焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)體圖13

焊接結(jié)構(gòu)學(xué)主編：方洪淵參編：董俊慧、王文先、劉雪松主審：田錫唐機(jī)械工業(yè)出版社

1第8章焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前言焊接是機(jī)械工程中的一種制造工藝技術(shù)。當(dāng)金屬結(jié)構(gòu)采用焊接方法制造時，必須做該產(chǎn)品的焊接設(shè)計(jì)。焊接設(shè)計(jì)包括焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝設(shè)計(jì)、焊接設(shè)備設(shè)計(jì)、焊接工裝設(shè)計(jì)、焊接材料設(shè)計(jì)、焊接車間設(shè)計(jì)等。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是焊接產(chǎn)品設(shè)計(jì)的中心內(nèi)容，是在全面考慮了焊接應(yīng)力與變形、焊接接頭強(qiáng)度、焊接結(jié)構(gòu)斷裂與疲勞性能、焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)特征等特點(diǎn)的根底上進(jìn)行的。主要內(nèi)容8.1焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則8.2焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例8.1焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般原那么8.1.1焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般思路1.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本要求所設(shè)計(jì)的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足以下根本要求：〔1〕實(shí)用性焊接結(jié)構(gòu)必須到達(dá)產(chǎn)品所要求的使用功能和預(yù)期效果?！?〕可靠性焊接結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)必須平安可靠,受力必須合理，能滿足靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、韌性、剛度、穩(wěn)定性、抗振性和耐蝕性等各方面的要求。金屬材料應(yīng)具有良好的焊接性能，焊接結(jié)構(gòu)必須能夠方便的進(jìn)行焊接操作，能夠進(jìn)行焊前預(yù)加工和焊后處理，也具有焊接與檢驗(yàn)操作的可達(dá)性。此外，焊接結(jié)構(gòu)也應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化焊接的要求?！?〕工藝性〔4〕經(jīng)濟(jì)性制造焊接結(jié)構(gòu)時，所消耗的原材料、能源和工時應(yīng)最少，其綜合本錢盡可能低。對一個具體焊接產(chǎn)品來說，這些根本要求必須統(tǒng)籌兼顧，它們之間的關(guān)系是：以實(shí)用性為核心，以可靠性為前提，以工藝性和經(jīng)濟(jì)性為制約條件。此外，在可能的條件下還應(yīng)注重結(jié)構(gòu)的造型美觀。2.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本方法對于大型復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般分為初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和工作圖設(shè)計(jì)三個工作階段。其中最重要確實(shí)定焊接結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的任務(wù)是在技術(shù)設(shè)計(jì)階段完成。從開展的角度來分，設(shè)計(jì)方法有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前大量采用的仍然是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，如許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法；大型或重要的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，逐漸采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的可靠性設(shè)計(jì)法；隨著計(jì)算機(jī)和有限元方法的開展，對于焊接結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)，已經(jīng)開始采用有限元數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)方法?！?〕許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法〔傳統(tǒng)〕許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法又稱平安系數(shù)設(shè)計(jì)法或常規(guī)定值設(shè)計(jì)法，是以滿足工作能力為根本要求的一種設(shè)計(jì)方法。對于一般用途的構(gòu)件，設(shè)計(jì)時需要滿足的強(qiáng)度條件或剛度條件分別為：工作應(yīng)力≤許用應(yīng)力(8-1)工作變形≤許用變形(8-2)或者平安系數(shù)≥許用平安系數(shù)(8-3)許用應(yīng)力、許用變形和許用平安系數(shù)一般由國家工程主管部門根據(jù)平安和經(jīng)濟(jì)的原那么，按照材料的強(qiáng)度、載荷、環(huán)境情況、加工質(zhì)量、計(jì)算精確度和構(gòu)件的重要性等予以確定。在我國，鍋爐、壓力容器、起重機(jī)、鐵路車輛、橋梁等行業(yè)都在各自的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中確定了各種材料的許用應(yīng)力、許用變形和許用平安系數(shù)。許用應(yīng)力是構(gòu)件工作時，允許的最大應(yīng)力值。在靜載條件下，焊接結(jié)構(gòu)中母材的許用應(yīng)力是根據(jù)材料的極限強(qiáng)度除以平安系數(shù)確定的，即[σ]=σc/nc(8-4)式中：[σ]為許用應(yīng)力；σc為材料的極限強(qiáng)度〔對于塑性材料為屈服點(diǎn)σs或屈服強(qiáng)度σ0.2，對于脆性材料為抗拉強(qiáng)度σb〕；nc為平安系數(shù)。1〕母材的許用應(yīng)力和平安系數(shù)例如，鋼制壓力容器設(shè)計(jì)用的母材平安系數(shù)按GBl50—1998規(guī)定選用；起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用的母材平安系數(shù)和許用應(yīng)力按GB3811—2005規(guī)定選用。如果設(shè)計(jì)某金屬構(gòu)件時，沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程可遵循，那么平安系數(shù)的取值范圍可參考表8-1。表8-1機(jī)械設(shè)計(jì)中平安系數(shù)取值范圍序號適用場合安全系數(shù)1可靠性很強(qiáng)的材料，如中低強(qiáng)度高韌性結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度分散性小，載荷恒定，設(shè)計(jì)時以減輕結(jié)構(gòu)重量為主要出發(fā)點(diǎn)時1.15～1.52常用的塑性材料，在穩(wěn)定的環(huán)境和載荷下工作的構(gòu)件1.5～2.03一般質(zhì)量的材料，在通常的環(huán)境和能夠確定的載荷下工作的構(gòu)件2.0～2.54較少經(jīng)過試驗(yàn)的材料或脆性材料，在通常環(huán)境和載荷下工作的構(gòu)件2.5～3.55未經(jīng)試驗(yàn)，因而其強(qiáng)度不確定的材料以及環(huán)境和載荷不確定情況下工作的構(gòu)件3～4對焊接結(jié)構(gòu)中的焊縫強(qiáng)度計(jì)算，使用的是焊縫許用應(yīng)力。焊縫許用應(yīng)力與焊接工藝方法、焊接材料和焊接檢驗(yàn)的精確程度有關(guān)。用電弧焊焊接一般結(jié)構(gòu)鋼時，通常要求選用與母材具有相同或相近強(qiáng)度等級的焊接材料進(jìn)行焊接。因此，確定焊縫許用應(yīng)力方法之一是按母材的許用應(yīng)力乘以一個系數(shù)，該系數(shù)根據(jù)影響焊縫質(zhì)量和可靠程度而取不同的值，其取值范圍≤1。對于熔透的對接焊縫，經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)符合設(shè)計(jì)要求，系數(shù)可取1。一般機(jī)器焊接結(jié)構(gòu)的焊縫許用應(yīng)力可按表4-11中選用。2〕焊縫的許用應(yīng)力〔2〕可靠性設(shè)計(jì)法〔現(xiàn)代〕在機(jī)械工程中可靠性設(shè)計(jì)是保證機(jī)械及零部件滿足給定可靠性指標(biāo)的一種機(jī)械設(shè)計(jì)方法。與上述許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法不同，可靠性設(shè)計(jì)把與設(shè)計(jì)有關(guān)的載荷、強(qiáng)度、尺寸和壽命等數(shù)據(jù)如實(shí)地當(dāng)作隨機(jī)變量，運(yùn)用了概率理論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行處理。因而其設(shè)計(jì)結(jié)果更符合實(shí)際，做到既平安可靠而又經(jīng)濟(jì)。對于重要的機(jī)械或要求質(zhì)量小、可靠性高的構(gòu)件都應(yīng)采用這種設(shè)計(jì)法。可靠性設(shè)計(jì)是一門新興學(xué)科，目前正處在積極開展和完善階段，設(shè)計(jì)所需的呈分布狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，有些還須試驗(yàn)、采集和積累。在我國，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017—2003)規(guī)定

