模块一焊接结构生产技术基础课件

1、焊接结构生产李伟 结构从力学角度来说，结构是指可以承受一定力的结构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。 每种事物都有它的架构形态，这种架构形态体现着它的结构。 一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常成为构件。 绪论 焊接结构是指常见的最适宜于用焊接方法制造的金属结构。由于焊接结构的种类繁多，其分类方法也不尽相同。 埋弧焊自动焊接锅炉汽包焊接结构应用神舟7号飞船航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。杭州湾大桥为全焊钢结构斜拉桥。 现在国内通用的分类方法是根据焊接物体或结构的工作特性来分类，将焊接结构分成了下列几类 :一

2、、梁、柱、格架结构 图1 在建钢结构厂房 梁类焊接结构的工作特点是组成梁系结构的元件受横向弯曲，当由多根梁通过刚性连接组成梁系结构（或称框架结构）时，各梁的受力情况将变得较为复杂。 桁架二、壳体结构 图2 各种压力容器组成的化工厂 这类结构承受较大的内部压力，因而要求焊接接头具有良好的气密性，如容器、贮器、和管道等，多用钢板焊制而成。 三、骨架结构 这类结构外形如同人体骨架，多用于起重运输机械，通常承受动载荷，故而要求它具有最小的重量和较大的刚度，船体骨架、客车棚架及汽车车厢和驾驶室等均属此类结构。 图3 焊接结构越野车架四、机器和仪器的焊接零件 图4 船舶主机座 这类结构最适宜于在交变载荷或

3、多次重复性载荷下工作。因此对这类结构要求具有精确的尺寸才能保证加工出的主要部件或仪表零件的质量。 属于该类结构的有机座、机身、机床横梁及齿轮、飞轮和仪表枢轴等。 焊接结构生产指承载结构采用焊接工艺技术制作安装及其组织管理。任务1 选用液化气瓶焊接接头形式 1.选用焊接结构焊接接头形式、焊缝及坡口形式2.焊接接头形式及坡口形式、符号、标注3.焊接接头、坡口形式所适用的焊接方法4.焊接接头、坡口形式选用原则和方法任务提出1-底座 2-下封头 3-上封头 4-阀座 5-护罩 6-瓶阀图1-1-1 YSP35.5型液化石油气钢瓶 技术要求： 1.“钢瓶主要焊缝的焊接应采用自动焊接方法施焊。 2.瓶体环

4、焊缝的余高为02mm；最宽最窄处之差应不大于2mm。 3.角焊缝的焊脚高度不得小于焊接件中较薄者的厚度，其几何形状应圆滑过渡至母体表面”。 任务分析 YSP35.5型钢瓶如图1-1-1所示。钢瓶的瓶体由上、下封头组成，中间有一条环焊缝，该焊缝要求全焊透。材料为HP295，厚度为3mm。阀座焊接在上封头上，护罩焊接在上封头上。 从瓶体构造上看，本任务主要是选取主体结构上、下封头中间一条环焊缝和其它辅件与主体连接焊缝的接头形式、焊缝及坡口形式并画出焊缝及坡口图。相关知识1.焊接接头形式、焊缝及坡口形式、符号、标注焊接接头就是用焊接方法连接的不可拆卸的接头。它由焊缝金属、熔合区、热影响区及其邻近的母

5、材组成，如图1-1-2所示。1-焊缝金属 2-熔合区 3-热影响区 4-母材图1-1-2 焊接接头的组成 焊缝金属是由焊接填充金属及部分母材金属熔合结晶后形成的，其组织和化学成分不同于母材。 热影响区受焊接热循环的影响，组织和性能都发生变化，特别是熔合区的组织和性能变化更为明显。因此，焊接接头是一个成分、组织和性能都不均匀的连接体。此外，焊接接头因焊缝的形状和布置不同，将会产生不同程度的应力集中。 所以不均匀性和应力集中是焊接接头的两个基本属性。 在焊接结构中，焊接接头主要起到两个方面的作用： 一是连接作用，即把被焊工件连接成一个整体； 二是传力作用，即传递被焊工件所承受的载荷 焊接接头的形式

