焊工培训资料

1、目录 一、 . 焊接概述 1 1.1 焊接的定义 . 2 1.2 焊接方法的分类 . 2 1.3 常用焊接方法基本特点与应用 . 2 1.4 焊缝符号 . 3 二、 . 焊接设计 7 2.1 材料选用 . 7 2.2 焊接方法的选用 . 10 2.3 焊接结构设计 . 12 三、 . 焊接制造 27 3.1 常见焊接方法工艺要求 . 27 3.2 焊接工艺评定 . 28 3.3 焊接残余应力与变形的控制 . 28 、焊接概述 1.1 焊接的定义 被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的 材质达到原子（分子）间的结合而形成永久性连接的工艺过程称为焊接

2、（ Welding ）。 随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃发展， 焊接技术进步很快，到现在焊接方法已发展到数 十种之多。为了能正确选择和使用各种焊接方法， 必须了解焊接的物理本质、它们的分类、 基本特点和 使用范围。 1.2 焊接方法的分类 金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊、压焊和钎焊三大类，见表 1 3 1。 熔焊在连接部位需加热至熔化状态，一般不加压；压焊必须施加压力，加热是为了加速实现焊接； 钎焊时母材不熔化，只熔化起连接作用的填充材料（钎料） 。 表1 3 1焊接方法分类 焊 接 熔焊 电弧焊 熔化极 焊条电弧焊 埋弧焊 氩弧焊（MIG） CO2气体保护焊 药芯焊丝电弧焊

3、非熔化极 钨极氩弧焊（TIG） 原子氢焊 等离子弧焊 气焊 氧-氢焊接 氧-乙炔焊 空气-乙炔焊 电子束焊 电渣焊 激光焊 铝热焊 压焊 锻焊 摩擦焊 扩散焊 冷压焊 电阻焊 超声波焊 高频焊 爆炸焊 钎焊 火焰钎焊 烙铁钎焊 r感应钎焊 电阻钎焊 盐浴钎焊 炉中钎焊 （注：常见的栓钉焊属于熔焊加压焊。 ） 1.3 常用焊接方法基本特点与应用 表1-4-1简要地介绍了本单位常用金属焊接方法的原理、特点及使用范围。 表1-4-1常用焊接方法基本特点与应用 焊接方法 原理 特点 使用范围 熔 焊 电 弧 焊 焊条电 弧焊 利用焊条与焊件间的 电弧热熔化焊条和焊件 进行手工焊接 机动、灵活、适应性强

4、， 可全位置焊接，设备简单 耐用，维护费低，劳动强度 大，焊接质量受工人技术 水平影响，不稳定 在单件、小批生产和 修理中最适用，可焊3mm 以上的碳钢、低合金钢、 不锈钢和铜、铝等有色 金属，以及铸铁的焊补 埋弧焊 利用焊丝与焊件间的 电弧热熔化焊丝和焊件 进行机械化焊接，电弧被 焊剂覆盖而与外界隔离 焊丝的送进与移动依据 机械进行，生产率咼，焊接 质量好且稳定，不能仰焊 和立焊，劳动条件好 适用于大批量生产中 长直或环行焊缝焊接 ， 可焊碳钢、合金钢，某种 铜合金等中厚板结构 ， 只能平焊、横焊和水平 角焊 焊接方法 原理 特点 使用范围 熔 焊 电 弧 焊 气 体 保 护 C02 气 体

5、 保 护 焊 用二氧化碳保护，用焊 丝做电极的弧焊 热量较集中，热影响区 小，变形小，成本低，生产 率高，易于操作飞溅较 大，焊缝成形不够美观，余 高大，设备较复杂，须避风 适用于1.6mm以上由 低碳钢、低合金钢制造 的各种金属结构 等 离 子 弧 焊 利用气体（多为Ar）和 特殊装置压缩电弧获得 高能量密度的等离子弧 进行焊接，电极有钨极和 熔化极两种 具有Ar弧焊的一些特 点，但等离子弧温度很高， 穿透能力强，可正面一次 焊透双面成形电弧挺度 好可压缩成束状焊微型件 一次焊透厚度在 0.0256.4mm，低碳钢 8mm以内，也适用于焊接 微小精密构件 气 体 保 护 C02 气 体 保

6、护 焊 用二氧化碳保护，用焊 丝做电极的弧焊 热量较集中，热影响区 小，变形小，成本低，生产 率高，易于操作飞溅较 大，焊缝成形不够美观，余 高大，设备较复杂，须避风 适用于1.6mm以上由 低碳钢、低合金钢制造 的各种金属结构 等 离 子 弧 焊 利用气体（多为Ar）和 特殊装置压缩电弧获得 高能量密度的等离子弧 进行焊接，电极有钨极和 熔化极两种 具有Ar弧焊的一些特 点，但等离子弧温度很高， 穿透能力强，可正面一次 焊透双面成形电弧挺度 好可压缩成束状焊微型件 一次焊透厚度在 0.0256.4mm，低碳钢 8mm以内，也适用于焊接 微小精密构件 电渣焊 利用电流通过熔渣产 生的电阻热熔化

7、金属进 行焊接，可熔化的金属电 极有丝状和板状两种 直缝须立焊，任何厚度 不开坡口一次焊成，生产 率咼，但热影响区宽、晶粒 粗大，易生成过热组织，焊 后须正火处理改善接头组 织和性能 适用于厚度25mm以上 的重大型机件的焊接 ， 直焊碳素钢、合金钢 熔 化 加 压 焊 栓钉焊（也叫 螺柱焊） 引弧与焊条电弧焊相 似，先将栓钉的尖端与钢 结构接触，通过强大焊接 电流，短路，瞬间达到高 温，焊枪中磁力提升栓 钉、引弧、产生熔池；之 后，立即释放磁力，利用 弹簧使栓钉压入熔池，断 电后冷却形成接头栓钉 提升高度在焊枪中提前 调定 加热过程是稳定的电弧 燃烧过程，为了防止空气 侵入溶池，恶化接头质量

