把与设计有关的载荷，强度，尺寸和寿命等数据如实地当做随机变量，运用概率论和数理统计的方法进行处理。 其设计结构更符合生产实际。 （3）有限元数值模拟辅助设计法 利用有限元模拟法可以分析已设计的焊接结构静态和动态的物理系统，可得出焊接结构局部区域的工作应力分布，从而改进焊缝形状及尺寸设计。 常用的软件有ANSYS,ABQUS,SAP2000等有限元软件。8.2 焊接结构设计的合理性分析 1.1.从实用性

4、和可靠性分析焊接结构的合理性从实用性和可靠性分析焊接结构的合理性 （1）合理选择基体材料和焊接材料 所选择的金属材料必须同时能满足使用性能和加工性能要求。如，强度，塑性，韧性，耐磨性，耐蚀性等。 全面考虑结构的使用性能，如有防腐要求的结构，以碳素钢为基体，不锈钢为工作面复合钢板，或在基体上堆焊耐蚀层。 焊接材料的选择取决于基体材料的匹配状态，如成分匹配（耐蚀要求），强度匹配（高组配，等强度组配，低组配）。 （2）合理设计焊接结构形式 1）要有良好的受力状态 残余应力小，焊接变形小的对接接头 2）要重视局部构造 如局部节点，断面变化，接头形状等 3）要有利于实现机械化和自动化焊接 尽量采用简单平

5、直的构造形式，避免复杂曲面结构。 （3）合理设计焊接接头形式 一般情况下，对接接头是最理想的，但是加盖板的对接接头是不合理的，另外，角焊缝力求均匀布置。 （4）合理布置焊接接头位置 1）避免应力集中如图根部角接接头应力集中严重，承载能力低。在封头加工一个槽，效果近似于对接接头。另外，最好的方法是将封底改换成球面封头，以对接接头连接筒体和封头。 2）集中载荷处，必须有较高刚度的依托。 图a，支耳背面无依托，容易在支耳两端的焊缝上产生裂纹。改进成图b结构，支耳有依托，应力分布均匀。 3）工字钢垂直连接时，增加加强肋板，应力会均匀分布。 4）焊缝宜对称地布置并尽可能接近中心轴。 表8-2 焊接接头的

6、合理性 2. 2. 从工艺性及经济性分析焊接结构的合理性从工艺性及经济性分析焊接结构的合理性（1）焊接结构的备料工作量V坡口耗材料最大， U型坡口次之， X坡口较小，双U型坡口耗材最少，但是加工量大，而X坡口易于加工。开坡口的原则：焊缝填充量尽量小，具有良好的可达性，坡口形状容易加工，便于调控焊接变形。 （2）焊接结构形式与焊接工艺选择铸锻焊都可以完成。小尺寸，大批量，铸造。大尺寸小批量焊接大批量，分半压制，然后拼焊 （3）焊缝的可焊到性和可检测性 必须使结构上每 条焊缝都能方便地 施焊和方便地进 行质量检查。 必须考虑焊接装配焊接次序对可焊到性的影响，图8-9 （4）减少焊接工作量 减少焊缝

7、数量和焊缝填充金属。 选用轧制型钢代替一部分焊件； 角焊缝多且密集的地方可用铸钢代替； 角焊缝保证强度的条件下，尽量减少焊脚尺寸。 对接焊缝，保证熔透的情况下选用填充金属最少的坡口形式。 （5）焊接变形控制 把复杂的结构分成几个部件制造，尽量减少最后总装配时的焊缝，对于防止结构总体变形时有利的。 （6）操作者劳动条件的改善 （7）材料的合理利用8.1.3 焊接结构设计中应注意的问题 1.改造结构的设计 （1）铆接结构的改造 图8-13 （2）铸造结构的改造 改造前进行分析 1）要注意所用材料性质上的差别 2）要注意铸造工艺和焊接工艺各自的要求 3）要注意振动和屈曲问题 按等强度设计，焊接结构的

