焊接结构基本构件课件.pptx

焊接结构基本构件,1.1.1 机器零部件焊接结构1.1.2 压力容器焊接结构1.1.3 梁、柱焊接结构1.1.4 船舶焊接结构,1.1.1 机器零部件焊接结构,1.圆盘形焊接零件2.焊接机身,1.圆盘形焊接零件,（1）轮毂（2）轮辐（3）轮缘,（1）轮毂,对于承受载荷不大，精度要求不高的圆盘形零件，轮毂可以用圆钢焊在轮辐上，然后再加工出轴孔和键槽。对于一些直径稍大的圆盘形零件，其轮毂除了采用圆钢车削而成外，更宜采用厚壁管制作。一般常用的焊接轮毂形式如图12所示。为保证轮毂与轮辐的精度，可以在轮毂上加工出定位台阶，如图12（c）所示。有时为了防止轮子的偏摆、震动以及提高圆盘形焊接零件的承载能力，常常在轮毂与轮辐之间焊接加强筋，如图12（b）所示。图13所示为钢板焊制的制动轮结构，由于轮辐宽度较大，为了提高制动轮的强度和刚度，在辐板与轮毂之间采用焊接矩形加强筋和三角筋进行加固。,图1-1 圆盘形焊接零件1-轮缘；2-轮辐；3-轮毂,图1-2 轮毂的焊接结构,图1-3 制动轮的加强筋结构,（2）轮辐,根据圆盘形焊接零件尺寸和承载大小不同，其轮辐结构也有所不同，可分为辐板式和辐条式两种。辐板式结构简单，能够传递较大的扭转力矩。焊接齿轮多采用辐板结构，最常用和较简单的办法是切割圆形钢板来制作轮辐，如图11（d）和图14所示为齿轮和飞轮的辐板式焊接结构。由于齿轮和飞轮要求较高的强度、刚度以及较大的惯性矩来储存动能，因此，轮辐都是由厚钢板焊接制作而成的。如果轮辐已经采用加强筋加固，其厚度可以适当减小。当轮缘宽度较小时可采用单辐板，加放射状筋板以增强刚度，如图14（b）所示。当轮缘较宽或存在轴向力，则采用双辐板或多辐板式轮辐结构，如图11（d）所示。为了减轻质量和节约金属材料，在直径较大而传递力矩较小的圆盘形零件中常采用棒料、型材或管材焊接制作辐条式轮辐结构。辐条是承受弯矩的杆件，要按受弯杆件计算和校核强度，其断面形状应按受力性质和刚度要求确定。为尽量减小焊接工作量，应优先选用型钢（如扁钢、工字钢等）制作辐条，大型的旋转体才采用钢板焊制成工字型或箱型的结构，如图15所示分别为管材和扁钢焊制的轮辐型式，其主要特点是质量轻，惯性小，通常作为皮带轮或手轮使用。辐板和辐条一般可用低碳钢制造。,图1-4 常见的轮辐结构,图1-5 管材和扁钢轮辐,（3）轮缘,轮缘是圆盘形零件的执行构件，也多是零件的工作面。根据圆盘形零件工作用途和尺寸大小的不同，轮缘可分别采用圆钢车制、钢板弯曲成型、铸钢或锻钢件。对较大尺寸的零件，还可以分段制造，然后拼焊成环形轮缘。图16（a）圆盘形零件为齿轮毛坯，图16（b）为平皮带轮毛坯，图16（c）为链轮毛坯，图16（d）是轻型三角皮带轮毛坯。当断面形状较为复杂时，轮缘还可用专门设备把钢坯轧制成所要求的断面形状，然后卷圆再对焊，制造出单个轮缘，如图16（e）所示。对于一些重型焊接齿轮，可以用如图11（d）所示的宽缘多辐焊接结构，以提高重载齿轮的刚性和抗震性能。轮缘、轮辐和轮毂之间可以用T型接头或对接接头焊接，它们均为受力焊缝，其中轮辐和轮毂之间的焊接接头所受的载荷较大，需要进行强度计算。另外，对于重要的圆盘形零件，T型接头应按辐板厚度开坡口，以便焊透焊缝根部。对于转速较高的或经常受冲击载荷的圆盘形零件，最好采用对接接头。,图1-6 圆盘形焊接零件的轮缘结构,2.焊接机身,（1）切削机床焊接机身（2）锻压设备焊接机身（3）减速器箱体焊接结构（4）轴承座和支架焊接结构,（1）切削机床焊接机身,切削加工是一种精度较高的工艺过程，因此必须要求机床的机身应具有很高的刚度。过去，由于铸铁价格低，铸件适于成批生产，加上铸铁具有良好的减震性能，所以铸铁机床机身一直占有明显的优势。随着现代工业和新型加工技术的发展，为提高机床的整体工作性能，减轻结构重量，缩短机身的生产周期和降低制造成本，机床机身逐步改用焊接结构。尤其是单件小批生产的大型和重型机床，以及专用机床，大量采用焊接结构后的经济效果十分明显。如图17所示是门式刨铣床机身断面，断面为箱形结构，由钢板拼焊而成，导轨采用低合金钢，其余部分一般用普通碳素钢制造。机身焊后进行热处理消除焊接残余应力，并经自然时效后进行机械加工。目前许多机床厂生产的卧式车床机身也采用焊接结构，图18是普通卧式车床的焊接机身，主要由箱形床腿、加强筋、导轨、纵梁及斜板等零部件组成，图18（b）所示的机身断面结构型式是通过纵梁和斜板实现的，它把整个方箱断面分割成两个三边形的断面，下方三边形完全闭合，断面结构具有较大的抗弯扭刚度。