焊接结构、接头和结构细节设计

例如：厚度为30mm的板对接，既可以选择 图5-1i所示的双Y形坡口(由表5-6可查得：用 焊条电弧焊时，该坡口适于12～60mm厚的 板；用埋弧焊时，适于24-60mm厚的板)，也 可以选择图5-lm所示带钝边的双U形坡口。 无论选择哪一种坡口形式，都首先要保证接 头质量，同时还要考虑经济性。
7
常用熔焊接头坡口形式
3
2．焊接结构常用的设计方法
(1) 许用应力法，又称为常规设计方法、安全系数设计法。
它是目前最常用的结构设计方法，如压力容器、锅炉、起重机金属结构和 焊接机器零件等都采用这种设计方法。 焊接容器结构设计的强度条件：σ< [σ]
(2) 以概率论为基础的极限状态设计法
如果已知应力和抗力的随机变量分布函数，则利用概率论的数学方法可以 计算出结构可靠度。如果选择确定结构的最优可靠度，达到设计结构在技术上 可靠、在经济上节省，这就是所谓的概率设计法。 目前仍是近似的概率设计法，采用分项系数表达式进行结构设计，即：
图5-1 常用熔焊接头的坡口形 式 a) ~ n) 对接接头 o) 角接头
8
图5-1 常用熔焊接头的坡口形式
p)~u) 角接头 v)~b') T形（十字）接头
c')~d') 搭接接头
9
电渣焊接头
它是熔焊接头中一种重要的接头。 当焊件厚度大于30mm时即可以考虑采 用电渣焊接头，特别是大断面的焊缝， 如焊件厚度大于60mm，电渣焊比电弧 焊接头效率要高。常用接头的基本形式 （图5-2）。 电渣焊焊件焊后通常要经正火－回 火或高温退火热处理，以消除大焊接热 输入造成的宽热影响区、粗晶粒、高残 余应力的不良影响。
10
电子束焊接接头
它是熔焊接头中的一种特殊接头。它是利用聚焦的 高速电子流轰击焊件，使电子动能转化为热能而熔化 焊接接头的焊缝区而进行的熔焊。 特点：可焊接各种特殊的金属，大厚度，焊缝的深宽 比大(可达25:1)。 应用：核反应堆元件，航空、航天设备中的某些特殊 金属、超高强度钢及耐热合金零件的焊接。
2
(2) 焊接结构设计的基本要求和遵循原则
设计的焊接结构的基本要求：实用性、安全性工艺性和经济性等。 设计的焊接结构的遵循原则： 1) 合理地选择材料的种类。材料的种类不同，强度等级和性能就有差别， 工艺性能也不同。所选材料强度与性能，包括塑性、韧性、耐磨性等应能满足 结构使用性能的要求；加工性能，如材料的冷热加工，包括焊接性都能满足加 工要求。 2) 设计焊接结构时应大量采用标准件、通用件和型材，包括标准型材和 异型材，并且规格越单一越好。 3) 合理地设计结构形式。尽量采用简洁明快的结构构造形式，采用最简单 和最合理的接头形式，并且种类越少越好，减少短而不规则的焊缝和避免不易 加工的空间曲面结构。 4) 合理地布置焊缝。例如对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密集，重要的工 作焊缝要连续，次要的联系焊缝可用断续焊缝，这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。 5) 施工方便并考虑改善工人劳动条件，便于生产组织和管理。设计结构时 就要考虑到日后施工的很多问题，如可达性问题，保证各种施工必需的操作空 间问题等。 总之，设计结构要有良好的工艺性，较高的技术—经济指标，产品质量好、 价格低，才具有竞争力。
内径较小的容器或管道，不便翻转的结构，为避免仰焊及不能从内侧施 焊，可采用这种坡口和焊缝形式。
3) 减小焊接材料的消耗量。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：Y形比双Y形坡口的熔敷金属量增加最大可达50％， 双U形或UY形则更加节省熔敷金属。因此，对于大厚度的焊接接头，多采用 这种较经济的坡口。 对于不适于电渣焊、电子束焊的特厚件焊缝还采用窄间隙焊。 4) 考虑焊接变形与应力。例如：单面焊可能引起角变形和焊缝根部的严 重焊接残余应力，此时要考虑材料(母材)特点，采用适当的工艺和坡口形式， 以便获得合格的接头。
5
6
1) 熔焊接头---续
熔焊焊缝主要有对接焊缝和角焊缝，以这两种焊缝为主体构成的焊接接 头有：对接接头、角接接头、T形(十字)接头、搭接接头和塞焊接头等。
常用焊缝坡口基本形式与所构成的上述接头形式见图5-1 。其坡口形式、 尺寸、熔化形成的焊缝金属(图中用细实线表示)。由符号字母代表的有关尺 寸见表5-6。表5-6是参照GB／T 985—1988、GB／T 986—1988标准规定列出的。 选择哪一种坡口形式除按照上述两标准外，也可按行业和企业标准由焊件厚 度确定，并且有一个合适的区间。
11
2) 压焊接头 电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆 炸焊统称为压焊，其中电阻焊和摩擦焊应用最广。 电阻焊和摩擦焊在汽车工业中应用很普遍，电阻焊 中的点焊(包括滚点焊)和缝焊多是采用搭接接头。摩擦 焊接头通常也是采用对接接头。 3) 钎焊接头 钎焊接头也有多种类型，但基本类型只有对接接 头和搭接接头两种。
rRR k≥rsSk
式中 R k和Sk——材料抗力R和载荷效应S的标准值；