8、， 要采用陶瓷环保护 焊接 质量可靠，效率咼，无烟雾 弧光，劳动条件好 在钢-混凝土结构，为 了提高钢构件与混凝土 间的结合力，多采用此 焊接方法.也可焊接固 定小器具的受柄、支脚 用螺柱等.可焊材料有 碳钢、高碳钢、低合金 高强度钢、不锈钢和铝 合金 1.4 焊缝符号 1.4.1 基本符号 焊缝的基本符号见表 1-5-1 表1-5-1焊缝的基本符号 1 II 2 V 3 /I 4 Y 5 r 6 0 7 PI 8 9 10 11 O 12 13 序号 符号 不完全熔化的焊缝用I形焊缝表示，并加注焊缝有效厚度。 142辅助符号 焊缝的辅助符号是表示焊缝表面形状特征的符号，见表 1-5-2。 表

9、1-5-2焊缝的辅助符号 名称 示意图 I形焊缝 V形焊缝 单边V形焊缝 带钝边V形焊缝 带钝边U形焊缝 带钝边J形焊缝 封底焊缝 角焊缝 塞焊缝或槽焊缝 点焊缝 缝焊缝 卷边焊缝 （卷边完全熔化） 带钝边单边V形焊 缝 wan =4:沁 序号 名称 示意图 符号 说明 1 平面符号 cm 焊缝表面齐平 （一般通过加工） 2 凹面符号 4 焊缝表面凹陷 3 凸面符号 焊缝表面凸起 不需要确切地说明焊缝的表面形状时，可以不用辅助符号。焊缝的辅助符号的应用见表 1-5-3。 表1-5-3焊缝的辅助符号的应用 名称 示意图 符号 平面V形对接焊缝 凸面X形对接焊缝 x 凹面角焊缝 平面封底V形焊缝

10、143补充符号 焊缝的补充符号是为了补充说明焊缝的某些特征而采用的符号，见表 1-5-4。 表1-5-4焊缝的补充符号 序号 名称 示意图 符号 说明 1 带垫板符号 表示焊缝底部有垫板 2 三面焊缝符号 L 匚 表示三面有焊缝 3 周围焊缝符号 n O 表示环绕工件周围焊缝 4 现场符号 B 表示在现场或工地上进行焊接 5 尾部符号 可以参照GB5185标注焊接工艺方 法等内容 ISO2553标准中未做规定。 144焊缝尺寸符号 基本符号必要时可附带有尺寸符号及数据，这些尺寸符号见表 1-5-5。 表1-5-5焊缝尺寸符号 符号 名称 示意图 符号 名称 示意图 工件厚度 11订 e 焊缝间

11、距 .d * 仁 i a 坡口角度 rOS K 焊角尺寸 b 根部间隙 占d 熔核直径 P 钝边 S 焊缝有效厚度 L c 焊缝宽度 1 N 相同焊缝数量 J R 根部半径 H 坡口深度 l 焊缝长度 | I L 1 h 余高 n 焊缝段数 3 坡口面角度 1 1 对焊缝尺寸符号，ISO2553标准未做规定 145指引线及说明（见表 1-5-6 ） 表1-5-6指引线及说明 /基椎线实践） Z - X - 怎部 / 基准线【盡馥 箭头钱 基准线 有一条头线和一条虚线 ，均应与图样底边平仃，特殊情况允许与底边垂直 .虚线 可画在实线上侧或下侧 .如焊缝在接头的箭头侧 ，则将基本符号标在实线侧 ；

12、反 之标在虚线侧；对称、双面焊缝时可不加虚线 . 箭头线 一般没有特殊要求；但是在标注单边 V形、带钝边单边V形和带钝边J形焊缝时， 前头线应指向带坡口一侧的工件 ；必要时，允许前头线弯折一次. 尾部 一般剩去，只有对焊缝有附加要求或说明时才加上尾部部分 146焊缝符号标注的原则和方法（见表 1-5-7） 表1-5-7焊缝符号标注的原则和方法 基本 符号 焊缝在接头的箭头侧，则将基本符号标在实线侧；反之标在虚线侧；对称、双面焊 缝时可不加虚线.基本符号标在基准线两侧 焊缝 形状 尺寸 焊缝截面尺寸标在基本符号左侧 ；焊缝长度尺寸标在基本符号右侧 ；坡口角度，根 部间隙等标在基本符号的上侧或下侧

13、 . 苴 丿、 他 相冋焊缝符号、焊接方法代号、检验方式符号、其他要求和说明等标在尾部右侧 1.47常见金属焊接方法代号（见表 1-5-8 ） 表1-5-8常见金属焊接方法代号 代号 焊接方法 代号 焊接方法 1 电弧焊 12 埋弧焊 11 无气体保护电弧焊 135 MIG焊（包括CO2气体保护焊） 111 手弧焊 72 电渣焊 114 药芯焊丝电弧焊 78 栓钉焊（又叫螺柱焊） 摘自GB/T5185-85金属焊接及钎焊方法在图样上的表示代号 1.4.8 焊缝符号标注示例（见表 1-5-9 ） 表1-5-9焊缝符号标注示例 二、焊接设计 2.1材料选用 2.1.1母材材料选用 2.1.1.1

14、钢结构对材料的要求5 钢结构所用的钢必须符合下列要求： 较高的抗拉强度fu和屈服点fy fy是衡量结构承载能力的指标， fy高则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价。 fu是衡量钢材经 过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时 fu高可以增加结构的安全保障。 较高的塑性和韧性 塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力， 既可减轻结构脆性破坏的倾向， 又能 通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗交变荷载作用的能力。 良好的工艺性能 良好的工艺性能不但能保证通过冷加工、 热加工和焊接加工成各种形式结构， 而且不致因加工而对 结构的强度、塑性、韧性等造成较大