,图1-7 门式刨铣床机身断面图,图1-8 卧式车床焊接机身,（1）切削机床焊接机身,在切削机床中采用焊接机身时，需要考虑以下几个方面的问题。经济效益问题 焊接机身经济效益与生产批量有关，它特别适用于单件小批量生产的大型或专用机床。刚度问题 焊接机身一般采用轧制的钢板和型钢焊制而成，形状特殊的部分也采用一些小型锻件或铸件。焊接机身应用最多的材料主要是可焊性好的低碳钢和普通低合金钢，由于钢材的弹性模量比铸铁高，在保证相同刚度条件下焊接机身比铸铁机身自重轻很多。因此焊接机身可以满足切削加工时的刚度要求。减震性问题 机身的减震性不仅取决于选用的材料，而且还与结构本身有关。故可以分为材料减震性和结构减震性两个方面。焊接机身钢质材料的减震性低于铸铁，因此，必须从结构上采取措施以保证焊接机身结构的减震性。尺寸稳定性问题 由于焊接机身中存在较严重的焊接残余应力，这对焊接结构的尺寸稳定性有影响，特别是切削机床的机身，要求尺寸的稳定性更高，故焊接机身在焊后必须进行消除残余应力处理。机械加工问题 机床焊接结构与建筑、石油化工和船舶工业所采用的焊接结构不同，机床焊接结构焊后需要进行一定的机加工。机身采用的低碳钢尽管可焊性好，但机械加工性能则不如铸铁和中碳钢。所以在研究机身焊接结构工艺性时，还应该考虑机械加工工艺性问题。,（2）锻压设备焊接机身,锻压设备种类较多，如各种锻锤、压力机和冲压机等。锻压设备机身多是铸钢件或是焊接构件，但是制造大型锻压设备采用铸钢机身工艺十分复杂，并需要重型炼钢设备，而且大型铸件易出现工艺缺陷，直接影响结构强度，因此锻压设备机身采用焊接结构比切削机床要多。中国早在20世纪60年代初就已经成功制造出机身为焊接结构的12000t水压机，现在各种吨位锻压设备采用焊接机身已愈来愈普通。锻压设备焊接机身的结构型式有开式和闭式两种，按各主要部件的连接方式则可以分为整体式和组合式两类，如图19所示。开式机身多用于小型压力机，这种机身在工作时易产生角变形，如果角变形过大会直接影响上下模具的对中性，降低冲压件的精度和模具的使用寿命。闭式机身可以采用整体焊接结构，其结构具有重量轻和刚度大的优点，考虑到加工和运输问题，多适用于小型锻压设备。,图1-9 锻压设备机身焊接结构型式,（3）减速器箱体焊接结构,减速器箱体是安装各传动轴的基础部件，由于减速器工作时各轴传递转矩时要产生比较大的反作用力，并作用在箱体上，因此要求箱体应具有足够的刚度，以确保各传动轴相对位置精度。如果箱体刚度不足，不仅使减速器的传动效率降低，而且还会缩短齿轮的使用寿命。采用焊接结构箱体能获得较大的强度和刚度，且结构紧凑，重量较轻。减速器箱体结构形式繁多，在小批量生产时，采用焊接减速器箱体较为合理。焊接减速器箱体一般制成剖分式结构，即把一个箱体分成上下两个部分，分别加工制造，然后在剖分面处通过螺栓将两个半箱连成一个整体，如图110所示，为一个单壁剖分式减速器箱体焊接结构。为了增加焊接箱体的刚度，通常在壁板的轴承支座处用垂直筋板加强，并与箱体的壁板焊接成一个整体。小型焊接箱体的轴承支座用厚钢板弯制，大型焊接箱体的轴承支座可以采用铸件或锻件。轴承支座必须有足够的厚度，以保证机械加工时有一定的加工余量。焊接箱体的下半部分由于承受传动轴的作用力较大并与地面接触，因此必须采用较厚的钢板制作。,图1-10 剖分式减速器箱体焊接结构,（4）轴承座和支架焊接结构,在机械工业中，除了前面介绍的减速器箱体、机身等焊接结构外，轴承座及其支架的焊接结构由于重量轻、生产周期短，设计制作十分方便等特点也得到普遍应用。最简单的径向轴承座焊接结构如图111所示，其中图111（a）表示对称式结构，图111（b）表示非对称结构，当承受载荷较大时，为保证轴承有足够的刚度和强度，可采用加强筋加强，如图111（b）所示。图112所示为形断面的轴承座支架，这类结构通常采用钢板、型材和厚壁管焊接制成。除此而外，根据轴承座支架断面形状的不同，还有I型或H型、十字型、T型和箱型等多种焊接结构形式，如图113所示。,图1-11 径向轴承座,图1-12 形断面的轴承座支架,图1-13 不同断面形式的轴承座支架,1.1.2 压力容器焊接结构,1.压力容器的基本概念 2.压力容器分类和构造3.压力容器的焊接结构,1.压力容器的基本概念,压力容器不仅普遍应用于化工、石油和石油化工生产，而且在轻工、医药、食品、冶金、能源、交通和科学研究等许多领域中也有着广泛的应用。由此可见，压力容器是工业部门和人民生活必不可少的生产装备，对国民经济的发展起着十分重要的作用。