1、1 焊接结构、接头和结构细节设计焊接结构、接头和结构细节设计2 1.1 焊接结构焊接结构的的设计特点设计特点和常用的和常用的设计方法设计方法 焊接结构焊接结构是金属结构中一种是金属结构中一种最主要的结构形式最主要的结构形式，如钢结构、船舶壳体、锅炉，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接及压力容器，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接结构，它们大多依据结构，它们大多依据有关的规程规范有关的规程规范进行设计，进行设计，焊接手册焊接手册第第3卷、卷、焊接结焊接结构设计手册构设计手册及及其他大量著作其他大量著作中，对此进行
2、中，对此进行详细的研讨详细的研讨，这些理论工作及实践应，这些理论工作及实践应用促进了焊接结构的发展。用促进了焊接结构的发展。 1焊接结构焊接结构的的设计特点设计特点 (1) 焊接结构设计的焊接结构设计的内容内容 它包括的内容有：它包括的内容有： 1) 选择结构的选择结构的材料材料，包括制造结构的材料种类和规格。，包括制造结构的材料种类和规格。 2) 确定确定结构的形式结构的形式，进行，进行结构强度、刚度、稳定性等结构强度、刚度、稳定性等进行的进行的计算计算(这种计算是这种计算是在力系分析基础上进行的在力系分析基础上进行的)。 3) 进行结构的进行结构的细节设计、焊接的设计细节设计、焊接的设计和
3、和计算计算。 4) 绘制施工图绘制施工图，规定产品的技术条件、工艺要求等。，规定产品的技术条件、工艺要求等。 5) 最后还要最后还要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理性和技术经，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。济先进性的论证。3 (2) (2) 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 设计的焊接结构的设计的焊接结构的基本要求基本要求：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。 设计的焊接结构的设计的焊接结构的遵循原则遵循原则： 1) 合理地选择合理地选择材料的种类材料的种类。材料的种类不同，强度等
4、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设计焊接结构时应大量采用标准件、通用件和型材标准件、通用件和型材，包括标准型材和，包括标准型材和异型材，并且规格越单一越好。异型材，并且规格越单一越好。 3) 合理地设计合理地设计结构形式结构形式。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) 合理地合理地布置焊缝布置焊缝。例如对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密集，重
5、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) 施工方便并考虑施工方便并考虑改善工人劳动条件改善工人劳动条件，便于，便于生产组织和管理生产组织和管理。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总之，设计结构要有良好的工艺性工艺性，较高的技术，较高的技术经济指标经济指标，产品质量好、，产品质量好、价格低，才具有竞争力。价格低，才具有竞争力。 4 2 2焊接结构常用的焊接结构常用的设计方法设计方法 (1) 许用应力法许用应力法，又称为常规设计方法、安全系数设计法
