先進(jìn)成形與智能技術(shù) 課件 第五章（5.3）焊接結(jié)構(gòu)工藝性

先進(jìn)成形與智能技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1目錄CONTENTS第1章緒論第2章鑄造成形技術(shù)第3章鍛壓成形技術(shù)第4章軋制成形技術(shù)第5章焊接成形技術(shù)第6章特種加工及增材制造技術(shù)第7章智能檢測(cè)技術(shù)第8章金屬成形過(guò)程智能控制技術(shù)第9章成形過(guò)程模擬仿真技術(shù)第10章數(shù)字孿生技術(shù)2第5章焊接成形技術(shù)5.3焊接結(jié)構(gòu)工藝性戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造知識(shí)概要焊接結(jié)構(gòu)工藝性:指在一定的生產(chǎn)規(guī)模條件下，如何選擇零件加工和裝配的最佳工藝方案，因而焊接件的結(jié)構(gòu)工藝性是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中一個(gè)比較重要的問(wèn)題，是經(jīng)濟(jì)原則在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的具體體現(xiàn)。在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造中，除考慮使用性能之外，還應(yīng)考慮制造時(shí)焊接工藝的特點(diǎn)及要求，以保證在較高的生產(chǎn)率和較低的成本下，獲得符合設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品質(zhì)量。5.3.1焊接結(jié)構(gòu)材料和工藝的選擇5.3.2焊接接頭的選擇和設(shè)計(jì)5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)5.3.4焊接熱處理工藝規(guī)范3戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)5.3.1焊接結(jié)構(gòu)材料和工藝的選擇4選擇焊接結(jié)構(gòu)材料的總原則是：在滿(mǎn)足使用要求的前提下，盡量選擇焊接性能較好的材料。具體應(yīng)遵循下列原則：①優(yōu)先選用焊接性好、價(jià)格便宜的材料。②采用異種材料焊接時(shí)，要特別注意材料的焊接性。（通常應(yīng)以焊接性差的材料確定焊接工藝。）③盡可能選用軋制的標(biāo)準(zhǔn)型材和異型材。因軋制的型材表面光整、質(zhì)量均勻可靠，易控制焊接質(zhì)量。④盡量采用等厚度的材料，因厚度差異大易造成接頭處應(yīng)力集中和易產(chǎn)生焊不透等缺陷。若必須焊接厚度差異大的材料，需要考慮過(guò)渡結(jié)構(gòu)。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)5表5-4常用金屬材料不同工藝下的焊接性

焊接工藝金屬材料

氣焊焊條電弧焊埋弧焊CO2氣體保護(hù)焊氬弧焊電子束焊點(diǎn)焊縫焊對(duì)焊摩擦焊釬焊低碳鋼AAAAAAAAAA中碳鋼AABBAABAAA低合金結(jié)構(gòu)鋼BAAAAABAAA不銹鋼AABBAAAAAA耐熱鋼BABCAABCDA鑄銅AAAAAAEBBB鑄鐵BBCCBEEDDB銅及其合金B(yǎng)BCCABDDAA鋁及其合金B(yǎng)CCDAAAABC鈦及其合金DDDDAAB-CCDB注：A-焊接性良好；B-焊接性較好；C-焊接性較差；D-焊接性不好；E-很少采用。5.3.1焊接結(jié)構(gòu)材料和工藝的選擇戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造接頭形式選擇：第5章焊接成形技術(shù)65.3.2焊接接頭的選擇和設(shè)計(jì)圖5-35常見(jiàn)焊接接頭形式焊接碳鋼和低合金鋼的基本接頭形式有對(duì)接、搭接、角接和T形接四種。接頭形式的選擇是根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀、強(qiáng)度要求、焊件厚度、焊接材料消耗量及其他焊接工藝而決定的。對(duì)接接頭受力均勻，應(yīng)力集中較小，易保證焊接質(zhì)量，靜載和疲勞強(qiáng)度都比較高，且節(jié)約材料，但對(duì)下料尺寸精度要求較高。一般應(yīng)盡量選用對(duì)接接頭，例如，鍋爐、壓力容器等結(jié)構(gòu)受力焊縫常用對(duì)接接頭。