焊接结构设计-001课件

焊接应力与变形焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。

a)自由变形b)非自由变形返回ΔLT是自由变形：ΔLT=L-L0（如图a)ΔLe是外观变形，ΔL是内部变形：ΔL=ΔLT-ΔLe（如图b)εT是自由变形率：εT=ΔLT/L0=α(T-T0)外观变形率εe=ΔLe/L0内部变形率ε=ΔL/L0钢板条中心加热和冷却时的应力与变形a)原始状态b)、c)加热过程d)、e)冷却过程对接接头纵向残余应力在焊缝横截面上的分布情况板边堆焊时的纵向残余应力与变形不同长度焊缝纵截面上纵向残余应力σχ的分布a)短焊缝b)长焊缝图1-14焊接梁柱的纵向残余应力分布a)焊接T形梁的残余应力b)焊接工字梁的残余应力c)焊接箱形梁的残余应力a)b)c)图1-15圆筒环缝纵向残余应力分布圆筒环缝纵向残余应力分布焊接残余应力对焊接结构的影响1.对焊接结构强度的影响：2.对构件加工尺寸精度的影响：为了保证加工精度，应对焊件先进行消除应力处理，再进行机械加工。3.对受压杆件稳定性的影响：减小焊接残余应力的措施设计措施（1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸（2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够的距离（3）采用刚度较小的接头形式三条角焊缝在空间相交，在交点处会产生三轴应力，塑性降低，可焊到性差，严重的应力集中。图1-18b)a)b)焊接管的连接a)插入式b)翻边式工艺措施（1）采用合理的装配焊接顺序和方向（2）预热法（3）冷焊法：尽量采用小的焊接热输入，选用小直径焊条、小电流、快速焊及多层多道焊。（4）降低焊缝的拘束度（5）加热“减应区”法：此法在铸铁补焊中应用最多图1-21带盖板的双工字梁结构焊接顺序图1-23平面交叉焊缝的焊接顺序a)b)c)d)图1-22对接工字梁的焊接顺序图1-25a)b)降低局部刚度减少内应力a)平板少量翻边b)镶板压凹图1-26受热后冷却收缩区热膨胀或冷却收缩方向加热“减应区”法示意图a)加热过程b)冷却过程被加热的减应区消除焊接残余应力的方法1.热处理法（1）整体热处理（2）局部热处理2.机械拉伸法：在构件上施加一定的拉应力，使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形，与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相抵消一部分，达到松弛焊接残余应力的目的。3.温差拉伸法：采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。4.锤击焊缝5.振动法返回图1-29a)b)c)d)e)图1-29焊接变形的基本变形形式a)收缩变形b)角变形c)弯曲变形d)波浪变形e)扭曲变形图1-34a)b)c)几种接头的角变形a)堆焊b)对接接头c)T形接头图1-39焊接角变形引起的波浪变形控制焊接变形的措施选择填充量小的焊缝尺寸及坡口形式减少焊缝的数量，对于次要焊缝，可将连续焊改为断续焊。

合理安排焊缝位置。使其接近结构中性轴或对称分布，不要过密集b)a)a)角变形大b)角变形小相同承载能力的十字接头1）选择小的焊缝尺寸2）选择合理的坡口形式焊缝在x－x轴一侧，焊后最容易产生弯曲变形焊缝的位置应尽可能对称布置如图a、b所示的焊件，焊缝位置偏离截面中心，并在同一侧。由于焊缝的收缩，会造成较大的弯曲变形。图中c、d、e所示的焊缝位置对称，焊后不会发生明显的变形。焊缝位置对称于x－x轴和y－y轴，焊后变形较小，容易防止。图1-44a)b)合理安排焊缝位置防止焊接变形a)不合理b)合理对接接头角接接头及T字形接头搭接接头焊接接头形式焊接接头形式焊接接头形式对接接头应力分布均匀、接头质量容易保证、节省材料，是使用最多的接头形式，重要的受力焊缝应尽量选用。但焊前准备和装配要求较高。搭接接头、角接接头和T形接头。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，且焊接质量也不易得到保证。搭接接头受力时产生附加弯矩，且金属消耗量较大，一般应避免采用。焊接坡口——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。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。二、坡口形式Ⅰ形V型单边V形U形J形基本坡口形状组合形状坡口形状图14-2坡口的基本形式特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。J型U型单边V型V型I型双V形坡口由两个V形坡口和一个I形坡口组合而成图14-3双V形坡口三、压力容器焊接接头分类圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、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接连接的接头。目的：为对口错边量、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，GB150根据位置，根据该接头所连接两元件的结构类型以及应力水平，把接头分成A、B、C、D四类，如图14-47。