，工業(yè)與民用房屋和一般構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除疲勞強(qiáng)度計(jì)算外，應(yīng)采用以概率理論為根底的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，并用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。該表達(dá)式是為了保證所設(shè)計(jì)的構(gòu)件能滿足預(yù)期可靠度要求，必須使載荷引起在構(gòu)件截面或連接中的應(yīng)力效應(yīng)小于或等于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。〔3〕有限元數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)法〔現(xiàn)代〕上述兩種方法都屬于數(shù)學(xué)中的解析方法，適用于焊接結(jié)構(gòu)的整體形狀和尺寸的設(shè)計(jì)，對于焊接結(jié)構(gòu)的局部細(xì)節(jié)來說，計(jì)算起來繁瑣而又不準(zhǔn)確。近年來，有限元數(shù)值模擬方法在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用得到快速開展，逐漸形成了獨(dú)具特色的有限元數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)法，屬于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。與許用應(yīng)力設(shè)計(jì)法或可靠性設(shè)計(jì)方法共同使用，彌補(bǔ)了這兩種方法的細(xì)節(jié)問題處理的缺乏，使得焊接結(jié)構(gòu)更加平安可靠。采用有限元數(shù)值模擬輔助設(shè)計(jì)方法來分析已設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)靜態(tài)或動態(tài)的物理系統(tǒng)，可以得出焊接結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的工作應(yīng)力分布，尤其是焊接接頭的工作應(yīng)力分布和應(yīng)力集中狀態(tài)，從而改進(jìn)連接節(jié)點(diǎn)和焊縫的形狀及尺寸設(shè)計(jì)。結(jié)合焊接熱過程知識，可以模擬焊接過程中焊接應(yīng)力和變形的演變過程，改進(jìn)焊接接頭位置和焊接順序的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步通過重新設(shè)計(jì)，調(diào)控焊接剩余應(yīng)力分布；結(jié)合斷裂力學(xué)知識，可以分析的焊接缺欠甚至潛在缺陷區(qū)域的塑性變形范圍，評價焊接接頭的平安可靠性，改進(jìn)焊接結(jié)構(gòu)的局部設(shè)計(jì)。目前，常用的有限元數(shù)值模擬軟件有ANSYS、ABQUS、SAP2000等商業(yè)性有限元軟件，也可以針對特定的焊接結(jié)構(gòu)在此根底上二次開發(fā)。除了上面三種常用的設(shè)計(jì)方法之外，還有一些特殊或?qū)Ｓ玫脑O(shè)計(jì)方法。例如，有許多結(jié)構(gòu)都是從鑄造或鍛造結(jié)構(gòu)改變?yōu)楹附咏Y(jié)構(gòu)的，在這種情況下，一般采用等價截面方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，如減速器鑄造箱體改為焊接箱體后，其箱體壁厚應(yīng)與原來設(shè)計(jì)的保持一致。按焊接結(jié)構(gòu)要求重新設(shè)計(jì)減速器箱體需要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。8.1.2焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性分析1.從實(shí)用性和可靠性角度出發(fā)焊接結(jié)構(gòu)種類繁多，焊接接頭形式多樣、焊接方法數(shù)以百計(jì)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時有充分的選擇余地。但是必須考慮焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和焊接接頭的可靠性，以便選擇合理的基體材料和焊接材料，確定合理的焊接結(jié)構(gòu)及接頭形式，盡可能發(fā)揮焊接結(jié)構(gòu)的承載能力，提高使用壽命?！?〕合理選擇基體材料和焊接材料所選用的金屬材料必須同時能滿足結(jié)構(gòu)使用性能和加工性能的要求。使用性能包括材料強(qiáng)度、塑性、韌性、耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫、抗蠕變性能等。對承受交變載荷的結(jié)構(gòu)，還須考慮材料的疲勞性能；對大型構(gòu)件和低溫環(huán)境的材料還須考慮斷裂韌性的要求。加工性能主要是指材料的焊接性能，同時也要考慮其冷、熱機(jī)械加工的性能，如金屬切削、冷彎、熱切割、熱彎和熱處理等性能。例如，許多機(jī)器零件用35號和45號鋼制造，這些鋼含碳量高，作為鑄鋼件是適宜的，但如果改為焊接件，那么不宜采用原來的材料，而應(yīng)選用強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮附有暂^好的低合金結(jié)構(gòu)鋼。全面考慮結(jié)構(gòu)的使用性能，有特殊性能要求部位可采用特種金屬，其余部位采用能滿足一般要求的廉價金屬：如：有防腐蝕要求的結(jié)構(gòu)可以采用以普通碳鋼為基體、以不銹鋼為工作面的復(fù)合鋼板，或者在基體外表上堆焊抗蝕層；有耐磨要求的結(jié)構(gòu)，可以在工作面上堆焊耐磨合金或熱噴涂耐磨層等。應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮異種材料可以焊接的優(yōu)勢。焊接材料的選擇取決于與基體材料的匹配狀態(tài)，一般有成分匹配和強(qiáng)度匹配兩種形式。

對于具有抗腐蝕性能要求的結(jié)構(gòu)，按照成分匹配選擇焊接材料，即要求焊接材料熔覆金屬的化學(xué)成分與基體材料的化學(xué)成分相當(dāng)，可以抵抗化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕。大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)是以強(qiáng)度匹配要求為主，依照焊縫金屬與母材金屬的屈服或斷裂強(qiáng)度的大小，分為高強(qiáng)匹配、等強(qiáng)匹配和低強(qiáng)匹配三種形式。完全的等強(qiáng)匹配是不存在的，考慮到斷裂韌性要求，往往采用低強(qiáng)匹配，可以獲得等強(qiáng)高韌性的焊接接頭?！?〕合理設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)形式根據(jù)強(qiáng)度或剛度要求，以最理想的受力狀態(tài)去確定結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸。如：應(yīng)采用應(yīng)力集中小、焊接剩余應(yīng)力小和焊接變形小的焊接結(jié)構(gòu)形式，這在前面幾章中已有詳細(xì)論述。1〕要有良好的受力狀態(tài)2〕要重視局部構(gòu)造既重視結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，也重視結(jié)構(gòu)的細(xì)部處理，焊接結(jié)構(gòu)的整體性意味著任何部位的構(gòu)造都同等重要，許多焊接結(jié)構(gòu)的破壞事故起源于局部構(gòu)造不合理的薄弱環(huán)節(jié)處，如局部節(jié)點(diǎn)部位、斷面變化部位、焊接接頭的形狀變化部位等。盡量采用簡單平直的構(gòu)造形式,減少短而不規(guī)那么的焊縫，要防止采用具有復(fù)雜空間曲面的結(jié)構(gòu)。3〕要有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化焊接〔3〕合理設(shè)計(jì)焊接接頭形式焊接接頭形式選擇是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。在各種焊接接頭中，對接接頭應(yīng)力集中程度最小，是最為理想的接頭形式，應(yīng)盡可能采用，質(zhì)量優(yōu)良的對接接頭可以與母材等強(qiáng)度。但用蓋板“加強(qiáng)〞對接接頭(圖8-1a,b)是不合理的接頭設(shè)計(jì)，尤其是單蓋板接頭的動載性能更差。角焊縫接頭應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力集中程度大，動載強(qiáng)度低，但這種形式接頭是不可防止的，采用時應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)措施提高其動載強(qiáng)度。單面焊丁字接頭(圖8-1c)是不合理的接頭設(shè)計(jì)，應(yīng)改為雙面焊丁字接頭(圖8-1d)，這樣承載能力會大幅度提高。搭接接頭裝配簡單，但應(yīng)力集中程度大，多數(shù)情況下搭接接頭是可以改為對接接頭的。圖8-1不合理的接頭形式及改進(jìn)a)單蓋板對接接頭b)雙蓋板對接接頭c)單面焊丁字接頭d)雙面焊丁字接頭〔4〕合理布置焊接接頭形式焊接接頭的布置合理與否對于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有較大影響。盡管質(zhì)量優(yōu)良的對接接頭可以與母材等強(qiáng)度，但是考慮到焊縫中可能存在的工藝缺陷會減弱結(jié)構(gòu)的承載能力，設(shè)計(jì)者往往把焊接接頭避開工作應(yīng)力最高位置。例如承受彎矩的梁，對接接頭應(yīng)當(dāng)避開彎矩最高的斷面。對于工作條件惡劣的結(jié)構(gòu)，焊接接頭盡量避開截面突變的位置，至少也應(yīng)采取措施防止產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中。圖8-2平封頭的連接形式a)角接接頭b〕準(zhǔn)對接接頭小直徑的壓力容器采用大厚度的平封頭〔圖8-2〕。圖8-2a所示的角接接頭應(yīng)力集中嚴(yán)重，承載能力低。如果在平封頭上加工一個槽(圖8-2b)，角接接頭就成為準(zhǔn)對接接頭，這樣就改善了接頭的工作條件，防止在焊縫根部產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力集中。最合理的結(jié)構(gòu)形式是采用熱壓成形的球面封頭，以對接接頭連接筒體和封頭。圖8-3支耳的布置形式a)反面無依托的支耳b)反面有依托的支耳在集中載荷作用處，必須有較高剛度的依托。例如兩個支耳直接焊在工字鋼的翼緣上(圖8-3a〕，反面沒有任何依托，在載荷作用下支耳兩端的焊縫及母材上應(yīng)力很高，極易產(chǎn)生裂紋。圖8-3b中一個支耳焊在工字鋼翼板的中部，在受力時有腹板支撐，應(yīng)力分布較為均勻，其強(qiáng)度得到保證。圖8-4工字梁的連接a)無肋板結(jié)構(gòu)b)有肋板結(jié)構(gòu)兩個工字鋼垂直連接時，如果兩者直接連接而不加肋板(圖8-4a)，那么連接翼緣和柱的焊縫中應(yīng)力分布不均，焊縫中段應(yīng)力較高，如果按應(yīng)力均勻分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，焊縫中段可能因過載而發(fā)生斷裂。假設(shè)在柱上加焊肋板(圖8-4b)，那么應(yīng)力分布均勻，承載能力將大大提高，是比較合理的結(jié)構(gòu)形式。有對稱軸的焊接結(jié)構(gòu)，焊縫宜對稱地布置并盡可能接近對稱軸，這有利于控制焊接變形，如圖8-5c相對于圖8-5a,b圖，其焊縫位置更合理。要防止焊縫平面或空間匯交和密集，在結(jié)構(gòu)上使重要焊縫連續(xù)，讓次要焊縫中斷，這有利于重要焊縫實(shí)現(xiàn)自動焊;盡可能使焊縫避開高工作應(yīng)力處、有應(yīng)力集中部位、機(jī)械加工面和需變質(zhì)處理的外表等。圖8-5焊縫的布置a)焊縫不對稱b)焊縫對稱但遠(yuǎn)離中心軸c)焊縫對稱且離中心軸較近