6、。又称为常规设计方法、安全系数设计法。 它是目前它是目前最常用最常用的的结构设计方法结构设计方法，如压力容器、锅炉、起重机金属结构和，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：焊接容器结构设计的强度条件： (2) 以以概率论概率论为基础的为基础的极限状态设计法极限状态设计法 如果已知应力和抗力的如果已知应力和抗力的随机变量分布函数随机变量分布函数，则利用，则利用概率论概率论的数学方法可以的数学方法可以计算出计算出结构可靠度结构可靠度。如果选择确定。如果选择确定结构的最优可靠度结构的最优可靠度，达到设计结构
7、在技术上，达到设计结构在技术上可靠、在经济上节省，这就是所谓的可靠、在经济上节省，这就是所谓的概率设计法概率设计法。 目前仍是目前仍是近似的概率设计法近似的概率设计法，采用分项系数表达式进行结构设计，即：，采用分项系数表达式进行结构设计，即： rRR krsSk 式中式中 R k和和Sk材料抗力材料抗力R和载荷效应和载荷效应S的的标准值标准值； rR和和rs 按概率设计法按概率设计法(包括可靠指标、变异系数、均值和标准差等包括可靠指标、变异系数、均值和标准差等)决决定的定的分项系数分项系数。 51.2 1.2 焊接接头的设计焊接接头的设计 1. 焊接接头焊接接头 (1) 基本类型基本类型：熔焊
8、接头熔焊接头、压焊接头压焊接头和和钎焊接头钎焊接头。应用最广泛应用最广泛的是的是熔焊熔焊。 1) 熔焊接头熔焊接头 熔焊接头由熔焊接头由焊缝金属焊缝金属、熔合线、熔合线、热影响区热影响区和母材和母材所组成。而所组成。而焊缝金属焊缝金属是是填充材料和部分母材熔化后凝固而成的填充材料和部分母材熔化后凝固而成的铸造组织铸造组织。熔焊接头各部分的。熔焊接头各部分的组织是组织是不均匀不均匀的，性能上也存在差异。的，性能上也存在差异。 焊缝金属焊缝金属往往形成往往形成柱状晶铸造组织柱状晶铸造组织，一般，一般较母材的强度高且硬，而韧性较母材的强度高且硬，而韧性下降下降。对于。对于高强度钢高强度钢，采用适当的
9、工艺措施，如预热、缓冷或采用合适的热，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。输入也可获得要求性能的焊缝金属。焊缝金属强度焊缝金属强度相对相对母材强度母材强度可能要高或可能要高或低，前者称为低，前者称为高匹配高匹配，后者称为，后者称为低匹配低匹配。 宽度不大的宽度不大的热影响区热影响区，由于，由于焊接温度场梯度大焊接温度场梯度大，各点的热循环大不相同，各点的热循环大不相同,造成造成组织和性能的不同组织和性能的不同。特别要指出的是，经过焊接热循环后发生的。特别要指出的是，经过焊接热循环后发生的“动应动应变时效变时效”(热应变时效热应变时效)会使接头会使接头性
10、能恶化性能恶化。将钢材、铝材等经预应变后，会产。将钢材、铝材等经预应变后，会产生变脆的生变脆的“时效时效”现象，这种预应变及时效都是在低温现象，这种预应变及时效都是在低温(室温室温)下发生的，通常下发生的，通常称为称为“静应变时效静应变时效”。而。而焊接热影响区焊接热影响区经焊接热循环后会产生经焊接热循环后会产生热应变热应变，焊接，焊接的高温加速时效脆化，所以的高温加速时效脆化，所以“动应变时效动应变时效”大大降低接头的性能，要注意防大大降低接头的性能，要注意防止。止。671) 1) 熔焊接头熔焊接头-续续 熔焊焊缝熔焊焊缝主要有主要有对接焊缝对接焊缝和和角焊缝角焊缝，以这两种焊缝为主体构成的
11、焊接接，以这两种焊缝为主体构成的焊接接头有：头有：对接接头、角接接头、对接接头、角接接头、T形形(十字十字)接头、搭接接头接头、搭接接头和和塞焊接头塞焊接头等等。 常用焊缝常用焊缝坡口基本形式坡口基本形式与所构成的上述与所构成的上述接头形式接头形式见见图图5-1 。其坡口形式、。其坡口形式、尺寸、熔化形成的尺寸、熔化形成的焊缝金属焊缝金属(图中用图中用细实线表示细实线表示)。由。由符号字母代表的有关尺寸符号字母代表的有关尺寸见见表表5-6。表。表5-6是参照是参照GBT 9851988、GBT 9861988标准标准规定列出的。规定列出的。选择哪一种坡口形式除按照选择哪一种坡口形式除按照上述两