8、壁厚将减薄，可能会因壁板振动刚度不足，可适当增加肋板。 2.考虑自动化焊接的结构设计 3.考虑现代生产管理的设计8.3 焊接结构设计实例 8.3.1 8.3.1 压力容器压力容器 1.压力容器接头分类单层受压壳体上的焊接接头按其受力状态可分以下几类：A类接头，圆柱形壳体筒节的纵向对接接头，球形容器的环向对接接头，锻制接管与筒体的对接接头；B类接头 圆柱形，锥形筒节间的环向对接接头，接管与法兰相接的环向对接接头。C类接头 法兰、平封头、管板与筒身，以及封头和接管相连的角接接头；D类接头 接管，入孔圈、法兰与封头相接的T形或角接接头。E类接头 吊耳、支撑、支座与筒身相接的对接接头。F类接头 在筒身

9、、封头、接管、法兰和管板表面上的堆焊接头。 2.压力容器焊接接头的设计要求（1）A类和B类焊接接头 这两类接头必须为全焊透对接焊缝的接头形式，一般为双面焊接头形式；也可采用单面开坡口的接头形式；单面开坡口的采用氩弧焊完成全焊透的封底焊道，或在焊缝背面加临时衬垫,保证根部焊道与坡口两侧完全熔透。注意： 1）避免残余应力和热影响区的叠加，A类和B类接头之间的距离至少大于3倍壁厚，不小于100mm。2）对于壁厚大于20mm的压力容器壳体应尽量避免十字接头。3）在A类，B类接头及附近不应直接开管孔。4）容器筒身和封头上的A类、B类焊接接头应布置在不直接接受弯曲应力作用的部位。 （2）压力容器的C类焊接

10、接头低压力容器中的小直径法兰也可以采用不开破口的角焊缝来连接，但必须在法兰内外两面进行缝焊，这样既可防止法兰的焊接变形，又可保证法兰的要求的刚度。这类接头不必采用全焊透的接头形式，而采用局部焊透的T形接头。 （3）压力容器D类焊接接头 D类接头是比A类、B类接头受力条件复杂的T形接头或角接头，需要全面分析，选择最合理，最可靠的接头形式。 D类接头常用的接头形式有： 插入式接管全焊透T形接头、 插入式接管局部焊头T形接头、 带补强圈接管T形接头、 鞍座式接管的角接接头 小直径法兰和接管的角接接头。 （4）压力容器E类焊接接头采用双面开坡口的全焊透角焊缝的接头形式，主要用于吊耳、支架、角撑等承载部

11、件与壳体的链接加强肋之类无强度要求的连接焊缝可采用不开坡口的双面角焊缝。 3.压力容器焊接结构设计 （1）焊接强度校核1）薄壁容器 薄壁零件的壁厚比其直径小很多，应力在壁板厚度上可视为均匀分布，按照薄膜应力计算。A 球形容器壁板应力各向相等，用下式计算： =(pd/4) 合格要求：球形容器壁板各向应力小于焊缝许用应力。B 圆筒形薄壁容器:筒体的环向应力是轴向应力的两倍，采用下式计算： =(pd/2) t =(pd/4) 为环向应力。 t为轴向应力。 2）厚壁容器厚壁容器应力在壁板厚度方向分布不均匀，应该按照应力最大的部位计算。因此圆筒形厚壁容器的额壁厚可采用下式： =pDn/(2-p)+C其中

12、：p为容器内部压力，Dn为筒体内径，为纵向焊缝强度减弱系数，对于低碳钢，不锈钢取=1，对高铬钢=0.8.C为设计附加值。（2）压力容器材料选择 1）薄壁容器 薄壁容器承受应力反复作用，工作温度变化大，根据容器工作条件，结构形式和制造工艺进行选择。 一般容器选择焊接性好的低碳钢或低合金结构钢；对于飞行器上的重要容器，选择高强度材料。2）厚壁容器 因厚壁容器容易发生脆性断裂，破坏危害极大。因此，厚壁容器的设计和制造有专门的技术规范。才选用的材料繁多，应用最广的是低碳钢和低合金结构钢。 4.压力容器接头的设计压力容器结构：主要有筒体，封头，法兰，接管，支座等图8-21 1）筒体、封头及其相互间连接的

13、焊接结构 采用纵向焊缝和环向焊缝，全部采用对接接头，且焊缝和母材之间平滑过渡。纵向焊缝必须与母材等强度，环向焊缝可以用较软的填充金属材料。各筒节的环向焊缝以及筒节与封头间的环向焊缝一般都采用埋弧焊。 2）容器上支管连接支管连接处钻孔后，孔附近将有相当大的应力集中，为了减少孔口处应力集中的影响，对于薄板可以在孔口周围进行补强加固。注意：压力容器考虑疲劳载荷时，疲劳破坏发生在结构不连续处，如突变，开孔，转角，焊缝和焊接缺陷，法兰连接处等。支管与容器连接处的应力集中系数KT=2.04.0,可能降低容器的疲劳强度，其影响程度取决于连接处具体工艺形式与工艺措施。实验证明：带加强圈的插入式连接管的形式对疲