焊縫位置不要布置于最大應(yīng)力處、載荷集中處、截面突變處；盡量采用平焊位置和自動焊焊接方法；

焊接變形和應(yīng)力小，能滿足施工要求所需的技術(shù)、人員和設(shè)備的條件；盡量將焊縫設(shè)計(jì)成聯(lián)系焊縫，焊接接頭便于檢驗(yàn)，焊接前的準(zhǔn)備和焊接所需費(fèi)用低；對角焊縫不宜選擇和設(shè)計(jì)過大的焊角尺寸?？傊?，合理的焊接接頭設(shè)計(jì)不僅能保證結(jié)構(gòu)的焊縫和整體的強(qiáng)度，還可以簡化生產(chǎn)工藝、降低制造本錢。因此設(shè)計(jì)焊接接頭時應(yīng)考慮：2.從工藝性和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)焊接結(jié)構(gòu)的制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性是緊密相關(guān)聯(lián)的，工藝性不好的結(jié)構(gòu)不僅制造困難，往往提高產(chǎn)品的制造本錢。它們與備料工作量、結(jié)構(gòu)形狀尺寸、焊接操作可達(dá)性、產(chǎn)品的批量、設(shè)備條件、制造工藝水平和技術(shù)人員水平等許多因素有關(guān)?！?〕焊接結(jié)構(gòu)的備料工作量焊接結(jié)構(gòu)制造工藝及本錢在很大程度上和備料以及裝配工作有關(guān)。以厚度為40mm的對接接頭坡口加工為例，對接焊縫的每米長焊縫金屬量隨坡口形式而異，V形：14kg，X形：7.6kg，U形：8.3kg，雙U形：7.2kg。從填充材料量和焊接工作量來看，雙U形坡口最經(jīng)濟(jì)，但從坡口加工方法來看，雙U形坡口必須機(jī)械切削加工，而X形坡口可以氣割加工?？傮w考慮，采用X型坡口較好?？傮w原那么是：焊縫金屬填充量盡量少，具有良好的可達(dá)性，坡口的形狀應(yīng)容易加工，便于調(diào)控焊接變形?！?〕焊接結(jié)構(gòu)形式與焊接工藝選擇如圖8-6所示的帶錐度的彎管，可以分別采用鑄造、鍛造和焊接的方法制造。圖8-6a適于鑄造方法制造，批量大尺寸小時，較為經(jīng)濟(jì)。采用焊接方法制造時，圖8-6b所示的結(jié)構(gòu)形式比較適合，適合于大尺寸小批量生產(chǎn)。如果生產(chǎn)批量很大，那么可以將彎管分成兩半壓制成形，然后拼焊，這個方案焊接工作量可以減少。從這個實(shí)例可以得出結(jié)論，結(jié)構(gòu)的合理性和生產(chǎn)條件密切相關(guān)。圖8-6彎管頭形式a)鑄造方法制造b)焊接方法制造〔3〕焊縫的可焊到性和可檢測性必須使結(jié)構(gòu)上每條焊縫都能方便地施焊和方便地進(jìn)行質(zhì)量檢查。保證焊縫周圍有供焊工自由操作和焊接裝置正常運(yùn)行的條件，需要質(zhì)量檢驗(yàn)的焊縫，其周邊應(yīng)該能有足夠的空間進(jìn)行探傷操作。盡量使焊縫都能在工廠中焊接，減少工地焊接量；減少焊條電弧焊接工作量，擴(kuò)大自動焊焊接工作量；雙面對接焊時，操作較方便的一面用大坡口，施焊條件差的一面用小坡口。必要時改用單面焊雙面成型的接頭坡口形式和焊接工藝。每條焊縫都應(yīng)當(dāng)安排在便于施焊的位置上，但實(shí)際結(jié)構(gòu)往往有的焊縫處于不便施焊的位置。例如，如圖8-7所示3500噸壓力機(jī)的活動橫梁，梁的長度9m，縱向肋板與腹板距離太近，底部焊縫施焊不便，焊工處于不方便的位置操作。設(shè)計(jì)者往往忽略了這個問題，不僅造成施焊勞動條件很差，而且難以保證焊接質(zhì)量，這需要改進(jìn)原始設(shè)計(jì)方案。圖8-8a是一些可焊到性較差的焊縫位置，圖8-8b改進(jìn)后的焊縫位置，其可焊到性提高。圖8-7壓力機(jī)的活動橫梁8-8可焊到性的舉例8-8可焊到性的舉例a)不好b)好必須充分考慮裝配焊接次序?qū)珊傅叫缘挠绊?，以保證裝配工作能順利進(jìn)行。例如采暖鍋爐的前臉，由兩塊平行的鋼板組成，兩塊鋼板相距l(xiāng)00mm，板間用許多拉桿支承，內(nèi)部承受壓力。如果把拉桿與兩塊鋼板連接設(shè)計(jì)成如圖8-9a所示的形式，那么工藝性極差很不合理。試想把數(shù)百個拉桿焊在鋼板上，必然引起嚴(yán)重的翹曲變形，焊后再把數(shù)百個拉桿同時對準(zhǔn)另一塊鋼板上的數(shù)百個孔，這顯然是難以實(shí)現(xiàn)的。把拉桿和鋼板的連接形式改成如圖8-9b所示的形式，那么裝配和焊接方便，焊后變形也很小。圖8-9鍋爐前臉拉桿連接形式a)單邊鉆孔結(jié)構(gòu)b)雙邊鉆孔結(jié)構(gòu)〔4〕減少焊接工作量減少焊接工作量有利于降低焊接應(yīng)力和減小焊接變形，它包括減少焊縫的數(shù)量和焊縫填充金屬量。盡量選擇軋制型材，利用沖壓件代替一局部焊件；結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、角焊縫多且密集的部位，可用鑄鋼件代替,必要時，寧可適當(dāng)增加壁厚，以減少或取消加強(qiáng)肋板等。對于角焊縫，在保證強(qiáng)度要求的前提下，盡可能用最小的焊腳尺寸，因?yàn)楹缚p面積與焊腳高的平方成正比。對于對接焊縫，在保證焊透的前提下選用填充金屬量最少的坡口形式?！?〕焊接變形的控制焊接變形是生產(chǎn)上常遇到的問題，合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊后應(yīng)變形較小。把復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分成為幾個部件制造，盡量減少最后總裝配時的焊縫，對于防止結(jié)構(gòu)總體變形是有利的。例如貨車底架的橫梁與中梁裝配，按圖8-10a所示的結(jié)構(gòu)形式來總裝配，上下板是一塊通長的鋼板，上翼板與腹板間的翼緣焊縫必須在裝配之后焊接，焊后橫梁兩端向上翹起。圖8-10火車橫梁連接形式a)橫梁整體制造b)橫梁分段制造如果把橫梁上翼板分成為兩段，那么橫梁可以分成兩個部件制造，總裝時把上翼板用對接焊縫連接起來(見圖8-10b)，這樣既降低了總裝時的焊接工作量，而且也減少了焊接變形。此外橫梁還可以在生產(chǎn)線上焊接，對于提高生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量也有利?！?〕操作者勞動條件的改善合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)保證焊接工作有良好的勞動條件。處于活動空間很小的位置施焊，或者在封閉空間操作，對操作者健康十分有害。故容器設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量選用單面V型或U型坡口，并用單面焊雙面成形的工藝方法確保焊透，使焊接工作在容器外部進(jìn)行，把在容器內(nèi)部施焊的工作量減少到最低限度。〔7〕材料的合理利用合理利用材料就是要力求提高材料的利用率，降低結(jié)構(gòu)的本錢，設(shè)計(jì)者和制造者都必須考慮這個問題。在劃分結(jié)構(gòu)的零、部件時，要合理安排、全面考慮備料的可能性，盡量減少余料?？梢圆捎矛F(xiàn)代化的數(shù)控排料軟件和下料設(shè)備進(jìn)行備料工作。盡可能選用軋制的標(biāo)準(zhǔn)型材和異型材，通常軋制型材外表光潔平整、質(zhì)量均勻可靠，不僅減少了許多備料工作量，還減少了焊縫數(shù)量，可以降低焊接應(yīng)力、減小焊接變形。節(jié)省材料與制造工藝有時發(fā)生矛盾，在這種情況下必須全面分析。例如降低結(jié)構(gòu)的壁厚可以減輕重量，但是為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性和剛性必須增加更多的加強(qiáng)肋，因而增加了焊接和矯正變形的工作量，產(chǎn)品的本錢很可能反而提高。在一般結(jié)構(gòu)上片面追求減輕重量不一定合理。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)既要節(jié)省材料，又要不損害結(jié)構(gòu)的制造工藝性。一些次要的零件應(yīng)該盡量利用一些邊角余料。例如橋式起重機(jī)主梁的內(nèi)部隔板可以用邊角余料拼焊而成(圖8-11)，雖然增加幾條短焊縫，可是節(jié)省了整塊鋼板。充分挖掘材料潛力也可以節(jié)省材料。例如把軋制的工字鋼按鋸齒狀切開(見圖8-12a)，然后再按圖8-12b)所示的結(jié)構(gòu)形式焊接成為鋸齒合成梁，在重量不變的情況下剛性可以提高幾倍。這種梁適用于跨距較大，而載荷不高的情況。圖8-11箱型梁的拼焊隔板圖8-12鋸齒合成梁a)合成前b)合成后〔8〕方便生產(chǎn)組織與管理大型焊接結(jié)構(gòu)采用部件組裝的生產(chǎn)方式有利于工廠的組織與管理。因此，設(shè)計(jì)大型焊接結(jié)構(gòu)時，要合理進(jìn)行分段。一般要綜合考慮起重運(yùn)輸條件、焊接變形的控制、焊后處理、機(jī)械加工、質(zhì)量檢查和總裝配等因素，力求合理劃分、適于組織、便于管理。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題1.改造結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)〔1〕鉚接結(jié)構(gòu)的改造許多焊接結(jié)構(gòu)是從鉚接結(jié)構(gòu)改正來的，如果不加分析隨意地把鉚接接頭的鉚釘去掉換成焊縫是不適宜的，將會產(chǎn)生許多嚴(yán)重的問題，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)具有它自己的獨(dú)特結(jié)構(gòu)形式。例如，輕便型桁架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，原來鉚接節(jié)點(diǎn)如圖8-13a所示，并不存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而且也不存在高值剩余應(yīng)力。如果不加分析原封不動把它改為焊接節(jié)點(diǎn)(圖8-13b)，焊縫密集，應(yīng)力集中嚴(yán)重，而且焊接剩余應(yīng)力很高，那么結(jié)構(gòu)的使用壽命將降低。圖8-13焊接節(jié)點(diǎn)與鉚接節(jié)點(diǎn)a)鉚接接點(diǎn)b)焊接節(jié)點(diǎn)目前，單一的鉚接結(jié)構(gòu)已不多使用，而將其改為栓焊結(jié)構(gòu)，大多數(shù)情況下應(yīng)用于大型焊接結(jié)構(gòu)部件的現(xiàn)場快速安裝和拆卸。有時考慮到整個結(jié)構(gòu)的柔性要求〔退讓性〕，一些局部位置也采用栓接接頭?！?〕鑄造結(jié)構(gòu)的改造鑄造結(jié)構(gòu)改成焊接結(jié)構(gòu)時，首先應(yīng)對鑄造結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，弄清楚哪些構(gòu)造形式是由機(jī)器功能要求所決定，哪些是由鑄造工藝要求所決定。

