焊接设计禁忌-最终版

第一章 结构件焊接设计禁忌1. 概述结构件设计连接中，以焊接刚性连接方式广泛应用。焊接有别于铆接、粘接、装配等连接方式，有其自身特点。在柳工产品线中，结构件主要依靠设计不同的焊接接头、焊缝大小，利用适当的焊接方法实现连接，满足产品使用要求。焊接定义：利用加热、加压或者两者兼用，并用填充材料（也可以不用），使两焊件达到原子间结合，从而形成永久性连接的工艺过程。设计过程中，如果不掌握焊接基本原理，设计焊接接头形式、大小、位置不合理，易导致结构件早期失效。为保证设计的合理性，特编写焊接基本知识和焊接设计禁忌手册，希望对设计者在设计结构件时有所帮助。本手册分四部分介绍了与设计相关的焊接知识。第一、二部分为焊缝设计的基础知识，分别介绍了焊接接头形式和焊缝坡口形式，以及焊缝设计的原则；第三部分将不合理的焊接结构，与合理的结构用图例的方式进行对比，并做了简要的说明；第四部分通过列举一些实例，对焊缝设计的合理性进行分析。2. 接头形式及坡口形式2.1 接头形式一个焊接结构一般由若干个焊接接头所组成。由于焊件厚度、结构形状以及对焊接质量的要求不同，其接头形式也不同。焊接接头形式很多，其中以对接接头、T形接头、角接接头、搭接接头应用得最多。常用接头形式如图2-1所示。图2-1焊接接头形式a)对接接头 b) T形接头 c) 角接接头 d) 搭接接头a.对接接头 两焊件表面构成大于或等于135，小于或等于180夹角的接头称为对接接头，如2-1a）所示。它是各种焊接结构中采用最多的一种接头形式。对接接头的应力集中相对较小，能承受大的静载荷和较高的疲劳交变载荷。不等厚度钢板的对接，应将厚板削薄后对接。重要焊接结构，如锅炉的锅筒对接，板差超过范围时，应将厚板的边缘削薄至与薄板边缘对齐，削出的斜面平滑且斜率不大于1:4，见图2-2。图2-2 不同厚度钢板的对接b.T形接头 一焊件的端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头称为T形接头，如图2-1b)所示，其特点是应力分布不均匀，虽承载能力低，但能承受各种方向的力和力矩，生产中应用的也很普遍。c.角接接头 两焊件端面间构成大于30、小于135夹角的接头称为角接接头，如图2-1c)所示。这种接头的承载能力很差，多用于不重要的结构中。d.搭接接头 两焊件部分重叠构成的接头称为搭接接头。根据结构形式和对强度的要求不同，搭接接头又可分为I形坡口、塞焊、内角焊等几种形式，如图2-1d)所示。这种接头形式特别适用于被焊结构狭小处以及密闭的焊接结构。2.2 坡口形式根据设计和工艺要求，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽称为坡口。坡口的作用是为了保证焊缝根部焊透，保证焊接质量和连接强度，同时可以调整母材与填充材料的比例。焊接接头的坡口形式很多，基本坡口形式有I形坡口、V形坡口、X形坡口和U形坡口，见图2-3.其他类型的坡口可在基本坡口形式上衍生出来。图2-3 坡口形式a)I形坡口 b) V形坡口 c) X形坡口 d) U形坡口a.I形坡口 I形坡口用于较薄钢板的焊件对接。采用焊条电弧焊或气体保护焊焊接厚度在56mm以下的钢板可以采用I形坡口。如果采用埋弧焊，厚度一般在1214mm。这种坡口的焊缝填充金属（焊条或焊丝）很少。b.V形坡口 这种坡口形状简单，加工方便，是最常用的坡口形式。焊接时一般采用单面焊，不用翻转焊件，但由于是单面焊，焊后容易往一个方向变形。因此在必要时，应采取反变形措施。