12、标准上述两标准外，也可按外，也可按行业和企业标准行业和企业标准由由焊件厚焊件厚度度确定，并且有一个确定，并且有一个合适的区间合适的区间。 例如：例如：厚度为厚度为30mm的板的板对接，既可以选择对接，既可以选择图图5-1i所示的所示的双双Y形坡口形坡口(由表由表5-6可查得：用可查得：用焊条电弧焊焊条电弧焊时，该坡口适于时，该坡口适于1260mm厚的厚的板；用板；用埋弧焊埋弧焊时，适于时，适于24-60mm厚的板厚的板)，也，也可以选择图可以选择图5-lm所示带钝边的所示带钝边的双双U形坡口形坡口。无论选择哪一种无论选择哪一种坡口形式坡口形式，都首先要保证，都首先要保证接接头质量头质量，同时还
13、要考虑，同时还要考虑经济性经济性。8常用常用熔焊接头熔焊接头坡口形式坡口形式图图5-1 常用熔焊接头的常用熔焊接头的坡口形坡口形式式 a) n) 对接接头对接接头 o) 角接头角接头9图图5-1 常用常用熔焊接头熔焊接头的的坡口形式坡口形式 p)u) 角接头角接头 v)b) T形（十字）接头形（十字）接头 c)d) 搭接接头搭接接头10电渣焊接头电渣焊接头 它是它是熔焊接头熔焊接头中一种中一种重要的接头重要的接头。当焊件厚度当焊件厚度大于大于30mm时即可以考虑采时即可以考虑采用电渣焊接头，特别是用电渣焊接头，特别是大断面的焊缝大断面的焊缝，如焊件厚度如焊件厚度大于大于60mm，电渣焊比电弧，
14、电渣焊比电弧焊接头效率要高。常用接头的基本形式焊接头效率要高。常用接头的基本形式（图（图5-2）。）。 电渣焊焊件焊后通常要经电渣焊焊件焊后通常要经正火回正火回火或高温退火热处理火或高温退火热处理，以消除大，以消除大焊接热焊接热输入造成的宽热影响区、粗晶粒、高残输入造成的宽热影响区、粗晶粒、高残余应力的不良影响。余应力的不良影响。 11电子束焊接接头电子束焊接接头 它是熔焊接头中的一种它是熔焊接头中的一种特殊接头特殊接头。它是利用。它是利用聚焦的聚焦的高速电子流高速电子流轰击焊件，使轰击焊件，使电子动能电子动能转化为转化为热能热能而熔化而熔化焊接接头的焊缝区而进行的熔焊。焊接接头的焊缝区而进行
15、的熔焊。 特点特点：可焊接：可焊接各种特殊的金属各种特殊的金属，大厚度，焊缝的深宽，大厚度，焊缝的深宽比大比大(可达可达25:1)。 应用应用：核反应堆元件核反应堆元件，航空、航天设备中的某些，航空、航天设备中的某些特殊特殊金属金属、超高强度钢超高强度钢及及耐热合金耐热合金零件的焊接。零件的焊接。12 2) 压焊接头压焊接头 电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊、冷压焊和爆炸焊统称为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，电阻焊电阻焊中的中
16、的点焊点焊(包括滚点焊包括滚点焊)和和缝焊缝焊多是采用多是采用搭接接头搭接接头。摩擦摩擦焊接头焊接头通常也是采用通常也是采用对接接头对接接头。 3) 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对接接头和搭接接头头和搭接接头两种。两种。13(2) (2) 熔焊熔焊坡口形式坡口形式的选择的选择 熔焊坡口形式熔焊坡口形式根据其形状可分为根据其形状可分为三类：基本型三类：基本型，I形、形、V形和单形和单V形、形、U形形和单和单U形形等（图等（图5-1）；）；特殊型特殊型，如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、开槽，如卷边的、带垫板的、锁边的和塞焊、开槽
17、焊等；焊等；组合型组合型，就是上述各型组合而成，图，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。中绝大多数都是组合型的坡口。 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、双单边形、双单边V形、形、V形、形、I形形等坡口可用等坡口可用气割、等离子弧切割气割、等离子弧切割，也可用，也可用金属切削方法金属切削方法加工。但双加工。但双U形、带形、带钝边钝边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，效率较热切割低。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