應(yīng)該去掉由鑄造工藝所決定的那些構(gòu)造形式，在滿足原零部件工作性能的前提下，結(jié)合焊接工藝特點(diǎn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。鑄鋼結(jié)構(gòu)用的材料多為ZG230-400H，ZG270-500H和合金鑄鋼，而焊接結(jié)構(gòu)用的材料大量是焊接性能好的碳素鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。如果把鑄鋼結(jié)構(gòu)改為焊接結(jié)構(gòu)，那么要注意材料的焊接性。一般隨著金屬含碳量和合金元素量的增加其焊接性能變壞，如果改用焊接性能好的普通結(jié)構(gòu)鋼，那么注意兩種材料之間力學(xué)性能的差異。1〕要注意所用材料性質(zhì)上的差異鑄造工藝要起模斜度、壁厚不能太薄，相鄰壁厚差異不能懸殊，拐角處要做出較大的圓弧、不能做成空心封閉的結(jié)構(gòu)；鑄件增加凸臺，圓座或加強(qiáng)肋的數(shù)量并不困難。對于焊接結(jié)構(gòu)，那么力求結(jié)構(gòu)簡單、平直、變化少，板厚規(guī)格盡可能少，盡量減少凸臺或肋板；在焊縫周圍要留出焊接與質(zhì)量檢驗(yàn)的自由操作的空間、要留出適當(dāng)?shù)氖湛s余量和機(jī)械加工余量。焊接結(jié)構(gòu)中各板件之間的連接是根據(jù)實(shí)際需要可以是全熔透的或非全熔透的。特別是按剛度設(shè)計(jì)的構(gòu)件，厚度大，一般并不需要連接處全熔透，如果盲目地仿照鑄造結(jié)構(gòu)，一律要求全熔透，將給生產(chǎn)帶來很大困難。2〕要注意鑄造工藝和焊接工藝各自的要求鋼材的阻尼比是鑄鐵的1/3.2，而抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量卻是鑄鐵的2倍以上，假設(shè)按等強(qiáng)度或等剛度設(shè)計(jì)，焊接結(jié)構(gòu)的壁厚將減薄，就有可能因壁板動剛度缺乏而產(chǎn)生振動、噪聲和壁板失穩(wěn)問題?？蛇m當(dāng)增加肋板等措施，以減小壁板自由幅面尺寸。3〕要注意振動和屈曲問題2.考慮自動化焊接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)近年來，焊接過程自動化得到飛速開展，自動化焊接技術(shù)、智能控制焊接技術(shù)、機(jī)器人焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)的制造中。因此，焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮這些技術(shù)的特點(diǎn)，在焊縫位置、接頭形式、焊接順序、操作空間等方面充分分析，不僅提高焊接質(zhì)量，也極大的提高焊接生產(chǎn)效率。如：把普通鋼板拼接成大尺寸鋼板，有兩種拼接形式(圖8-14)。圖8-14鋼板的拼接方式a)適合于自動焊b)適合于手工焊從焊接剩余應(yīng)力的角度考慮，要求焊縫盡量不要平面交叉，這樣圖8-14b結(jié)構(gòu)是合理的；但是如果從采用埋弧自動焊焊接的角度考慮，那么其起弧和熄弧點(diǎn)太多，焊接缺陷產(chǎn)生的幾率增加，生產(chǎn)效率也受到影響，而這時圖8-14a所示的結(jié)構(gòu)那么比較合理。2.考慮現(xiàn)代生產(chǎn)管理的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)與信息化的快速開展，局部大中型企業(yè)已經(jīng)建立了基于網(wǎng)絡(luò)信息的現(xiàn)代生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、任務(wù)下達(dá)、任務(wù)分解到班組生產(chǎn)的無紙化信息傳遞，極大地提高了生產(chǎn)效率，促進(jìn)了全面質(zhì)量管理水平的提高。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)主動適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)管理系統(tǒng)的要求，更加有利于生產(chǎn)組織與管理。8.2焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例8.2.1機(jī)床機(jī)身機(jī)身是機(jī)器架體結(jié)構(gòu)的簡稱，是各種動力設(shè)備和傳動機(jī)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)或主體部件。在機(jī)身上，一般要安裝各種運(yùn)動部件，并承受各部件的重量、運(yùn)動部件之間的作用力和運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力。以往的機(jī)身多用鑄造件，鑄造件生產(chǎn)本錢較低，也適于成批生產(chǎn)，其減震性能和機(jī)械加工性能較好，但其力學(xué)性能較差，對于單件或小量生產(chǎn)的大型或?qū)Ｓ脵C(jī)床來說，采用鑄造件的機(jī)身本錢很高，而且生產(chǎn)期限也要延長。采用焊接機(jī)身可以加速制造過程，降低產(chǎn)品本錢。1.焊接機(jī)身設(shè)計(jì)的要求〔1〕強(qiáng)度由于承受負(fù)載重量、運(yùn)動部件之間的作用力和運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力，焊接機(jī)身要具有較高的強(qiáng)度。尤其部件之間的作用力往往是高周或低周循環(huán)的交變載荷，因此，焊接機(jī)身設(shè)計(jì)時，必須考慮疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，盡量防止應(yīng)力集中大的焊接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，焊接接頭過渡要平緩。焊接機(jī)身必須有足夠的剛度，以保證機(jī)器運(yùn)行時，在承受各種作用力的情況下不致發(fā)生不可接受的變形。焊接機(jī)身形式繁多，設(shè)計(jì)者可以選擇較為合理的結(jié)構(gòu)形式，完全能做到滿足剛度要求。鋼的彈性模量比鑄鐵高，在保證相同的剛度情況下焊接的鋼質(zhì)機(jī)身比鑄鐵機(jī)身輕很多。對于切削機(jī)床那么要求具有更高的剛度和減振性，以保證機(jī)械加工精度?！?〕剛度要特別注意焊接機(jī)身尺寸穩(wěn)定性的問題。因?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)中不可防止存有較嚴(yán)重的剩余應(yīng)力，這對結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性有較大的影響，尤其是切削機(jī)床的機(jī)身要求尺寸穩(wěn)定性更高，所以這類焊接機(jī)身必須在焊后進(jìn)行消除剩余應(yīng)力處理。〔3〕尺寸穩(wěn)定性〔4〕減振性鑄造件具有很好的減振性能，以往的機(jī)身多采用鑄造工藝制造，而鋼材的減振性能比鑄造材料差，所以當(dāng)采用焊接鋼質(zhì)機(jī)身代替鑄造機(jī)身時，減振問題是一個必須仔細(xì)考慮的問題。結(jié)構(gòu)的減振性不僅取決于選用的材料，而且還與結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，故可分為材料的減振性和結(jié)構(gòu)的減振性。焊接機(jī)身的材料減振性較差，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取措施提高結(jié)構(gòu)減振性。利用接觸面的微量相對運(yùn)動引起的能量消耗的方法，在提高結(jié)構(gòu)減振性方面已經(jīng)取得了很好的效果。實(shí)驗(yàn)說明，焊接鋼質(zhì)梁的腹板嵌在翼板的槽里，雖然鋼的減振性能不如鑄鐵，但是由于構(gòu)造上采取措施，焊接的鋼質(zhì)梁的阻尼指數(shù)反而比鑄鐵梁高50％。