“压力容器”是指压力和容积达到一定数值，容器所处的工作温度使其内部介质呈气体状态的密闭容器，如图114所示。这类容器一旦发生事故其后果非常严重，世界各国都把这类容器作为一种特殊设备，对容器的设计、制造、安装、检验和使用等方面制定了一系列专门的法规和标准予以管理。按照中国压力容器安全技术监察规程中的有关规定，同时具备下列条件的容器即称为压力容器：（1）最高工作压力大于0.1MPa（不含液体静压力）；（2）内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于等于0.15m，且容积大于等于0.025m3；（3）介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。,图1-14 球形和圆筒形压力容器,2.压力容器分类和构造,（1）按工艺用途分类（2）按壳体的承压方式分类（3）按设计压力分类,（1）按工艺用途分类,反应压力容器 用于完成介质的物理、化学反应。如反应器、反应釜、分解塔、合成塔和煤气发生炉等。换热压力容器 用于完成介质的热量交换。如换热器、冷却塔、冷凝器、蒸发器、加热器等。分离压力容器 用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等。如分离器、过滤器、缓冲器、洗涤器、吸收塔和干燥塔等。储存压力容器 用于盛装生产用的原料气、液体、液化气体等。如储罐、球罐等。,（2）按壳体的承压方式分类,内压容器 作用与压力容器器壁内部的压力高于外表面所承受的压力。外压容器 作用与压力容器器壁内部的压力低于外表面所承受的压力。,（3）按设计压力分类,分为低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。除上述分类方法外，还可以按容器的壳体结构、容器壁厚、结构材料、结构型式和工作介质进行分类。压力容器的分类方式和结构形式虽然很多，但压力容器最基本的结构是一个密闭的焊接壳体。根据压力容器壳体的受力分析，最适宜的形状是球形，球形容器制造相对比较困难，成本较高，因此在工业生产中，大多数中、低压容器多采用圆筒形结构。圆筒形容器由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔接管以及支座等六大部件组成，并通过焊接构成一个整体，如图115所示。,图1-15 圆筒形压力容器1-接管；2-筒体；3-人孔及法兰；4-封头；5-支座,3.压力容器的焊接结构,（1）一般用途的压力容器压力低，焊接结构比较简单，如图116所示为载重汽车的刹车储气筒，由于低碳钢可焊性好，对应力集中敏感性低，故储气筒多采用Q235钢材制成。筒体由钢板弯制，纵向焊缝用埋弧自动焊一次焊成，两封头冲压成型，封头与筒体之间采用对接接头，为了保证焊缝质量在焊缝底部设置残留垫板。,图1-16 汽车储气筒,3.压力容器的焊接结构,（2）储存气体或液体的容器广泛应用于各生产部门和运输行业。固定小型储存容器的技术要求较低，一般用薄钢板制造即可。而对于大型储运容器则在结构和设计上有许多特别的地方。如铁路运输石油产品用的油罐，如图117所示。油罐承受的内压力不高，但在运输车辆启动和刹车时有较大的惯性力，因此要求罐体应有适当的厚度，以保证足够的刚度。油罐罐体一般用低碳钢制造，筒体由上下两部分组成，上半部分占整个筒体的3/4，用812mm厚的钢板成型拼制而成。筒体下部分占1/4，要求有较大的刚度，采用较厚的钢板弯制。筒体上下两部分用对接纵焊缝连接。封头为椭圆封头，热压成型，与筒体之间采用对接焊接。,图1-17 储运容器,3.压力容器的焊接结构,（3）焊接容器承受的压力越高，其壁厚也越大，因此厚壁容器也称为高压容器。完整的厚壁容器作为工业生产中的高压装置，一般由外壳和内件构成。内件因工艺过程的不同而多种多样，外壳由于加工条件，钢板资源的限制，以及充分利用材料和避免深厚焊缝等方面考虑，则采用大体相近，较为复杂的结构形式，如图118所示为一多层包扎式厚壁容器。这种结构是先用厚度1434mm的不锈钢板卷焊成内筒，纵焊缝经无损检测、热处理消除应力和机械加工磨平后，把厚度48mm的薄板卷成瓦片形，作为层板包到内筒的外表面，用钢丝索滚动包扎，把层板点焊固定后，用自动焊焊接纵焊缝，并用砂轮磨平纵焊缝。用同样方法依次包扎焊接第二层，这样逐层包扎至总的厚度达到设计要求为止，构成一个筒节。最后筒节两端经机械加工，车出环焊缝坡口，通过环缝焊接，把筒节连接成一个完整的筒体，如图119所示。