18、Y形形(图图5-1 e、f)、带垫板、带垫板V形、形、VY形形(图图g)、带钝边的、带钝边的U形形(图图h)等坡口的接头，施焊时，一般等坡口的接头，施焊时，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，为避免仰焊避免仰焊及及不能从内侧施不能从内侧施焊焊，可采用这种坡口和焊缝形式。，可采用这种坡口和焊缝形式。 3) 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，焊接材料消耗也小，也。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：节省加工时间。同样板厚：Y形形比比双双Y形坡口形坡口的熔敷金属量的熔敷金属量增加
19、增加最大可达最大可达50，双双U形或形或UY形形则更加节省熔敷金属。因此，对于则更加节省熔敷金属。因此，对于大厚度的焊接接头大厚度的焊接接头，多采用，多采用这种较这种较经济的坡口经济的坡口。 对于不适于电渣焊、电子束焊的对于不适于电渣焊、电子束焊的特厚件特厚件焊缝还采用焊缝还采用窄间隙焊窄间隙焊。 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形角变形和焊缝根部的严和焊缝根部的严重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。
20、14直角焊缝直角焊缝的的截面形状截面形状 无论是无论是对接焊缝对接焊缝还是还是角焊缝角焊缝，其，其焊缝表面焊缝表面都可以是都可以是凹陷、凸凹陷、凸起起或或平齐的平齐的。 直角焊缝直角焊缝的四种形式，除三种的四种形式，除三种等边等边平的、凹的和凸的平的、凹的和凸的直角焊直角焊缝外缝外(图图5-3ac)，还有，还有平的平的不等边不等边直角焊缝直角焊缝(图图d)。焊脚尺寸焊脚尺寸K为为角焊缝的特征尺寸，角焊缝的特征尺寸，角焊缝的焊脚尺寸角焊缝的焊脚尺寸为焊缝为焊缝内接等腰直角三内接等腰直角三角形的直角边角形的直角边，图，图5-3。 图5-3 直角焊缝的截面形状 a) 平齐等边角焊缝 b)凹陷等边角焊
21、缝 c)凸起等边角焊缝 d)平齐不等边角焊缝15(3) (3) 工作接头、联系接头和密封接头工作接头、联系接头和密封接头 工作焊缝：工作焊缝： 它是将结构中的作用它是将结构中的作用力由一个零件传至另一个力由一个零件传至另一个零件，焊缝和零零件，焊缝和零(构构)件件串联串联在一起，这种焊缝必须进在一起，这种焊缝必须进行行强度计算强度计算。 联系焊缝联系焊缝： 它是焊缝和零它是焊缝和零(构构)件件并并联联在一起，与零在一起，与零(构构)件一起件一起同时受力和变形，焊缝即同时受力和变形，焊缝即使破坏，一般也不会影响使破坏，一般也不会影响整个结构的安全工作，传整个结构的安全工作，传递作用力不是焊缝的主
22、要递作用力不是焊缝的主要任务，通常任务，通常可不进行可不进行强度强度计算计算。 图5-4承载焊缝和非承载焊缝a）承载焊缝b) 非承载焊缝 焊接结构焊接结构焊缝焊缝又可按又可按直接承受载荷直接承受载荷与否分为与否分为承载焊缝承载焊缝和和非承载焊缝非承载焊缝，习惯上，习惯上又称为又称为工作焊缝工作焊缝和和联系焊缝联系焊缝，如图，如图5-4。密封接头密封接头主要任务是防止泄漏，故多主要任务是防止泄漏，故多属于属于工作接头工作接头。16(4) (4) 焊接接头焊接接头工作应力工作应力的分布的分布 图图5-1熔焊接头熔焊接头主要有：对接接头、角接接头、主要有：对接接头、角接接头、T形（十字）接头和搭接接