c.X形坡口 钢板厚度为1260mm时可采用X形坡口。X形坡口与V形坡口相比，在相同厚度下，能减少焊缝金属量约1/2。而且由于双面焊，焊后变形小。d.U形坡口 U形坡口应用于厚板焊接，对大厚度钢板，当焊件厚度相同时，U形坡口的焊缝填充金属要比V形、X形坡口少的多，而且焊件产生的变形也小。但是这种坡口加工困难，一般应用于重要的焊接结构。2.3 坡口加工生产中的坡口加工，多采用机械加工。因为机械加工的坡口质量好，效率高，容易控制，而且对母材的力学性能基本没有影响。例如圆形工件，可以在车床上加工出坡口；小直径管件，可以采用专用的铣管机、小型气动或电动铣管机加工坡口；板状工件加工V形或X形坡口，一般都采用铣床或刨床；加工大尺寸的工件，应该采用刨边机；加工U形坡口时，由于坡口截面形状的特殊性，需要采用成形刀具，刨或铣出符合要求的坡口。2.4 坡口的几何尺寸 图 2-4 坡口的几何尺寸a) V形坡口对接 b) Y形坡口对接 c) U形坡口对接 a.坡口角度 两坡口面之间的夹角称为坡口角度，用符号表示，见图2-4。b.坡口面角度 待加工坡口的端面与坡口面之间的夹角称为坡口面角度，用符号表示。开单面坡口时，坡口角度等于坡口面角度；开双面坡口时，坡口角度等于两倍的坡口面角度。c.根部间隙 焊件拼装好后，在焊缝根部通常留有间隙。这个间隙，有时是拼装造成，有时是工艺需要留出。在单面焊双面成形的操作中，就应该注意要留有一定的间隙，以保证在焊接打底焊道时，能把根部焊透。根部间隙用符号b表示。d.钝边 钝边的作用是防止焊缝根部焊穿。钝边留多少，视焊接方法及采取的工艺不同而不同。钝边尺寸用符号p表示。3. 焊缝设计3.1 焊缝设计原则 在设计焊缝尺寸大小及其接头形式时，首先要确定是工作焊缝还是联系焊缝。如果是工作焊缝则必须进行焊缝强度计算，若是联系焊缝则需考虑经济性而减小或减短焊缝；对于具有双重性的焊缝，它既有工作应力又有联系应力，则只计算工作应力，而不考虑联系应力。其次要考虑焊接的难易程度、焊接接头制造的经济性和焊接变形的可控性。工作焊缝：与被连接的元件是串联的，它承担着传递全部载荷的作用，一旦断裂，结构就会失效，其应力称为工作应力。如图3-1中的a)、b)和图3-2中的a)。联系焊缝：焊缝与被连接件是并联的，它传递很小的载荷，主要起元件之间的相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，其应力称为联系应力。如图3-1 中的c)、d)和图3-2 中的b)。图3-1 图3-23.2 焊缝设计的经济性焊角尺寸不是越大越好，应根据强度计算确定。随着材料厚度的增加，合理的接头设计可以降低制造成本。在满足强度的要求时，坡口越窄，所需的焊缝金属的数量就越少，经济性就越好。3.3 对接焊缝设计I形对接：无间隙（适合于板厚小于3mm）、有间隙、有间隙带垫板的对接(适合于板厚小于16 mm)，加工的经济性最好。单面V型：适合于板厚16mm左右；双面V型：适合于板厚32mm以下；单面U型：加工难度增加，但比单V型坡口节省焊接材料；双面U型：加工难度增加，但比双V型坡口节省焊接材料。3.4 角焊缝设计原则美国钢结构学会AISC-1.17.6规定：厚度小于1/4英寸（6.35mm）的材料，沿端边起最大焊脚尺寸可以与材料厚度相等；厚度等于或大于1/4英寸的材料，沿端边起最大垂直焊脚尺寸比材料厚度要小1/16英寸（1.6mm）,在图纸上特别规定要求焊缝获得全厚度焊缝高的附加说明除外。3.5 焊角尺寸计算角焊缝有效截面厚度a与焊角尺寸K关系计算如图3-3、3-4。