15、的不良影响。 此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境能力。 按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、 硫、磷含量的合格保证； 焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证； 对某些承受动力荷载的结构以及重要 的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。 2.1.1.2 钢结构用钢的分类5 在钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构钢（或称普通碳素钢）和低合金结构钢。 碳素结构钢 根据国家标准碳素结构钢 （GB700-88）的规定，将碳素结构钢分为 Q195 Q215 Q235、Q255 和Q275等五种牌号，

16、钢的牌号有屈服强度字母（ Q）、屈服强度值、质量等级符号（ A、B C和D）、脱 氧方法符号等四部分顺序组成。常见用钢具体参数见表 2-1-1。 标注例子 含义 两面对称的焊角尺 寸K=5mm的角焊 缝，在工地上用焊 条电弧焊施焊 标注例子 含义 带钝边V形焊缝， 先用C02气保焊 打底，后用埋弧 焊盖面 厂 V / 12/13& 低合金钢 根据低合金高强度结构钢 （GB1591-94）的规定，低合金高强度结构钢分为 Q295 Q345 Q390 Q420和Q460等五种，其中 Q345 Q390为钢结构常用钢种， Q420已在九江长江大桥中成功使用。具体 参数见表2-1-1。 2.1.1.2

17、 钢结构用钢选用原则 5 6 钢材的选用在钢结构设计中是重要的一环， 选择的目的是既要保证结构的安全， 又要做到可靠和经 济合理。选择钢材时应考虑以下几点。 结构的重要性 对重型工业建筑钢结构、大跨度钢结构、压力容器、高层或超高层民用建筑或构筑物等重要结构， 应考虑选用质量好的钢材；其他按工作性质分别选用普通质量的钢材； 另外，安全等级不同， 要求的钢 材质量也应不同。 载荷情况 一般承受静载荷的结构， 应主要以满足强度要求来选取。 直接承受交变载荷的结构， 若属于低周疲 劳，在保证一定强度要求下，着重考虑材料的塑性和韧性；若属于高周疲劳，这时强度队疲劳抗力起着 主导作用，应选择强度高的材料。

18、承受冲击载荷的结构， 所选材料应具有足够的延性和韧性。 按刚度条 件设计的结构，其工作应力一般比较小， 但其壁厚较厚，此时选材不应是高强度的，而应是塑性和韧性 好的一般强度的材料。在厚度方向受到拉伸载荷， 应选择层状夹杂少， 厚度方向塑性好的材料， 以防止 产生层状撕裂。 连接方法 焊接结构对材质的要求应严格一些。例如，在化学成分方面必须严格控制碳、硫、磷的含量；非焊 接结构对碳当量可放宽要求。 结构所处的温度和环境 在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。 露天结构 易产生时效，有害介质作用的钢材易腐蚀、疲劳和断裂，应区别地选择不同的材质，宜采用耐候钢，

19、其 质量要求应符合现行国家标准 GB/T4172焊接结构有耐候钢的规定。 钢材厚度 厚钢材辊轧次数少 ，轧制压缩比相对薄板小。所以厚度大的钢材不仅强度较小，而且塑性、冲击 韧性和焊接性能也较差。因此，厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。推荐采用 Z向钢，其材质应符 合现行国家标准 GB/T5313厚度方向性能钢材的规定。 6）对于需要演算疲劳的焊接结构的钢材，应具用常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高 于0C但高于-20 C时，Q235钢和Q345钢应具用0C冲击韧性的合格保证；对 Q390钢和Q420钢应具有 -20 C冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于 -20 C时，Q235钢

20、和Q345钢应具用-20 C冲击韧性 的合格保证；对 Q390钢和Q420钢应具有-40 C冲击韧性的合格保证。 吊车起重量不小于 50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要演算疲劳的构件相 同。 表2-1-1常见结构钢力学性能及匹配焊接材料 钢 材 手工电弧 焊焊条 CO2气体保 护焊实心焊 丝 埋弧焊焊接材料 rF.rrt 牌 号 等 级 抗拉强度 Re/Mpa 屈服强度 冲击吸收功 型号示例 型号示例 焊剂型号-焊丝牌 号 16mm S 50 100mm T/ C AKV/ J Q 2 3 A 一 一 E4303 ER49-1 B 20 27 E4303 、 F4A0-H08

21、A C 375460 235 205 0 27 E4328 、 5 D -20 27 E4315 、 E4316 ER50-6 F4A2-H08A Q 2 9 5 A 一 E4303 ER49-1 ER49-6 F5004-H08A 、 F5004-H08 MnA B 390570 295 235 20 34 E4328 、 E4315 、 E4316 ER50-3 、 ER50-6 F5014-H08A 、 F5014-H08 MnA A 一 E5003 ER49-1 F5004-H08A 、 F5004-H08MnA F5004-H10 Mn2 Q 3 4 5 B 20 34 E5003、

22、 E5015 、 E5016 、 E5018 ER50-3 F5014-H08A 、 F5014-H08 MnA、 F5014-H10 Mn2、 F5011-H08A 、 F5011-H08 C 470630 345 275 0 34 E5015 、 E5016 、 E5018 ER50-2 F5024-H08A 、 F5024-H08 MnA、 F5024-H10 Mn2、 F5021-H08A 、 F5021-H08 D -20 34 F5034-H08A 、 F5034-H08 MnA、 F5034-H10 Mn2、 F5031-H08A 、 F5031-H08 表2-1-1续 钢材 手

23、工电弧 焊焊条 CO2气体保 护焊实心焊 丝 埋弧焊焊接材料 rF.rrt 牌 号 等 级 抗拉强度 Re/Mpa 屈服强度 冲击吸收功 型号示例 型号示例 焊剂型号-焊丝牌 号 S 50 100mm T/ C AKV/ J Q 3 A 490650 390 330 一 E5015 、 E5016 、 ER50-3 F5011-H08 MnA F5011-H10 Mn2、 B 20 34 9 0 E5515-D3 、 E5515-G、 E5516-D3 、E5516-G F5011-H08 MnMoA C 0 34 F5021-H08 MnA、 F5021-H10 Mn2、 F5021-H08

