第六章_焊接结构设计

1、1第六章第六章 焊接结构设计焊接结构设计2 本章重点和难点：本章重点和难点： p焊接结构的设计要求和原则焊接结构的设计要求和原则p焊接接头的设计（接头、坡口等）焊接接头的设计（接头、坡口等）p焊接结构细节的设计焊接结构细节的设计3焊接结构是金属结构中一种最主要的结构形式，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，接结构，它们大多依据有关的规程规范进行设计，焊接手册焊接手

2、册第第3卷、卷、焊接结构设计手册焊接结构设计手册及其他及其他大量著作。大量著作。一、焊接结构、接头和细节设计一、焊接结构、接头和细节设计 41焊接结构设计的内容焊接结构设计的内容 1) 选择结构材料选择结构材料，包括制造结构材料种类和规格。，包括制造结构材料种类和规格。2) 确定结构的形式确定结构的形式，进行结构强度、刚度、稳定性等，进行结构强度、刚度、稳定性等进行的计算进行的计算(这种计算是在力系分析基础上进行的这种计算是在力系分析基础上进行的)。3) 结构细节设计结构细节设计、焊接设计和计算。、焊接设计和计算。 4) 绘制焊接图绘制焊接图，规定产品的技术条件、工艺要求等。，规定产品的技术条

3、件、工艺要求等。5) 编制设计计算说明书编制设计计算说明书，其中包括设计结构的构造合，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。理性和技术经济先进性的论证。52. 焊接结构设计的焊接结构设计的基本要求基本要求和和遵循原则遵循原则 u基本要求基本要求：实用性、安全性、工艺性和经济性实用性、安全性、工艺性和经济性等。等。u遵循原则遵循原则：1) 合理选择合理选择材料的种类，尽量材料的种类，尽量采用采用标准件、通用件和型材标准件、通用件和型材。2) 合理地设计合理地设计结构形式结构形式。尽量采用。尽量采用简洁明快的结构简洁明快的结构构造形式，构造形式，采用采用最简单和最合理的接头形式最简单

4、和最合理的接头形式，并且，并且种类越少越好种类越少越好，减少短而，减少短而不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。3) 合理地合理地布置焊缝布置焊缝。例如。例如对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密集集，重要的重要的工作焊缝要工作焊缝要连续连续，次要的次要的联系焊缝可用联系焊缝可用断续焊缝断续焊缝，这，这有利于焊接施工和减少焊接工作量，便于控制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焊接应力和变形。4) 施工方便并考虑施工方便并考虑改善工人劳动条件改善工人劳动条件。设计结构时就要。设计结构时就要考虑考虑到日后施工的

5、很多问题到日后施工的很多问题，如，如可达性问题可达性问题，保证各种施工必需的操，保证各种施工必需的操作空间问题等。作空间问题等。6二、焊接接头形式二、焊接接头形式 对接接头对接接头角接接头及角接接头及 T字形接头字形接头搭接接头搭接接头焊接接头形式焊接接头形式（a）对接接头；）对接接头； （b）角接接头；）角接接头； （c）搭接接头）搭接接头焊接接头的三种形式焊接接头的三种形式7板材对接焊缝试件板材对接焊缝试件 管材对接焊缝试件管材对接焊缝试件 板材角焊缝试件板材角焊缝试件 管与管与 板角焊缝试板角焊缝试件件 对接焊缝试件对接焊缝试件 角焊缝试件角焊缝试件 注意：接头是由焊缝连接而成，同一种焊

6、缝可以连接不同的接头。注意：接头是由焊缝连接而成，同一种焊缝可以连接不同的接头。8注意：焊接工艺评定时考察的对象是注意：焊接工艺评定时考察的对象是“焊缝焊缝”，而不是焊接接头。，而不是焊接接头。对接接头 T形接头 角接接头 锁底接头对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝 对接焊缝角接接头 T形接头 搭接接头 对接接头角焊缝 角焊缝 角焊缝 角焊缝9受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。易得到保证。1对接接头对接接头 结构：结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。同

