第五章焊接结构设计

1、Chapter 5 Chapter 5 焊接结构设计焊接结构设计第一篇第一篇 连接成形理论基础连接成形理论基础2 本章重点和难点：本章重点和难点： p焊接结构的设计要求和原则焊接结构的设计要求和原则p焊接接头的设计（接头、坡口等）焊接接头的设计（接头、坡口等）p焊接结构的设计案例焊接结构的设计案例3焊接结构是金属结构中一种最主要的结构形式，如钢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，大多机械、汽车拖拉机、铁路车辆等结构都是焊接结构，大多依据有关

2、的规程规范进行设计，依据有关的规程规范进行设计，焊接手册焊接手册第第3卷、卷、焊接结构设计手册焊接结构设计手册及其他大量著作。及其他大量著作。一、焊接结构概述一、焊接结构概述 4影响构件焊接性的因素与材料有关的因素与制造有关的因素与设计有关的因素母材和填充材料母材和填充材料的类型的类型( (化学化学) )成成分和显微组织分和显微组织结构的形状、尺寸、支撑结构的形状、尺寸、支撑条件和负载，条件和负载，焊缝类型，焊缝类型，坡口形状坡口形状，厚度和配置厚度和配置焊接方法、焊速，焊接操作，焊接方法、焊速，焊接操作，焊接顺序焊接顺序，多层焊，定位焊。，多层焊，定位焊。夹紧、预热和焊后热处理。夹紧、预热和

3、焊后热处理。51焊接结构设计的内容焊接结构设计的内容 (1) 选择结构的材料，包括制造结构的材料种类和规格。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、稳定性等确定结构的形式，进行结构强度、刚度、稳定性等进行的计算进行的计算(这种计算是在力系分析基础上进行的这种计算是在力系分析基础上进行的)。(3) 进行结构的细节设计、焊接的设计和计算。进行结构的细节设计、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。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，其中包括设计结构最后还要编制设计计算说明书

4、，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。的构造合理性和技术经济先进性的论证。二、焊接结构设计二、焊接结构设计62. 焊接结构设计的基本要求和遵循原则焊接结构设计的基本要求和遵循原则 u基本要求：实用性、安全性、工艺性和经济性等。基本要求：实用性、安全性、工艺性和经济性等。u遵循原则：遵循原则：（1） 合理选择合理选择材料的种类，尽量材料的种类，尽量采用采用标准件、通标准件、通用件和型材用件和型材。在满足焊接件使用性能的前提下，尽量在满足焊接件使用性能的前提下，尽量选用焊接性好的材料。选用焊接性好的材料。7多用工字钢、槽多用工字钢、槽钢和钢管等成型材料，钢和钢管等成型材料，对形状比

5、较复杂的部对形状比较复杂的部分可以采用铸钢、锻分可以采用铸钢、锻钢和冲压件来焊接，钢和冲压件来焊接，减少焊缝数量、简化减少焊缝数量、简化工艺，增加结构件的工艺，增加结构件的强度和钢度。强度和钢度。8（2）简洁明快的结构简洁明快的结构构构造形式，造形式，简单合理的接头形简单合理的接头形式式，并且，并且种类越少越好种类越少越好，减，减少短而不规则的焊缝和避免少短而不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。不易加工的空间曲面结构。采用合理的采用合理的焊接顺序焊接顺序，避免，避免应力。应力。a)a)合理合理 b) b)不合理不合理工字梁的焊接顺序工字梁的焊接顺序9（3）焊接结构件应尽量采用）焊接结构件

6、应尽量采用同等厚度同等厚度的材料焊接，或的材料焊接，或者在较厚的板材上加工出过渡形式，避免应力集中、接头者在较厚的板材上加工出过渡形式，避免应力集中、接头两边受热不均而产生焊不透等缺陷。两边受热不均而产生焊不透等缺陷。10（4） 合理地合理地布置焊缝布置焊缝。例如：焊缝应尽量处于。例如：焊缝应尽量处于平焊平焊位置，采用位置，采用对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密集集，重要的重要的工作焊缝要工作焊缝要连续连续，次要的次要的联系焊缝可用联系焊缝可用断续焊缝断续焊缝，这有利于焊接施工和，这有利于焊接施工和减少焊接工作量减少焊接工作量，便于控制便于控制焊接应力和变形焊接应力和

