1、1,焊接结构学,主编：方洪渊参编：董俊慧、王文先、刘雪松主审：田锡唐 机械工业出版社,第8章,3/144,前言,焊接是机械工程中的一种制造工艺技术。当金属结构采用焊接方法制造时，必须做该产品的焊接设计。焊接设计包括焊接结构设计、焊接工艺设计、焊接设备设计、焊接工装设计、焊接材料设计、焊接车间设计等。 焊接结构设计是焊接产品设计的中心内容，是在全面考虑了焊接应力与变形、焊接接头强度、焊接结构断裂与疲劳性能、焊接结构力学特征等特点的基础上进行的。,4/144,主要内容,8.1 焊接结构设计的一般原则,8.2 焊接结构设计实例,5/144,8.1 焊接结构设计一般原则,8.1.1 焊接结构设计的一般
2、思路,1. 焊接结构设计的基本要求,所设计的焊接结构应当满足下列基本要求： （1）实用性 焊接结构必须达到产品所要求的使用功能和预期效果。（2）可靠性 焊接结构在使用期内必须安全可靠, 受力必须合理，能满足静载强度、疲劳强度、韧性、刚度、稳定性、抗振性和耐蚀性等各方面的要求。,6/144,金属材料应具有良好的焊接性能，焊接结构必须能够方便的进行焊接操作，能够进行焊前预加工和焊后处理，也具有焊接与检验操作的可达性。此外，焊接结构也应易于实现机械化和自动化焊接的要求。,（3）工艺性,（4）经济性,制造焊接结构时，所消耗的原材料、能源和工时应最少，其综合成本尽可能低。,7/144,对一个具体焊接产品
3、来说，这些基本要求必须统筹兼顾，它们之间的关系是：以实用性为核心，以可靠性为前提，以工艺性和经济性为制约条件。 此外，在可能的条件下还应注重结构的造型美观。,8/144,2. 焊接结构设计的基本方法,对于大型复杂的焊接结构设计，一般分为初步设计、技术设计和工作图设计三个工作阶段。其中最重要的确定焊接结构形状和尺寸的任务是在技术设计阶段完成。 从发展的角度来分，设计方法有传统设计方法和现代设计方法，焊接结构设计目前大量采用的仍然是传统设计方法，如许用应力设计法；大型或重要的焊接结构设计，逐渐采用现代设计方法中的可靠性设计法；随着计算机和有限元方法的发展，对于焊接结构局部细节，已经开始采用有限元数
4、值模拟辅助设计方法。,9/144,（1）许用应力设计法 （传统）,许用应力设计方法又称安全系数设计法或常规定值设计法，是以满足工作能力为基本要求的一种设计方法。对于一般用途的构件，设计时需要满足的强度条件或刚度条件分别为： 工作应力许用应力 (8-1) 工作变形许用变形 (8-2)或者 安全系数许用安全系数 (8-3),10/144,许用应力、许用变形和许用安全系数一般由国家工程主管部门根据安全和经济的原则，按照材料的强度、载荷、环境情况、加工质量、计算精确度和构件的重要性等予以确定。 在我国，锅炉、压力容器、起重机、铁路车辆、桥梁等行业都在各自的设计规范中确定了各种材料的许用应力、许用变形和
5、许用安全系数。,11/144,许用应力是构件工作时，允许的最大应力值。在静载条件下，焊接结构中母材的许用应力是根据材料的极限强度除以安全系数确定的，即 =c /nc (8-4)式中：为许用应力； c 为材料的极限强度（对于塑性材料为屈服点s或屈服强度0.2，对于脆性材料为抗拉强度b）； n c 为安全系数。,1）母材的许用应力和安全系数,12/144,例如，钢制压力容器设计用的母材安全系数按GBl501998规定选用；起重机金属结构设计用的母材安全系数和许用应力按GB38112005规定选用。 如果设计某金属构件时，没有相应的设计规范或规程可遵循，则安全系数的取值范围可参考表8-1。,13/1
6、44,表8-1 机械设计中安全系数取值范围,14/144,对焊接结构中的焊缝强度计算，使用的是焊缝许用应力。焊缝许用应力与焊接工艺方法、焊接材料和焊接检验的精确程度有关。 用电弧焊焊接一般结构钢时，通常要求选用与母材具有相同或相近强度等级的焊接材料进行焊接。因此，确定焊缝许用应力方法之一是按母材的许用应力乘以一个系数，该系数根据影响焊缝质量和可靠程度而取不同的值，其取值范围1。 对于熔透的对接焊缝，经质量检验符合设计要求，系数可取1。一般机器焊接结构的焊缝许用应力可按表4-11中选用。,2）焊缝的许用应力,15/144,（2）可靠性设计法（现代）,在机械工程中可靠性设计是保证机械及零部件满足给
