15 焊接结构与工艺设计

厚德博学追求卓越15焊接结构与工艺设计主要内容焊接工艺规范一焊接结构材料与焊接方法选择二三焊接接头的工艺设计四焊接结构工艺图一、焊接工艺规范焊接工艺规范

分析工作条件并提出性能要求首先要根据焊接结构本身的情况及其工作条件进行分析，了解工况。例如：载荷的大小、性质与分布、使用温度、环境状况、使用的期限及工作可靠性要求等。根据上述情况对焊接结构提出性能要求，包括强度、刚度、塑性、韧性等力学指标及抗蚀性等物理化学性能指标。0102提出设计方案和优化设计由焊接结构的性能要求，提出多种设计方案，进行分析对比，确定出合理的最优方案。在设计时应熟悉有关产品结构的国家技术标准与规程；掌握焊接结构的工艺性；选择焊接结构件的材料；确定焊接方法；进行焊接接头工艺设计。03按照设计内容分步进行设计（1）选择焊接结构材料（母材）；（2）确定焊接方法及焊接材料；（3）确定焊接接头及坡口形式；（4）合理布置焊缝位置；（5）制订简明的焊接工艺。二、焊接结构材料与焊接方法选择2.1焊接结构材料选择

1.在满足使用性能要求的前提下，尽量选用焊接性能好的材料，尽可能避免选用异种材料或不同成分的材料。对钢材的焊接性能而言，一般要求抗裂性要好，因此材料在焊接时要求淬硬程度低、冷裂倾向小，从而在成分上希望材料的碳当量低，主要碳的质量分数要小。对有刚度和稳定性要求为主的各种焊接结构，例如大型管道、塔架、支承箱体等，由于成分对材料的刚性影响较小，因此应尽可能选用焊接性能最优的材料，通常选择ωC＜0.25%的碳素结构钢或优质碳素结构钢，或者选用ωC＜0.20%（ωCE＜0.4%）的低合金结构钢。对于以强度和韧性要求为主的焊接结构，例如机器中的受力机械零件，结构装置以及容器、桥梁、船体等，应选择焊接性能良好、强度级别又较高的材料，例如中、高强度级别的低合金结构钢。对ωC＞0.5%的碳素结构钢或优质碳素结构钢，或ωC＞0.4%(ωCE＞0.4%~0.6%)的合金钢，焊接性能不好，尽量不予选择，如果实际需要使用，有必要采用相应的工艺措施，以获得优质的焊缝质量。2.1焊接结构材料选择

材料的冶金质量包括冶炼时脱氧完全程度，杂质的数量、大小及分布状况等。2.选择焊接结构材料要注重材料的冶金质量。

镇静钢脱氧完全、组织致密，重要的焊接结构应选用这种钢材。

焊接的特点之一是可按工作需要在不同部位选用不同强度和性能的材料拼焊。

沸腾钢含氧较高，冲击韧度较低，性能不均匀，焊接时易产生裂缝、厚板焊接时还可能产生层状撕裂，不可用于制造承受动载荷或低温工作的重要焊接结构，但可用于一般焊接结构。3.异种钢材或异种金属的焊接，要尽量选择化学成分、物理性能相近的材料。

在锻件、铸件与型材的复合结构中，必须考虑两种材料的焊接性能，对于异种金属材料的焊接，更应考虑它们的焊接性能。

低碳钢或低合金钢和其它钢种焊接，则焊接性能有一定差异，一般要求焊接接头强度不低于被焊钢材强度较低者，可按焊接性能较差的钢种设计工艺、采取相应措施进行焊接，例如采取预热或焊后热处理，选择合适的焊接材料。4.优先选择型材，以减少焊缝数量，简化焊接工艺，增加焊件强度和刚度。5.合理选择焊接结构材料供应时的尺寸、形状规格，以便下料、套料，减少边角余料的损失和减少拼料时的焊缝数量。2.2焊接方法选择