,图1-18 多层包扎式厚壁容器1、2-主螺栓（螺母）；3-平盖；4-筒体端部；5-内筒；6-多层结构；7、8-环纵焊缝；9-管法兰；10-接管；11-封头；12、13-管螺栓（螺母）；14-平板封头,图1-19 厚壁容器筒体及筒体环焊缝结构,3.压力容器的焊接结构,（4）裙式支座是高大容器设备最常用的一种支座，它由钢板卷制的座体、基础环和螺栓座焊接而成。裙式支座有圆筒形和圆锥形两种结构，如图120所示。裙座体与塔壳的连接有对接接头和搭接接头两种形式。当座体的外径与下封头外径相等时，可采用对接接头，其连接焊缝须采用全焊透连续焊，如图121（b）所示。这种连接结构，焊缝主要承受压缩载荷，封头局部受载。当采用搭接接头形式时，搭接的焊缝部位可在下封头直边上，也可在筒体上，裙座体内径稍大于塔体外径，其结构如图121（a）所示。这种焊接结构，焊缝主要承受剪切载荷，所以焊缝受力条件恶劣，一般用于直径小于1000mm的塔设备。,图1-20 裙式支座,图1-21 裙座与塔壳的连接,1.1.3 梁、柱焊接结构,1.焊接梁2.焊接柱,1.焊接梁,焊接梁一般是由钢板或型钢焊接成型的实腹板受弯构件，它主要承受横向弯曲载荷的作用。在钢结构中梁是最主要的一种构件形式，是组成各种建筑钢结构的基础。例如，可用组合梁来制造桥梁；用梁与梁组合成格栅制作工厂工作平台的基础；也可作为高层建筑钢结构的楼层盖等。同时，焊接梁又是某些机器结构中的重要组成部分，例如常见的桥式起重机最主要的金属结构是桥架和小车架，它们都是用焊接梁通过连接而制成的。焊接梁用途很广，主要应用于载荷和跨度都比较大的场合，大多由两块翼板及一块腹板组成工字型或H型（当翼板较宽时）或由两块翼板和两块腹板组成箱型，故又称为工字梁与箱型梁，如图122所示。由于焊接梁腹板厚度相对于高度较薄，为防止失稳，通常在梁上加有竖向和水平方向的加强板。腹板与翼板的连接采用翼缘角焊缝，少数情况下用开单边或双边坡口的焊缝；加强板用角焊缝与腹板、翼板相连。,1.焊接梁,工字梁焊接结构主要用于只在一个主平面内承受弯矩载荷作用的场合，而箱型梁截面结构简单，设计和制造省工时，通用性好，制成的起重机桥梁机构安装及检修较为方便。同时，由于箱型梁断面是封闭的，水平刚度及抗扭刚度都较工字型梁高，特别适用于在两个主平面内承受弯矩及附加轴向力的场合。因此如重型的、大跨度的桥式起重机多采用箱型梁。梁的组成形式较多，除利用钢板焊成板焊结构梁和利用型材焊接成型钢结构梁外，还可以利用钢板和型材焊接成组合梁，如图123所示。为了节约材料和减轻梁的自身重量，随着焊接梁承受载荷的变化，其截面沿梁的长度方向进行了相应的改变而成为变截面梁。变截面梁主要是通过改变翼板的宽度、厚度或腹板的高度以及截面积来实现，如图124所示。,图1-22 焊接梁结构简图1-腹板；2-翼板；3-竖向筋板；4-水平筋板；5-翼缘焊缝,图1-23 梁的组成形式,图1-24 变截面焊接梁结构,2.焊接柱,柱是主要承受压力并将压载荷传递至基础的构件，广泛应用于建筑工程机械和机器结构，柱作为支承梁和桁架传递载荷的构件，起重机的支撑臂和龙门起重机的支腿、自升式钻井船的柱腿等。焊接柱则是通过钢板的拼焊、型材的焊接以及采用钢板和型材组合施焊而成形的受压构件，焊接柱主要由柱头、柱身和柱脚三部分组成，如图125（a）所示。按照受力特点的不同焊接柱一般分为轴心受压柱和偏心受压柱。轴心受压柱主要承受压力载荷，如工作平台的支撑柱、网架结构中的压杆、塔架等，偏心受压柱既承受压力的同时又承受纵向弯曲作用力，如厂房和高层建筑的框架柱、门式起重机的门架支柱等。,2.焊接柱,柱头承受施加的载荷并传递给柱身，柱身再将载荷传至柱脚和基础。柱头按传力性质分为铰接和半刚接。梁的载荷通过柱顶板传给柱子，顶板厚度一般取1630mm，通常用角焊缝与柱身连接，而梁与柱顶板则采用螺栓连接，如图125（b）所示。有时梁支承于柱侧，因此柱侧焊有牛腿，如图125（c）所示，然后通过焊接和高强度螺栓将梁与柱身连接起来。柱脚也分为铰接和刚接两种，但大多数是铰接的。由于水泥基础强度较钢材低得多，所以必须把柱脚底部放大，以降低接触应力。底板与基础相连，当受力较小时，柱端可以用角焊缝直接焊在底板上，如图125（d）所示。为了增加底板抗弯刚度，可以在柱脚上加焊一些加强筋肋，如图125（e）所示。焊接柱常用的截面形式主要有两类，一类为实腹式焊接柱，如图126（a）、（b）所示，这种结构形式和制作都比较简单；另一类为格构式焊接柱，如图126（c）、（d）所示，这类结构形式主要采用型钢和钢板组合焊接制成，制作稍费工时，但可节省材料。