7、定可靠性指标的一种机械设计方法。 与上述许用应力设计法不同，可靠性设计把与设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据如实地当作随机变量，运用了概率理论和数理统计的方法进行处理。因而其设计结果更符合实际，做到既安全可靠而又经济。对于重要的机械或要求质量小、可靠性高的构件都应采用这种设计法。,16/144,可靠性设计是一门新兴学科，目前正处在积极发展和完善阶段，设计所需的呈分布状态的各种数据，有些还须试验、采集和积累。 在我国，按照钢结构设计规范(GB500172003)规定，工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计，除疲劳强度计算外，应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，并用分项系数的设计表达式进
8、行计算。该表达式是为了保证所设计的构件能满足预期可靠度要求，必须使载荷引起在构件截面或连接中的应力效应小于或等于其强度设计值。,17/144,（3）有限元数值模拟辅助设计法（现代）,上述两种方法都属于数学中的解析方法，适用于焊接结构的整体形状和尺寸的设计，对于焊接结构的局部细节来说，计算起来繁琐而又不准确。 近年来，有限元数值模拟方法在焊接结构设计中的应用得到快速发展，逐渐形成了独具特色的有限元数值模拟辅助设计法，属于现代设计方法。与许用应力设计法或可靠性设计方法共同使用，弥补了这两种方法的细节问题处理的不足，使得焊接结构更加安全可靠。,18/144,采用有限元数值模拟辅助设计方法来分析已设计
9、焊接结构静态或动态的物理系统，可以得出焊接结构局部区域的工作应力分布，尤其是焊接接头的工作应力分布和应力集中状态，从而改进连接节点和焊缝的形状及尺寸设计。 结合焊接热过程知识，可以模拟焊接过程中焊接应力和变形的演变过程，改进焊接接头位置和焊接顺序的设计，进一步通过重新设计，调控焊接残余应力分布；结合断裂力学知识，可以分析的焊接缺欠甚至潜在缺陷区域的塑性变形范围，评价焊接接头的安全可靠性，改进焊接结构的局部设计。,19/144,目前，常用的有限元数值模拟软件有ANSYS、ABQUS、SAP2000等商业性有限元软件，也可以针对特定的焊接结构在此基础上二次开发。 除了上面三种常用的设计方法之外，还
10、有一些特殊或专用的设计方法。例如，有许多结构都是从铸造或锻造结构改变为焊接结构的，在这种情况下，一般采用等价截面方法进行设计，如减速器铸造箱体改为焊接箱体后，其箱体壁厚应与原来设计的保持一致。按焊接结构要求重新设计减速器箱体需要进行相应的试验研究。,20/144,8.1.2 焊接结构设计的合理性分析,1. 从实用性和可靠性角度出发,焊接结构种类繁多，焊接接头形式多样、焊接方法数以百计，设计者在设计时有充分的选择余地。但是必须考虑焊接结构的实用性和焊接接头的可靠性，以便选择合理的基体材料和焊接材料，确定合理的焊接结构及接头形式，尽可能发挥焊接结构的承载能力，提高使用寿命。,21/144,（1）合
11、理选择基体材料和焊接材料,所选用的金属材料必须同时能满足结构使用性能和加工性能的要求。 使用性能包括材料强度、塑性、韧性、耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、抗蠕变性能等。对承受交变载荷的结构，还须考虑材料的疲劳性能；对大型构件和低温环境的材料还须考虑断裂韧性的要求。,22/144,加工性能主要是指材料的焊接性能，同时也要考虑其冷、热机械加工的性能，如金属切削、冷弯、热切割、热弯和热处理等性能。 例如，许多机器零件用35号和45号钢制造，这些钢含碳量高，作为铸钢件是合适的，但如果改为焊接件，则不宜采用原来的材料，而应选用强度相当的焊接性较好的低合金结构钢。,23/144,全面考虑结构的使用性能，有特殊性
12、能要求部位可采用特种金属，其余部位采用能满足一般要求的廉价金属： 如：有防腐蚀要求的结构可以采用以普通碳钢为基体、以不锈钢为工作面的复合钢板，或者在基体表面上堆焊抗蚀层；有耐磨要求的结构，可以在工作面上堆焊耐磨合金或热喷涂耐磨层等。应当充分发挥异种材料可以焊接的优势。,24/144,焊接材料的选择取决于与基体材料的匹配状态，一般有成分匹配和强度匹配两种形式。 对于具有抗腐蚀性能要求的结构，按照成分匹配选择焊接材料，即要求焊接材料熔覆金属的化学成分与基体材料的化学成分相当，可以抵抗化学腐蚀、电化学腐蚀。,25/144,大多数焊接结构是以强度匹配要求为主，依照焊缝金属与母材金属的屈服或断裂强度的大