非等边角焊缝等边角焊缝：图3-3图3-4 3.6 最小角焊缝尺寸美国焊接学会结构的焊接规程（D1.1-72）规定最小焊缝尺寸：母材厚度(mm)661212202038385757152152焊脚尺寸(mm)3568101216 4. 结构设计的注意事项序号注意事项图例说明改进前改进后1避免焊缝受力过大改进前轮毂与轮圈之间的焊缝距回转中心太近，改进后焊缝距回转中心较远，结构合理。如改进前套管与板的连接，焊缝受到的力太大，改进后，先将套管插入板孔再进行角焊，这样可以减小焊缝的受力。2避免焊缝受剪力改进前的焊缝受剪力和弯矩，改进后避免了焊缝受剪力过大。3避免焊缝受集中载荷改进前焊缝直接受集中力作用，同时受最大弯曲应力，改进后焊缝避开了受弯曲应力最大的部位。4避免在断面转折处布置焊缝改进前在断面转折处布置了焊缝，这样容易在焊接处产生裂纹或断裂。5焊缝应该避开加工表面焊后不加工时应采用改进后的结构形式，避免热变形的影响。改进前焊缝在加工表面上，影响表面质量。改进后焊缝避开了加工表面。6薄板焊接禁忌避免薄板焊接受热产生起拱现象，应该考虑改进后的开孔结构焊接。序号注意事项图例说明改进前改进后7焊接结构设计应该考虑焊缝位置，不应造成操作困难结构或接头位置设计不当，会造成无法操作或施焊困难，焊接设计应该考虑焊枪的操作空间。8减少焊接工作量改进前用钢板焊接成的零件焊材消耗量大，改为改进后的结构，先将钢板弯曲成一定形状再进行焊接，这样减少加工工时和焊材消耗量。9焊缝外形设计改进前焊缝与母材交界处为尖角，应力集中比较大。对主焊缝，应将母材与焊缝交界处用砂轮打磨，增大过渡半径，从而减少应力集中。对承载冲击载荷的结构，应将焊缝高出的部分磨平。10端面角焊缝设计端面角焊缝的焊接截面形状对应力分布有较大影响，A点应力随角增大而增加，因此（a）（b）端面角焊缝应力集中最大，（c）焊缝应力集中较小，（d）（e）焊缝长边平行于载荷方向时应力集中小，其中（e）中的A点应力集中最小，但是需加工，焊材消耗较大，经济性差。序号注意事项图例说明改进前改进后11避免壁厚相差很大的焊接如果焊接部位两侧壁厚差别很大，其热容量之差会使熔敷时温差大，熔敷后的冷却速度差异，容易形成熔敷不完全。所以要尽量使焊接处壁厚趋于相等。L3(2-1)12避免焊缝底部受拉应力焊缝底部抗拉强度较差，应该尽量避免焊缝底部受拉力。13避免焊缝设计互成十字、会合、集中在一起相比而言，左侧图片中焊缝设计过为集中，易造成较大的焊接应力和变形，应尽量避免。14设计焊缝时要预留足够的空间给主焊缝。左图中主焊缝1预留的空间较小，容易造成母材焊塌等缺陷；主焊缝2在与肋板交界处断开，使其强度达不到设计的要求，并且容易在交界处造成应力集中；肋板两端设计成尖角也会给焊接带来困难造成焊塌。右图为正确的设计：将肋板两端割平，并把直角割个缺口，让主焊缝2不受干涉，其各尺寸关系如右图所示。序号注意事项图例说明改进前改进后15钝边设计要合理对焊缝强度要求较高时，左图的钝边设计不合理：钝边过大且不在焊缝根部中间，容易造成未焊透，降低焊缝强度。右图的设计比较合理。16交叉焊缝位置布局对于交叉的焊缝，改进后的位置布局有利于减小应力集中17将铸件改造为焊接结构时不要使刚性不足相同结构的铸件刚性比焊接件大。如果将铸件改为焊接结构，一般容易出现刚性不足的现象，因此设计采用焊接结构代替铸件时，要考虑零件的刚性因素。5. 不合理设计案例15案例一 装载机柴油箱失效分析及改进图5-1为某型号装载机柴油箱失效图片。检测发现弯板与围板之间的焊缝发生开裂。