7、一弧面内进行焊接的接头。特点：特点：应用：应用：最常用的焊接结构形式。最常用的焊接结构形式。10结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。比较严重，且焊接质量也不易得到保证。2角接接头和角接接头和T型接头型接头 结构：结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。某一角度进行焊接的接头。 T型接头指两构件成型接头指两构件成T字形字形焊接在一起的接头。角接接头和焊接在一起的接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝。字接头都形成角焊缝。特

8、点：特点：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接等。接等。应用：应用：113搭接接头搭接接头 主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。与容器的焊接。结构：结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。相互平行，进行焊接的接头。特点：特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。连续，承载后接头部位受力情况较差。应用：

9、应用：121. 焊接坡口焊接坡口为保证全熔透和焊为保证全熔透和焊接质量，减少焊接接质量，减少焊接变形，施焊前，一变形，施焊前，一般将焊件连接处预般将焊件连接处预先加工成各种形状。先加工成各种形状。不同的焊接坡口，不同的焊接坡口，适用于不同的焊接适用于不同的焊接方法和焊件厚度。方法和焊件厚度。三、坡口形式三、坡口形式 形形V型型单边单边V形形U形形J形形基本坡口形状基本坡口形状组合形状组合形状坡口形状坡口形状13坡口的基本形式坡口的基本形式特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。J型型U型型单边单边V型型V型型I型型1415

10、16双双V形坡口由两个形坡口由两个V形坡口和一个形坡口和一个I形坡口组合而成形坡口组合而成 双双V形坡口形坡口172. 坡口形式的选择坡口形式的选择熔焊坡口形式熔焊坡口形式根据其形根据其形状可分为状可分为三类：三类：基本型基本型，I形、形、V形和形和单单V形、形、U形和单形和单U形形等；等；特殊型特殊型，如卷边的、带，如卷边的、带垫板的、锁边的和开槽焊垫板的、锁边的和开槽焊等；等；组合型组合型18 压焊接头压焊接头 电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊和爆炸焊统称为电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊和爆炸焊统称为压焊压焊，其中，其中电阻焊和摩擦焊电阻焊和摩擦焊应用最广。应用最广。 电阻焊电阻焊和和摩

11、擦焊摩擦焊在汽车工业中应用很普遍，在汽车工业中应用很普遍，电阻焊电阻焊中中的的点焊点焊和和缝焊缝焊多是采用多是采用搭接接头搭接接头。摩擦焊接头摩擦焊接头通常采用通常采用对对接接头接接头。钎焊接头钎焊接头 钎焊接头也有多种类型，但钎焊接头也有多种类型，但基本类型基本类型只有只有对接接头和对接接头和搭接接头搭接接头两种。两种。19 坡口形式的选择坡口形式的选择1) 工厂的加工条件工厂的加工条件。采用双。采用双V形、形、Y形、单边形、单边V形、双形、双单边单边V形、形、V形、形、I形等坡口可用形等坡口可用气割、等离子弧切割气割、等离子弧切割或或金金属切削方法属切削方法加工。但双加工。但双U形、带钝边

12、形、带钝边U形、带形、带 钝边钝边J形、形、U形、形、Y形坡口一般需用形坡口一般需用刨边机加工刨边机加工，效率较热切割低。，效率较热切割低。2) 可达性的好坏可达性的好坏。采用。采用Y形、带垫板形、带垫板Y形、带垫板形、带垫板V形、形、VY形形(上图上图g)、带钝边的、带钝边的U形形(上图上图h)等坡口的接头，施焊等坡口的接头，施焊时，一般时，一般可不需翻转可不需翻转。内径较小内径较小的容器或管道，的容器或管道，不便翻转不便翻转的结构，为的结构，为避免仰避免仰焊焊及及不能从内侧施焊不能从内侧施焊，可采用这种坡口和焊缝形式。，可采用这种坡口和焊缝形式。2021 坡口形式的选择坡口形式的选择3)

13、减小焊接材料的消耗量减小焊接材料的消耗量。一般熔敷金属量小，焊接。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：材料消耗也小，也节省加工时间。同样板厚：Y形形比比双双Y形形坡口坡口的熔敷金属量的熔敷金属量增加增加最大可达最大可达50，双双U形或形或UY形形则更则更加节省熔敷金属。因此，常用于加节省熔敷金属。因此，常用于大厚度的焊接接头大厚度的焊接接头。4) 考虑焊接变形与应力考虑焊接变形与应力。例如：。例如：单面焊单面焊可能引起可能引起角变角变形形和焊缝根部的严重和焊缝根部的严重焊接残余应力焊接残余应力，此时要考虑材料，此时要考虑材料(母材母材)特点，采用特点，采用适当的工艺适