13、小，分为高强匹配、等强匹配和低强匹配三种形式。完全的等强匹配是不存在的，考虑到断裂韧性要求，往往采用低强匹配，可以获得等强高韧性的焊接接头。,26/144,（2）合理设计焊接结构形式,根据强度或刚度要求，以最理想的受力状态去确定结构的几何形状和尺寸。 如：应采用应力集中小、焊接残余应力小和焊接变形小的焊接结构形式，这在前面几章中已有详细论述。,1）要有良好的受力状态,27/144,2）要重视局部构造,既重视结构的整体设计，也重视结构的细部处理，焊接结构的整体性意味着任何部位的构造都同等重要，许多焊接结构的破坏事故起源于局部构造不合理的薄弱环节处，如局部节点部位、断面变化部位、焊接接头的形状变化
14、部位等。,尽量采用简单平直的构造形式, 减少短而不规则的焊缝，要避免采用具有复杂空间曲面的结构。,3）要有利于实现机械化和自动化焊接,28/144,（3）合理设计焊接接头形式,焊接接头形式选择是焊接结构设计时重点考虑的内容。 在各种焊接接头中，对接接头应力集中程度最小，是最为理想的接头形式，应尽可能采用，质量优良的对接接头可以与母材等强度。但用盖板“加强”对接接头(图8-1a,b)是不合理的接头设计，尤其是单盖板接头的动载性能更差。,29/144,角焊缝接头应力分布不均匀，应力集中程度大，动载强度低，但这种形式接头是不可避免的，采用时应当采取适当措施提高其动载强度。 单面焊丁字接头(图8-1c
15、)是不合理的接头设计，应改为双面焊丁字接头(图8-1d)，这样承载能力会大幅度提高。搭接接头装配简单，但应力集中程度大，多数情况下搭接接头是可以改为对接接头的。,30/144,图8-1 不合理的接头形式及改进a)单盖板对接接头 b) 双盖板对接接头c) 单面焊丁字接头 d) 双面焊丁字接头,31/144,（4）合理布置焊接接头形式,焊接接头的布置合理与否对于结构的强度有较大影响。尽管质量优良的对接接头可以与母材等强度，但是考虑到焊缝中可能存在的工艺缺陷会减弱结构的承载能力，设计者往往把焊接接头避开工作应力最高位置。 例如承受弯矩的梁，对接接头应当避开弯矩最高的断面。对于工作条件恶劣的结构，焊接
16、接头尽量避开截面突变的位置，至少也应采取措施避免产生严重的应力集中。,32/144,图8-2 平封头的连接形式a) 角接接头 b）准对接接头,小直径的压力容器采用大厚度的平封头（图8-2 ）。图8-2a所示的角接接头应力集中严重，承载能力低。如果在平封头上加工一个槽(图8-2 b)，角接接头就成为准对接接头，这样就改善了接头的工作条件，避免在焊缝根部产生严重应力集中。最合理的结构形式是采用热压成形的球面封头，以对接接头连接筒体和封头。,33/144,图8-3 支耳的布置形式a) 背面无依托的支耳 b) 背面有依托的支耳,在集中载荷作用处，必须有较高刚度的依托。例如两个支耳直接焊在工字钢的翼缘上
17、(图8-3 a ），背面没有任何依托，在载荷作用下支耳两端的焊缝及母材上应力很高，极易产生裂纹。图8-3b中一个支耳焊在工字钢翼板的中部，在受力时有腹板支撑，应力分布较为均匀，其强度得到保证。,34/144,图8-4 工字梁的连接a) 无肋板结构 b) 有肋板结构,两个工字钢垂直连接时，如果两者直接连接而不加肋板(图8-4 a )，则连接翼缘和柱的焊缝中应力分布不均，焊缝中段应力较高，如果按应力均匀分布进行设计，焊缝中段可能因过载而发生断裂。 若在柱上加焊肋板(图8-4b)，则应力分布均匀，承载能力将大大提高，是比较合理的结构形式。,35/144,有对称轴的焊接结构，焊缝宜对称地布置并尽可能接
18、近对称轴，这有利于控制焊接变形，如图8-5c相对于图8-5a,b图，其焊缝位置更合理。 要避免焊缝平面或空间汇交和密集，在结构上使重要焊缝连续，让次要焊缝中断，这有利于重要焊缝实现自动焊; 尽可能使焊缝避开高工作应力处、有应力集中部位、机械加工面和需变质处理的表面等。,36/144,图8-5 焊缝的布置a)焊缝不对称 b) 焊缝对称但远离中心轴 c) 焊缝对称且离中心轴较近,37/144,焊缝位置不要布置于最大应力处、载荷集中处、截面突变处；尽量采用平焊位置和自动焊焊接方法； 焊接变形和应力小，能满足施工要求所需的技术、人员和设备的条件；尽量将焊缝设计成联系焊缝，焊接接头便于检验，焊接前的准备