24、 D -20 34 ER50-2 F5031-H08 MnA、 F5031-H10 Mn2、 F5031-H08 E -40 27 F5041 Q 4 2 0 A 520680 420 360 一 E5515-D3 、 E5515-G、 E5516-D3 、E5516-G ER55-D2 F6011-H10 Mn2、 F6011-H08 MnMoA B 20 34 C 0 34 F6021-H10 Mn2、 F6021-H08 MnMoA D -20 34 F6031-H10 Mn2、 F6031-H08 MnMoA E -40 27 F6041 表中钢材力学性能的单值均为最小值。 板厚S 6

25、0100mm寸的Re值。 用于一般结构，其他用于重大结构。 由供需双方协议。 含Ar-CO2混合气体保护焊。 薄板I形坡口对接。 中、厚板坡口对接。 7） 下列情况的承重结构和构件不应采用 Q235沸腾钢： 焊接结构。 直接承受动力载荷或振动载荷且需要演算疲劳的结构。 工作温度低于-20 C时的直接承受动力载荷或振动载荷但不需要演算疲劳的结构以及承受静力载荷 的受弯及受拉德重要承重结构。 工作温度等于或低于-30 C的所有承重结构。 非焊接结构。 工作温度等于或低于-20 C时的直接承受动力载荷且需 要演算疲劳的结构。 8） 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格

26、保证，对焊接结构尚 应具有碳含量的合格保证。对焊接结构还应具有碳含量的合格证。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重 结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。 2.1.2焊接材料匹配 焊接不同类别钢材时，焊接材料的匹配应符合设计要求。常见结构钢材采用焊条电弧焊、 CO2气体 保护焊和埋弧焊进行焊接，焊接材料可按表 2-1-1中的规定。 2.2焊接方法的选用 选择焊接方法时必须符合以下要求： 能保证焊接产品的质量优良可靠； 生产率高，生产费用低，工 作条件好，能获得较好的经济效益。 影响这两方面的因素很多，概括如下： 产品特点： 产品结构类型 本单位焊接的产品按结构特点大致可分为以下三大类。 1.

27、 结构类 如桥梁钢结构、起重机械等的钢结构； 2. 机械零件类 如机械产品的零部件等； 3. 半成品类 如工字梁、管子等。 这些不同结构的产品由于焊缝的长短、 形状、焊接位置等个不相同，因而适用的焊接方法也会不同。 结构类产品中规则的的长焊缝和环缝宜采用埋弧焊； 手弧焊用于打底焊和短焊缝焊接， 机械类产品 接头一般较短，根据其准确度要求，选用气体保护焊（一般厚度） 、电渣焊（重型构件易于立焊的）；半 成品类的产品的焊接接头往往是规则的，宜采用适于机械化的焊接方法，如埋弧焊和气体保护焊。 表2-1-2焊接方法影响因素 焊 接 方 法 适用材料下焊接厚度（mm） 接头形式 焊接位置 费用 自 动

28、化 程 度 对 接 T 接 搭 接 平 焊 立 焊 横 焊 仰 焊 设 备 费 焊 接 费 手 工 电 弧 焊 碳钢 单道26 多道6以上 A A A A B B C 少 少 差 低合金钢 单道26 多道6以上 二氧化碳气保焊 碳钢 射流过渡：单道310;多道10以 上 短路过渡：单道0.56;多道6 20 A A A A A B C 中 少 好 低合金钢 射流过渡：单道310;多道10以 上 短路过渡：单道0.56;多道6 20 埋 弧 焊 碳钢 单道524 多道24以上 A A A A D B D 中 少 好 低合金钢 单道524 多道24以上 栓 钉 焊 碳钢 少 少 好 低合金钢 电

29、渣 焊 碳钢 24以上 A A B C A D D 大 少 好 低合金钢 24以上 栓钉的材料为 ML15和ML15AI。（GB/T6478-2001冷镦和冷挤压用钢）；栓钉的规格有：M10 M13 M16 M19 M22 M25等（GB/T10433-2002 电弧螺柱焊用圆柱头焊钉 ） 工件厚度 工件的厚度可在一定程度上决定所适用的焊接方法。 每种焊接方法由于所用热源不同， 都有一定的 适用的材料厚度范围。对于熔焊而言，是以焊透而不烧穿为前提。可焊最小的厚度是指稳定状态下单面 单道焊恰好焊透而不发生烧穿的厚度。显然， 焊件越薄，越须注意烧穿问题；可焊最大厚度则决定于该 焊接方法在最大热输入

30、下单面单道焊的最大熔深。 焊件越厚，越须注意焊透问题。如果该结构允许开坡 口又能采用双面多层多道焊， 则可焊的最大厚度在技术上不再有困难， 此时焊接方法由生产率和经济因 素决定。在推荐的厚度范围内焊接时较易控制焊接质量和保持合理的生产率。 接头形式和焊接位置 焊接接头形式通常由产品结构形式、使用要求和母材的厚度等因素决定。对接、搭接、 T形接和角 接是最基本的形式，这些接头形式对大部分熔焊方法均适用。 焊接位置 在不能变位的情况下焊接焊件上所有的焊缝，就会因焊缝处于不同空间位置而须采用平焊、立焊、 横焊、或仰焊等四种不同的位置的焊接。一种焊接方法能进行这四种位置的焊接称可全位置焊的方法。 就熔

31、焊而言，埋弧焊只适用于平焊位置， 电渣焊适用于立焊。 其他如焊条电弧焊、 各种气体保护电弧焊 均能全位置焊。各种焊接方法中以平焊最容易操作，生产率高，焊接质量容易保证，而仰焊操作最难， 极易产生焊接缺陷。因此有条件的应是焊件变位，让焊缝都处于平焊位置施焊。 母材特性 母材的特性考虑的包括母材的物理性能、 力学性能和冶金性能。由于焊接结构中最常用是普通碳钢 和低合金钢，几乎所有焊接方法都能选用，但随着含碳量或合金含量的增加，其焊接性能变差。 或碳当量高的合金结构钢宜采用冷却速度慢的焊接方法，已减少热影响区开裂倾向。 选择好焊接方法的影响因素还包括技术水平、设备和焊接用消耗材料等。所有的因素须综合