7、变形。11管子对接水平固定全位置焊接管子对接水平固定全位置焊接121999年年1月月4日，重庆日，重庆市綦江县城跨越綦河两市綦江县城跨越綦河两岸的人行彩虹桥（长虹岸的人行彩虹桥（长虹卧波，綦城一景卧波，綦城一景 ）整体）整体垮塌垮塌 ，人遇难。，人遇难。 连接时两管的横切面完连接时两管的横切面完全抵拢，使钢管之间的焊接全抵拢，使钢管之间的焊接面减到了最低限度面减到了最低限度 ，只在，只在表层焊接，而且没有加强块表层焊接，而且没有加强块 1314焊缝布置应避免密集和交叉焊缝布置应避免密集和交叉1516（5 5） 焊缝应避开应力最大和应力集中的部位焊缝应避开应力最大和应力集中的部位17（6） 施工

8、方便并考虑施工方便并考虑改善工人劳动条件改善工人劳动条件。设计结构时。设计结构时考虑到考虑到日后施工的很多问题日后施工的很多问题，如，如可达性问题可达性问题，保证各种施工必需的空间，保证各种施工必需的空间点焊、缝焊焊缝位置点焊、缝焊焊缝位置不合理不合理合理合理焊条电弧焊焊缝位置焊条电弧焊焊缝位置不合理不合理合理合理1819（7 7）焊缝位置应远离加工表面焊缝位置应远离加工表面 20三、焊接接头的设计三、焊接接头的设计对接接头对接接头butt joint角接接头及角接接头及 T字形接头字形接头corner joint and T joint搭接接头搭接接头lap joint（a）对接接头；）对接

9、接头； （b）角接接头；）角接接头； （c）搭接接头）搭接接头焊接接头的三种形式焊接接头的三种形式1、焊接接头的形式、焊接接头的形式 21受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。易得到保证。（1）对接接头）对接接头 结构：结构：两个相互连接零件在两个相互连接零件在接头处的中面接头处的中面处于同一平面或处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。同一弧面内进行焊接的接头。特点：特点：应用：应用：最常用的焊接结构形式。最常用的焊接结构形式。22结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重

10、，且焊接质量也不易得到保证。集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。（2）角接接头和）角接接头和T型接头型接头 结构：结构：两个相互连接零件在两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相接头处的中面相互垂直或相交成某一角度交成某一角度进行焊接的接头。进行焊接的接头。 T型接头指两构件成型接头指两构件成T字形焊接在一起的接头。字形焊接在一起的接头。特点：特点：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接等。焊接等。应用：应用：23（3）搭接接头）搭接接头 主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊

11、接。缘与容器的焊接。结构：结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。中面相互平行，进行焊接的接头。特点：特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。显不连续，承载后接头部位受力情况较差。应用：应用：24板材对接焊缝试件板材对接焊缝试件 管材对接焊缝试件管材对接焊缝试件 板材角焊缝试件板材角焊缝试件 管与管与 板角焊缝试件板角焊缝试件 对接焊缝试件对接焊缝试件 角焊缝试件角焊缝试件 焊接接头（焊缝、熔合区、热影响区）焊接接头（焊缝、熔合

12、区、热影响区）25对接接头 T形接头 角接接头 锁底接头对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝角接接头 T形接头 搭接接头 对接接头角焊缝 角焊缝 角焊缝 角焊缝26（1）焊接坡口）焊接坡口为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。焊接坡口，取决于焊接方法和焊件厚度等因素。焊接坡口，取决于焊接方法和焊件厚度等因素。2、坡口形式、坡口形式 27形形V形形单边单边V形形U形形J形形基本坡口形状基本坡口形状组合形状组合形状坡口形状坡口形状特殊形状特殊形状28坡口的基本形式坡口的基

13、本形式一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。U型型单边单边V型型I型型J型型V型型29双双V形坡口由两个形坡口由两个V形坡口和一个形坡口和一个I形坡口组合而成形坡口组合而成 双双V形坡口形坡口30（2） 坡口形式的选择坡口形式的选择熔焊坡口形式：熔焊坡口形式：基本型基本型，I形、形、V形和形和单单V形、形、U形和单形和单U形形等等特殊型特殊型，如卷边的、带，如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、垫板的、锁边的和塞焊、开槽焊等开槽焊等组合型组合型31 压焊接头压焊接头电阻焊电阻焊中的中的点焊点焊和和缝焊缝焊多是采用多是采用搭接接头搭接接头