此外，焊接機(jī)身的制造本錢與生產(chǎn)批量有關(guān)，在單件和小量生產(chǎn)時采用焊接機(jī)身才有利。2.焊接機(jī)身的設(shè)計(jì)〔1〕材料的選用焊接機(jī)身一般采用軋制的鋼板和型鋼焊制而成，形狀特殊的局部，可以采用鍛件或鑄件。焊接機(jī)身應(yīng)用最多的金屬材料是焊接性好的低碳鋼和普通低合金鋼(如Q235等)，匹配的鍛件或鑄件也應(yīng)采用化學(xué)成分相近的材料，常用的材料如20號、26號和20MoSi等鑄鋼。由于焊接結(jié)構(gòu)所用鋼板質(zhì)地勻凈、厚薄均勻、外表光潔，所以加工余量比鑄件小。但考慮到低碳結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械加工性比鑄件差的特點(diǎn)，常把機(jī)械加工要求高的構(gòu)件用中碳鋼代替低碳鋼?！?〕焊接接頭的設(shè)計(jì)1〕采用T型焊接接頭不同的焊接接頭型式，具有不同的減振性能。采用角焊縫的T形焊接接頭，由于焊縫冷卻時的收縮，在未焊透的接合面處，存有一定程度的接觸壓應(yīng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)振動時，在未焊透的接合面上會產(chǎn)生微小的相對位移，形成摩擦，從而產(chǎn)生了阻尼作用。實(shí)驗(yàn)證明：單面角焊縫比雙面角焊縫的減振性能好，單面坡口焊縫比雙面坡口焊縫的減振性好，不完全焊透的坡口焊縫比完全焊透的減振性好。焊接接頭設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)身減震性能的要求：2〕采用斷續(xù)焊縫斷續(xù)焊縫中未焊局部的接觸面具有減振作用，減振能力比連續(xù)焊縫的高。在斷續(xù)焊縫中，又以焊縫比較短的減振性能為最好，所以在強(qiáng)度和剛度允許的情況下，應(yīng)盡量采用斷續(xù)焊縫來提高焊接結(jié)構(gòu)的減振能力。3〕加強(qiáng)肋板的應(yīng)用長寬尺寸大于板厚10倍以上的板結(jié)構(gòu)一般為薄壁結(jié)構(gòu)，大多數(shù)焊接機(jī)身仍都屬于薄壁結(jié)構(gòu)。為了防止薄壁振動，一般是在光壁鋼板上布置加強(qiáng)肋板，以提高板壁的固有頻率，防止結(jié)構(gòu)固有頻率等于或接近激振頻率，以防止共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。因?yàn)闄C(jī)床噪聲的頻帶很寬，但許多激振源的頻率很低，所以提高薄壁結(jié)構(gòu)的固有頻率對防止薄壁振動有好處?？梢栽O(shè)計(jì)出增加阻尼的接頭，如帶折線肋板的梁具有較好的剛度和減振性能，由于肋板和翼板之間的焊縫收縮，使接觸面產(chǎn)生壓力，因而使梁的阻尼指數(shù)提高，所以現(xiàn)在焊接機(jī)床的機(jī)身肋板設(shè)置多采用折線形式。幾十年來焊接機(jī)身從簡單的箱型結(jié)構(gòu)開展到設(shè)置各種形式肋板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，焊接機(jī)身的應(yīng)用得到進(jìn)一步擴(kuò)大。在需要加工的外表上，應(yīng)盡量防止布置焊縫。如圖8-15所示的角接接頭，圖a和b所示不管是水平面或垂直面，都不便于機(jī)械加工；圖c和d不便于水平面的機(jī)械加工，只適于垂直面的機(jī)械加工。圖8-16是可以機(jī)械加工的角接頭，其中圖a適于水平面機(jī)械加工，其它接頭不僅適于水平面，也適于垂直面機(jī)械加工。圖8-17所示的軸承支架，就是全部焊縫都避開機(jī)械加工外表的例子?！?〕焊接接頭的位置1〕防止在加工外表上布置焊縫圖8-15不適合于機(jī)械加工的焊接接頭圖8-16適合于機(jī)械加工的焊接接頭圖8-17軸承支架2〕防止在配合面上布置焊縫配合面的加工精度較高，加工余量難以控制，加工后尺寸不穩(wěn)定性明顯影響配合面的精度，所以應(yīng)盡量防止在配合面上布置焊縫?！?〕保證焊接結(jié)構(gòu)的定位精度圖8-18軸套的焊接圖8-18所示的軸套焊接結(jié)構(gòu)，圖中8-18a、b、c所示結(jié)構(gòu)，不僅可焊到性好，而且焊接本錢也較低，但只適用于精度要求不高的場合。倘假設(shè)定位精度要求高時，軸套應(yīng)加工出定位臺階，如圖8-18d、e、f所示?！?〕防止加強(qiáng)肋板被鉆穿圖8-19防止加強(qiáng)肋板被鉆穿a)肋板被穿孔b)鉆孔遠(yuǎn)離肋板焊接結(jié)構(gòu)加強(qiáng)肋板較多，設(shè)計(jì)時要注意加強(qiáng)肋板布置不宜靠近鉆孔的位置，以防止肋板被鉆穿，削弱加強(qiáng)肋的作用，如圖8-19所示。8.2.2壓力容器加氫反應(yīng)器儲氣罐球形容器LNG船1.壓力容器焊接接頭的分類單層受壓殼體上的焊接接頭按其受力狀態(tài)及所處部位可以分成A、B、C、D、E、F六類，如圖8-20所示?！?〕A類接頭包括圓柱形殼體筒節(jié)(包括大直徑接管)的縱向?qū)咏宇^，球形容器和凸形封頭瓜片之間的對接接頭，球形容器的環(huán)向?qū)咏宇^，鑲嵌式鍛制接管與筒體或封頭間的對接接頭，大直徑焊接三通支管與母管相接的對接接頭?！?〕B類接頭系指圓柱形、錐形筒節(jié)間的環(huán)向?qū)咏宇^，接管與筒節(jié)間及其與法蘭相接的環(huán)向?qū)咏宇^，除球形封頭外的各種凸形封頭與筒身相接的環(huán)向接頭?！?〕C類接頭法蘭、平封頭、端蓋、管板與筒身、封頭和接管相連的角接接頭，內(nèi)凹封頭與筒身間的搭接接頭以及多層包扎容器層板間縱向接頭等?！?〕D類接頭接管、人孔圈、手孔蓋、加強(qiáng)圈、法蘭與筒身及封頭相接的T形或角接接頭?！?〕E類接頭包括吊耳、支撐、支座及各種內(nèi)件與筒身或封頭相接的角接接頭?！?〕F類接頭在筒身、封頭、接管、法蘭和管板外表上的堆焊接頭。2.壓力容器焊接接頭的設(shè)計(jì)要求〔1〕壓力容器中的A類和B類焊接接頭A類和B類焊縫必須為全焊透對接焊縫的接頭形式，一般為雙面焊接頭形式，也可采用單面開坡口的接頭形式。圖8-20壓力容器焊接接頭的分類單面開坡口的接頭應(yīng)采用氬弧焊完成全焊透的封底焊道，或在焊縫反面加臨時襯墊或固定襯墊，采用適當(dāng)工藝保證根部焊道與坡口兩側(cè)完全熔合。為防止相鄰焊接接頭剩余應(yīng)力的疊加和熱影響區(qū)的重疊，A類或B類焊縫之間的距離至少應(yīng)為壁厚的3倍，且不小于100mm。對于壁厚大于20mm的壓力容器殼體應(yīng)盡量防止十字接頭。在A、B類焊縫及其附近不應(yīng)直接開管孔。容器筒身和封頭上的A、B類焊縫應(yīng)布置在不直接受彎曲應(yīng)力作用的部位?！?〕壓力容器中的C類焊接接頭對這類接頭不必要求采用全焊透的接頭形式，而采用局部焊透的T形接頭。低壓容器中的小直徑法蘭甚至可以采用不開坡口的角焊縫來連接，但必須在法蘭內(nèi)外兩面進(jìn)行封焊，這即可以防止法蘭的焊接變形，又可保證法蘭所要求的剛度?！?〕壓力容器中的D類焊接接頭在壓力容器中D類焊縫的接頭受力條件比A、B類焊縫的接頭復(fù)雜得多。在設(shè)計(jì)這類焊縫接頭時，應(yīng)作全面的分析比照，選擇最合理、最可靠的接頭形式。目前在壓力容器中最常用的D類焊縫的接頭形式有：插入式接管全焊透T形接頭、插入式接管局部焊透T形接頭、帶補(bǔ)強(qiáng)圈接管T形接頭、安座式接管的角接接頭以及小直徑法蘭和接管的角接接頭?！?〕壓力容器中E類焊接接頭此類焊接接頭為非受壓件與受壓部件相連接的搭接接頭。采用雙面開坡口的全焊透角焊縫的接頭形式，主要用于吊耳、支架、角撐等承載部件與殼體的連接，加強(qiáng)肋之類無強(qiáng)度要求的連接焊縫可采用不開坡口的雙面角焊縫。3.壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)〔1〕焊接強(qiáng)度設(shè)計(jì)薄壁容器的壁厚比其直徑小很多，應(yīng)力在壁板厚度上可視為均勻分布，按薄膜應(yīng)力計(jì)算。球形容器壁板中應(yīng)力各方向相等，用下式計(jì)算：式中：P——容器內(nèi)部壓力(MPa)；