14、劳强度降低程度最大，贯穿插入型较好。 3）板管连接 图8-24管子与管板连接处承受交变载荷，设计时考虑长期使用的安全性和工艺性。图a,b,为了降低焊缝的拘束度，在管板上加工出一个环形沟槽。图c为了管接头与管板接触跟紧密，焊前把管子端部外扩。图d当接头要承受较大的弯曲应力，焊缝可以放在管板中间，焊缝低于应力区。图e,f采用对接焊缝，受力情况最好，但是装配工艺复杂。 4）开孔与补强由于工艺要求和检修需要，在容器的筒体和封头上开设各种孔，如人孔，手孔，视镜孔，物料进出接管等。这些孔会减弱容器的断面强度。因此，一般要采用孔补强，提高材料的利用率。 补强的方式：注意：当容器工作温度超过300或壁厚超过4

15、0mm时，不采用图c补强方式。因管孔过于密集而必须开在A类，B类接头上时，必须对开孔部位焊缝做100%X射线透照。壁厚大于50mm时，在焊接接管之前将开孔区焊缝作消除应力处理。 实例一： 低压贮气罐，8mm,压力1.0mpa,温度为常温，介质为压缩空气，大批量生产。 设计方案： 1）母材选择： 短管选用优质碳素钢10，其他选用塑性和焊接性好的普通碳素钢Q235-A. 2)设计焊缝位置及焊接接头，坡口形式： 筒节的纵焊缝和筒节与封头相连处的两条环焊缝均采用对接I形坡口双面焊。 法兰与短管焊合采用不开坡口角焊缝。 法兰管座与筒体焊合采用开坡口的角焊缝。 3）选择焊接方法和焊接材料 角焊缝：采用焊条

16、电弧焊方法，焊条选用E4303（J422）。 纵、环焊缝：采用埋弧焊方法，焊丝选用H08A,配合焊剂HJ431。8.2.2 机床机身 1. 焊接机身的设计 （1）材料的选用 一般采用轧制的钢板和型钢焊接而成，形状特殊的部分可以采用锻件或铸件。 多用的金属是焊接性好的低碳钢和普通低合金钢；匹配的锻件或铸件用化学成分相近的材料，如20钢，26钢等。 （2）焊接接头的设计 1）采用T形焊接接头 实验证明，单面角焊缝比双面角焊缝的减震性好，单面坡口焊缝比双面坡口焊缝的减震性好，不完全焊透的坡口焊缝比完全焊透的减震性好。 这说明焊缝形式和接合面的性质对T形焊接接头的减震性有影响。 2）采用断续焊缝 断续

17、焊缝中未焊部分的接触面具有减震作用，减震能力比连续焊缝的高。 在断续焊缝中，焊缝比较短的减震性好。 在强度和刚度允许的情况下，尽量采用断续短焊缝来提高焊接结构的减震性。 3）加强肋板的应用 大多的焊接机身属于薄壁结构。 需要布置加强肋板以提高壁板的固有频率。 （3）焊接接头的位置 1)避免在加工表面上布置焊缝。 2）避免在配合面上布置焊缝。轴承支架就是所有焊缝都避开机加工。 （4）保证焊接构件的定位精度根据实际情况与需要，在焊接构件上加工出定位台阶，以保证焊接结构的精度。图a,b,c，加工方便，可焊性好，适用于精度要求低的场合；图d,e,f适合高精度定位场合。 （5）防止加强肋板被钻穿注意加强肋板布置不宜靠近钻孔的位置，以防止肋板被钻穿。8.2.3 薄板结构 1.薄板结构的稳定性 一般情况下薄板受轴向应力大于临界应力时会会失稳。 2.基于稳定性的薄板结构设计 有三类方法： （1）合理设计构件截面形状 将薄钢板压制成各种断面形式的杆件，可以提高局部稳定性。 （2）设置加强肋薄板结构设置加强肋以增加