,图1-25 焊接柱结构,图1-26 焊接柱截面形式,1.1.4 船舶焊接结构,1.船体结构2.球鼻结构,1.船体结构,现代船舶的船体已采用全焊接结构，这对减轻船体自重、缩短船舶的建造周期和改善航运性能具有重要的作用。由于船体是由各种板架相互连接又相互支持构成的水上浮动结构物，因此船体结构又是一个具有复杂外形和空间结构的焊接结构。按其结构特点，从上到下可以分为主船体和上层建筑两部分，两者以船体最上层贯通首尾的上甲板为界。船体外板及甲板形成主船体的水密性外壳。其中外板包括平板龙骨、船底板、舭列板、舷侧板、舷顶列板等。船底板承受垂直于板平面的水压力，故在船体中采用纵向（沿船长方向）和横向（沿船宽方向）骨架给予加固，其焊接结构如图127所示。,图1-27 船体结构1-外板；2-中内龙骨；3-肋板；4-肋骨和加强肋骨；5-舷侧纵桁；6-横梁；7-上甲板；8-下甲板；9-横隔壁；10-纵隔壁,2.球鼻结构,现代海船大多采用球鼻形船艏以减小兴波阻力。球鼻处在水位线以下且向前突出，受力大，易遭碰撞，在结构上必须保证足够的刚度和强度，如图128所示，为球鼻结构的一例。在底部每个肋位上都设有实肋板。艏端及内底以上的球鼻空间用纵横加强材料和平台板加强，再设三道横制荡壁（在大型球鼻空间中还设有纵制荡壁）。而在舷侧则采用纵骨架式结构。球鼻结构在设计和焊接制造时需注意以下几点：（1）球鼻外壳板在易受锚链碰撞的部位应适当加厚。（2）尽可能减轻船体结构的质量。保证强度和刚度的前提下，制荡壁、平台甲板和肋板可适当开设减轻孔。（3）要确保焊工能接近施焊。因球鼻内空间比较狭小，尤其是靠近船底部位置，零件多，又相互交错。因此，在如图128所示的球鼻结构中，应在内底板上开设一排供焊工焊接施工用的长椭圆孔，使得焊工能进入底部施焊。,图1-28 球鼻结构示例,1.2 焊接接头基本知识,1.2.1 焊接接头组成和基本形式 1.2.2 焊缝符号及其表示方法 1.2.3 焊接接头设计和选用原则,1.2.1 焊接接头组成和基本形式,1.焊接接头的组成2.焊接接头的基本形式,1.焊接接头的组成,以熔化焊为例，焊接接头是由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材等组成，如图129所示。熔化焊焊接接头是采用高温热源对被焊金属进行局部高温加热，使之熔化并随之冷却凝固，将被焊母材熔合连接在一起而形成。在焊接接头中，焊缝金属一般是由焊接填充材料及部分母材熔合凝固形成的铸态组织，其组织和化学成分与母材有较大差异。近缝区受焊接热源循环和热塑性变形的影响，组织和性能都发生了变化，特别是在熔合线处的组织和成分更为复杂。此外，焊接接头因焊缝形状和布局不同，会产生不同程度的应力集中。因此焊接接头是一个不均匀体。,1.焊接接头的组成,由于焊接接头是一个不均匀体，所以其断裂强度、塑性和韧性与母材不同。影响焊接接头性能的因素较多，归纳起来大致有两个方面：一是焊接接头形状的不连续性、焊接缺陷（如焊接裂纹、熔合不良、咬边、夹渣和气孔等）、残余应力和焊接变形；二是在焊接过程中的热循环不仅使局部区域内发生组织变化，而且还会在一些区域内虽不发生组织变化，但会使这部分金属经受较复杂的塑性变形，造成焊接材质性能下降。除此而外，焊后热处理和矫正变形等加工工序，也会影响焊接接头的性能。,图1-29 熔化焊焊接接头的组成1-焊缝金属；2-熔合线；3-热影响区；4-母材,2.焊接接头的基本形式,（1）对接接头（2）搭接接头（3）T型（十字型）接头（4）角接接头,表1-1 焊接接头及焊缝基本形式,（1）对接接头,对接接头是将同一平面上的两个被焊工件的边缘相对焊接起来而形成接头。在焊接生产中，通常使对接接头的焊缝略高于母材板面，高出部分称为焊缝余高。由于余高的存在则造成构件表面的不光滑，在焊缝与母材的过渡处会引起应力集中，其应力分布如图130所示。在焊缝正面与母材的过渡处，应力集中系数为1.6，在焊缝背面与母材的过渡处，应力集中系数为1.5。应力的大小主要与余高h和焊缝向母材过渡的半径 r有关，减小r和增大h，都会使应力集中系数增加，如图131所示。按照焊接件厚度及坡口准备的不同，对接接头的形式也可以分为边对接接头、I型接头和坡口对接接头。各种接头形式和坡口形状如表11（a）（e）所示。用于对接接头中的焊缝叫做对接焊缝。,（1）对接接头,对接接头是各种焊接结构中采用最多，也是力学性能最好的一种接头形式。