焊接方法的选择是根据材料的可焊性、工件厚度、生产率要求、各种焊接方法的适用范围和现场条件来综合考虑的。工件板厚为中等厚度(10～20mm)，则采用焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊均可施焊，但氩弧焊成本较高，一般情况下不采用氩弧焊；工件为长直焊缝或圆周焊缝，生产批量也较大，可选用埋弧自动焊；工件为单件生产或焊缝短而处于不同空间位置，则采焊条电弧焊最为方便；工件是薄板轻型结构，无密封要求，则采用点焊生产率较高；工件为35mm以上厚板的重要结构，条件允许可采用电渣焊。工件是薄板轻型结构，有密封要求，可用缝焊；低碳钢焊接2.2焊接方法选择

焊接方法的选择是根据材料的可焊性、工件厚度、生产率要求、各种焊接方法的适用范围和现场条件来综合考虑的。焊接合金钢，不锈钢等重要工件，则应采用氩弧焊以保证焊接质量。焊接铝合金结构件时，因可焊性不好，最好采用氩弧焊来保证接头质量；如果铝合金焊件的生产批量不大或是单件生产，现场又无氩弧焊机，也可以采用气焊。焊接稀有金属或高熔点金属的特殊构件，则采用等离子弧焊、真空电子束焊或脉冲氩弧焊；如果是微型箔件，则应采用微束等离子弧焊或脉冲激光点焊。其他材料焊接2.2焊接方法选择

在工业生产中，往往遇到异种金属焊接结构，它不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同的要求（如耐高温、耐腐蚀、耐磨损等），而且还能节约高合金钢、铜、钛等贵重金属和降低成本。焊条电弧焊对异种钢焊接应用最广。熔化极气体保护焊由于采用高合金钢焊丝、电阻大、熔点低，采用小电流焊接时也能对异种钢进行焊接，得到满意的效果。铜及铜合金与钢的焊接，在铜及铜合金上或在钢上或同时堆焊过渡层（纯镍），然后进行手弧焊或埋弧自动焊及气体保护焊均可得到高质量接头。铝与钢的焊接只能采用压力焊的方法。异种金属结构焊接三、焊接接头的工艺设计

3.1焊接接头设计

焊接接头是组成焊接结构的一个关键部分，它的性能直接关系焊接结构的可靠性。

焊接接头的基本形式有对接、搭接、角接和T形接等。对接接头受力均匀，应力集中较小，易保证焊接质量，静载和疲劳强度都比较高，且节约材料，但对下料尺寸精度要求较高。一般应尽量选用对接接头，例如锅炉、压力容器等结构受力焊缝常用对接接头。搭接接头受力复杂，接头处产生附加弯矩，材料耗损大，不需要坡口，下料尺寸精度要求低，可用于受力不大的平面连接，例如厂房屋架、桥梁、起重机吊臂等桁架结构，多用搭接接头。T形接头和角接接头受力复杂，与搭接接头一样易产生焊接缺陷。

3.1焊接接头设计

焊接接头形式应该根据焊接结构的某些因素具体确定，如焊接结构的形状、厚度、焊缝部位、强度要求、焊接方法及工艺、材料焊接性能、焊后变形、坡口加工等因素。

接头形式的确定，还要保证焊接质量并能使成本降低，也与焊接方法因素的关系很大。可采用对接、搭接、T形接、角接四种接头形式。焊条电弧焊采用的形式与焊条电弧焊基本相同。埋弧焊可采用对接、T形接、角接形式，常用对接形式。电渣焊接头形式的选择只能用搭接。点焊与缝焊钎焊常用搭接。钎焊薄板可采用气焊或钨极氩弧焊，为了避免烧穿或省去添加填充焊丝，可采用卷边接头。气焊或钨极氩弧焊

3.1焊接接头设计

采用对接接头时，厚度小于6mm以下一般为I形坡口（即对接处留适当间隙）。

当板厚较大时，为了保证焊透，需在接头处预制各种坡口。焊条电弧焊的基本坡口形式有I形、V形、双V形、U形、双U形。

V形和U形坡口可单向焊接，焊接性较好，但角变形较大，消耗焊条多；双V形和双U形坡口需两面施焊，受热均匀，变形较小，焊条消耗少；U形和双U形较V形和双V形坡口易焊透，消耗焊条少，但形状复杂，加工困难，成本高，一般在重要厚板结构中采用。