d——球形容器內(nèi)直徑(mm)；

δ——壁厚(mm)；[s’]——焊縫的許用應(yīng)力(MPa)。(8-5)1〕薄壁容器圓筒形容器壁板中的應(yīng)力和球形容器不同，筒體的環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，用下式計(jì)算：式中：σθ——環(huán)向應(yīng)力(MPa)；

σt——軸向應(yīng)力(MPa)。

(8-6)(8-7)2〕厚壁容器厚壁容器的壁厚較大，應(yīng)力在壁板厚度上分布不可無視，按應(yīng)力最大的部位計(jì)算，圓筒形容厚壁高壓容器的壁厚可以按下式計(jì)算：式中：P為容器內(nèi)部的工作壓力(MPa)；

Dn為筒體的內(nèi)徑(mm)；

φ為縱向焊縫的強(qiáng)度減弱系數(shù)或孔對縱向斷面的減弱系數(shù)。

C為計(jì)算厚度的附加值，當(dāng)計(jì)算厚度小于20mm時，C=1mm。

(8-8)焊縫強(qiáng)度減弱系數(shù)φ值根據(jù)制造工藝質(zhì)量確定。全部焊縫經(jīng)過無損探傷，確定為質(zhì)量優(yōu)良的焊縫，對于低碳鋼、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼及奧氏體鋼φ=1；對于鉻鉬釩和高鉻鋼φ=0.8，因?yàn)檫@類鋼的焊接熱影響區(qū)強(qiáng)度降低，而且熱處理不能恢復(fù)。壁板厚度和曲率變化的地方有局部附加彎矩，造成局部應(yīng)力增高，因此應(yīng)盡量防止封頭和筒體間的厚度和曲率突變，以降低連接處局部應(yīng)力峰值?！?〕壓力容器材料的選擇薄壁容器承受的內(nèi)應(yīng)力可以反復(fù)作用，其工作溫度也可能變化很大。根據(jù)容器的工作條件確定對材料、結(jié)構(gòu)形式和制造工藝的要求。對于一般容器重量大小不是主要問題，所以用可焊性好的低碳鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼制造。對于飛行器上的容器重量大小十分重要，所以采用高強(qiáng)度材料制造。用高強(qiáng)度材料制造的焊接容器，在構(gòu)造上不允許采用搭接接頭，焊后必須進(jìn)行熱處理。要求采用強(qiáng)度更高的材料制造容器時，那么要求更高的技術(shù)水平。單純追求高強(qiáng)度指標(biāo)，反而使平安性下降，因此對于材料性能必須全面考慮。厚壁容器易發(fā)生脆性斷裂，發(fā)生事故影響十分嚴(yán)重，所以厚壁容器的設(shè)計(jì)與制造必須遵照專門的技術(shù)規(guī)程。厚壁容器用的材料種類繁多，但是應(yīng)用最廣的是低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，這些鋼種的強(qiáng)度適中，塑性和韌性較好，焊接性良好或較好。在高溫下工作的容器使用耐熱鋼，對可焊性較差的耐熱鋼，在工藝上必須采取措施才能保證質(zhì)量。選擇材料和制定工藝時，必須保證容器使用過程的平安，同時還必須考慮制造過程中和水壓實(shí)驗(yàn)時發(fā)生脆斷的危險性。因此厚壁容器的材料不但在工作溫度下須具有要求的力學(xué)性能，而且在制造過程和試驗(yàn)的條件下材料也必須具有一定的韌性儲藏。珠光體和馬氏體鋼〔如鉻鉬釩鋼和高鉻鋼〕可以在550℃以下工作，奧氏體鋼只有在550℃以上才能顯出優(yōu)越性。低溫容器往往采用鉻鎳奧氏體鋼和鋁合金制造，這些材料在低溫條件下仍保持很好的韌性，而且工藝性良好。4.圓筒形容器結(jié)構(gòu)與接頭的設(shè)計(jì)圖8-21鍋爐汽包〔1〕圓筒形容器的組成圓筒形容器如圖8-21，主要由筒體、封頭、法蘭、接管、支座等組成。筒體是壓力容器最主要的組成局部，由它構(gòu)成儲存物料或完成化學(xué)反響所需要的大局部壓力空間。當(dāng)筒體直徑較小(小于500mm)時，可用無縫鋼管制作。當(dāng)直徑較大時，筒體一般用鋼板卷制或壓制(壓成兩個半圓)后焊接而成。中、低壓容器筒體一般為單層結(jié)構(gòu)，高壓容器中有的筒體采用單層，有的采用多層結(jié)構(gòu)。1〕筒體2〕封頭根據(jù)幾何形狀的不同，壓力容器的封頭可分為凸形封頭、錐形封頭和平蓋封頭三種，其中凸形封頭應(yīng)用最多。法蘭按其所連接的局部分為管法蘭和容器法蘭。用于管道連接和密封的法蘭叫管法蘭；用于容器頂蓋與筒體連接的法蘭叫容器法蘭。3〕法蘭4〕接管由于工藝要求和檢修時的需要，常在石油化工容器的筒體或封頭上開設(shè)各種孔或安裝接管，如人孔、手孔、視鏡孔、物料進(jìn)出接管，以及安裝壓力表、液位計(jì)、流量計(jì)、平安閥等接管。壓力容器靠支座支承并固定在根底上。隨著圓筒形容器的安裝位置不同，有立式容器支座和臥式容器支座兩類。對臥式容器主要采用鞍式支座，對于薄壁長容器也可采圈座。5〕支座〔2〕圓筒形容器焊接接頭的設(shè)計(jì)1〕縱向焊縫和環(huán)向焊縫內(nèi)壓力較高的小型薄壁容器經(jīng)常需要用人力搬動，所以重量不宜過大。用σs≥1400MPa的高強(qiáng)度鋼制造的容器，不允許采用殘留環(huán)形墊圈。設(shè)計(jì)和制造這種容器應(yīng)盡量防止應(yīng)力集中，全部采用對接接頭，并且是焊縫和母材之間平滑過渡。為了保證焊縫雙面成形良好，施焊時在焊縫反面設(shè)置可拆卸式的臨時墊板。如果密閉容器內(nèi)部無法裝卸臨時墊板時，那么必須采用工藝措施保證焊縫反面成形良好。環(huán)向焊縫的工作應(yīng)力只有縱向焊縫的一半，因此對環(huán)向焊縫的強(qiáng)度要求較低，可以用較軟的填充金屬材料，這對于容器的承受能力并不降低。各筒節(jié)間的環(huán)向焊縫以及筒節(jié)和封頭間環(huán)向焊縫一般都采用埋弧自動焊方法施焊。