受力好，强度大，应力集中小以及材料消耗小是它的显著特点。但是，由于是两焊件对接连接，被连接件边缘加工及装配要求则较高。开坡口的目的是使焊缝根部焊透，确保焊接质量和接头的性能。而坡口形式的选择主要根据被焊工件的厚度、焊后应力变形的大小、坡口加工的难易程度、焊接方法和焊接工艺过程来确定。选择坡口时还要考虑经济性，有无坡口，形状大小都将影响到坡口的加工成本和添充金属量的多少。一般情况下，手工电弧焊焊接6mm以下厚度的焊件和自动焊焊接14mm以下厚度的焊件时，可不开坡口就能得到合格的焊缝，但是，板间要留有一定的间隙，以保证熔敷金属填满熔池，确保焊透。,图1-30 对接接头的应力分布,图1-31 焊缝余高和过渡半径与应力集中系数的关系,（2）搭接接头,搭接接头是将两被焊接工件相叠，在相叠部分的端部或侧面以角焊缝连接，或加上塞焊缝、槽焊缝连接的接头。根据结构形式和强度要求的不同，一般可以采用不开坡口、圆孔塞焊和开槽塞焊等形式，如表11（f）、（g）所示。由于搭接接头使构件形状发生较大的变化，所以应力集中要比对接接头的情况复杂得多，而且接头的应力分布极不均匀。在搭接接头中，根据搭接角焊缝受力方向的不同，可以将搭接角焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝，如图132所示。与受力方向垂直的角焊缝（图中的l3）称为正面角焊缝。与受力方向平行的角焊缝（图中的l1和l5）称为侧面角焊缝。与受力方向成一定角度的焊缝（图中的l2和l4）称为斜向角焊缝。,（2）搭接接头,正面角焊缝的工作应力分布如图133所示。由图看出，在角焊缝的根部A点和焊趾B点都有较严重的应力集中现象，其数值与许多因素有关，如焊趾B点处的应力集中系数随角焊缝斜边与水平边的夹角不同而改变，减小夹角和增大焊接熔深以及焊透根部，都会使应力集中系数减小。因此在一些承受动载荷的结构中，为了减小正面角焊缝的应力集中，将双搭板接头的各板厚度取为一样，如图134所示，并使角焊缝两直角边之比为1：3.8，其长边与受力方向近似一致。为使焊趾处过渡平滑，还可在焊趾附近进行机械加工。经过这些处理，可以使正面搭接接头的工作性能接近对接接头。,（2）搭接接头,在侧面角焊缝连接的搭接接头中，其应力分布更为复杂。当接头受力时，焊缝中既有正应力，又有剪切应力。剪切应力沿侧面焊缝长度方向的分布极不均匀，主要与焊缝尺寸、断面尺寸和外力作用点的位置等因素有关。如图135所示是最为常见的外力作用情况，当两板截面积相等时（即F1=F2），沿侧面焊缝长度方向上的剪力qxa分布如图135（a）所示。即出现两端大，中间小的分布特征。当受力情况如图135（b）所示时，夹在上下板之间的侧面焊缝剪力qxa从左至右逐渐减小，其变化规律如图135（b）中的qxa所示。,（2）搭接接头,搭接接头由于受力时两焊接件中心线可能不一致，易产生附加弯矩，加上工作应力分布不均匀，疲劳强度低，因此搭接接头不是焊接结构中的理想连接形式。但它的焊前准备和装配工作比对接接头简单的多，而且横向收缩量也比对接接头小，所以在焊接结构中仍得到较为广泛的应用。不开坡口的搭接接头一般用于12mm厚度以下的焊接件连接。但对锅炉、压力容器以及其他一些承载能力要求较高的焊接件焊缝都不采用搭接形式。在工程实际应用中，为了提高搭接接头的使用性能，尽可能采用正反面都进行焊接的接头形式，如图136所示。,图1-32 搭接接头角焊,图1-33 正面搭接角焊缝的应力分布,图1-34 降低应力集中的正面角焊缝,图1-35 侧面搭接焊缝剪力及变形分布示意图,图1-36 搭接接头比较,（3）T型（十字型）接头,T型（十字型）接头是把互相垂直的被焊工件用角焊缝连接的接头，它能承受各个方向的力和力矩。T型接头是各类箱型构件中最常见的接头形式，在压力容器插入式管子与筒体的连接、人孔与加强圈、筒体的连接结构中也有较多的应用。T型（十字型）接头的种类较多，有焊透和不焊透的、开坡口和不开坡口的，如表11所示。由于T型（十字型）接头焊缝向母材过渡较急剧，接头在外力作用下应力线扭曲很大，造成应力分布极不均匀，并在角焊缝的焊根和趾部有很大的应力集中，如图137所示，图137（a）是未开坡口T型（十字型）接头中正面焊缝的应力分布情况，由于焊缝根部没有焊透，所以焊缝根部应力集中较大。同时在焊趾截面B-B上的应力分布也是不均匀的，B点的应力集中系数值随角焊缝的形状而变化。图137（b）是开坡口并焊透的T型（十字型）接头，这种接头应力集中大大降低。