14、当的工艺和和坡口形式坡口形式，以便获得合格的接头。，以便获得合格的接头。22四、压力容器焊接接头分类（四、压力容器焊接接头分类（GB1501998钢制压力容器钢制压力容器）圆筒部分的纵向接头、球形封头与圆筒连接的环向接圆筒部分的纵向接头、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头。与壳体对接连接的接头。目的：目的：为对错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面为对错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面有针对性地提出不同的要求，有针对性地提出不同的要求，GB150根据根据，接头，接头所连接两元件的所连

15、接两元件的以及以及，把接头分成，把接头分成A、B、C、D四类，如下页图示。四类，如下页图示。 A类：类：23 压力容器焊接接头分类压力容器焊接接头分类球形封头球形封头筒体筒体锥形封头锥形封头法兰法兰接管接管24壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头。但已规定为头、长颈法兰与接管连接的接头。但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。类的焊接接头除外。B类：类：平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层接管连接的接头，内封头与

16、圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。包扎容器层板层纵向接头。C类：类：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但已规定为已规定为A、B类的焊接接头除外。类的焊接接头除外。D类：类：25焊接接头分类的原则仅根据焊接接头在容器焊接接头分类的原则仅根据焊接接头在容器所处的位置而不是按焊接接头的结构形式分所处的位置而不是按焊接接头的结构形式分类，所以，在设计焊接接头形式时，应由容类，所以，在设计焊接接头形式时，应由容器的重要性、设计条件以及施焊条件等确定器的重要性、设计条件以及施焊条件等确定焊接结构。这样，同一类别的焊接接头在不焊接结构。这样

17、，同一类别的焊接接头在不同的容器条件下，就可能有不同的焊接接头同的容器条件下，就可能有不同的焊接接头形式。形式。注意：注意：26易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。五、压力容器焊接结构设计的基本原则五、压力容器焊接结构设计的基本原则1尽量采用对接接头尽量采用对接接头角焊缝，改用对接焊缝图角焊缝，改用对接焊缝图5（a）改为（）改为（b）和（）和（c）。减小了应力集中，方便了无

18、损检测，有利于保证接头减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。的内部质量。举例：举例：27图图5 容器接管的角接和对接容器接管的角接和对接（a）（b）（c）282尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷 选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。采用带垫板的坡口等。指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下指基体金属和焊

19、缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点，未熔透导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。未熔透未熔透改进改进29尽可能采用尽可能采用等厚度焊接等厚度焊接，对于不等厚钢板的对接，应将，对于不等厚钢板的对接，应将较厚板按一定斜度较厚板按一定斜度削薄过渡削薄过渡，然后再进行焊接，以避免，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度2不大不大于于10mm，两板厚度差超过，两板厚度差超过3mm；或当薄板厚度；或当薄板厚度2大于大于10mm，两板厚

20、度差超过薄板的，两板厚度差超过薄板的30%，或超过，或超过5mm时，时，均需按图均需按图6的要求削薄厚板边缘。的要求削薄厚板边缘。3尽量减少焊缝处的应力集中尽量减少焊缝处的应力集中 接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。焊接结构时必须尽量减少应力集中。措施：措施：30 图图6 板厚不等时的对接接头板厚不等时的对接接头31尽量减少填充金属量；尽量减少填充金属量；保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；便于施焊，改善劳动条件；便于施焊，改善劳动条件；减少焊接变形和残余变形量，对较厚

21、元件焊接应减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应 尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。形坡口等。六、压力容器常用焊接结构设计六、压力容器常用焊接结构设计主要内容：主要内容：选择合适的焊缝坡口，方便焊材选择合适的焊缝坡口，方便焊材(焊条或焊丝）伸焊条或焊丝）伸入坡口根部，以保证全熔透。入坡口根部，以保证全熔透。坡口选择因素：坡口选择因素：32纵、环焊缝必须采用对接接头。纵、环焊缝必须采用对接接头。对接接头的坡口形式可分为不开坡口（又称齐边坡口）、对接接头的坡口形式可分为不开坡口（又称齐边坡口）、V形坡口、形坡口、X形坡口、单形坡口、单U形坡口和双形坡口

