焊接接头结构的设计和制造工艺

焊接接头结构的设计和制造工艺第1页/共42页2

本章重点和难点：

5.1焊接结构、接头和结构细节设计

5.1.1焊接结构的设计特点和常用的设计方法

5.1.2焊接接头的设计★

5.1.3焊接结构细节的设计和焊接结构图样表示法5.2焊接生产工艺过程的设计

5.2.1焊接生产及其工艺过程设计的内容、步骤与方法

5.2.2焊接生产的材料加工工艺及装配焊接工艺

5.2.3焊接工艺评定第2页/共42页35.1焊接结构、接头和结构细节设计5.1.1焊接结构的设计特点和常用的设计方法

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、动力机械、汽车拖拉机、铁路车辆等结构都是焊接结构，它们大多依据有关的规程规范进行设计，《焊接手册》第3卷、《焊接结构设计手册》及其他大量著作中，对此进行详细的研讨，这些理论工作及实践应用促进了焊接结构的发展。

1．焊接结构的设计特点

(1)焊接结构设计的内容

它包括的内容有：

1)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、稳定性等进行的计算(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。

4)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，其中包括设计结构的构造合理性和技术经济先进性的论证。第3页/共42页4(2)焊接结构设计的基本要求和遵循原则

设计的焊接结构的基本要求：实用性、安全性工艺性和经济性等。设计的焊接结构的遵循原则：

1)合理地选择材料的种类。材料的种类不同，强度等级和性能就有差别，工艺性能也不同。所选材料强度与性能，包括塑性、韧性、耐磨性等应能满足结构使用性能的要求；加工性能，如材料的冷热加工，包括焊接性都能满足加工要求。

2)设计焊接结构时应大量采用标准件、通用件和型材，包括标准型材和异型材，并且规格越单一越好。

3)合理地设计结构形式。尽量采用简洁明快的结构构造形式，采用最简单和最合理的接头形式，并且种类越少越好，减少短而不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。

4)合理地布置焊缝。例如对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密集，重要的工作焊缝要连续，次要的联系焊缝可用断续焊缝，这有利于焊接施工和减少焊接工作量，便于控制焊接应力和变形。

5)施工方便并考虑改善工人劳动条件，便于生产组织和管理。设计结构时就要考虑到日后施工的很多问题，如可达性问题，保证各种施工必需的操作空间问题等。总之，设计结构要有良好的工艺性，较高的技术—经济指标，产品质量好、价格低，才具有竞争力。第4页/共42页52．焊接结构常用的设计方法(1)许用应力法，又称为常规设计方法、安全系数设计法。

它是目前最常用的结构设计方法，如压力容器、锅炉、起重机金属结构和焊接机器零件等都采用这种设计方法。焊接容器结构设计的强度条件：σ<[σ](2)以概率论为基础的极限状态设计法

如果已知应力和抗力的随机变量分布函数，则利用概率论的数学方法可以计算出结构可靠度。如果选择确定结构的最优可靠度，达到设计结构在技术上可靠、在经济上节省，这就是所谓的概率设计法。目前仍是近似的概率设计法，采用分项系数表达式进行结构设计，即：

rRRk≥rsSk

式中Rk和Sk——材料抗力R和载荷效应S的标准值；

rR和rs——按概率设计法(包括可靠指标、变异系数、均值和标准差等)决定的分项系数。

第5页/共42页65.1.2焊接接头的设计1.焊接接头

(1)基本类型：熔焊接头、压焊接头和钎焊接头。应用最广泛的是熔焊。

1)熔焊接头

熔焊接头由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材所组成。而焊缝金属是填充材料和部分母材熔化后凝固而成的铸造组织。熔焊接头各部分的组织是不均匀的，性能上也存在差异。

焊缝金属往往形成柱状晶铸造组织，一般较母材的强度高且硬，而韧性下降。对于高强度钢，采用适当的工艺措施，如预热、缓冷或采用合适的热输入也可获得要求性能的焊缝金属。焊缝金属强度相对母材强度可能要高或低，前者称为高匹配，后者称为低匹配。宽度不大的热影响区，由于焊接温度场梯度大，各点的热循环大不相同,造成组织和性能的不同。特别要指出的是，经过焊接热循环后发生的“动应变时效”(热应变时效)会使接头性能恶化。将钢材、铝材等经预应变后，会产生变脆的“时效”现象，这种预应变及时效都是在低温(室温)下发生的，通常称为“静应变时效”。而焊接热影响区经焊接热循环后会产生热应变，焊接的高温加速时效脆化，所以“动应变时效”大大降低接头的性能，要注意防止。第6页/共42页7第7页/共42页81)熔焊接头---续