由此可见，保证焊透是降低T型（十字型）接头应力集中的重要措施之一。因此，在实际生产中，这种接头应避免采用不开坡口的单面焊。对于厚板并承受动载荷的T型（十字型）接头，应采用K型或V型坡口使之焊透，如表11（h）（j）所示。这不仅可以节约焊缝金属，而且疲劳强度也能得到较大改善。对于要求全焊透的T型接头，若采用V型坡口单面焊，焊后再清根焊满，如表11（h）所示，比采用K型坡口焊接时机械性能更为理想。,图1-37 T型（十字型）接头应力分布,（4）角接接头,角接接头是两个被焊接工件端面间构成一定的角度，在焊件边缘焊接的接头。根据板厚及工件的重要性，角接接头也有不开坡口或开V型、单边V型及K型坡口等形式，如表11所示，角接接头多用在箱形构件上，骑坐式管接头和筒体的连接，小型锅炉中炉胆和封头连接也属于这种接头形式。与T型接头类似，单面焊的角接接头承受反向弯曲的能力较低，除了焊接件很薄或不重要的结构外，一般都应开坡口两面焊。如表11中k角接接头形式较简单，但承载能力最差，特别是当接头处于弯曲力矩时，焊根处产生较大的应力集中。若采用如表11中m所示的双面焊角焊缝连接，其承载能力将会大大提高。焊接接头形式的选用，主要根据焊件的结构形式、结构和零件的几何尺寸、焊接方法、焊接位置和焊接条件等情况而定，其中焊接方法是决定焊接接头类型的主要依据。,1.2.2 焊缝符号及其表示方法,1.焊缝符号的组成与表示2.焊缝符号应用实例,图1-38 支座焊接图,1.焊缝符号的组成与表示,为了简化图样，统一焊接施工图上的标注代号，国家标准GB324-1988规定了焊缝符号的表示方法。焊缝符号一般由基本符号和指引线组成，必要时可以加上辅助符号、补充符号和焊缝尺寸及数据。（1）基本符号表示焊缝端面形状的符号。表12所示为常用焊缝的基本符号。（2）辅助符号表示焊缝表面形状特征的符号，如表12所示。当不需要确切说明焊缝的表面形状时，可以不用辅助符号。（3）补充符号为了补充说明焊缝某些特征而采用的符号，表12所示为常用焊缝的补充符号。（4）焊缝尺寸符号用来代表焊缝的尺寸要求，当需要注明尺寸要求时才标注。表13所示为常用的焊缝尺寸符号。（5）指引线由箭头线和基准线组成，箭头指向焊缝处，基准线由两条互相平行的细实线和虚线组成。当需要说明焊接方法时，可以在基准线末端增加尾部符号，如图139（a）所示，如图139（b）所示为焊缝尺寸符号及数据的标注位置。,表1-2 常用焊缝基本符号、辅助符号、补充符号及标注示例,表1-3 常用焊缝尺寸符号及标注示例,图1-39 焊缝符号的指引线及尺寸符号标注位置,2.焊缝符号应用实例,（1）对接接头 对接接头的焊缝形式如图140（a）所示。焊缝符号标注如图140（b）所示。表明此焊接结构采用带钝边的V形对接焊缝坡口角度为，根部间隙为b，钝边高度为p，环绕工件周围施焊。（2）T型接头 T型接头的焊缝形式如图141（a）所示。焊缝符号标注如图141（b）所示。表明T型接头采用对称断续角焊缝。其中n表示焊缝段数，l表示每段焊缝长度，e为焊缝段的间距，K表示焊脚尺寸。（3）角接接头 角接接头的焊缝形式如图142（a）所示。角接焊缝符号标注如图142（b）所示。表明角接接头采用双面焊缝。接头上侧为带钝边单边V形焊缝，坡口角度为，根部间隙为b，钝边高度为p，接头下侧为角焊缝，焊缝表面凹陷，焊脚尺寸为K。,图1-40 对接焊缝标注实例,图1-41 T接焊缝标注实例,图1-42 角接焊缝标注实例,1.2.3 焊接接头设计和选用原则,1.简单原则接头形式应尽量简单，焊缝填充金属要尽可能少，接头不应设在最大应力可能作用的截面上。否则由于接头处几何形状的改变、形状不连续和焊接缺陷等原因，会在焊缝局部区域引起严重的应力集中。2.连续过渡原则焊接结构外形应连续、圆滑，以减小应力集中。3.方便检验原则接头设计要使焊接工作量尽量少，且便于制造与检验。4.工艺合理原则合理选择和设计接头的坡口尺寸，如坡口角度、钝边高度、根部间隙等，使之有利于坡口加工和焊透，以减小各种焊接缺陷产生的可能性。5.设计合理原则若有角焊缝接头，要特别重视焊脚尺寸的设计和选用。这是因为大尺寸角焊缝的单位面积承载能力较低，而填充金属的消耗却与焊脚尺寸的平方成正比。6.等强度原则 按等强度要求，焊接接头的强度应不低于母材标准规定的抗拉强度的下限值。7.残余应力影响原则焊接残余应力对接头强度的影响通常可以不考虑，但是对于焊缝和母材在正常工作时缺乏塑性变形能力的接头以及承受重载荷的接头，仍需考虑残余应力对焊接接头强度的影响。