19、和焊接所需费用低；对角焊缝不宜选择和设计过大的焊角尺寸。,总之，合理的焊接接头设计不仅能保证结构的焊缝和整体的强度，还可以简化生产工艺、降低制造成本。因此设计焊接接头时应考虑：,38/144,2. 从工艺性和经济性角度出发,焊接结构的制造工艺性和经济性是紧密相关联的，工艺性不好的结构不仅制造困难，往往提高产品的制造成本。它们与备料工作量、结构形状尺寸、焊接操作可达性、产品的批量、设备条件、制造工艺水平和技术人员水平等许多因素有关。,（1）焊接结构的备料工作量,焊接结构制造工艺及成本在很大程度上和备料以及装配工作有关。,39/144,以厚度为40mm的对接接头坡口加工为例，对接焊缝的每米长焊缝金
20、属量随坡口形式而异，V形：14kg，X形：7.6kg，U形：8.3kg，双U形：7.2kg。从填充材料量和焊接工作量来看，双U形坡口最经济，但从坡口加工方法来看，双U形坡口必须机械切削加工，而X形坡口可以气割加工。总体考虑，采用X型坡口较好。 总体原则是：焊缝金属填充量尽量少，具有良好的可达性，坡口的形状应容易加工，便于调控焊接变形。,40/144,（2）焊接结构形式与焊接工艺选择,如图8-6所示的带锥度的弯管，可以分别采用铸造、锻造和焊接的方法制造。 图8-6a适于铸造方法制造，批量大尺寸小时，较为经济。采用焊接方法制造时，图8-6b所示的结构形式比较适合，适合于大尺寸小批量生产。如果生产批
21、量很大，则可以将弯管分成两半压制成形，然后拼焊，这个方案焊接工作量可以减少。从这个实例可以得出结论，结构的合理性和生产条件密切相关。,41/144,图8-6 弯管头形式a) 铸造方法制造 b) 焊接方法制造,42/144,（3）焊缝的可焊到性和可检测性,必须使结构上每条焊缝都能方便地施焊和方便地进行质量检查。保证焊缝周围有供焊工自由操作和焊接装置正常运行的条件，需要质量检验的焊缝，其周边应该能有足够的空间进行探伤操作。 尽量使焊缝都能在工厂中焊接，减少工地焊接量；减少焊条电弧焊接工作量，扩大自动焊焊接工作量；双面对接焊时，操作较方便的一面用大坡口，施焊条件差的一面用小坡口。必要时改用单面焊双面
22、成型的接头坡口形式和焊接工艺。,43/144,每条焊缝都应当安排在便于施焊的位置上，但实际结构往往有的焊缝处于不便施焊的位置。例如，如图8-7所示3500吨压力机的活动横梁，梁的长度9m，纵向肋板与腹板距离太近，底部焊缝施焊不便，焊工处于不方便的位置操作。设计者往往忽略了这个问题，不仅造成施焊劳动条件很差，而且难以保证焊接质量，这需要改进原始设计方案。 图8-8a是一些可焊到性较差的焊缝位置，图8-8b改进后的焊缝位置，其可焊到性提高。,44/144,图8-7 压力机的活动横梁,8-8 可焊到性的举例,8-8 可焊到性的举例 a)不好 b)好,45/144,必须充分考虑装配焊接次序对可焊到性的
23、影响，以保证装配工作能顺利进行。 例如采暖锅炉的前脸，由两块平行的钢板组成，两块钢板相距l00mm，板间用许多拉杆支承，内部承受压力。如果把拉杆与两块钢板连接设计成如图8-9a所示的形式，则工艺性极差很不合理。试想把数百个拉杆焊在钢板上，必然引起严重的翘曲变形，焊后再把数百个拉杆同时对准另一块钢板上的数百个孔，这显然是难以实现的。把拉杆和钢板的连接形式改成如图8-9b所示的形式，则装配和焊接方便，焊后变形也很小。,46/144,图8-9 锅炉前脸拉杆连接形式a) 单边钻孔结构 b) 双边钻孔结构,47/144,（4）减少焊接工作量,减少焊接工作量有利于降低焊接应力和减小焊接变形，它包括减少焊缝
24、的数量和焊缝填充金属量。,尽量选择轧制型材，利用冲压件代替一部分焊件；结构形状复杂、角焊缝多且密集的部位，可用铸钢件代替, 必要时，宁可适当增加壁厚，以减少或取消加强肋板等。,48/144,对于角焊缝，在保证强度要求的前提下，尽可能用最小的焊脚尺寸，因为焊缝面积与焊脚高的平方成正比。 对于对接焊缝，在保证焊透的前提下选用填充金属量最少的坡口形式。,49/144,（5）焊接变形的控制,焊接变形是生产上常遇到的问题，合理的焊接结构设计焊后应变形较小。把复杂的结构分成为几个部件制造，尽量减少最后总装配时的焊缝，对于防止结构总体变形是有利的。 例如货车底架的横梁与中梁装配，按图8-10a所示的结构形式