14、。摩摩擦焊接头擦焊接头通常采用通常采用对接接头对接接头。钎焊接头钎焊接头 钎焊接头也有多种类型，但钎焊接头也有多种类型，但基本类型基本类型只有只有对接接对接接头和搭接接头头和搭接接头两种。两种。32 坡口形式选择时还要考虑：坡口形式选择时还要考虑：1) 工厂的加工条件工厂的加工条件采用V形、双V形、Y形、单边V形、I形等坡口可用气割、等离子弧切割或金属切削方法加工。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) 可达性的好坏可达性的好坏采用Y形、带垫板Y形、带垫板V形、VY形(上图g)、带钝边的U形(上图h)等坡口的接头，施焊时，一般可不翻转。内径较小

15、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。33 坡口形式的选择坡口形式的选择3) 减小焊接材料的消耗量减小焊接材料的消耗量同样板厚：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形则更加节省熔敷金属。因此，常用于大厚度的焊接接头。4) 考虑焊接变形与应力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。34四、压力容器焊接接头四、压力容器焊接接头为对错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等为对错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面有针对性地提出不同的要求，方面有针对性地提出不同的要求，GB150根据根据，接头所连接两元

16、件的接头所连接两元件的以及以及，把，把接头分成接头分成A、B、C、D四类。四类。1、压力容器焊接接头分类、压力容器焊接接头分类（GB1501998钢制压力容器钢制压力容器）35 压力容器焊接接头分类压力容器焊接接头分类球形封头球形封头筒体筒体锥形封头锥形封头法兰法兰接管接管圆筒部分的纵向接头、球形封头与圆筒连接的环向接头、圆筒部分的纵向接头、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头。接连接的接头。 A类：类：36 压力容器焊接接头分类压力容器焊接接头分类球形封头球形封头筒体筒体锥形封头锥形封头

17、法兰法兰接管接管壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头。但规定为颈法兰与接管连接的接头。但规定为A、C、D类的除外。类的除外。B类：类：37 压力容器焊接接头分类压力容器焊接接头分类球形封头球形封头筒体筒体锥形封头锥形封头法兰法兰接管接管平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。层板层纵向接头。C类：类：38 压力容器焊接接头分类压力容

18、器焊接接头分类球形封头球形封头筒体筒体锥形封头锥形封头法兰法兰接管接管接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但已规接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但已规定为定为A、B类的焊接接头除外。类的焊接接头除外。D类：类：39所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。构也应尽量采用对接接头。（1）尽量采用对接接头）尽量采用对接接头2、压力容器焊接结构设计的基本原则、压力容器焊接结构设计的基本原则40容器接管的角接和对接容器接管的角

19、接和对接（a）（b）（c）图中角焊缝，改用对接焊缝，即由（图中角焊缝，改用对接焊缝，即由（a）改为（）改为（b）和（）和（c）。）。减小应力集中，方便无损检测，有利于保证接头的内部质量。减小应力集中，方便无损检测，有利于保证接头的内部质量。举例：举例：41（2）尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷）尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷 选择合适的坡口形式，如双面焊；选用单面焊选择合适的坡口形式，如双面焊；选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。用带垫板的坡口等。指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。空隙的现象。导致脆性破坏和疲劳破坏。导致脆性破坏和疲劳破坏。未熔透未熔透改进改进42等厚度焊接等厚度焊接，对不等厚钢板的对接，按一定斜，对不等厚钢板的对接，按一定斜度度削薄过渡削薄过渡，以避免形状突变，减缓应力集中。，以避免形状突变，减缓应力集中。（3）尽量减少焊缝处的应力集中）尽量减少焊缝处的应力集中 接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，必须尽接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，必须尽量、减少应力集中。量、减少应力集中。措施：措施：43 板厚不等时的对接接头板厚不等时的对接接头441 1、低压贮气罐，壁厚、低压贮气罐，壁厚8mm8mm，压力