2〕容器上的支管連接在鍋爐汽包、壓力容器、球罐等容器上，需要焊接各種類型的管道、支管等。支管連接處鉆孔后，孔附近將有相當(dāng)大的應(yīng)力集中。為了減少孔口處應(yīng)力集中的影響，對于薄板可在孔口周圍進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。圖8-22a為加強(qiáng)板插入式接管。當(dāng)壁厚較大或支管直徑較小時，可如圖8-22b貫穿型直接插入，雙面焊縫焊透為佳，也可以如8-22c所示平置式安放接管，焊縫單面焊透。圖8-22d所示接頭是為了消除應(yīng)力集中的影響，連接形式較好，但工藝實(shí)施較困難。圖8-22容器上支管焊接方式a)加強(qiáng)板插入式接管b)貫穿型插入式c)平置式接管d)帶喇叭口形中間接管式當(dāng)考慮到壓力容器的載荷性質(zhì)為低周循環(huán)疲勞載荷時，疲勞破壞多發(fā)生在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處。實(shí)驗(yàn)研究說明，帶加強(qiáng)圈的插入式接管連接形式對疲勞強(qiáng)度的降低程度最大，平置式接管放置于容器外外表(焊縫單面焊透)次之，貫穿性插入式較好。貫穿性接管并雙面焊(見圖8-23)時，由于工藝不同也會有不同結(jié)果。圖8-23貫穿型插入式接管a)兩條填角焊縫b)一條坡口焊縫兩面焊透且在焊縫外表進(jìn)行加工c)兩條深坡口焊縫d)一條深坡口焊縫并焊后加工，另一條不加工3〕管板連接圖8-24所示，大多數(shù)管板焊接接頭是把管子穿入管板的孔中，從外面施焊。為了降低焊縫的拘束度，在管板上加工出一個環(huán)形溝槽(圖8-24a,b)。為使管子與管板更緊密配合，在施焊之前把管子端部向外擴(kuò)張(圖8-24c)，焊后管子端部再向外擴(kuò)張一次，以降低剩余應(yīng)力。管板接頭在工作中可能受到較大彎曲應(yīng)力，最大應(yīng)力處于管板外表，將焊縫置于管板中間，焊縫將處于低應(yīng)力區(qū)〔圖8-24d〕。圖8-24e,f所示的接頭采用對接焊縫，受力情況最好，但裝配工藝復(fù)雜，并且需要用特殊的氣體保護(hù)焊炬施焊。圖8-24管板連接a),b)環(huán)形溝槽焊接c)脹管焊接d)沉管焊接e)翻邊對接f)環(huán)形溝槽對接在圖8-24中，中心線左側(cè)表示焊前，右側(cè)表示焊后。4〕開孔與補(bǔ)強(qiáng)由于工藝要求和檢修時的需要，常在石油化工容器的筒體或封頭上開設(shè)各種孔或安裝接管，如人孔、手孔、視鏡孔、物料進(jìn)出接管，以及安裝壓力表、液位計(jì)、流量計(jì)、平安閥等接管開孔，這些管孔減弱縱向斷面。手孔和人孔是用來檢查容器的內(nèi)部并用來裝拆和洗滌容器內(nèi)部的裝置。手孔的直徑一般不小于150mm，直徑大于1200mm的容器應(yīng)開設(shè)人孔。筒體與封頭上開設(shè)孔后，開孔部位的強(qiáng)度被削弱，一般應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。為了提高材料的利用率，孔可以補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)措施有管補(bǔ)強(qiáng)〔管子的壁厚增加，圖8-25a〕、基體補(bǔ)強(qiáng)〔基體材料壁厚全部增加，圖8-25b〕、補(bǔ)強(qiáng)圈〔外加鋼圈，圖8-25c〕、孔補(bǔ)強(qiáng)〔孔周邊基體材料壁厚增加，圖8-25d〕。如果不采取對孔的補(bǔ)強(qiáng)措施，就必須增加壁厚才能保證強(qiáng)度要求。在容器工作溫度超過300℃或壁厚超過40mm時，不采用圖c)所示的補(bǔ)強(qiáng)圈形式，而采用其它的補(bǔ)強(qiáng)形式。在孔徑超過一定值時必須補(bǔ)強(qiáng)，否那么強(qiáng)度不能保證，增加壁厚效果不大。圖8-25開孔與補(bǔ)強(qiáng)a)管補(bǔ)強(qiáng)b)基體補(bǔ)強(qiáng)c)補(bǔ)強(qiáng)圈d)孔補(bǔ)強(qiáng)如因管孔過于密集而必須開在這A、B兩類接頭上時，那么必須對開孔部位的焊縫作100％X射線照相或超聲波探傷。壁厚大于50mm，在焊接接管之前應(yīng)將開孔區(qū)焊縫作消應(yīng)力處理。5.多層容器結(jié)構(gòu)與接頭的設(shè)計(jì)大型高壓容器隨著壁厚增加脆斷的危險性也增加，多層容器可采用較薄的材料制造，具有一定的優(yōu)越性。多層高壓容器的實(shí)例如圖8-26所示，封頭和法蘭是單層的，環(huán)向焊縫用埋弧焊多層焊對接。多層容器抗脆斷性能好。爆破試驗(yàn)說明，破斷是塑性的。多層容器中存在剩余應(yīng)力有緊箍作用，對于整體強(qiáng)度有利，可以提高容器的承壓能力。這種結(jié)構(gòu)不適于管接頭很多的高壓容器。圖8-26多層高壓容器層板包扎法是最常用的方法，此法先用厚度為10～40mm的優(yōu)質(zhì)鋼板或厚度為8～13mm的不銹鋼板制成內(nèi)筒，內(nèi)筒經(jīng)熱處理和機(jī)械加工。然后將預(yù)先彎制好的兩片半圓形層板包在內(nèi)筒外面，用適當(dāng)?shù)募訅貉b置把層板和內(nèi)筒緊緊地壓在一起，然后點(diǎn)定焊。用鋼絲繩捆扎法加壓力比較簡單，而且壓力均勻可靠。焊完兩條焊縫之后，由于焊縫橫向收縮較大，層板便更緊地包在內(nèi)筒外面，磨平焊縫后依次包扎，焊接各層，直至設(shè)計(jì)厚度。多層容器制造方法有多種：〔1〕層板包扎法層板厚度一般為4～8mm，我國目前普遍采用6mm厚的鋼板。制成的筒節(jié)兩端機(jī)械加工環(huán)焊縫的坡口，用環(huán)焊縫把各筒節(jié)連接成筒體。