25、来总装配，上下板是一块通长的钢板，上翼板与腹板间的翼缘焊缝必须在装配之后焊接，焊后横梁两端向上翘起。,50/144,图8-10 火车横梁连接形式a) 横梁整体制造 b) 横梁分段制造,如果把横梁上翼板分成为两段，则横梁可以分成两个部件制造，总装时把上翼板用对接焊缝连接起来(见图8-10b)，这样既降低了总装时的焊接工作量，而且也减少了焊接变形。此外横梁还可以在生产线上焊接，对于提高生产率和焊接质量也有利。,51/144,（6）操作者劳动条件的改善,合理的焊接结构设计还应保证焊接工作有良好的劳动条件。处于活动空间很小的位置施焊，或者在封闭空间操作，对操作者健康十分有害。故容器设计时应尽量选用单面
26、V型或U型坡口，并用单面焊双面成形的工艺方法确保焊透，使焊接工作在容器外部进行，把在容器内部施焊的工作量减少到最低限度。,52/144,（7）材料的合理利用,合理利用材料就是要力求提高材料的利用率，降低结构的成本，设计者和制造者都必须考虑这个问题。 在划分结构的零、部件时，要合理安排、全面考虑备料的可能性，尽量减少余料。可以采用现代化的数控排料软件和下料设备进行备料工作。尽可能选用轧制的标准型材和异型材，通常轧制型材表面光洁平整、质量均匀可靠，不仅减少了许多备料工作量，还减少了焊缝数量，可以降低焊接应力、减小焊接变形。,53/144,节省材料与制造工艺有时发生矛盾，在这种情况下必须全面分析。例
27、如降低结构的壁厚可以减轻重量，但是为了增强结构的局部稳定性和刚性必须增加更多的加强肋，因而增加了焊接和矫正变形的工作量，产品的成本很可能反而提高。 在一般结构上片面追求减轻重量不一定合理。设计结构既要节省材料，又要不损害结构的制造工艺性。一些次要的零件应该尽量利用一些边角余料。例如桥式起重机主梁的内部隔板可以用边角余料拼焊而成(图8-11)，虽然增加几条短焊缝，可是节省了整块钢板。,54/144,充分挖掘材料潜力也可以节省材料。例如把轧制的工字钢按锯齿状切开(见图8-12a)，然后再按图8-12b)所示的结构形式焊接成为锯齿合成梁，在重量不变的情况下刚性可以提高几倍。这种梁适用于跨距较大，而载
28、荷不高的情况。,55/144,图8-11 箱型梁的拼焊隔板,图8-12 锯齿合成梁 a) 合成前 b) 合成后,56/144,（8）方便生产组织与管理,大型焊接结构采用部件组装的生产方式有利于工厂的组织与管理。因此，设计大型焊接结构时，要合理进行分段。一般要综合考虑起重运输条件、焊接变形的控制、焊后处理、机械加工、质量检查和总装配等因素，力求合理划分、适于组织、便于管理。,57/144,8.1.3焊接结构设计中应注意的问题,1. 改造结构的设计,（1）铆接结构的改造,许多焊接结构是从铆接结构改过来的，如果不加分析随意地把铆接接头的铆钉去掉换成焊缝是不合适的，将会产生许多严重的问题，焊接结构应具
29、有它自己的独特结构形式。 例如，轻便型桁架的节点构造，原来铆接节点如图8-13a所示，并不存在严重的应力集中，而且也不存在高值残余应力。如果不加分析原封不动把它改为焊接节点(图8-13b)，焊缝密集，应力集中严重，而且焊接残余应力很高，则结构的使用寿命将降低。,58/144,图8-13 焊接节点与铆接节点a) 铆接接点 b) 焊接节点,目前，单一的铆接结构已不多使用，而将其改为栓焊结构，大多数情况下应用于大型焊接结构部件的现场快速安装和拆卸。有时考虑到整个结构的柔性要求（退让性），一些局部位置也采用栓接接头。,59/144,（2）铸造结构的改造,铸造结构改成焊接结构时，首先应对铸造结构进行分析
30、，弄清楚哪些构造形式是由机器功能要求所决定，哪些是由铸造工艺要求所决定。 应该去掉由铸造工艺所决定的那些构造形式，在满足原零部件工作性能的前提下，结合焊接工艺特点进行重新设计。,60/144,铸钢结构用的材料多为ZG230-400H，ZG270-500H和合金铸钢，而焊接结构用的材料大量是焊接性能好的碳素钢和低合金结构钢。 如果把铸钢结构改为焊接结构，则要注意材料的焊接性。一般随着金属含碳量和合金元素量的增加其焊接性能变坏，如果改用焊接性能好的普通结构钢，则注意两种材料之间力学性能的差别。,1）要注意所用材料性质上的差别,61/144,铸造工艺要起模斜度、壁厚不能太薄，相邻壁厚差别不能悬殊，拐
