焊接结构、接头和结构细节设计课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,2017/12/29,#,1,焊接结构、接头和结构细节设计,1 焊接结构、接头和结构细节设计,2,1.1,焊接结构,的,设计特点,和常用的,设计方法,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，,焊接手册,第,3,卷、,焊接结构设计手册,及,其他大量著作,中，对此进行,详细的研讨,，这些理论工作及实践应用促进了焊接结构的发展。,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。,2 1.1 焊接结构的设计特点和常用的设计方法,3,(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。,3 (2) 焊接结构设计的基本要求和遵循原则 设计的,4,2,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：, ,(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：,r,R,R,k,r,s,S,k,式中,R,k,和,S,k,材料抗力,R,和载荷效应,S,的,标准值,；,r,R,和,r,s,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 2焊接结构常用的设计方法 (1) 许用应力法，又,5,1.2,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。,51.2 焊接接头的设计 1. 焊接接头,6,6,7,1),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 9851988,、,GB,T 9861988,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,。,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,。,71) 熔焊接头-续 熔焊焊缝主要有对接,8,常用,熔焊接头,坡口形式,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常用熔焊接头坡口形式图5-1 常用熔焊接头的坡口形式,9,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图5-1 常用熔焊接头的坡口形式,10,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电渣焊接头 它是熔焊接头中一种重要的,11,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。,11电子束焊接接头 它是熔焊接头中的一种特殊,12,2),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。,12 2) 压焊接头,13,(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,。,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。,13(2) 熔焊坡口形式的选择 熔焊坡,14,直角焊缝,的,截面形状,无论是,对接焊缝,还是,角焊缝,，其,焊缝表面,都可以是,凹陷、凸起,或,平齐的,。,直角焊缝,的四种形式，除三种,等边,平的、凹的和凸的,直角焊缝外,(,图,5-3ac),，还有,平的,不等边,直角焊缝,(,图,d),。,焊脚尺寸,K,为角焊缝的特征尺寸，,角焊缝的焊脚尺寸,为焊缝,内接等腰直角三角形的直角边,，图,5-3,。,图,5-3,直角焊缝的截面形状,a),平齐等边角焊缝,b),凹陷等边角焊缝,c),凸起等边角焊缝,d),平齐不等边角焊缝,14直角焊缝的截面形状 无论是对接焊缝还,15,(3),工作接头、联系接头和密封接头,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,：,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,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,。,15(3) 工作接头、联系接头和密封接头 工作焊缝,16,(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,）。,图,5-6,对接焊缝余高,h,、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,应力集系数：,16(4) 焊接接头工作应力的分布 图5-1熔焊接,17,17,18,T,形,(,十字,),接头,-,力的传递,(,添加,),以,角焊缝,构成的,各种接头，,其几何形状都有,急剧的变化,，,力线的传递复杂,，焊缝的,根部和趾部,的,应力集中,，一般都比对接焊缝大。,图中,十字接头,的力线传递是,挠曲不直,的，在,A,点和,B,点,都有较大的,应力集中,。,18T形(十字)接头-力的传递(添加) 以角焊缝构,19,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,、,-,截面的,A,点,和,-,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。,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,角的减小,(,图,a),，,应力集中下降,。当,角小于或大于,45,，即属图,5-3d,不等边角焊缝,时，只有,长边顺着力线方向,(,即,45),，才会改善应力分布不均的状况。,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 T形(十字)接头： 由母材向焊缝过渡急剧，力的,20,搭接接头,：,应力分布很不均匀,，不是理想的接头形式，在,动载和低温时,尤其应避免采用。但搭接接头,装配,十分简便、,焊前准备,简单、构件,收缩量小,，在一些受,静载的建筑结构,和用,薄板制造的储罐结构,中仍被采用。,它可分为,正面搭接,、,侧面搭接,和,斜向搭接,，正面和侧面搭接焊缝中的,应力分布不同,。,侧面搭接,焊缝,沿焊缝长度,的,应力分布不均,，图,5-8,。图,c,中，当,焊缝长度增加,，应力分布,不均加剧,，中段几乎不受力，故一些,标准规定,承载搭接,焊缝,(,侧面搭接,),的,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,20搭接接头： 应力分布很不均匀，不是理想的接头形,21,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正面搭接焊缝的应力分布-添加 正面搭接焊缝的工作,