23、头形（十字）接头和搭接接头(包括塞焊接头包括塞焊接头) 。 焊接接头中焊接接头中工作应力的分布工作应力的分布不是均匀的，存在不是均匀的，存在应力集中应力集中，而各种接头应，而各种接头应力集中的力集中的情形也不相同情形也不相同。其中。其中对接接头对接接头应力集中应力集中最小最小，形式最简单，力的，形式最简单，力的传递也较少转折，故是传递也较少转折，故是最合理的最合理的、典型的焊接接头形式（图、典型的焊接接头形式（图5-5 ）。但是如果）。但是如果出现出现较大的余高较大的余高和和过渡处圆弧半径较小过渡处圆弧半径较小，则，则应力集中将增大应力集中将增大（图（图5-6）。）。图5-6 对接焊缝余高h、
24、过渡半径r与应力集中系数K的关系图5-5 对接接头中工作应力的分布mmaxTK应力集系数：应力集系数：1718T T形形( (十字十字) )接头接头-力的传递力的传递( (添加添加) ) 以以角焊缝角焊缝构成的构成的各种接头，各种接头，其其几何形状都有几何形状都有急剧的变化急剧的变化，力力线的传递复杂线的传递复杂，焊缝的，焊缝的根部和根部和趾部趾部的的应力集中应力集中，一般都比对，一般都比对接焊缝大。接焊缝大。 图中图中十字接头十字接头的力线传递的力线传递是是挠曲不直挠曲不直的，在的，在A点和点和B点点都都有较大的有较大的应力集中应力集中。19 T T形形( (十字十字) )接头接头： 由母材
25、向焊缝由母材向焊缝过渡急剧过渡急剧，力的传递转折，力的传递转折大，力线扭曲，应力分布不均，易出现大，力线扭曲，应力分布不均，易出现较大的应力集中较大的应力集中（图（图5-7）。）。 图图a由由不开坡口角焊缝不开坡口角焊缝构成的构成的T形形(十十字字)接头，其接头，其最大应力最大应力在在角焊缝的根部角焊缝的根部，如如I-I、-截面的截面的A点点和和-截面的截面的B点点。 图图b开坡口焊透开坡口焊透，则应力分布，则应力分布大为大为改善改善。 T形形(十字十字)接头接头应用也很广应用也很广，在造船，在造船业中占业中占70，所以改善其应力分布十分，所以改善其应力分布十分重要。重要。 I形坡口形坡口的角
26、焊缝构成的的角焊缝构成的T形接头，形接头，随着随着焊脚尺寸的增大焊脚尺寸的增大和和角的减小角的减小(图图a)，应力集中下降应力集中下降。当。当角小于或大于角小于或大于45，即属图即属图5-3d不等边角焊缝不等边角焊缝时，只有时，只有长边长边顺着力线方向顺着力线方向(即即45)，才会改善应力，才会改善应力分布不均的状况。分布不均的状况。图图5-7 T形形(十字十字)接头的应力分布接头的应力分布a）由）由I形坡口角焊缝形坡口角焊缝构成的接头构成的接头 b）开）开K形坡口角焊缝形坡口角焊缝构成的接头构成的接头20搭接接头搭接接头： 应力分布很不均匀应力分布很不均匀，不是理想的接头形式，在，不是理想的
27、接头形式，在动载和低温时动载和低温时尤其应避免采用。尤其应避免采用。但搭接接头但搭接接头装配装配十分简便、十分简便、焊前准备焊前准备简单、构件简单、构件收缩量小收缩量小，在一些受，在一些受静载的静载的建筑结构建筑结构和用和用薄板制造的储罐结构薄板制造的储罐结构中仍被采用。中仍被采用。 它可分为它可分为正面搭接正面搭接、侧面搭接侧面搭接和和斜向搭接斜向搭接，正面和侧面搭接焊缝中的，正面和侧面搭接焊缝中的应应力分布不同力分布不同。侧面搭接侧面搭接焊缝焊缝沿焊缝长度沿焊缝长度的的应力分布不均应力分布不均，图，图5-8。图。图c中，当中，当焊缝长度增加焊缝长度增加，应力分布，应力分布不均加剧不均加剧，中段几乎不受力，故一些，中段几乎不受力，故一些标准规定标准规定承载承载搭接搭接焊缝焊缝(侧面搭接侧面搭接)的的长度长度。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x分布的关系曲线21正面搭接焊缝的应力分布正面搭接焊缝的应力分布-添加添加 正面搭接焊缝正面搭接焊缝的的工作应力分布工作应力分布是很是很不均匀的不均匀的，在焊缝根部的，在焊缝根部的A点点和焊趾和焊趾B点点都有较大的都有较大的应力集中应力集中。