32、考虑, 选择最经济最适用的方法。表 2-1-2提供了综合各种因素而适用的焊接方法， 2.3焊接结构设计 2.3.1焊接应力 2.3.1.1 焊接应力的特点和分类 特点 没有外力作用的情况下，平衡于物体内的应力称内应力。引起内应力的 原因很多，由焊接引起的内应力称焊接应力。 焊接应力也和其他原因引起的内应力一样，有一个基本特点，即在整个 焊件内构成一个平衡力系，其内力与内力矩的总和都为零： J axydF = 0 因此，在焊件横截面上内应力的分布（图 2-3-1 ），总是既有拉应力，又 有压应力，是双值同时出现的。 而且应力分布图上拉应力的面积 （图 焊接应力 分类 说明 按应力在焊 件内的空间

33、 位置一维空间应力 单向（或单轴）应力。应力沿焊件一个方向作用 二维空间应力 双向（或双轴）应力。应力在一个平面内不冋方向作用 咼碳钢 以供参考。 图 2-3-1长板对接焊后横截面上 41 中用丁表示的影线面积）等于压应力得面积 （用宁表示的影线面积）。 分类（见表2-3-1 ） 表2-3-1焊接应力分类分 三维空间应力 三向（或三轴）应力。应力在空间所有方向作用 的纵向应力禺；的分布 按应力产生 的原因分 热应力 焊接过程中焊件内部温度有差异所引起的应力， 故又称温差应力， 它随温差消失而消失。热应力是引起热裂纹的力学原因 相变应力 焊接过程中局部金属发生相变，其比容增加或减小而引起的应力

34、塑变应力 金属局部发生拉伸或压缩塑性变形后引起的内应力。焊接过程中 在近缝高温区德金属热膨和冷缩受阻时产生这种塑性变形，从而 引起焊接的内应力 按应力存在 的时间分 焊接瞬时应力 在焊接过程中，某一瞬时的焊接应力，随时间而变化。它和焊接 热应力没有本质区别，当温度也随时间而变化时，热应力也是瞬 时应力。统称暂时应力。 焊接残余应力 焊完冷却后残留在焊件内的应力。图 2-3-1所示即为残余应力。 它对焊接结构的强度、腐蚀和尺寸稳定性等使用性能有影响。 2.3.1.2 焊接残余应力对结构的影响 熔化焊必然会带来焊接残余应力， 焊接残余应力在钢结构中并非都是有害的。 根据钢结构在工程中 的受力情况、

35、使用的材料、不同的结构设计等，正确选择焊接工艺，将不利的因素变为有利的因素。同 时要做到具体情况具体分析。 1 ）对静载强度的影响 塑性良好的金属材料， 焊接残余应力的存在并不影响焊接结构的静载强度。 在塑性差的焊件上，因 塑性变形困难， 当残余应力峰值达到材料的抗拉强度时， 由此可知，焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料钢 结构的静载强度。 2 ）对构件加工尺寸精度的影响 对尺寸精度要求高的焊接结构，焊后一般都采用切 削加工来保证构件的技术条件和装配精度。通过切削加 工把一部分材料从构件上去除，使截面积相应减小，同 时也释放了部分残余应力，使构件中原有残余应力的平 衡得到破坏，引起构件变形。

36、 3 ）对受压杆件稳定性的影响 焊接后工字梁（H形）中的残余压应力和外载引起的压应力叠加之和达到材料的屈服点时，这部分 截面就丧失进一步承受外载的能力， 削弱了有效截面积。这种压力的存在，会使工字梁的稳定性明显下 降，使局部或整体失稳，产生变形。 焊接残余应力对杆件稳定性的影响大小， 与内应力的分布有关，若能使有效截面远离压杆的中性轴， 如图2-3-2所示的H形焊接杆件，可以改善其稳定性。 恃 盖板在边缘进行焊接， 均使边缘存在较大拉内应力。 这样的结构内应力状态其失稳临界应力比一般焊接 的H形截面咼。 4 ）对应力腐蚀裂纹的影响 金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生的延迟开裂现象，

37、 称为应力腐蚀裂纹。应力腐 蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和拉应力共同作用的结果。 采用熔化焊焊接的构件，焊接残余应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀介质中，尽管拉应力不一 定很高都会产生应力腐蚀开裂。其中残余拉应力大小对腐蚀速度有很大的影响， 当焊接残余应力与外载 荷产生的拉应力叠加后的拉应力值越高， 产生应力腐蚀裂纹的倾向就高，产生应力腐蚀开裂的时间就越 短。所以，在腐蚀介质中服役的焊件，首先要选择抗介质腐蚀性能好的材料，此外对钢结构的焊缝及其 周围处进行锤击，使焊缝延展开，消除焊接残余应力。对条件允许焊接加工的钢结构， 在使用前进行消 除应力退火等。局部首先发生开裂，最后导致钢结构整体破坏。

38、 图 2-3-2带气割 2.3.1.3从设计方面调节和控制焊接残余应力（工艺措施见下章） 焊接内应力是可以通过结构设计和焊接工艺措施等进行调节与控制。工艺措施将在下一章详细介绍。 尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。 多一条焊缝就多一处内应力源； 过大的焊缝尺寸，焊接时 受热区加大。使引起残余应力与变形的压缩塑变区或变形量增大。 避免焊缝过分集中， 焊缝间应保持足够的距离。 焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀， 而且可能 出现双向或三向复杂的应力状态。 采用刚性较小的接头形式。 2.3.2焊接变形 2.3.2.1 焊接变形的特点和分类 特点 焊件由于焊接而产生的变形称焊接变形。 焊接变形与焊件