熔焊焊缝主要有对接焊缝和角焊缝，以这两种焊缝为主体构成的焊接接头有：对接接头、角接接头、T形(十字)接头、搭接接头和塞焊接头等。

常用焊缝坡口基本形式与所构成的上述接头形式见图5-1

。其坡口形式、尺寸、熔化形成的焊缝金属(图中用细实线表示)。由符号字母代表的有关尺寸见表5-6。表5-6是参照GB／T985—1988、GB／T986—1988标准规定列出的。选择哪一种坡口形式除按照上述两标准外，也可按行业和企业标准由焊件厚度确定，并且有一个合适的区间。例如：厚度为30mm的板对接，既可以选择图5-1i所示的双Y形坡口(由表5-6可查得：用焊条电弧焊时，该坡口适于12～60mm厚的板；用埋弧焊时，适于24-60mm厚的板)，也可以选择图5-lm所示带钝边的双U形坡口。无论选择哪一种坡口形式，都首先要保证接头质量，同时还要考虑经济性。第8页/共42页9常用熔焊接头坡口形式图5-1常用熔焊接头的坡口形式

a)~n)对接接头

o)角接头第9页/共42页10图5-1常用熔焊接头的坡口形式

p)~u)角接头

v)~b')

T形（十字）接头

c')~d')

搭接接头第10页/共42页11电渣焊接头

它是熔焊接头中一种重要的接头。当焊件厚度大于30mm时即可以考虑采用电渣焊接头，特别是大断面的焊缝，如焊件厚度大于60mm，电渣焊比电弧焊接头效率要高。常用接头的基本形式（图5-2）。电渣焊焊件焊后通常要经正火－回火或高温退火热处理，以消除大焊接热输入造成的宽热影响区、粗晶粒、高残余应力的不良影响。

第11页/共42页12电子束焊接接头

它是熔焊接头中的一种特殊接头。它是利用聚焦的高速电子流轰击焊件，使电子动能转化为热能而熔化焊接接头的焊缝区而进行的熔焊。

特点：可焊接各种特殊的金属，大厚度，焊缝的深宽比大(可达25:1)。

应用：核反应堆元件，航空、航天设备中的某些特殊金属、超高强度钢及耐热合金零件的焊接。第12页/共42页13

2)压焊接头

电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆炸焊统称为压焊，其中电阻焊和摩擦焊应用最广。

电阻焊和摩擦焊在汽车工业中应用很普遍，电阻焊中的点焊(包括滚点焊)和缝焊多是采用搭接接头。摩擦焊接头通常也是采用对接接头。

3)钎焊接头

钎焊接头也有多种类型，但基本类型只有对接接头和搭接接头两种。第13页/共42页14(2)熔焊坡口形式的选择

熔焊坡口形式根据其形状可分为三类：基本型，I形、V形和单V形、U形和单U形等（图5-1）；特殊型，如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、开槽焊等；组合型，就是上述各型组合而成，图5-1中绝大多数都是组合型的坡口。

1)工厂的加工条件。采用双V形、Y形、单边V形、双单边V形、V形、I形等坡口可用气割、等离子弧切割，也可用金属切削方法加工。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。采用Y形、带垫板Y形(图5-1e、f)、带垫板V形、VY形(图g)、带钝边的U形(图h)等坡口的接头，施焊时，一般可不需翻转。

内径较小的容器或管道，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。

3)减小焊接材料的消耗量。一般熔敷金属量小，焊接材料消耗也小，也节省加工时间。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，对于大厚度的焊接接头，多采用这种较经济的坡口。对于不适于电渣焊、电子束焊的特厚件焊缝还采用窄间隙焊。

4)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，此时要考虑材料(母材)特点，采用适当的工艺和坡口形式，以便获得合格的接头。第14页/共42页15直角焊缝的截面形状

