第21章焊接结构设计

1、金属材料及工艺（第二版）焊接篇之焊接结构设计主讲：主讲： 设计焊接结构时，既要根据该结构的使用要求，包括一定的形状、工作条件和技术要求等，也要考虑结构的焊接工艺要求，力求焊接质量良好，焊接工艺简单，生产率高，成本低。焊接结构工艺性，一般包括焊接件材料的选择、焊接方法的选择、焊缝的布置和焊接接头及坡口形式设计等。 22.1 22.1 焊接结构件材料的选择焊接结构件材料的选择 焊接结构在满足使用性能要求的前提下，首先要考虑选择焊接性能较好的材料来制造。在选择焊接件的材料时，要注意以下几个问题： (1) 尽量选择低碳钢和碳当量小于0.4%的低合金结构钢。 (2) 应优先选用强度等级低的低合金结构钢，

2、这类钢的焊接性与低碳钢基本相同，钢材价格也不贵，而强度却能显著提高。 锻压、冲压材料 (3) 强度等级较高的低合金结构钢，焊接性能虽然差些，但只要采取合适的焊接材料与工艺，也能获得满意的焊接接头。设计强度要求高的重要结构可以选用。 (4) 镇静钢比沸腾钢脱氧完全，组织致密，质量较高，可选作重要的焊接结构。 (5) 异种金属的焊接，必须特别注意它们的焊接性及其差异，对不能用熔焊方法获得满意接头的异种金属应尽量不选用。 22.2 22.2 焊接方法的选择焊接方法的选择 各种焊接方法都有其各自特点及适用范围，选择焊接方法时要根据焊件的结构形状、材质、焊接质量要求、生产批量和现场设备等，确定最适宜的焊

3、接方法。以保证获得优良质量的焊接接头，并具有较高的生产效率。 锻压、冲压材料 选择焊接方法时应遵循以下原则。 (1) 焊接接头使用性能及质量要符合要求，如点焊、缝焊都适于薄板结构焊接，缝焊才能焊出有密封要求的焊缝；又如氩弧焊和气焊都能焊接铝合金，但氩弧焊的接头质量高。 (2) 提高生产率，降低成本，若板材为中等厚度时，选择手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊均可。如果是平焊长直焊缝或大直径环焊缝，批量生产，应选用埋弧焊；如果是不同空间位置的短曲焊缝，单件或小批量生产，采用手工电弧焊为好。 (3) 可行性，要考虑现场是否具有相应的焊接设备，野外施工有否电源等。 锻压、冲压材料22.3 22.3 焊接接

4、头的工艺设计焊接接头的工艺设计 焊接接头的工艺设计包括焊缝的布置、接头的形式和坡口的形式等。 22.3.1 22.3.1 焊缝的布置焊缝的布置 合理的焊缝位置是焊接结构设计的关键，与产品质量、生产率、成本及劳动条件密切相关。其一般工艺设计原则如下： (1) 焊缝的布置尽可能的分散。焊缝密集或交叉，会造成金属过热，热影响区增大，使组织恶化。同时焊接应力增大，甚至引起裂纹。如图22.3.1所示。 (a) 不合理 (b) 合理图22.3.1 焊缝分散布置的设计示意图 (2) 焊缝的布置尽可能的对称。为了减小变形，最好是能同时施焊，如图22.3.2所示。 (a)不合理 (b) 合理图22.3.2 焊缝

5、对称布置的设计示意图 锻压、冲压材料 (3) 便于焊接操作。手工电弧焊时，至少焊条能够进入待焊的位置，如图22.3.3所示；点焊和缝焊时，电极能够进入待焊的位置，如图22.3.4所示。 图22.3.3 搭接缝焊的布置 图22.3.4 点焊或缝焊焊缝的布置 锻压、冲压材料 (4) 焊缝要避开应力较大和应力集中部位。对于受力较大、结构较复杂的焊接构件，在最大应力断面和应力集中位置不应布置焊缝。如大跨度的焊接钢梁，焊缝应避免在梁的中间，如图22.3.5 (a)所示；压力容器的封头应有一直壁段，不就采用如图22.3.5 (b)所示的无折边封头结构；在构件截面有急剧变化的位置，不应如图22.3.5 (c

6、)所示布置焊缝。 图22.3.5 焊缝避开最大应力及应力集中位置布置的设计示意图 锻压、冲压材料 (5) 焊缝应尽量避开机械加工表面。需要进行机械加工，如焊接轮毂、管配件等。其焊缝位置的设计应尽可能距离已加工表面远些，如图22.3.6所示。 图22.3.6 焊缝远离机械加工表面的设计示意图 锻压、冲压材料 (6) 采用埋弧焊焊接时，焊件的结构要有利于焊剂的堆放，如图22.3.7所示。 图22.3.7 采用埋弧焊焊接时应有利于焊剂的堆放 锻压、冲压材料22.3.2 22.3.2 接头的设计接头的设计 焊接接头设计应根据焊件的结构形状、强度要求、工件厚度、焊后变形大小、焊条消耗量、坡口加工难易程度

7、、焊接方法等因素综合考虑决定。主要包括接头形式和坡口形式等，如图22.3.8所示。 1) 焊接接头形式 焊接碳钢和低合金钢常用的接头形式可分为对接、角接、T形接和搭接等。对接接头受力比较均匀，是最常用的接头形式，重要的受力焊缝应尽量选用。搭接接头因两工件不在同一平面，受力时将产生附加弯矩，金属消耗量也大，一般应避免采用。但搭接接头不需开坡口，装配时尺寸要求不高，对某些受力不大的平面连接与空间构架，采用塔接接头可节省工时。角接接头与T形接头受力情况都较对接接头复杂，但接头成直角或定角度连接时，必须采用这种接头形式。锻压、冲压材料2) 焊接坡口形式 开坡口的目的是使焊件接头根部焊透，同时焊缝美观，

8、此外，通过控制坡口的大小，来调节焊缝中母材金属与填充金属的比例，以保证焊缝的化学成分。手工电弧焊坡口的基本形式是I形坡口(或称不开坡口)、Y形坡口、双Y形坡口、U形坡口等4种，不同的接头形式有各种形式的坡口，其选择主要根据焊件的厚度，如图22.3.8所示。 (a) 对接接头 (b) 角接接头 (c) T形接头 (d) 搭接接头 图22.3.8 手工电弧焊焊接接头及坡口形式 锻压、冲压材料 3) 接头过渡形式 两个焊接件的厚度相同时，双Y形坡口比Y形坡口节省填充金属，而且双Y形坡口焊后角变形较小，但是，这种坡口需要双面施焊。U形坡口也比Y形坡口节省填充金属，但其坡口需要机械加工。坡口形式的选择既取决于板材厚度，也要考虑加工方法和焊接工艺性。如要求焊透的受力焊缝，尽量采用双面焊，以保证接头焊透，且变形小，但生产率低。若不能双面焊时才开单面坡口焊接。 对于不同厚度的板材为保证焊接接头两侧加热均匀，接头两侧板厚截面应尽量相同或相近，如图22.3.9所示。不同厚度钢板对接时允许厚度差见表22.3.1。 L5(1) L2.5(1) 图22.3.9 不同厚度对接图 锻压、冲压材料22.3.3 22.3.3 焊缝结构和位置的设计举例焊缝结构和位置的设计举例 不合理结构合理结构设计理由焊缝应均匀对称布置，可防止焊接应力分布不对称而产生的变形焊缝不能交叉密集焊条运