搭接接頭受力復(fù)雜，接頭處產(chǎn)生附加彎矩，材料損耗大，需要坡口，下料尺寸精度要求低，可用于受力不大的平面連接。例如廠房屋架、橋梁、起重機(jī)吊臂等桁架結(jié)構(gòu)，多用搭接接頭。T形接頭和角接接頭受力復(fù)雜，但接頭成一定角度或直角連接時(shí)，必須采用這類(lèi)接頭形式。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)7坡口形式選擇：5.3.2焊接接頭的選擇和設(shè)計(jì)圖5-36對(duì)接接頭常見(jiàn)的坡口形狀手工電弧焊對(duì)板厚為1-6mm對(duì)接接頭施焊時(shí)，一般可不開(kāi)坡口（即Ⅰ形坡口）直接焊成。當(dāng)板厚增大時(shí)，為保證厚度較大的焊件能夠焊透，常將焊件接頭邊緣加工成一定形狀的坡口。坡口除保證焊透外，還能起到調(diào)節(jié)焊件金屬和填充金屬比例的作用，由此可以調(diào)整焊縫的性能。坡口形式的選擇主要根據(jù)板厚和采用的焊接方法確定，同時(shí)兼顧焊接工作量大小、焊接材料消耗、坡口加工成本和焊接施工條件等，以提高生產(chǎn)率和降低成本。手工電弧焊常采用的坡口形式有不開(kāi)坡口（Ⅰ形坡口）、Ⅴ形坡口、X形坡口、U形坡口等。Ⅴ形坡口和U形坡口用于單面焊，其焊接性較好，但焊后角度變形較大，焊條消耗量也多些。X形坡口和雙U形坡口雙面施焊，受熱均勻，變形較小，焊條消耗量較少，但有時(shí)受結(jié)構(gòu)形狀限制。U形坡口和雙U形坡口根部較寬，允許焊條深入，容易焊透，而且坡口角度小，焊條消耗量較小，但因坡口形狀復(fù)雜，一般只在重要的受動(dòng)載的厚板結(jié)構(gòu)中采用。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)8接頭過(guò)渡形式：5.3.2焊接接頭的選擇和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)焊接構(gòu)件最好采用相等厚度的金屬材料，以便獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。當(dāng)兩塊厚度相差較大的金屬材料進(jìn)行焊接時(shí)，接頭處會(huì)造成應(yīng)力集中，而且接頭兩邊受熱不勻，易產(chǎn)生焊不透等缺陷。不同厚度金屬材料對(duì)接時(shí)，允許的厚度差如表5-5所示。如果（δ1-δ）超過(guò)表中規(guī)定值或者雙面超過(guò)2（δ1-δ）時(shí)，應(yīng)在較厚板料上加工出單面或雙面斜邊的過(guò)渡形式。鋼板厚度不同的角接與T形接頭的受力焊縫，可考慮采取圖5-38所示的過(guò)渡形式。表5-5不同厚度鋼板對(duì)接時(shí)允許的厚度差較薄板的厚度/mm2-56-89-11≥12允許厚度差（δ1-δ）/mm1234圖5-37不同厚度板材對(duì)接的過(guò)渡形式圖5-38不同厚度鋼板接頭的過(guò)渡形式戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)9原則1：焊縫位置應(yīng)便于施焊，有利于保證焊縫質(zhì)量5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)按施焊時(shí)焊縫所處的位置不同，焊縫可分為平焊縫、立焊縫、橫焊縫和仰焊縫四種形式。平焊縫施焊操作最方便、焊接質(zhì)量最容易保證，因此在布置焊縫時(shí)應(yīng)盡量使焊縫能在水平位置行焊接。圖5-39焊縫的空間位置圖5-40焊縫位置便于手工電弧焊布置焊縫時(shí)，要考慮到有足夠的操作空間。如圖5-40a、b和c所示的內(nèi)側(cè)焊縫，焊接時(shí)焊條無(wú)法伸入。若必須焊接，只能將焊條彎曲，但操作者的視線被遮擋，極易造成缺陷。應(yīng)改為圖5-40d、e和f所示的設(shè)計(jì)。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)10原則1：焊縫位置應(yīng)便于施焊，有利于保證焊縫質(zhì)量5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)埋弧焊結(jié)構(gòu)要考慮接頭處在施焊中存放焊劑和熔池的保持問(wèn)題（圖5-41）。點(diǎn)焊與縫焊應(yīng)考慮電極伸入的方便性（圖5-42）。5-41便于自動(dòng)焊（埋弧焊）圖5-42便于點(diǎn)焊及縫焊戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)11原則2：盡量減少焊縫數(shù)量5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)減少焊縫數(shù)量可減小焊接加熱，減小焊接應(yīng)力和變形，同時(shí)減少焊接材料的消耗，降低成本，提高生產(chǎn)率。