31、角处要做出较大的圆弧、不能做成空心封闭的结构；铸件增加凸台，圆座或加强肋的数量并不困难。对于焊接结构，则力求结构简单、平直、变化少，板厚规格尽可能少，尽量减少凸台或肋板；在焊缝周围要留出焊接与质量检验的自由操作的空间、要留出适当的收缩余量和机械加工余量。焊接结构中各板件之间的连接是根据实际需要可以是全熔透的或非全熔透的。特别是按刚度设计的构件，厚度大，一般并不需要连接处全熔透，如果盲目地仿照铸造结构，一律要求全熔透，将给生产带来很大困难。,2）要注意铸造工艺和焊接工艺各自的要求,62/144,钢材的阻尼比是铸铁的1/3.2，而抗拉强度和拉伸弹性模量却是铸铁的2倍以上，若按等强度或等刚度设计，焊
32、接结构的壁厚将减薄，就有可能因壁板动刚度不足而产生振动、噪声和壁板失稳问题。可适当增加肋板等措施，以减小壁板自由幅面尺寸。,3）要注意振动和屈曲问题,63/144,2. 考虑自动化焊接的结构设计,近年来，焊接过程自动化得到飞速发展，自动化焊接技术、智能控制焊接技术、机器人焊接技术已经广泛应用于焊接结构的制造中。因此，焊接结构的设计应当考虑这些技术的特点，在焊缝位置、接头形式、焊接顺序、操作空间等方面充分分析，不仅提高焊接质量，也极大的提高焊接生产效率。如：把普通钢板拼接成大尺寸钢板，有两种拼接形式(图8-14)。,64/144,图8-14 钢板的拼接方式a) 适合于自动焊 b) 适合于手工焊,
33、从焊接残余应力的角度考虑，要求焊缝尽量不要平面交叉，这样图8-14b结构是合理的；但是如果从采用埋弧自动焊焊接的角度考虑，则其起弧和熄弧点太多，焊接缺陷产生的几率增加，生产效率也受到影响，而这时图8-14a所示的结构则比较合理。,65/144,2. 考虑现代生产管理的设计,计算机与信息化的快速发展，部分大中型企业已经建立了基于网络信息的现代生产管理系统，实现了从产品设计、任务下达、任务分解到班组生产的无纸化信息传递，极大地提高了生产效率，促进了全面质量管理水平的提高。焊接结构设计应当主动适应现代生产管理系统的要求，更加有利于生产组织与管理。,66/144,8.2 焊接结构设计实例,8.2.1
34、机床机身,机身是机器架体结构的简称，是各种动力设备和传动机构的支撑结构或主体部件。在机身上，一般要安装各种运动部件，并承受各部件的重量、运动部件之间的作用力和运动时产生的惯性力。 以往的机身多用铸造件，铸造件生产成本较低，也适于成批生产，其减震性能和机械加工性能较好，但其力学性能较差，对于单件或小量生产的大型或专用机床来说，采用铸造件的机身成本很高，而且生产期限也要延长。采用焊接机身可以加速制造过程，降低产品成本。,67/144,1. 焊接机身设计的要求,（1）强度,由于承受负载重量、运动部件之间的作用力和运动时产生的惯性力，焊接机身要具有较高的强度。尤其部件之间的作用力往往是高周或低周循环的
35、交变载荷，因此，焊接机身设计时，必须考虑疲劳强度设计，尽量避免应力集中大的焊接结构细节，焊接接头过渡要平缓。,68/144,焊接机身必须有足够的刚度，以保证机器运行时，在承受各种作用力的情况下不致发生不可接受的变形。焊接机身形式繁多，设计者可以选择较为合理的结构形式，完全能做到满足刚度要求。 钢的弹性模量比铸铁高，在保证相同的刚度情况下焊接的钢质机身比铸铁机身轻很多。对于切削机床则要求具有更高的刚度和减振性，以保证机械加工精度。,（2）刚度,69/144,要特别注意焊接机身尺寸稳定性的问题。因为焊接结构中不可避免存有较严重的残余应力，这对结构尺寸的稳定性有较大的影响，尤其是切削机床的机身要求尺
36、寸稳定性更高，所以这类焊接机身必须在焊后进行消除残余应力处理。,（3）尺寸稳定性,70/144,（4）减振性,铸造件具有很好的减振性能，以往的机身多采用铸造工艺制造，而钢材的减振性能比铸造材料差，所以当采用焊接钢质机身代替铸造机身时，减振问题是一个必须仔细考虑的问题。 结构的减振性不仅取决于选用的材料，而且还与结构本身有关，故可分为材料的减振性和结构的减振性。,71/144,焊接机身的材料减振性较差，必须从结构设计上采取措施提高结构减振性。利用接触面的微量相对运动引起的能量消耗的方法，在提高结构减振性方面已经取得了很好的效果。实验表明，焊接钢质梁的腹板嵌在翼板的槽里，虽然钢的减振性能不如铸铁，