22、和双U形坡口等数种，应根形坡口等数种，应根据筒体或封头厚度、压力高低、介质特性及操作工况选择据筒体或封头厚度、压力高低、介质特性及操作工况选择合适的坡口形式。合适的坡口形式。1筒体、封头及其相互间连接的焊接结构筒体、封头及其相互间连接的焊接结构一般只能采用角接焊和搭接焊，具体的焊接结构还与容器一般只能采用角接焊和搭接焊，具体的焊接结构还与容器的强度和安全性要求有关。有多种接头形式，涉及是否开的强度和安全性要求有关。有多种接头形式，涉及是否开坡口、单面焊与双面焊、熔透与不熔透等问题。设计时，坡口、单面焊与双面焊、熔透与不熔透等问题。设计时，应根据压力高低、介质特性、是否低温、是否需要考虑交应根据

23、压力高低、介质特性、是否低温、是否需要考虑交变载荷与疲劳问题等来选择合理的焊接结构。常用的结构：变载荷与疲劳问题等来选择合理的焊接结构。常用的结构：2. 接管与壳体及补强圈间的焊接结构接管与壳体及补强圈间的焊接结构33图（图（a）：）：单面焊接结单面焊接结构，适用于内径小于构，适用于内径小于600mm、盛装无腐蚀性、盛装无腐蚀性介质的接管与壳体之间介质的接管与壳体之间的焊接，接管厚度应小的焊接，接管厚度应小 于于6mm；（1）不带补强圈的插入式接管焊接结构）不带补强圈的插入式接管焊接结构中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接结构，接管与

24、壳体间隙应小于结构，接管与壳体间隙应小于3mm，否则易产生裂纹或，否则易产生裂纹或其它焊接缺陷。其它焊接缺陷。(a)34(b)(c)图（图（b）：）：最常用的插入式接管焊接结构之一，为全熔透结最常用的插入式接管焊接结构之一，为全熔透结 构。适用于具备从内部清根及施焊条件、壳体厚度在构。适用于具备从内部清根及施焊条件、壳体厚度在 425mm、接管厚度大于等于、接管厚度大于等于0.5倍壳体厚度的情况；倍壳体厚度的情况；图（图（c）：）：在（在（b）的基础上，将接管内径边角处倒圆，可用）的基础上，将接管内径边角处倒圆，可用 于疲劳、低温及有较大温度梯度的操作工况。于疲劳、低温及有较大温度梯度的操作工

25、况。35图（图（b）：）：承受低温、疲劳及温度梯度较大工况的容器，承受低温、疲劳及温度梯度较大工况的容器， 保证接管根部及补强圈内侧焊缝熔透。保证接管根部及补强圈内侧焊缝熔透。（2）带补强圈的接管焊接结构）带补强圈的接管焊接结构要求：要求：尽量与补强处的壳体贴合紧密，焊接结构力求完尽量与补强处的壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。善合理。但只能采用搭接和角接，难于保证全熔透，也无但只能采用搭接和角接，难于保证全熔透，也无法进行无损检测，因而焊接质量不易保证。法进行无损检测，因而焊接质量不易保证。坡口：坡口： 大间隙小角度，利于焊条伸入到底，减少焊接工作量大间隙小角度，利于焊条伸入到底，减少焊接

26、工作量图（图（a）：）：一般要求的容器，即非低温、无交变载荷的容器一般要求的容器，即非低温、无交变载荷的容器36带补强圈的插入式接管焊接结构带补强圈的插入式接管焊接结构（a）（b）37图（图（a）：）：适用于适用于接管内径小于或等接管内径小于或等于于100mm的场合；的场合；（3）安放式接管的焊接结构）安放式接管的焊接结构优点：优点： 结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行射线检测等。结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行射线检测等。（a）38安放式接管与壳体的焊接结构安放式接管与壳体的焊接结构（b）（c）/3,6,ntntKmm h且不小于图（图（b）和（）和（c）：）：适用于壳体厚度适用于壳体厚度n16