rR和rs ——按概率设计法(包括可靠指标、变异系数、均值和标准差等)决 定的分项系数。
4
1.2 焊接接头的设计
1. 焊接接头
(1) 基本类型：熔焊接头、压焊接头和钎焊接头。应用最广泛的是熔焊。 1) 熔焊接头 熔焊接头由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材所组成。而焊缝金属是 填充材料和部分母材熔化后凝固而成的铸造组织。熔焊接头各部分的组织是 不均匀的，性能上也存在差异。 焊缝金属往往形成柱状晶铸造组织，一般较母材的强度高且硬，而韧性 下降。对于高强度钢，采用适当的工艺措施，如预热、缓冷或采用合适的热 输入也可获得要求性能的焊缝金属。焊缝金属强度相对母材强度可能要高或 低，前者称为高匹配，后者称为低匹配。 宽度不大的热影响区，由于焊接温度场梯度大，各点的热循环大不相同, 造成组织和性能的不同。特别要指出的是，经过焊接热循环后发生的“动应 变时效”(热应变时效)会使接头性能恶化。将钢材、铝材等经预应变后，会产 生变脆的“时效”现象，这种预应变及时效都是在低温(室温)下发生的，通常 称为“静应变时效”。而焊接热影响区经焊接热循环后会产生热应变，焊接 的高温加速时效脆化，所以“动应变时效”大大降低接头的性能，要注意防 止。
1．焊接结构的设计特点
(1) 焊接结构设计的内容
它包括的内容有： 1) 选择结构的材料，包括制造结构的材料种类和规格。 2) 确定结构的形式，进行结构强度、刚度、稳定性等进行的计算(这种计算是 在力系分析基础上进行的)。 3) 进行结构的细节设计、焊接的设计和计算。 4) 绘制施工图，规定产品的技术条件、工艺要求等。 5) 最后还要编制设计计算说明书，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。
18
T形(十字)接头：
由母材向焊缝过渡急剧，力的传递转折 大，力线扭曲，应力分布不均，易出现 较大的应力集中（图5-7）。 图a由不开坡口角焊缝构成的T形(十 字)接头，其最大应力在角焊缝的根部， 如I-I、Ⅱ-Ⅱ截面的A点和Ⅲ-Ⅲ截面的B 点。 图b开坡口焊透，则应力分布大为 改善。 T形(十字)接头应用也很广，在造船 业中占70％，所以改善其应力分布十分 重要。
12
(2) 熔焊坡口形式的选择
熔焊坡口形式根据其形状可分为三类：基本型，I形、V形和单V形、U形 和单U形等（图5-1）；特殊型，如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、开槽 焊等；组合型，就是上述各型组合而成，图5-1中绝大多数都是组合型的坡口。
1) 工厂的加工条件。采用双V形、Y形、单边V形、双单边V形、V形、I形 等坡口可用气割、等离子弧切割，也可用金属切削方法加工。但双U形、带 钝边U形、带 钝边J形、U形、Y形坡口一般需用刨边机加工，效率较热切割 低。 2) 可达性的好坏。采用Y形、带垫板Y形(图5-1 e、f)、带垫板V形、VY形 (图g)、带钝边的U形(图h)等坡口的接头，施焊时，一般可不需翻转。
它是焊缝和零(构)件并 联在一起，与零(构)件一起 同时受力和变形，焊缝即 使破坏，一般也不会影响 整个结构的安全工作，传 递作用力不是焊缝的主要 任务，通常可不进行强度 计算。
图5-4 承载焊缝和非承载焊缝 a）承载焊缝 b) 非承载焊缝
15
(4) 焊接接头工作应力的分布
图5-1熔焊接头主要有：对接接头、角接接头、T形（十字）接头和搭接接头 (包括塞焊接头) 。 焊接接头中工作应力的分布不是均匀的，存在应力集中，而各种接头应 力集中的情形也不相同。其中对接接头应力集中最小，形式最简单，力的 传递也较少转折，故是最合理的、典型的焊接接头形式（图5-5 ）。但是如果 出现较大的余高和过渡处圆弧半径较小，则应力集中将增大（图5-6）。
(3) 工作接头、联系接头和密封接头
焊接结构焊缝又可按直接承受载荷与否分为承载焊缝和非承载焊缝，习惯上 又称为工作焊缝和联系焊缝，如图5-4。密封接头主要任务是防止泄漏，故多 属于工作接头。 工作焊缝： 它是将结构中的作用 力由一个零件传至另一个 零件，焊缝和零(构)件串联 在一起，这种焊缝必须进 行强度计算。 联系焊缝：
I形坡口的角焊缝构成的T形接头， 随着焊脚尺寸的增大和θ角的减小(图a)， 应力集中下降。当θ角小于或大于45º， 即属图5-3d不等边角焊缝时，只有长边 顺着力线方向(即θ<45º)，才会改善应力 分布不均的状况。
Байду номын сангаас
图5-7 T形(十字)接头的应力分布 a）由I形坡口角焊缝构成的接头 b）开K形坡口角焊缝构成的接头 19
图5-8 侧面搭接焊缝的应力分布图
a) 等截面板搭接 b) 不等截面板搭接 c) 焊缝长度与切应力τx分布的关系曲 线
20
正面搭接焊缝的应力分布---添加
正面搭接焊缝的工作应力分布是很不均匀的，在焊缝根部的A点 和焊趾B点都有较大的应力集中。
21
应力集系数：
KT
max m
图5-5 对接接头中工作应力的分布
图5-6 对接焊缝余高h、过渡半径r与应力集中系数Kσ的关系