无论是对接焊缝还是角焊缝，其焊缝表面都可以是凹陷、凸起或平齐的。

直角焊缝的四种形式，除三种等边平的、凹的和凸的直角焊缝外(图5-3a~c)，还有平的不等边直角焊缝(图d)。焊脚尺寸K为角焊缝的特征尺寸，角焊缝的焊脚尺寸为焊缝内接等腰直角三角形的直角边，图5-3。

图5-3直角焊缝的截面形状

a)平齐等边角焊缝b)凹陷等边角焊缝c)凸起等边角焊缝d)平齐不等边角焊缝第15页/共42页16(3)工作接头、联系接头和密封接头

工作焊缝：它是将结构中的作用力由一个零件传至另一个零件，焊缝和零(构)件串联在一起，这种焊缝必须进行强度计算。

联系焊缝：它是焊缝和零(构)件并联在一起，与零(构)件一起同时受力和变形，焊缝即使破坏，一般也不会影响整个结构的安全工作，传递作用力不是焊缝的主要任务，通常可不进行强度计算。

图5-4承载焊缝和非承载焊缝a）承载焊缝b)非承载焊缝

焊接结构焊缝又可按直接承受载荷与否分为承载焊缝和非承载焊缝，习惯上又称为工作焊缝和联系焊缝，如图5-4。密封接头主要任务是防止泄漏，故多属于工作接头。第16页/共42页17(4)焊接接头工作应力的分布

图5-1熔焊接头主要有：对接接头、角接接头、T形（十字）接头和搭接接头(包括塞焊接头)。焊接接头中工作应力的分布不是均匀的，存在应力集中，而各种接头应力集中的情形也不相同。其中对接接头应力集中最小，形式最简单，力的传递也较少转折，故是最合理的、典型的焊接接头形式（图5-5）。但是如果出现较大的余高和过渡处圆弧半径较小，则应力集中将增大（图5-6）。图5-6对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数Kσ的关系图5-5对接接头中工作应力的分布应力集系数：第17页/共42页18第18页/共42页19T形(十字)接头---力的传递(添加)

以角焊缝构成的各种接头，其几何形状都有急剧的变化，力线的传递复杂，焊缝的根部和趾部的应力集中，一般都比对接焊缝大。图中十字接头的力线传递是挠曲不直的，在A点和B点都有较大的应力集中。第19页/共42页20

T形(十字)接头：

由母材向焊缝过渡急剧，力的传递转折大，力线扭曲，应力分布不均，易出现较大的应力集中（图5-7）。图a由不开坡口角焊缝构成的T形(十字)接头，其最大应力在角焊缝的根部，如I-I、Ⅱ-Ⅱ截面的A点和Ⅲ-Ⅲ截面的B点。图b开坡口焊透，则应力分布大为改善。

T形(十字)接头应用也很广，在造船业中占70％，所以改善其应力分布十分重要。

I形坡口的角焊缝构成的T形接头，随着焊脚尺寸的增大和θ角的减小(图a)，应力集中下降。当θ角小于或大于45º，即属图5-3d不等边角焊缝时，只有长边顺着力线方向(即θ<45º)，才会改善应力分布不均的状况。图5-7T形(十字)接头的应力分布a）由I形坡口角焊缝构成的接头

b）开K形坡口角焊缝构成的接头第20页/共42页21搭接接头：

应力分布很不均匀，不是理想的接头形式，在动载和低温时尤其应避免采用。但搭接接头装配十分简便、焊前准备简单、构件收缩量小，在一些受静载的建筑结构和用薄板制造的储罐结构中仍被采用。它可分为正面搭接、侧面搭接和斜向搭接，正面和侧面搭接焊缝中的应力分布不同。侧面搭接焊缝沿焊缝长度的应力分布不均，图5-8。图c中，当焊缝长度增加，应力分布不均加剧，中段几乎不受力，故一些标准规定承载搭接焊缝(侧面搭接)的长度。图5-8侧面搭接焊缝的应力分布图

a)等截面板搭接b)不等截面板搭接c)焊缝长度与切应力τx分布的关系曲线第21页/共42页22正面搭接焊缝的应力分布---添加

正面搭接焊缝的工作应力分布是很不均匀的，在焊缝根部的A点和焊趾B点都有较大的应力集中。

第22页/共42页232．焊接接头的设计

(1)焊接接头的设计特点

优良的接头设计是防止结构破坏的条件之一。实际受力十分复杂的接头，进行设计应考虑以下问题：

1)焊接结构应该优先采用接头(焊缝)形式简单、应力集中小、不破坏结构连续性的，即不使或很少使力线密集或出现转折的接头和焊缝形式。对接接头是最符合上述条件的，因此应优先考虑采用；其次，应考虑采用T形(十字)接头；搭接接头则应避免采用，但如上述在一些静载的、不是很重要的结构中为了施工方便仍有采用。