A类：图14-4压力容器焊接接头分类必须掌握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。但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。B类：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层板层纵向接头。C类：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但已规定为A、B类的焊接接头除外。D类：焊接接头分类的原则仅根据焊接接头在容器所处的位置而不是按焊接接头的结构形式分类，所以，在设计焊接接头形式时，应由容器的重要性、设计条件以及施焊条件等确定焊接结构。这样，同一类别的焊接接头在不同的容器条件下，就可能有不同的焊接接头形式。注意：易于保证焊接质量，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，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。四、压力容器焊接结构设计的基本原则1．尽量采用对接接头角焊缝，改用对接焊缝［图5（a）改为（b）和（c）]。减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。举例：图14-5容器接管的角接和对接（a）（b）（c）2．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；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊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。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。未熔透导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。未熔透改进尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度δ2不大于10mm，两板厚度差超过3mm；或当薄板厚度δ2大于10mm，两板厚度差超过薄板的30%，或超过5mm时，均需按图14-6的要求削薄厚板边缘。3．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，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。措施：图14-6板厚不等时的对接接头①尽量减少填充金属量；②保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；③便于施焊，改善劳动条件；④减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。五、压力容器常用焊接结构设计主要内容：选择合适的焊缝坡口，方便焊材(焊条或焊丝）伸入坡口根部，以保证全熔透。坡口选择因素：纵、环焊缝必须采用对接接头。对接接头的坡口形式可分为不开坡口（又称齐边坡口）、V形坡口、X形坡口、单U形坡口和双U形坡口等数种，应根据筒体或封头厚度、压力高低、介质特性及操作工况选择合适的坡口形式。1．筒体、封头及其相互间连接的焊接结构一般只能采用角接焊和搭接焊，具体的焊接结构还与容器的强度和安全性要求有关。有多种接头形式，涉及是否开坡口、单面焊与双面焊、熔透与不熔透等问题。设计时，应根据压力高低、介质特性、是否低温、是否需要考虑交变载荷与疲劳问题等来选择合理的焊接结构。下面介绍常用的几种结构。2.接管与壳体及补强圈间的焊接结构图14-7不带补强圈的插入式接管焊接结构(a)(b)(c)（a）图：单面焊接结构，适用于内径小于600mm、盛装无腐蚀性介质的接管与壳体之间的焊接，接管厚度应小于6mm；（b）图：最常用的插入式接管焊接结构之一，为全熔透结构。适用于具备从内部清根及施焊条件、壳体厚度在4～25mm、接管厚度大于等于0.5倍壳体厚度的情况；（c）图：在（b）的基础上，将接管内径边角处倒圆，可用于疲劳、低温及有较大温度梯度的操作工况。（1）不带补强圈的插入式接管焊接结构中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接结构，接管与壳体间隙应小于3mm，否则易产生裂纹或其它焊接缺陷。图（b）：承受低温、疲劳及温度梯度较大工况的容器，保证接管根部及补强圈内侧焊缝熔透。（2）带补强圈的接管焊接结构要求：尽量与补强处的壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。但只能采用塔接和角接，难于保证全熔透，也无法进行无损检测，因而焊接质量不易保证。坡口：大间隙小角度，利于焊条伸入到底，减少焊接工作量图（a）：一般要求的容器，即非低温、无交变载荷的容器图14-8带补强圈的插入式接管焊接结构（a）（b）图（a）：适用于接管内径小于或等于100mm的场合；图（b）和（c）：适用于壳体厚度δn≤16mm的碳素钢和碳锰钢，或δn≤25mm的奥氏体不锈钢容器，其中图（b）的接管内径应小于或等于50mm，厚度δnt≤6mm，图（c）的接管内径应大于50mm，且小于或等于150mm，厚度δnt＞6mm。