此法的主要優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)壁存在受壓預(yù)應(yīng)力，在承壓時筒壁內(nèi)應(yīng)力沿壁厚分布較單層筒體均勻，筒體上各層板的縱向焊縫可以沿圓周均勻分布，在任何軸向剖面上無相重的焊縫，因此焊縫減弱影響小，使用平安性更高。此法工藝不夠簡便，制造周期較長。內(nèi)筒制造與前述方法相同。此法是在內(nèi)筒上連續(xù)纏繞假設(shè)干層薄鋼板，只焊兩條焊縫，即在內(nèi)層和外層各焊一條焊縫。本法比層板包扎法更省工時和材料，但需要專門的纏繞設(shè)備，以確保層板纏繞緊密。繞板的始端焊在內(nèi)筒上，由于繞板有一定厚度，因此在繞板開始端有一臺階，當(dāng)?shù)诙永@板繞上時就形成一個楔形間隙。為了填補(bǔ)這個間隙，采用一個楔形墊片填入。繞完最后一周把末端焊住，在繞板外面再包上兩塊半圓形的保護(hù)板，用兩條縱向焊縫連接。在制成的筒節(jié)端面加二坡口，用環(huán)焊縫連接成筒體?！?〕繞板法每個筒節(jié)由幾層厚度為20～50mm的筒節(jié)組成，每個單層筒節(jié)直徑不同，形成緊配合。每個單層筒節(jié)焊后削平焊縫，清理外表并矯正圓度，然后逐層套裝。套裝時外層筒節(jié)加熱至600℃，待冷卻后外層收縮，層間緊密接觸。此法要求各層之間具有較高的配合公差，套裝時要用一定的加壓設(shè)備?！?〕熱套法繞帶式多層容器的內(nèi)筒用厚鋼板制成為一個整體筒體，其外外表車削出三頭的螺紋槽，以便與第一層鋼帶相嚙合，內(nèi)筒厚度應(yīng)大于總厚度的四分之一。鋼帶由優(yōu)質(zhì)鋼軋制而成，鋼帶斷面的形狀和尺寸保證內(nèi)筒與鋼帶以及鋼帶之間互相緊密嚙合。這種繞帶式多層容器便于機(jī)械化制造。但對于鋼帶的尺寸精度要求較高，這是軋鋼技術(shù)的較為困難的課題。繞帶式多層容器的最大優(yōu)點(diǎn)是焊接工作量減少，對于制造大型高壓容器有利。這種容器也有一定缺點(diǎn)，鋼帶之間的嚙合未必完全理想，難免存在局部貼合不良現(xiàn)象，鋼帶破裂不易修復(fù)，筒壁開孔比其余結(jié)構(gòu)形式的多層容器更困難?！?〕繞帶法6.球形容器結(jié)構(gòu)與接頭的設(shè)計(jì)〔1〕典型球形容器的結(jié)構(gòu)球形容器在工程上也稱為球罐。典型球形容器的結(jié)構(gòu)如圖8-27所示，通常分為南極帶、南溫帶、赤道帶、北溫帶和北極帶等局部，也有以赤道環(huán)縫為界將球體分為南北兩個半球的。每一圈帶板均由假設(shè)干塊“桔瓣〞型或足球殼塊型鋼板組焊而成(見圖8-27a,b)。當(dāng)球體焊接完成后，由假設(shè)干支承將其架設(shè)在空間即可供使用。球罐縱環(huán)縫對接接頭如圖8-27c所示。壁厚根據(jù)工作壓力選擇，一般為16～40mm。由于鋼板要焊透并要盡量降低角變形，因此采用不對稱對接坡口形式。在施工和安裝中，立、橫焊縫較多各占焊縫總長的30％以上，仰焊及平焊焊縫各占10％左右。在生產(chǎn)方式上以手工裝配與施焊時，產(chǎn)品質(zhì)量的保證是關(guān)鍵問題。圖8-27典型球形容器的結(jié)構(gòu)a)菊瓣型b)足球塊型c)縱焊縫對接接頭1-南極帶2-南溫帶3-赤道帶4-北溫帶5-北極帶〔2〕球形容器的制造方法將每一帶板中的相鄰三塊〔塊數(shù)多少決定于尺寸及便于運(yùn)輸〕在工廠裝焊成組件，運(yùn)到施工現(xiàn)場后再將各組件裝配成球體，先點(diǎn)固后再全面焊接。這一方案可相對降低現(xiàn)場焊接量，但分片預(yù)制生產(chǎn)周期較長，整體焊接時立、橫、仰、平各種焊法在球罐內(nèi)部進(jìn)行。勞動強(qiáng)度較大，質(zhì)量保證較難，大容積厚壁球罐多用這種方案。1〕分片預(yù)制、現(xiàn)場整體裝焊方案先將球罐組成球體，后在赤道帶上對稱中心裝焊兩根吊軸。此時先焊上半球的外外表和下半球的內(nèi)外表焊縫，成為較易操作的上坡立焊位置；然后利用吊軸將球體吊起并旋轉(zhuǎn)180度，再焊上半球的內(nèi)外表和下半球的外外表焊縫，仍為上坡立焊。這一方案可以將內(nèi)外縱縫改成上坡立焊。但為了吊起整個球體需要有大型的起吊設(shè)備。因此，這一方案用于中小型球罐是適宜的。2〕吊軸旋轉(zhuǎn)整體裝焊方案將南極帶—南溫帶、北極帶—北溫帶和赤道分別裝焊成三大組件。預(yù)制這些大組件時可將其各翻轉(zhuǎn)一次，使之成為上坡立焊位置。然后以南極帶為裝配基準(zhǔn)逐層往上疊裝并焊接兩條環(huán)縫。后兩個工藝方案均可避開質(zhì)量最難保證的仰焊位置，減少了容器內(nèi)部的焊接量，縮短了生產(chǎn)周期，但該方案最適合薄壁球罐。在預(yù)制各帶板環(huán)時，一旦變形不勻并導(dǎo)致各帶板環(huán)間對縫不合攏，那么將產(chǎn)生嚴(yán)重的錯邊而且不易修正，對厚壁球罐更應(yīng)注意。3〕分帶預(yù)制、整體疊裝焊接方案在上述三個方案中，如果具備生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)并且在運(yùn)輸條件許可的情況下，采用后一種方案是最適宜的。球罐的備料、裝配與焊接，如果備料尺寸準(zhǔn)確，裝配間隙正確，在裝配過程中即可防止強(qiáng)力裝配所帶來的過大裝配應(yīng)力。并可在裝配或安裝狀態(tài)下實(shí)行自由狀態(tài)焊接，防止因拘束過大而導(dǎo)致焊接裂紋和使焊縫得以自由收縮而降低剩余應(yīng)力。球罐的焊接除在工廠進(jìn)行預(yù)制階段條件較好，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化外，在工地施工情況下，多數(shù)是手工焊，用不對稱X形