6、：根据接头的构造形式不同，焊接接头可以分为对接接头、T形接头、搭接接头、角接接头和卷边接头，如下组图。对接接头构造形式图1-1-3所示图1-1-3 对接接头构造T形接头构造形式图1-1-4所示图1-1-4 T形接头构造 对接接头有形坡口、V形坡口、X形坡口、U形坡口、单边U形坡口、双面U形坡口等形式。T形接头坡口有I形、单边V形、K形以及双U形等四种形式。角接接头构造形式图1-1-5所示图1-1-5 角接接头构造 角接接头有I形坡口、单边V形坡口、V形坡口及K形坡口等四种形式。搭接接头构造形式图1-1-6所示图1-1-6 搭接接头构造卷边接头构造形式图1-1-7所示图1-1-7 卷边接头构造焊

7、缝及坡口的形式和符号：焊缝的形式主要指焊缝的截面形状，而焊缝的截面形状与坡口的截面形状基本一致。焊缝及坡口的形式主要有形、卷边、V形、X形、单边V形、Y形、 U形、单边U形、等形式卷边坡口：形坡口： I形坡口 I形带垫板坡口单边V形坡口：V形坡口： V形坡口 V形带垫板坡口2.焊缝坡口设计的基本知识：一般手工焊和CO2气体保护焊在板厚小于8mm，埋弧焊在板厚小于12mm时不开坡口，即通常所说的采用I形坡口。坡口间隙根据不同焊接方法及板厚具体确定，一般手工焊和CO2气体保护焊为0mm 3mm，埋弧焊为2mm 6mm。坡口钝边：手工焊和CO2气体保护焊为1mm 2mm，埋弧焊为2mm 6mm。坡口

8、角度：以“V”坡口为例说明：单面手工焊： （t：8mm 12mm）坡口角度为：(705)； （t：12mm 20mm）坡口角度为：(605)双面手工焊：（t：8mm 12mm）坡口角度为：(705)；（t：12mm 20mm）坡口角度为：(605)。单面CO2气体保护焊（t：8mm 20mm）坡口角度为：(505)。双面CO2气体保护焊（t：8mm 20mm）坡口角度为：(455)。单面埋弧焊（t：12mm 20mm）坡口角度为：(605)。双面埋弧焊（t：16mm 30mm）坡口角度为：(605)。3.接头的选择原则：根据产品的结构形状、尺寸、材质、技术要求等。根据采用的焊接方法及接头的基本

9、特性。根据承载荷的性质、大小（如拉伸、压缩、弯曲、冲击等）。根据工作环境要求。根据变形与控制及施焊的难易程度。根据接头的焊前准备和焊接费用等。4.坡口的选择原则：保证焊件的焊接质量、焊缝能焊透。坡口容易加工（如U型坡口比V型坡口加工困难，费用高）。尽可能减少金属填充量。减少焊接变形。保证焊接可达性。不同位置的焊接操作要求。5.焊缝的表示方法焊缝的结构形式用焊缝代号来表示，焊缝代号主要由：基本符号、辅助符号、补充符号、指引线和焊缝尺寸等组成。 辅助符号图1-1-10所示，它是表示焊缝表面形状的符号，如凸起或凹下等；图1-1-10 焊缝的辅助符号7.坡口机类型、功能、工作原理坡口加工，常用的方法有

10、机械切割和气割两类。采用机械加工方法可加工各种形式的坡口，如I、V、U、X及双U形等。机械加工坡口常用的设备有车床、铣床、刨边机及坡口机等。（1）刨边机 刨边机可加工各种形式的直线坡口，并有较好的光洁度，加工的尺寸准确，不好出现加工硬化和淬硬组织，特别适合低合金高强钢、高合金钢、复合钢板及不锈钢等加工。缺点是机械外廓尺寸大、价格昂贵。如图2-1-2所示刨边机。（2）坡口机坡口机是管道或平板在焊接前端面进行倒角坡口的专用工具，解决了火焰切割、磨光机磨削等操作工艺的角度不规范、坡面粗糙、工作噪音大等缺点，具有结构简单，操作简便，角度标准等优点。所加工的板材，除厚度外，在理论上不受直径、长度、宽度的