37、但是由于构造上采取措施，焊接的钢质梁的阻尼指数反而比铸铁梁高50。 此外，焊接机身的制造成本与生产批量有关，在单件和小量生产时采用焊接机身才有利。,72/144,2. 焊接机身的设计,（1）材料的选用,焊接机身一般采用轧制的钢板和型钢焊制而成，形状特殊的部分，可以采用锻件或铸件。焊接机身应用最多的金属材料是焊接性好的低碳钢和普通低合金钢(如Q235等)，匹配的锻件或铸件也应采用化学成分相近的材料，常用的材料如20号、26号和20MoSi等铸钢。 由于焊接结构所用钢板质地匀净、厚薄均匀、表面光洁，所以加工余量比铸件小。但考虑到低碳结构钢的机械加工性比铸件差的特点，常把机械加工要求高的构件用中碳钢
38、代替低碳钢。,73/144,（2）焊接接头的设计,1）采用T型焊接接头,不同的焊接接头型式，具有不同的减振性能。采用角焊缝的T形焊接接头，由于焊缝冷却时的收缩，在未焊透的接合面处，存有一定程度的接触压应力。当结构振动时，在未焊透的接合面上会产生微小的相对位移，形成摩擦，从而产生了阻尼作用。实验证明：单面角焊缝比双面角焊缝的减振性能好，单面坡口焊缝比双面坡口焊缝的减振性好，不完全焊透的坡口焊缝比完全焊透的减振性好。,焊接接头设计主要考虑机身减震性能的要求：,74/144,2）采用断续焊缝,断续焊缝中未焊部分的接触面具有减振作用，减振能力比连续焊缝的高。在断续焊缝中，又以焊缝比较短的减振性能为最好
39、，所以在强度和刚度允许的情况下，应尽量采用断续焊缝来提高焊接结构的减振能力。,3）加强肋板的应用,长宽尺寸大于板厚10倍以上的板结构一般为薄壁结构，大多数焊接机身仍都属于薄壁结构。为了防止薄壁振动，一般是在光壁钢板上布置加强肋板，以提高板壁的固有频率，避免结构固有频率等于或接近激振频率，以防止共振现象的出现。,75/144,因为机床噪声的频带很宽，但许多激振源的频率很低，所以提高薄壁结构的固有频率对防止薄壁振动有好处。 可以设计出增加阻尼的接头，如带折线肋板的梁具有较好的刚度和减振性能，由于肋板和翼板之间的焊缝收缩，使接触面产生压力，因而使梁的阻尼指数提高，所以现在焊接机床的机身肋板设置多采用
40、折线形式。几十年来焊接机身从简单的箱型结构发展到设置各种形式肋板的复杂结构，焊接机身的应用得到进一步扩大。,76/144,在需要加工的表面上，应尽量避免布置焊缝。如图8-15所示的角接接头，图a和b所示不论是水平面或垂直面，都不便于机械加工；图c和d不便于水平面的机械加工，只适于垂直面的机械加工。 图8-16是可以机械加工的角接头，其中图a适于水平面机械加工，其它接头不仅适于水平面，也适于垂直面机械加工。 图8-17所示的轴承支架，就是全部焊缝都避开机械加工表面的例子。,（3）焊接接头的位置,1）避免在加工表面上布置焊缝,77/144,图8-15 不适合于机械加工的焊接接头,图8-16 适合于
41、机械加工的焊接接头,78/144,图8-17 轴承支架,2）避免在配合面上布置焊缝,配合面的加工精度较高，加工余量难以控制，加工后尺寸不稳定性明显影响配合面的精度，所以应尽量避免在配合面上布置焊缝。,79/144,（4）保证焊接结构的定位精度,图8-18 轴套的焊接,图8-18所示的轴套焊接结构，图中8-18a、b、c所示结构，不仅可焊到性好，而且焊接成本也较低，但只适用于精度要求不高的场合。倘若定位精度要求高时，轴套应加工出定位台阶，如图8-18d、e、 f所示。,80/144,（5）防止加强肋板被钻穿,图8-19 防止加强肋板被钻穿a) 肋板被穿孔 b) 钻孔远离肋板,焊接结构加强肋板较多
42、，设计时要注意加强肋板布置不宜靠近钻孔的位置，以防止肋板被钻穿，削弱加强肋的作用，如图8-19所示。,81/144,8.2.2 压力容器,82/144,1. 压力容器焊接接头的分类,单层受压壳体上的焊接接头按其受力状态及所处部位可以分成A、B、C、D、E、F六类，如图8-20所示。,（1）A类接头 包括圆柱形壳体筒节(包括大直径接管)的纵向对接接头，球形容器和凸形封头瓜片之间的对接接头，球形容器的环向对接接头，镶嵌式锻制接管与筒体或封头间的对接接头，大直径焊接三通支管与母管相接的对接接头。,83/144,（2）B类接头 系指圆柱形、锥形筒节间的环向对接接头，接管与筒节间及其与法兰相接的环向对接