2)尽量将焊接接头布置在工作载荷较小处，以及构件几何尺寸和形状不变的地方。

3)角焊缝的焊脚尺寸不宜过大，搭接角焊缝不宜过长。应力分布沿角焊缝截面是不均匀的，截面越大，应力分布不均匀的程度越大，故大截面的角焊缝承载能力低。而焊接材料与工时消耗却随焊脚尺寸成平方地增加。在搭接接头中，正面角焊缝的刚度大于侧面角焊缝，实际强度也大，所以具有正、侧面角焊缝的联合搭接角焊缝中的应力分布不均，侧面角焊缝沿焊缝长度方向的应力分布也不均，故对重要的结构、变形能力差的接头要注意。第23页/共42页24

(1)焊接接头的设计特点---续

4)钢板在厚度方向上(Z向)性能差，因此组成T形(十字)接头，如要在厚度方向上传递外力，应选用Z向钢。

5)焊接接头刚度大，焊缝未达屈服前变形量很小，故对于作为铰接点的接头(如桁架的节点)可能产生高的附加应力，此时应采取诸如减小焊接截面、改变焊缝位置等措施来增加接头的柔性。

6)充分考虑制造厂的条件，提高设计接头的工艺性。如：使焊接结构的接头种类少，采用的焊接方法种类少，接头尺寸单一；施工时的可达性好（包括焊接时的可达性、焊接完成后的可检验性）；施焊性好等等。

7)计算接头时不考虑应力分布不均及焊接残余应力，下面还要介绍到这种计算是作了一些假定和简化。对于工作条件苛刻，如在低温或动载下或接头刚度大的场合，则要适当考虑这些因素。而对于在腐蚀环境下工作的焊接结构的接头，接头的细节设计也需要特殊考虑（见第4章）。第24页/共42页25(2)焊接接头静载强度的计算

①对接接头强度计算：

图5-9为典型对接接头及其受力情况，可按表5-8的公式进行计算（P180）。计算不考虑接头中的应力集中(应力分布不均)和焊接残余应力，并认为工作应力沿焊缝是均匀分布的。

图5-9a不同厚度两板对接，厚度差(δ-δ1)超过规定值时(允许厚度差1～4mm)，需在厚板上削出斜面，斜面长L>3(δ-δ1)，也可两面削出斜面。1)以许用应力法为基础的计算第25页/共42页26②搭接接头强度的计算：

图5-10为搭接接头及受力情况。

搭接接头都是角焊缝组成的，其强度计算主要是计算角焊缝的强度。（对接接头强度计算主要是验算对接焊缝的强度）图5-10角(塞)焊缝构成的搭接接头及其受力

a)、b)、c)分别为正面、侧面、联合搭接，均承受拉(压)力

d)、e)、f)分别为正面、侧面、联台搭接，均承受面内弯矩

g)、h)分别为塞焊和电铆焊搭接接头，均承受拉(压)力第26页/共42页27

搭接角焊缝计算中的4个假定：

(1)对于角焊缝的形状（图5-3），都将内接等腰直角三角形的高K0作为计算厚度。不计及焊缝的凸凹度，也不考虑熔深的差别，K0≈0.7K，K为焊脚尺寸。当熔深较大，如埋弧焊时，可考虑K0≈0.8K，甚至等于K。

(2)角焊缝一律按计算截面，即计算厚度截面处受切应力破坏来计算，即使接头承受弯矩，抵抗弯矩产生的应力亦假定为切应力，见表5-8中，式(5-12)、式(5-15)、式(5-17)等等。

(3)不考虑正、侧面角焊缝上应力的差别和焊缝应力分布的不均，这给计算带来方便