11、限制。从加工材料特点分为：平板坡口机和管子坡口机两大类。平板坡口机平板坡口机主要利用滚剪原理，在滚刀旋转带动钢板前进的相对运动中，将钢板的边角切除。板边坡口机主要用于A3钢板、16Mn板及不锈钢板等的坡口加工，其加工的坡口表面光洁。 a)手提式平板坡口机 b)自动行走平板坡口机 c)固定式平板坡口机图2-1-3平板坡口机管子坡口机从固定方式分为内涨式管子坡口机、外卡式管子坡口机等管子坡口机结构紧凑、体积小、重量轻、操作方便、切削平稳、加工范围较大。a) 内涨式管子坡口机 b) 外卡式管子坡口机图2-1-4管子坡口机1安全操作注意事项（1）设备使用前要认真检查电气线路是否接地良好。工作过程中应理

12、顺导线，防止扭转及被渣壳烧坏。并检查各部分焊接电缆及导线有无松动现象，以防发热。（2）焊机的控制箱外壳和接线板的防护罩必须盖好，防止触电及短路事故。一、操作准备任务实施2.焊接材料 （1）由于焊件是优质非合金钢板，焊丝选用H08MnA，直径2mm.（2）焊剂采用熔炼焊剂SJ301。焊前，焊剂应进行200烘干。 由于国家标准小容积液化石油气钢瓶的相关规定和气瓶构造，主焊缝焊接方法选择了埋弧自动焊单面焊双面成型的方法，所以所选择的接头形式、焊缝及坡口形式要适合这种焊接方法并满足焊缝尺寸要求。3.组装定位 为实现规模生产，一般采用焊接夹具锥套定位方法进行定位紧固，且在操作前能过快速对中。4.准备 工

13、序钢板的封口处要进行拉伸、切边、除锈、缩口等操作，以保证完成性能良好的焊缝结构板厚/mm间隙/mm焊丝直径/mm焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（m/h）备注30-12330-36030-3234-35焊丝H08A焊剂SJ301优质非合金钢埋弧焊的工艺参数表整个生产过程一般为：落圆拉伸切边除锈缩口组装焊接热处理2.实施操作对于YSP35.5型液化石油气钢瓶筒体中纵缝的焊接，接头形式为对接，焊缝及坡口形式为I形，坡口间隙为01mm。焊缝画法和简化注法见图1-2-17 图1-2-17 焊缝画法和简化注法（2）调整焊接导电嘴的位置，使焊丝伸出长度为18mm,提前量为：2428mm。图1-2-18

14、导电嘴伸出长度二.焊接检验1.读图样、学习国家标准明确：2.要求的焊接方法是：主焊缝采用埋弧自动焊单面焊双面成型方法，其它焊缝采用焊条电弧焊方法焊接；3.要求的焊缝尺寸和形状是：瓶体环焊缝的余高为02mm；最宽最窄处之差应不大于2mm。角焊缝的焊脚高度不得小于焊接件中较薄者的厚度，其几何形状应圆滑过渡至母体表面”。4.焊缝外观检测1）焊缝表面应是原始状态，没有加工或返修的痕迹。2)埋弧自动焊焊缝表面不得有裂纹、未熔合、咬边等缺陷。任务2 制定锻压机身焊接应力措施1. 焊接残余应力产生原因2. 减少焊接残余应力产生的措施3. 确定控制、消除钢结构件残余应力技术措施图1-2-1 锻压机机架示意图任

15、务提出某锻压机机架生产企业承接若干台如图1-2-1所示的锻压机机架生产任务。机架采用焊接结构，要求焊接过程中控制残余应力，焊后消除残余应力。板材为：Q235； 板厚为：50； 最大件平面尺寸：2000*1500； 最小件平面尺寸：670*310机架由于其刚度要求，由厚钢板拼焊而成，因此焊接过程中拘束度非常大，会产生较大的焊接残余应力，在而后的机架机加工中，残余应力的释放会引起机架变形。此外，锻压机架在工作时往往承受交变载荷，焊接应力的存在降低了机架力学性能，因此在机架的焊接过程中控制和消除焊接残余应力是重要的技术措施。 任务分析制定合理的控制和消除焊接残余应力的技术措施，首先要明了产生焊接残余