为了在焊接时使接头两侧加热均匀，避免变形，要求接头处加工成相同或相近的尺寸。

不同厚度金属材料对接时允许的厚度差如表所示。

3.2焊缝的布置

焊缝位置布置的合理与否是焊接结构接头设计的关键，它与产品质量、成本、生产率及工人的劳动条件有着密切的关系。

1.焊缝应尽可能分散布置

焊缝分布过于密集或交叉，会造成金属过热，加大热影响区，使接头组织粗大。因此，两条相邻的焊缝的距离一般要求大于3倍板厚且不小于100mm。

3.2焊缝的布置

2.焊缝应尽可能对称布置

焊缝布置对称可减小焊接变形。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(c)、(d)、(e)所示的焊件，焊缝位置分布对称，焊后不会发生明显的变形。

3.2焊缝的布置

3.焊缝应尽量避开最大应力和应力集中部位

对于受力较大较复杂的焊接结构，在最大应力和应力集中的位置不应该布置焊缝。例如大垮度的焊接钢梁，板料的拼接焊缝应尽量避免放在梁的中间，如图a改成d的状态，宁可增加一条焊缝。

压力容器的凸形封头应有一段直壁，使焊缝避开应力集中的转角位置，如图中b应改为e状态，其直壁长度应大于25mm。

在构件截面有急剧变化的位置，或尖锐棱角部位，易产生应力集中，不应在该处布置焊缝，如果结构要求必须在该处设置焊缝，则应使该处接触面积尽可能一致，如图中c应改为f状态。

3.2焊缝的布置

4.焊缝应尽量避开机械加工表面

有些焊接结构上有要求较高的加工表面时，为使加工精度不受影响，焊缝应尽可能离加工面远一些或避开加工表面。

3.2焊缝的布置

5.焊缝位置应便于焊接操作

布置焊缝时，要考虑到有足够的操作空间。如图a、b、c所示的内侧焊缝，焊接时焊条无法伸入。若必须焊接，只能将焊条弯曲，但操作者的视线被遮挡，极易造成缺陷。因此，应改为图d、e、f所示的设计。

埋弧焊结构要考虑接头处在施焊中存放焊剂和熔池的保持问题。

点焊与缝焊应考虑电极伸入的方便性。

3.2焊缝的布置

6.尽量减少焊缝长度和数量

减少焊缝长度和数量不仅可减少焊接热输入量、减少焊接应力和变形，而且可减少焊接材料消耗，提高生产率。

如图所示为采用型钢和冲压件减少焊缝数量的设计，a图、b图各有4条焊缝，而改成c图、d图结构后仅有两条焊缝。

3.3焊接结构工艺性实例

结构名称：中压容器

材料：Q355B

板厚：筒身12mm；封头14mm；入孔圈20mm；管接头7mm

生产数量：小批生产

艺设计要点：筒身用钢板冷卷，按实际尺寸可分为三节，为避免焊缝密集，筒身纵焊缝相互错开180o；封头采用热压成型，与筒身连接处应有30mm-50mm的直段以避开应力集中位置；入孔圈也为卷制。工艺图如图15-14所示。

3.3焊接结构工艺性实例

根据各焊缝的不同情况，选用不同的焊接方法、焊接材料、焊接工艺和接头型式。四、焊接结构工艺图焊接结构工艺图

焊接结构工艺图是指使用国家标准中规定的有关焊缝的图形、符号、画法、标注等表达设计人员关于焊缝的设计思想，并能被他人正确理解的焊接结构图样。

为了使焊接结构图样清晰，并减轻绘图工作量，一般采用图示法及一些符号对焊缝进行标注。焊接结构工艺图

在需要确切说明焊缝的表面形状时，要用辅助符号，辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号。常见的辅助符号及标注示例见表15-4。焊接结构工艺图

指引线采用细实线绘制，一般是由带有箭头的指引线（箭头线）和两条基准线（一条为实线，一条为虚线）组成，如图15-15所示。

焊缝尺寸一般不标注，如设计或生产需要注明焊缝尺寸时才标注。常用的焊缝尺寸符号见表15-4。焊