（3）安放式接管的焊接结构优点：结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行射线检测等。图14-9安放式接管与壳体的焊接结构（a）（b）（c）（a）（b）属于整体补强结构中的一种，适用于承受交变载荷、低温和大温度梯度等较苛刻的工况。（a）图：适用于球形封头或椭圆形封头中心部位的接管与封头的连接，且封头厚度δn≤50mm。（4）嵌入式接管的焊接结构图14-10嵌入式接管与封头的焊接结构图14-11凸缘与壳体的角接焊接结构（b）（a）（c）环与壳体应紧贴内径侧应允许进行内部填角焊

（5）凸缘与壳体的焊接结构1）角焊连接：连接不承受脉动载荷的容器凸缘与壳体，如图14-11所示。2）对接连接：连接压力较高或要求全熔透的容器凸缘与壳体，如图14-12。图14-12凸缘与壳体的对接焊接结构K≥6mm(a)K≥6mm(b)(c)(d)焊接材料一、手工电弧焊用焊接材料电焊条：内部钢芯和外侧药皮1、钢芯主要作用导电，并在焊条端部形成具有一定成分的熔敷金属。要求焊芯尽量减少有害元素的含量，限制S、P，有些焊条要求焊芯控制As、Sb、Sn等元素。2、药皮又称为涂料，保证熔敷金属具有一定的成分和性能。采用氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及化工产品等上百种原料粉末，按照一定的配方比例混合而成。药皮中各种组分作用：1）稳弧剂：凡易电离的物质均能稳弧。用碱金属及碱土金属化合物，碳酸钾、碳酸钠、大理石等。2）造渣剂：形成溶渣，覆盖熔化金属表面，保护熔池及改善焊缝成形3）脱氧剂：降低含氧量，提高机械性能。主要脱氧剂有锰铁、硅铁、钛铁。4）造气剂：高温下分解出气体，保护电弧及熔池，防止空气中氧和氮侵入药皮中各种组分作用：5）合金剂：补偿合金元素的烧损及向焊缝过渡合金元素，以保证焊缝的化学成分及性能等。6）增塑润滑剂：增加药皮粉料在焊条压涂过程的塑性、滑性及流动性，以提高焊条的压涂质量，减小偏心度。7）粘接剂：使药皮粉料在压涂过程中有一定粘性，与焊芯牢固粘接，并使之在烘干后具有一定的强度。3、电焊条的分类（1）按用途分（2）按熔渣的碱度分类酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条焊接工艺性好，成形整洁,去渣容易，不易产生气孔和夹渣。但药皮氧化性强使合金元素烧损大,机械性能（冲击韧性）比较低。酸性焊条一般均可用交直流电源。典型的酸性焊条是J422。碱性焊条焊接的焊缝机械性能良好，特别是冲击韧性比较高，主要用于重要结构的焊接。氟化物粉尘有害，应加强现场的通风排气，以改善劳动条件。典型的碱性焊条有J507。（3）按焊条药皮主要成分分类当药皮中含有30％以上的二氧化钛及20％以下的钙、镁的碳酸盐时，就称为钛钙型。4、电焊条牌号与型号(1)焊条牌号是焊条产品的具体命名。根据主要用途及性能特点命名。每种产品只有一个牌号，但多种牌号可同时对应于一种型号。焊条牌号通常以一个汉语拼音字母（或汉字）与三位数字表示。结构钢焊条牌号J422，中“J”表示结构钢焊条,按用途分第一、二位数字“42”表示焊缝金属的抗拉强度等级（用MPa值的1/10表示），末位数字“2”表示药皮类型及焊接电源的种类奥氏体铬镍不锈钢焊条牌号A132中“A”表示奥氏体不锈钢焊条；第一、第二位数字表示焊缝金属主要化学成分组成末位数字表示药皮类型和焊接电源种类（2）焊条型号是以焊条国家标准为依据、反映焊条主要特性的一种表示方法。焊条型号根据焊缝金属的力学性能、药皮类型、焊接位置和焊接电流种类划分。碳钢焊条型号E4315中“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为MPa值的1/10；第三位数字表示焊条焊接位置，“0”及“1”表示用于全位置焊接（平、立、仰、横），“2”表示适用于平焊及平角焊，“4”适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。常用焊条a.E4303、E5003焊条钛钙型。主要用于较重要的碳钢结构。b.E4315、E5015焊条低氢钠型，主要用于重要的低碳钢结构及低合金钢结构，也被用于焊接高硫钢和涂漆钢c.E4316、E5016型焊条低氢钾型，电弧稳定，主要用于重要的低碳钢结构与低合金钢结构。低合金钢焊条型号如E5018－A1，后缀字母为熔敷金属的化学成分分类代号不锈钢焊条型号E308－15，字母E表示焊条，“E”后面数字表示熔敷金属化学成分分类代号，短划“-”后面的两位数字表示焊条药皮类型、焊接位置及焊接电流种类二、埋弧焊用焊丝和焊剂焊丝牌号与优质碳素钢钢号的表示方法类似，前面加上“H”。强度钢用焊丝牌号如H08、H08A、H10Mn2。若牌号最后带有A字，表示为S、P含量较少的优质焊丝。国产焊剂依据化学成分分类，在牌号前面加HJ，如HJ431。第一位数字表示氧化锰的平均含量，如“４”表示含MnO>30％；第二位数字表示二氧化硅、氟化钙的平均含量，如“３”表示高硅低氟型（SiO2>30%,CaF2<10%）；末位数字表示同类焊剂的不同序号。（GB5293-85