43、接头，除球形封头外的各种凸形封头与筒身相接的环向接头。（3）C类接头 法兰、平封头、端盖、管板与筒身、封头和接管相连的角接接头，内凹封头与筒身间的搭接接头以及多层包扎容器层板间纵向接头等。（4）D类接头 接管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与筒身及封头相接的T形或角接接头。,84/144,（5）E类接头 包括吊耳、支撑、支座及各种内件与筒身或封头相接的角接接头。（6）F类接头 在筒身、封头、接管、法兰和管板表面上的堆焊接头。,2. 压力容器焊接接头的设计要求,（1） 压力容器中的A类和B类焊接接头,A类和B类焊缝必须为全焊透对接焊缝的接头形式，一般为双面焊接头形式，也可采用单面开坡口的接头形式。
44、,85/144,图8-20 压力容器焊接接头的分类,86/144,单面开坡口的接头应采用氩弧焊完成全焊透的封底焊道，或在焊缝背面加临时衬垫或固定衬垫，采用适当工艺保证根部焊道与坡口两侧完全熔合。 为避免相邻焊接接头残余应力的叠加和热影响区的重叠，A类或B类焊缝之间的距离至少应为壁厚的3倍，且不小于100mm。对于壁厚大于20mm的压力容器壳体应尽量避免十字接头。在A、B类焊缝及其附近不应直接开管孔。容器筒身和封头上的A、B类焊缝应布置在不直接受弯曲应力作用的部位。,87/144,（2）压力容器中的C类焊接接头,对这类接头不必要求采用全焊透的接头形式，而采用局部焊透的T形接头。低压容器中的小直径
45、法兰甚至可以采用不开坡口的角焊缝来连接，但必须在法兰内外两面进行封焊，这即可以防止法兰的焊接变形，又可保证法兰所要求的刚度。,88/144,（3）压力容器中的D类焊接接头,在压力容器中D类焊缝的接头受力条件比A、B类焊缝的接头复杂得多。在设计这类焊缝接头时，应作全面的分析对比，选择最合理、最可靠的接头形式。目前在压力容器中最常用的D类焊缝的接头形式有：插入式接管全焊透T形接头、插入式接管局部焊透T形接头、带补强圈接管T形接头、安座式接管的角接接头以及小直径法兰和接管的角接接头。,89/144,（4）压力容器中E类焊接接头,此类焊接接头为非受压件与受压部件相连接的搭接接头。采用双面开坡口的全焊透
46、角焊缝的接头形式，主要用于吊耳、支架、角撑等承载部件与壳体的连接，加强肋之类无强度要求的连接焊缝可采用不开坡口的双面角焊缝。,3. 压力容器焊接结构设计,（1）焊接强度设计,90/144,薄壁容器的壁厚比其直径小很多，应力在壁板厚度上可视为均匀分布，按薄膜应力计算。球形容器壁板中应力各方向相等，用下式计算：,式中：P容器内部压力(MPa)； d球形容器内直径(mm)； 壁厚(mm)； s焊缝的许用应力(MPa)。,(8-5),1）薄壁容器,91/144,圆筒形容器壁板中的应力和球形容器不同，筒体的环向应力是轴向应力的两倍，用下式计算：,式中：环向应力(MPa)； t 轴向应力(MPa)。,92
47、/144,2）厚壁容器,厚壁容器的壁厚较大，应力在壁板厚度上分布不可忽视，按应力最大的部位计算，圆筒形容厚壁高压容器的壁厚可以按下式计算：,式中：P为容器内部的工作压力(MPa)； Dn为筒体的内径(mm)； 为纵向焊缝的强度减弱系数或孔对纵向断面的减弱系数。 C为计算厚度的附加值，当计算厚度小于20 mm时，C=1mm。,(8-8),93/144,焊缝强度减弱系数值根据制造工艺质量确定。全部焊缝经过无损探伤，确定为质量优良的焊缝，对于低碳钢、普通低合金结构钢及奥氏体钢=1；对于铬钼钒和高铬钢=0.8，因为这类钢的焊接热影响区强度降低，而且热处理不能恢复。 壁板厚度和曲率变化的地方有局部附加弯矩，造成局部应力增高，因此应尽量避免封头和筒体间的厚度和曲率突变，以降低连接处局部应力峰值。,94/144,（2）压力容器材料的选择,薄壁容器承受的内应力可以反复作用，其工作温度也可能变化很大。根据容器的工作条件确定对材料、结构形式和制造工艺的要求。 对于一般容器重量大小不是主要问题，所以用可焊性好的低碳钢或低合金结构钢制造。 对于飞行器上的容器重量大小十分重要，所以采用高强度材料制造。用高强度材料制造的焊接容器，在构造上不允许采用搭接接头，焊后必须进行热处理。要求采用强度更高的材料制造容器时，则要求更高的技术水平。单纯追求高强度指标，反而使安全性下降，因此对于材料性能必须全面考虑。,