39、形状尺寸、 材料的热物理性能及加热条件 等因素有关。如果是简单的金属杆件在自由状态下均匀的加热或冷却， 该杆件将按热膨冷缩的基本规律 在长度上产生伸长或缩短的变形， 焊接时不均匀加热过程， 热源只集中在焊接部位， 且以一定速度向前 移动。局部受热金属的膨胀能引起整个焊件发生平面内或平面外的各种形态的变形。 变形是从焊接时便 产生，并随焊接热源的移动和焊件上温度分布的变化而变化。 一般情况下一条焊缝在施焊处受热发生膨 胀变形，后面开始在凝固和冷却处发生收缩。 膨胀和收缩在这条焊缝上不同部位分别产生， 直至焊接结 束并冷至室温，变形才停止。 分类 焊接过程中随时间而变的变形称焊接瞬时变形， 它对焊

40、接施工过程发生影响。焊完冷后，焊件上残 留下来的变形称焊接残余变形，它对结构质量和使用性能发生影响。 我们关心最多的是焊接残余变形，因为它直接影响结构的使用性能。所以在没有特别说明情况下， 一般所说的焊接变形，多是指焊接残余变形。按变形后的形态分，焊接残余变形可归纳成表 2-3-2所示 的几种类型。它们与焊件的形态、尺寸、焊缝在焊件上的位置、焊缝坡口的几何形状等因素有关。 表2-3-2焊接残余变形分类 类型 示意图 说明 在开坡口焊接时，焊接过程中坡口间时而张开时而闭合 的变形。在热源前方完全没有拘束的情况下，因连接焊 接坡口间隙常常张开，焊接热输入量越大，张开量越大 在板厚方向由于焊接而使温

41、度分布不均匀时，沿板厚方 向横向收缩不同，使板件在焊缝中心线处发生弯曲变 形。又叫角变形 收缩 垂直焊接方向的收缩 收缩 焊接方向的收缩 变形 板横向 的变形） 变 纵 向 形弯曲 焊接方向偏心收缩引起的弯曲变形 变形 波浪 变形 在薄板焊接时，由于焊接产生的压缩残余应力，使板件 出现因压曲形成的波浪变形 扭曲 变形 细长构件，纵向焊缝的横向收缩不均匀或备料与组装质 量不良，使构件绕自身轴线扭转 2.322 焊接变形收缩余量计算 1 ）纵向收缩 从理论上精确计算变形量目前比较困难。 工程上对于钢制细长焊件，如梁、柱等结构单层焊的纵向 收缩量 L,可利用以下经验公式估算： L=k1AHL/ A

42、式中 L - 单层焊纵向收缩量，mm k1 系数见表2-3-3 ; AH 塑性变形区面积，mm2 L 焊件长度，mm A - 焊缝的截面积，mm2 表2-3-3 k1 与焊接方法的关系（材料为低碳钢） 焊接方法 二氧化碳焊 埋弧焊 焊条电弧焊 系数 0.043 0.071 0.076 0.076 多层焊的纵向收缩量，将上式中的塑性变形区面积 AH改为一层焊缝金属的截面积，并将所计算的 结果再与系数k2相乘。 k2=1+85 汕 二=b s / E 式中 n层数。 因双面角焊缝焊接热输入量有一部分重叠， 所以，估算T形接头纵向收缩量时可按单面焊再乘一个 系数进行，即 LT= （1.151.40

43、） L单（式中AH是指一条焊缝的截面积）。 2）横向收缩 对接接头的横向收缩大小与焊接线能量、 坡口形式、焊缝截面积以及焊接工艺有关。对接接头的横 向收缩量厶B的估算可按下式进行： B=0.2A/ S + 0.05b 式中 B对接接头的横向变形量， mm A - 焊缝的截面积，mm2 S - 板厚，mm b - 对接间隙，mm 2.3.2.3从设计方面控制焊接残余变形（工艺方面见下章） 1 ）合理选择构件截面提高构件的抗变形能力 设计结构时要尽量使构件稳定、 截面对称，薄壁箱形构建的内板布置要合理， 特别是两端的内隔板 要尽量向端部布置； 构件的悬出部分不易过长；构件放置或吊起时，支承部位应具

44、有足够的刚度等。 较 容易变形或不易被矫正的结构形式要避免采用。可采用各种型钢、弯曲件和冲压件 （如工字梁、槽钢和 角钢）代替焊接结构，对焊接变形大的结构尽量采用铆接和螺栓连接。 对一些易变形的细长杆件或结构可采用临时工艺筋板、 冲压加强筋、增加板厚等形式提高板件的刚 度。如从控制变形的角度考虑，钢桥结构的箱形薄壁结构的板材不宜太薄，如起重 20t、跨度28m的箱 形双梁式起重机，主体箱形梁长度达 45m断面为宽800mm高1666mm内侧腹板厚度为 8mm夕卜侧腹 板6mm焊成箱形后，无论整体变形还是局部变形都比较大，而且矫正困难。因此，箱形钢结构的强度 不但要考虑板厚、刚度和稳定性，而且制

45、造和安装过程中的变形也是很重要的。 2 ）合理选择焊缝尺寸和布置焊缝的位置 焊缝尺寸过大不但增加了焊接工作量。对焊件输入的热量也多，而且也增加了焊接变形。所以， 在 满足强度和工艺要求的前提下，尽可能的减少焊缝长度尺寸和焊缝数量， 对联系焊缝在保证工件不相互 窜动的前提下，可采用局部点固焊缝；对无密封要求的焊缝， 尽可能采用断续焊缝。但对易淬火钢要防 止焊缝尺寸过小产生淬硬组织等。 设计焊缝时，尽量设计在构件截面中心轴的附近和对称于中性轴的位置， 使产生的焊接变形尽可能 的相互抵消。如工字梁其截面是对称的，焊缝也对称与工字梁截面的中性轴。 焊接时只要焊接顺序选用 合理，焊接变形就可以得到有效的