16、应力原因，并确定其类型，而后要确定哪些工艺条件对产生焊接残余应力有影响，最终确定控制、消除残余应力的技术措施。由于机架在工作时承受交变载荷，所以本机架焊缝要全焊透。 1.焊接残余应力类型及成因焊接应力的概念焊接应力：焊缝冷却至原始温度后，在整个接头区内焊缝及近缝的拉应力与母材的压应力区数值达到平衡，这时应力状态称为焊接残余应力，简称焊接应力。相关知识 沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，焊接残余应力类型 垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力沿厚度方向的焊接应力。焊接残余应力的成因纵向焊接应力的成因焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及其附近温度最高，可达1600

17、以上，而邻近区域温度则急剧下降（图1-3-2）。图1-2-2 施焊时焊缝及附近的温度场和焊接残余应力不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。温度高的钢材膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩。焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧钢材限制而产生纵向拉应力。焊接应力是一种无荷载作用下的内应力，因此会在焊件内部自相平衡，这就必然在距焊缝稍远区段内产生压应力（图1-3-2c）。横向焊接应力的成因横向焊接应力产生的原因一是由于焊缝纵向收缩，使两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块板的中间产生横向拉应力，而两端则产生压应

18、力（图1-2-3b）。横向焊接应力的成因二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。当焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力，在最后施焊的末端的焊缝中必然产生拉应力（图1-2-3c）。焊缝的横向应力是上述两种应力合成的结果（图1-2-3d）。 厚度方向的焊接应力的成因在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。因此，除有纵向和横向焊接应力x、y外，还存在着沿钢板厚度方向的焊接应力z（图1-3-4）。在最后冷却的焊缝中部，这三种应力形成同号三向拉应力，将大大降低连接的塑性。图1-3-4 厚度方向的焊接应力成因

19、示意2.焊接应力对结构工作性能的影响对结构静力强度的影响对在常温下工作并具有一定塑性的钢材，在静荷载作用下，焊接应力是不会影响结构强度的。对脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰值不断增加。对结构刚度的影响构件上的焊接应力会降低结构的刚度。残余应力的存在将较大的影响压杆的稳定性。当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。对低温冷脆的影响焊接残余应力对低温冷脆的影响经常是决定性的，必须引起足够的重视。在厚板和具有严重缺陷的焊缝中，以及在交叉焊缝

20、的情况下，产生了阻碍塑性变形的三轴拉应力，使裂纹容易发生和发展。对疲劳强度的影响在焊缝及其附近的主体金属残余拉应力通常达到钢材屈服点，此部位正是形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域。因此，焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显不利影响。3.控制和消除焊接残余应力的技术措施。焊接应力的控制措施焊接件内残留有内应力是不可避免的，但可以根据去产生机理和规律寻找一些措施来有效的控制它，使之危害程度降至最小。控制内应力的方法其基本思路有两个：是焊件上热量尽量均匀和尽量减少对焊缝自由收缩的限制。通常采用的技术措施如下：合理的焊缝设计a合理的选择焊缝的尺寸和形式，在保证结构的承载能力的条件下，设计时应该尽量采用较小

21、的焊缝尺寸。因为焊缝尺寸大，不但焊接量大，而且焊缝的焊接应力和焊接变形也大。b尽可能能减少不必要的焊缝。在设计焊接结构时，常常采用加劲肋来提高板结构的稳定性和刚度。但是为了减轻自重采用薄板，不适当地大量采用加劲肋，反而不经济。因为这样做不但增加了装配和焊接的工作量，而且易引起较大的焊接应力和焊接变形。c合理地安排焊缝的位置。安排焊缝时尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴（图1-2-5a、c），这对减少梁、柱等构件的焊接变形有良好的效果。而图1-2-5中的（b）和（d）是不正确的。 d尽量避免焊缝的过分集中和交叉。如几块钢板交汇一处进行连接时，应采用图1-3-5（e）的方式，避免采用图1-3-5 (f)的方式，以免热量集中，引起过大的焊接变形和应力，恶化母材的组织构造。e尽量避免在母材厚度方向的收缩应力。如图1-3-5（i）的构造措施是正确的，而图1-3-5（j）的构造常引起厚板的层状撕裂（由约束收缩焊接应力引起的）。采用合理的焊接顺序和方向a尽量使焊缝自由收缩，先焊收缩量比较大的焊缝。b先焊工作时受力大