盡量選用軋制型材，以減少備料工作量和焊縫數(shù)量，形狀復(fù)雜部位可采用沖壓件、鑄鋼件等以減少焊縫數(shù)量。如圖5-43所示，是采用型材和沖壓件減少焊縫數(shù)量的實(shí)例。圖5-43減少焊縫數(shù)量戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)12原則3：焊縫布置應(yīng)盡可能分散，避免過(guò)分集中和交叉5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)焊縫密集或交叉會(huì)加大熱影響區(qū)，使組織惡化，性能下降。兩條焊縫間距一般要求大于三倍板厚且不小于100mm，如圖5-44所示。圖5-44焊縫分散布置戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)13原則4：焊縫的位置應(yīng)盡可能對(duì)稱(chēng)布置5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)如圖a和圖b構(gòu)件，焊縫位置偏離截面中心，并在同一側(cè)，由于焊縫的收縮，會(huì)造成較大的彎曲變形。如圖c、d和e所示的焊縫位置對(duì)稱(chēng)，焊后不會(huì)發(fā)生明顯的變形。圖5-45焊縫對(duì)稱(chēng)布置戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)14原則5：焊縫布置應(yīng)盡量避開(kāi)最大應(yīng)力位置或應(yīng)力集中位置5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)焊接接頭往往是焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，存在殘余應(yīng)力和焊接缺陷。因此：焊縫應(yīng)避開(kāi)應(yīng)力較大位置和集中位置。焊接鋼梁焊縫不應(yīng)在梁的中間，應(yīng)增加一條焊縫；壓力容器一般不用無(wú)折邊封頭，應(yīng)改用碟形封頭；構(gòu)件截面有急劇變化的位置或尖銳棱角部位應(yīng)避免布置焊縫。圖5-46焊縫避開(kāi)最大應(yīng)力與應(yīng)力集中位置戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)15原則6：焊縫應(yīng)盡量避開(kāi)機(jī)械加工面5.3.3焊縫的設(shè)計(jì)一般情況下，焊接工序應(yīng)在機(jī)械加工工序之前完成，以防止焊接損壞機(jī)械加工表面。此時(shí)焊縫的布置也應(yīng)盡量避開(kāi)需要加工的表面，因?yàn)楹缚p的機(jī)械加工性能不好，且焊接殘余應(yīng)力會(huì)影響加工精度。如果焊接結(jié)構(gòu)上某一部位的加工精度要求較高，又必須在機(jī)械加工完成之后進(jìn)行焊接工序時(shí)，應(yīng)將焊縫布置在遠(yuǎn)離加工面處，以避免焊接應(yīng)力和變形對(duì)已加工表面精度的影響。圖5-47焊縫遠(yuǎn)離機(jī)械加工表面的設(shè)計(jì)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)16焊前預(yù)熱溫度5.3.4焊接熱處理工藝規(guī)范碳素鋼和低合金鋼焊前預(yù)熱溫度，通常按鋼碳當(dāng)量范圍確定。當(dāng)碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，焊前不預(yù)熱；當(dāng)碳當(dāng)量等于0.4%-0.6%時(shí)，焊前可預(yù)熱100-200℃；當(dāng)碳當(dāng)量大于0.6%時(shí)，焊前則預(yù)熱200-370℃。戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造第5章焊接成形技術(shù)17焊后熱處理5.3.4焊接熱處理工藝規(guī)范常用金屬材料焊后均需消除應(yīng)力熱處理，各種金屬材料焊后熱處理溫度范圍見(jiàn)表5-6。珠光體耐熱鋼則需進(jìn)行高溫回火熱處理，并且材料成分不同，焊后回火溫度范圍也不同，見(jiàn)表5-7。材料碳素鋼及中碳低合金鋼奧氏體鋼鋁合金鎂合金鈦合金鈮合金鑄鐵溫度/℃580-680850-1050250-300250-300550-6001100-1200600-650注：含釩低合金鋼在600-620℃回火后塑性、韌性下降，熱處理溫度