46、控制，特别是挠曲变形可以得到有效的控制。 3 ）合理选择焊缝的截面和坡口形式 要做到在保证焊缝承载能力的前提下， 设计时应尽量采用焊缝截面尺寸小的焊缝。 但要防止因焊缝 尺寸过小，热量输入少，焊缝冷却速度快易造成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。因此，应根据板厚、焊接方 法、焊接工艺等合理的选择焊缝尺寸。 此外，要根据钢结构的形状、尺寸大小等选择坡口形式。如平板对接焊缝，一般选用对称的坡口， 对于直径和板厚都较大的圆形对接筒体， 可采用非对称坡口形式控制变形。 在选择坡口形式时还应考虑 坡口加工的难易、 焊接材料用量、焊接时工件是否能够翻转及焊工的操作方便等问题。 如直径比较小的 筒体，由于在内部操作困

47、难， 所以纵焊缝或环焊缝可开单面 V或U形坡口。具体坡口形状和尺寸见下节 内容。 4 ）尽量减少不必要的焊缝 焊缝数量与填充金属量成正比， 所以，在保证强度的前提下， 钢结构中应尽量减少焊缝数量， 避免 不必要的焊缝。为防止薄板产生波浪变形， 可适当采用筋板增加钢结构的刚度， 用型钢和冲压件代替焊 件。 2.3.3焊接接头构造的设计与选择 （主要是熔焊接头） 2.3.3.1焊接接头的基本类型 焊接结构上的接头， 按被连接构件之间的相对位置及其组成的几何形状， 可归纳为图2-3-3所示的 五种类型：a为对接接头；b为角接接头；c为T形接头；d为搭接接头；e为卷边接头。 2.3.3.2 常用焊接接

48、头的工作特性 12 6 1 ）对接接头 将两焊件的表面构成 135180夹角的接头均称对接接 头。优点：传力效率最高，应力集中较低 ,并易保证焊透和排除工 艺缺陷，具有较好的综合性能，使重要零件和结构连接的首选接 头。缺点：焊前准备工作量大，组装费工时，而且焊接变形也较 大。 对接接头应力分布均匀，应力集中产生在焊趾处。如果在焊趾F 图 2-3-4不同板厚钢板对接接头设计 （L 35 - 5 1） 处加工成过渡圆弧半径或削平焊缝余高 h，均能使应力集中减小或消失，提高接头的疲劳强度。当两块 被连接板的厚度相差较大时， 按GB/T985、GB/T986,须将厚板削薄至薄板厚度相同时再焊接见图 2

49、-3-4 。 为了 防止因板厚不同引起作用力偏心传递， 两块板的中心线应尽可能重合，见图 力载荷且需要进行疲劳计算的结构，斜角坡度不应大于 2 ）搭接接头 搭接接头时两平板部分地相互搭置，用角焊缝进 行连接的接头。优点：焊前准备工作量较小，装配较 容易，对焊工技术水平要求较对接接头低，且横向收 缩量也较小，可用于工作环境良好， 不重要的结构中。 缺点：母材和焊接材料消耗大，接头动载强度低， 搭接面有间隙，若外漏易发生腐蚀，若封闭泽不能 在高温工作。能采用对接接头的尽量不采用搭接接 头。 搭接接头受轴向力时，以焊趾和焊根处的应力集中最大， 增加根部熔深可降低。只有正面角焊缝的 搭接接头，强度低，

50、应在背面加焊一条焊缝。当背面无法焊时，可采用锯齿状焊缝。搭接接头承受拉 力时，正向角焊缝与作用力偏心，接头上产生附加弯曲应力，使应力集中加剧。为了减少弯曲应力，两 条正面角焊缝之间的距离不应小于其板厚的 4倍，但也不宜大于 40K（动载时）或60K（静载时），否则 应力集中大，K为侧面角焊缝的焊脚尺寸。见图 2-3-5。 T形接头和十字接头 T形接头是将一件端面与另一件表面构成直角或近似直角的接头。三件相交组成“十”字形的接头 叫十字接头。优点：能承受各种方向外力和力矩。缺点：接头在外力作用下力线扭曲很大，造成极不均 匀的应力分布。 在外力作用下，应力集中点在根部和过渡处。立板开坡口并焊透的接

51、头，应力集中可大为降低。 对 重要构件，尤其是在动载下工作的 T形和十字接头应开坡口并焊透。 该类型接头应尽量避免在其板厚方 向承受高拉应力，因轧制的钢板常有夹层缺陷， 尤其是厚板更易产生层状撕裂， 所以应将工作焊缝转化 为联系焊缝。如两个方向都受力，则宜采用圆形、方形或特殊形状的轧钢、锻钢插入件。 4）角接接头 两焊件端部夹角在 30135。范围内的接头。角接接头独立使用的承载能力很低，一般都用它组 成箱体结构、容器结构后期作用。 2.3.3.3设计与选择焊接接头须考虑的因素 12 焊接接头有图2-3-3所示的基本形式。须正确的设计和选择。合理的接头设计和选择不尽能保证结 构的局部和整体强度

52、，还可以简化生产工艺，节省制造成本；反之，则可能影响结构的安全使用，甚至 无法施焊。下列为设计和选择焊接接头形式时须考虑的几个因素： 产品结构形状、尺寸、材质及技术要求； 焊接方法及接头的基本特性； 接头承受载荷的性质、大小，如拉伸、压缩、弯曲、交变载荷和冲击等； 接头的工作环境，如温度、腐蚀介质等； 焊接变形与控制，以及施焊的难易程度； 接头焊前的准备和焊接所需费用。 2.3.3.4 坡口的设计与选择 1 ）设计与选择坡口的原则 对接、T形接和角接接头中为了保证焊透常在焊前对待焊边缘加工出各种形状的坡口，如何设计和 选择坡口，主要取决被焊件的厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工艺程序。 （相关内

53、容在下面的坡口焊 缝设计中说明）。此外，还应尽量做到：2-3-4b。直接承受动 1 : 4,其它结构坡度不能大于 1 : 2.5。 填充材料应最少。 例如，同样厚度平板对接， 双面V形坡口比单面 V形坡口节省一半的填充金属材 料； 具有号的可达性。例如，有些情况不便或不能两面施焊时，宜选择单面 V形或U形坡口； 坡口容易加工，且费用低。 要有利于控制焊接变形。双面对称坡口角变形小。 2 ）标准的坡口形状和尺寸 国家标准GB/T985-88气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口基本形式与尺寸和 GB/T986-88 埋弧焊焊缝坡口基本形式与尺寸 （见附录I和附录H）。因此，除有特殊要求的焊缝坡口需