,表1-4 合理焊接接头设计与选用,1.3 焊接接头静载强度计算,1.3.1 静载强度计算的假定 1.3.2 对接、搭接和T形接头焊缝强度计算,1.3.1 静载强度计算的假定,熔化焊接头在热循环的作用下产生了焊接残余应力（尤其是各类形焊缝，其应力分布十分复杂）、残余变形、热影响区的晶粒比母材粗大、焊趾和焊根处都不同程度存在着应力集中、焊缝中有时存在缺陷等，所以焊接接头的强度与焊缝很难等强。为了便于计算，工程上往往采用近似计算作如下假定。1.焊接残余应力不影响焊接接头的静载强度。2.由于几何形状不连续而引起局部应力集中，对焊接接头没有影响。3.焊接接头工作应力的分布是均匀的，以平均应力计算。4.正面角焊缝和侧面角焊缝在强度上无差别。5.焊脚尺寸的大小对角焊缝的强度没有影响。6.角焊缝均是在切应力的作用下破坏，一律按切应力计算其强度。7.忽略焊缝的余高和少量的熔深，以焊缝中最小截面（又称危险断面）计算强度。各种接头的焊缝计算断面如图143所示，图143（a）为该断面的计算厚度。,图1-43 焊缝强度计算断面a,1.3.2 对接、搭接和T形接头焊缝强度计算,1.对接焊缝2.搭接接头 3.T形接头（十字接头）,1.对接焊缝,全焊透对接接头受外拉应力、弯矩、剪切等作用如图144所示。由于各种原因焊缝的各尺寸和形状很难达到完全一致，为了便于计算对接焊缝的强度，焊缝的余高不许考虑，强度的计算与母材金属相同，焊缝的计算厚度取被连接的两块板中较薄的厚度，焊缝长度一般取焊缝的实际长度。对于优质碳素结构钢和低合金结构钢全焊透时，如果选择的焊缝填充金属的强度与母材金属基本相同，可以不进行强度计算。计算公式见表15。,表1-5 焊接接头强度计算,图1-44 对接接头受力图,2.搭接接头,搭接接头角焊缝受拉、压和各种搭接接头受拉、受压静载强度计算公式见表15。焊脚断面的计算厚度a，如图143所示，应取内接三角形的最小高度。搭接接头受拉、受压如图145所示。搭接接头若在焊缝平面受内弯矩时，其强度计算可采用分段法，如图146所示、轴惯性矩法，如图147所示和极惯性矩法，如图148所示，见表15。对于采用两条角焊缝的长焊缝小间距和短焊缝大间距的搭接接头，如图149所示，其焊缝强度计算见表15。对于塞焊、开槽焊的搭接接头，焊缝的强度应按剪切力实际作用母材与焊缝接触面上计算。塞焊焊缝的强度与焊点直径的平方和点数成正比。开槽焊缝承载能力与开槽的长度和板厚成正比，如图150所示。此外，塞焊和开槽焊尺寸小，焊接方法对可焊到性有很大的影响，所以，计算公式中乘以安全系数m。当孔和槽的可焊到性差时m取0.7，可焊到性好取1.0，见表15。,图1-45 搭接接头受剪切图,图1-46 分段计算法,图1-47 轴惯性矩计算法,图1-48 极惯性矩计算法,图1-49 两条焊缝搭接接头,图1-50 塞焊、开槽焊接头,3.T形接头（十字接头）,T形或十字形接头分为开坡口和不开坡口的。对于开坡口熔透的T形接头，如图151所示，实际是坡口焊缝与角焊缝组合的焊缝，在同样承载能力下，比未开坡口的角焊缝节省大量填充金属材料。焊缝的计算厚度a应按图152确定。焊缝强度按表15进行计算。未开坡口的T形接头，如图153所示。当载荷与焊缝平行时，由外力F引起弯矩M=FL，在焊缝的最上端产生最大的应力M；由Q=F引起的切应力Q和M相互垂直。,3.T形接头（十字接头）,T形接头受弯曲与板面垂直的应力分布，如图154所示。在纯弯矩载荷作用下，弯矩所在的平面垂直于焊缝。根据强度计算假设，应按剪切应力计算，其公式见表15。,图1-51 开坡口熔透T形接头,图1-52 部分熔透角焊缝a的确定,图1-53 载荷平行于焊缝的T形接头,图1-54 弯矩垂直于板面的T形接头,1.4 焊接结构生产工艺过程简介,1.4.1 生产准备1.4.2 材料加工 1.4.3 装配与焊接1.4.4 质量检验与安全评定,1.4.1 生产准备,1.技术准备 首先研究将要生产的产品清单。因为在清单中按产品结构进行了分类，并注明该产品的年产量，即生产纲领。生产纲领确定了生产的性质，同时也决定了焊接生产工艺的技术水平。其次研究和审查产品施工图纸和技术条件，了解产品的结构特点，进行工艺分析，制定整个焊接结构生产工艺流程，确定技术措施，选择合理的工艺方法，并在此基础上进行必要的工艺实验和工艺评定，最后制定出工艺文件及质量保证文件。2.物质准备根据产品加工和生产工艺要求，订购原材料、焊接材料以及其他辅助材料，并对生产中的焊接工艺设备、其他生产设备和工夹量具进行购置、设计、制造或维修。,1.4.2