一、故障原因分析原柴油箱结构如图5-2。安装扶梯的螺母块左右间距100mm，上下间距340mm。开裂（图5-2中粗黑线）部位的围板边缘距离左下方螺母块90mm。安装在油箱上的扶梯构成悬臂结构，在装载机工作时会产生振动。由于扶梯与油箱之间接触面积小（仅为340cm2），导致扶梯振幅较大。在扶图5-1 柴油箱开裂位置外观图梯的交变载荷作用下，围板与弯板之间靠近左下方螺母快的焊缝被拉裂。图5-3 改进后的柴油箱结构图 5-2 原柴油箱结构二、改进措施上下螺母块之间的距离增加到595mm，左右螺母块之间的距离增加到140mm。扶梯与油箱接触面积相应增加到833 cm2 ；左下方螺母块到围板边缘的距离减小到50mm，减小了扶梯振动对焊缝的拉裂作用。改进后柴油箱及螺母块的位置尺寸如图5-3。三、效 果螺母块在柴油箱上的位置尺寸更改后，没有柴油箱开裂的反馈，解决了柴油箱开裂的质量问题。案例二 装载机动臂断裂原因分析及改进措施某型号装载机动臂板在动臂油缸的铰接孔后方出现开裂。开裂主要有两种形式，一种形式是动臂板断裂，如图5-4所示；另一种形式是横梁焊缝出现裂痕并延伸到动臂板，如图5-5图5-4 裂痕1图5-5 裂痕2所示。一、故障原因分析 原动臂结构如图5-6所示。图5-6转斗臂油缸加载动臂油缸加载（1）从结构方面看，动臂油缸的铰接孔设计在横梁的前方。装载机工作时，动臂油缸与横梁之间载荷的传递不是沿直线方向，而是需经过铰接孔与横梁之间横向传递。相比而言，铰接孔与横梁之间的动臂板强度低，在长期交变载荷作用下，易发生开裂。（2）从加工工艺看，横梁与动臂板之间的焊缝如果存在裂纹源或其他缺陷，裂纹就容易从焊缝出产生。另外动臂板气割过程中，如果此处圆弧过渡不圆滑或存在尖锐的气割波纹，都会产生应力集中，降低该断面的强度，从而导致动臂板断裂。二、改进措施图5-7 结构改进方案一（1）从结构设计方面提高动臂的强度。在动臂油缸铰接孔与横梁之间焊接一块加强板，如图5-7所示，以提高危险截面的强度。（2）工艺方面规范操作。一是在动臂板气割过程中，不允许在动臂板危险截面处起弧或重新引弧，杜绝尖锐气割波纹出现，消除应力集中；二是严格按照焊接规范进行操作，保证焊接质量。三、效 果 改进后动臂的危险截面强度得以提高，能抵抗恶劣的工作环境带来的冲击，保证了动臂的质量。案例三 某型号装载机后车架的结构缺陷一、结构分析图5-8是某机型后车架的局部图。图中1为发动机支座，螺栓孔到侧板的距离为270mm。2为电瓶箱，其重心到侧板的距离为200mm。3和4为放置其他配件的横板，不在同一平面。图5-8从结构上看，发动机支座与电瓶箱传递给侧板的载荷是相互错开的，两者主要通过侧板相互抵消，或把载荷传递到后车架尾板上。在两处动载荷的作用下，发动机支座与电瓶箱之间侧板易造成断裂。而横板3和4对侧板的加强作用不明显。二、结构改进图5-9为另一种机型的后车架，其结构与图5-8相类似，只是把横板3去掉，把横板4两端延伸到发动机支座的加强筋和后车架尾板上。这样增强了发动机支座与电瓶箱之间侧板的强度，又能更好的把载荷传递到尾板上，降低侧板的压力。图5-9案例四 后车架断裂原因分析及改进措施某型号装载机投放市场后发生后车架断裂事故。经分析，裂纹是从加强板端部与横槽钢连接焊缝开始形成，并扩展导致车架整体断裂。如图5-10所示。图5-10 后车架失效图片一、故障原因分析焊缝位于截面突变处发生断裂处的局部结构如图5-11所示。加强板端部与横槽钢连接部位属截面突变处，在此布置焊缝容易产生应力集中。另外该焊缝属工作焊缝，传递载荷较大。装载机工作时，焊缝在外部载荷