54、另行设计 外，一般焊接结构的焊缝坡口陡可以直接从国家标准中选用。 2.3.3.5 焊缝设计 .焊缝质量等级 焊缝应根据结构的重要性、载荷特性、焊缝形式、 工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别 选用不同的质量等级： 1. 在需要计算疲劳结构中，凡对接焊缝均应焊透。作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或 T 形对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；纵向对接焊缝应为二级。 2. 在不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝， 受拉时不应低于二级。受压时宜为 二级。因一级或二级对接焊缝的抗拉强度正好与母材的相等，而三级焊缝只有母材强度的 85% 3. 重级工作制和Q 50

55、t的中级工作制吊车梁腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间 的T形接头焊缝处于构件的弯曲受压区， 主要承受剪应力和轮压产生的局部压应力， 没有受到明确的拉 应力作用，按理不会产生疲劳破坏， 但由于承担轨道偏心等带来的不利影响， 国内外均发现连接及附近 经常开裂。所以规定，应予焊透，质量等级不低于二级。焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝。 4. 不要求焊透T形接头采用的角焊缝以及不焊透的对接与角接组合焊缝， 以及搭接连接采用的角焊 缝，由于内部探伤困难，不能要求其质量等级为一级或二级。 因此对直接承受动力载荷且需要验算疲劳 的结构和吊车起重量等于或大于 50t的中级工作制吊车梁，焊缝只能

56、规定其外观质量标准应符合二级； 其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。 （二）.焊缝设计要点 角焊缝 角焊缝断面形式 实际应用的角焊缝大致有图 2-3-6所示的几种断面形式。 图中K为焊脚尺寸，a为计算厚度，强度 a） h J c 1 ） ） 图2-3-6常用角焊缝断面形状及其计算断面 a ）标准角焊缝 b）外凸焊缝 c ）内凹焊缝d ）不等腰角焊缝 e ）深熔焊缝 尺寸要求 焊缝的焊脚尺寸 K（mn）不得小于1.5 , t （mm为较厚焊件厚度（当采用低氢型碱性焊条施焊时， t可采用较薄焊件的厚度）。但对埋弧自动焊，最小焊脚尺寸可减小 1mm对T形连接的单面焊缝， 应增 加1mm当焊件厚度等

57、于或小于 4mm寸，则最小焊脚尺寸与焊件厚度相同。 角焊缝的焊脚尺寸不宜大于较薄焊件厚度的 1.2倍（钢管结构除外）但板件（厚度为 t ）边缘的角 焊缝最大焊脚尺寸，尚应符合：当 t 6mml时，K SmirtEJL 第款的要求； 与较厚焊件接触的焊脚边应符合的要求。 不等焊脚角焊缝不宜在静载 下采用，因为增加焊脚长度并不能提高静载强度，反而增加填充金属量。 侧面角焊缝或正面角焊缝的计算长度不得小于 8K和40mm不宜大于60K,当大于时，其超过部分 在计算中不予考虑。若内力沿侧面角焊缝全长分布时，其计算长度不受此限。 在直接承受动力载荷的结构中， 角焊缝表面应做成直线形或凹形。 焊脚尺寸的比

58、例： 对正面角焊缝 宜为 1：1.5 （长边顺内力方向） ；对侧面角焊缝可为 1：1。 在次要构件或次要焊缝连接中，可采用断续角焊缝。断续角焊缝焊段的长度不得小于 10K或50mm 其静距不应大于 15t （受压构件）或 30t （受拉构件）， t 为较薄焊件的厚度。 当板件的端部仅有两侧面角焊缝连接时，每条侧面角焊缝长度不宜小于两侧面角焊缝之间的距离； 同时两侧面角焊缝之间的距离不宜大于 16t （当t 12mm或190mm（当t 135 （焊缝表面较难成型， 受力 状况不良） 或a V 60（焊缝施焊条件差，根部将留有空隙和焊渣）的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝 （钢管结构除外） 。 2坡口

59、焊缝 采用坡口焊缝的主要目的是为了保证接头能焊透而不出现工艺缺陷。 在设计或选择坡口焊缝时, 必 须注意施焊可达性,其中主要考虑坡口角度、根部间隙、钝边和根部半径等参数。下列是注意事项： 焊条电弧焊时, 为了保证焊条能够接近接头根部, 并能在多层焊时侧边熔合良好, 当减小坡口角 时,根部间隙必须增大。注意,前者减小,可用较少的填充金属量。而后者增大,却增加填充金属量。 研究发现，板厚S V 20mm时，用大坡口角度而用小根部间隙， S 20mmi时用小坡口角度大根部间隙的 坡口形式才算经济的。 根部间隙过小,根部难以熔透,并须采用较小规定的焊条,从而减慢焊接过程 ; 若根部间隙过大, 虽然应用

60、衬垫可保证焊接质量,但需较多的填充金属,从而提高焊接成本,并增加焊接变形。 熔化气体保护焊由于焊丝细, 且使用特殊导电嘴, 可以实现厚板 （ 200mm） L 形坡口的窄间隙 （V 10mm的对接焊。 开坡口的接头, 不留钝边的坡口称锐坡口, 背面无衬垫情况下焊接第一层焊道时极易烧穿, 而且 需用较多的填充金属，故一般都留钝边。钝边的高度以既保证熔透又不至烧穿为度。焊条电弧焊 V或U 形坡口的钝边一般取 03mm双面V或U形坡口取02mm埋弧焊的熔深比焊条电弧焊大，故钝边可 适当加大以减小填充金属。 留钝边的接头, 根部间隙的大小主要决定于焊接工艺与焊接位置。 在保证焊 透的前提下,间隙尽可能