焊接结构设计

（2）压力容器材料选择
• 1）薄壁容器
•
• 薄壁容器承受应力反复作用，工作温度变化大，根据容器 工作条件，结构形式和制造工艺进行选择。 一般容器选择焊接性好的低碳钢或低合金结构钢；对于飞 行器上的重要容器，选择高强度材料。
• 2）厚壁容器
• 因厚壁容器容易发生脆性断裂，破坏危害极大。因此，厚 壁容器的设计和制造有专门的技术规范。才选用的材料繁多 ，应用最广的是低碳钢和低合金结构钢。
• D类接头 接管，入孔圈、法兰与封头相接的T形或角接 接头。
• E类接头 吊耳、支撑、支座与筒身相接的对接接头。
• F类接头 在筒身、封头、接管、法兰和管板表面上的堆 焊接头。
• 2.压力容器焊接接头的设计要求
• （1）A类和B类焊接接头 • 这两类接头必须为全焊透对接焊缝的接头形式，一般为 双面焊接头形式；也可采用单面开坡口的接头形式； • 单面开坡口的采用氩弧焊完成全焊透的封底焊道，或在 焊缝背面加临时衬垫,保证根部焊道与坡口两侧完全熔 透。
• 实例一： • 低压贮气罐，8mm,压力1.0mpa,温度为常温， 介质为压缩空气，大批量生产。
• 设计方案： • 1）母材选择：
• 短管选用优质碳素钢10，其他选用塑性和焊接性好 的普通碳素钢Q235-A.
• 2)设计焊缝位置及焊接接头，坡口形式：
• 筒节的纵焊缝和筒节与封头相连处的两条环焊缝均 采用对接I形坡口双面焊。 • 法兰与短管焊合采用不开坡口角焊缝。 • 法兰管座与筒体焊合采用开坡口的角焊缝。
• 制造焊接结构时，所消耗的原材料，能源和工时应该最 少，其综合成本尽可能低。 • 总之，以实用为核心，以可靠性为前提，以工艺性和经 济性为制约条件。此外，在可能的条件下还应该注重结 构的造型美观。
• 2. 焊接结构设计的基本方法
• （1）许用应力设计法 • 工作应力≤许用应力 • 工作变形 ≤许用变形 • 安全系数 ≥许用安全系数
• （2）合理设计焊接结构形式
• 1）要有良好的受力状态
• 残余应力小，焊接变形小的对接接头
• 2）要重视局部构造
• 如局部节点，断面变化，接头形状等
• 3）要有利于实现机械化和自动化焊接
• 尽量采用简单平直的构造形式，避免复杂曲面 结构。
• （3）合理设计焊接接头形式
• 一般情况下，对接接头是最理想的，但是加盖 板的对接接头是不合理的，另外，角焊缝力求 均匀布置。
第8章 焊接结构设计
• 8.1 焊接结构设计的一般原则 • 8.1.1 焊接结构设计的一般思路
• 焊接设计包括： • 焊接结构设计 焊接工艺设计 焊接设备设计 焊接工装设计 焊接材料设计 焊接 车间设计。
• 1.焊接结构设计的一般思路 • （1）实用性
• 必须达到产品所需要的使用功能和预期效果。
• （2）可靠性
• 3）工字钢垂直连接时，增加加强肋板，应力 会均匀分布。
• 4）焊缝宜对称地布置并尽可能接近中心轴。
• 表8-2 焊接接头的合理性
• 2. 从工艺性及经济性分析焊接结构的合理性
• （1）焊接结构的备料工作量
• V坡口耗材料最大， U型坡口次之， X坡口较小，双U型 坡口耗材最少，但是加工量大，而X坡口易于加工。
•
σ =(pd/4δ ) ≤[σ ˊ]
• 合格要求：球形容器壁板各向应力小于焊缝许用应力。
• B 圆筒形薄壁容器: • 筒体的环向应力是轴向应力的两倍，采用下式计算： • σ
θ
=(pd/2δ ) ≤[σ ˊ]
• σ • • σ
t
=(pd/4δ )≤[σ ˊ] 为环向应力。 σ t为轴向应力。
θ
• 2）厚壁容器
• 3）选择焊接方法和焊接材料
• 角焊缝：采用焊条电弧焊方法，焊条选用E4303 （J422）。 • 纵、环焊缝：采用埋弧焊方法，焊丝选用H08A, 配合焊剂HJ431。
8.2.2 机床机身
• 1. 焊接机身的设计 • （1）材料的选用
• 一般采用轧制的钢板和型钢焊接而成，形状特殊的 部分可以采用锻件或铸件。
• 8.3.1 压力容器 • 1.压力容器接头分类
• 单层受压壳体上的焊接接头按其受力状态可分以下几类：
• A类接头，圆柱形壳体筒节的纵向对接接头，球形容器 的环向对接接头，锻制接管与筒体的对接接头； • B类接头 圆柱形，锥形筒节间的环向对接接头，接管与 法兰相接的环向对接接头。 • C类接头 法兰、平封头、管板与筒身，以及封头和接 管相连的角接接头；
• 常用的软件有ANSYS,ABQUS,SAP2000等有限元 软件。
8.2 焊接结构设计的合理性分析
• 1.从实用性和可靠性分析焊接结构的合理性 • （1）合理选择基体材料和焊接材料
• 所选择的金属材料必须同时能满足使用性能和加工 性能要求。如，强度，塑性，韧性，耐磨性，耐蚀 性等。 • 全面考虑结构的使用性能，如有防腐要求的结构， 以碳素钢为基体，不锈钢为工作面复合钢板，或在 基体上堆焊耐蚀层。 • 焊接材料的选择取决于基体材料的匹配状态，如成 分匹配（耐蚀要求），强度匹配（高组配，等强度 组配，低组配）。
1）避免残余应力和热影响区的叠加，A类和B类接头 之间的距离至少大于3倍壁厚，不小于100mm。
注意：
2）对于壁厚大于20mm的压力容器壳体应尽量避免十 字接头。 3）在A类，B类接头及附近不应直接开管孔。
4）容器筒身和封头上的A类、B类焊接接头应布置在 不直接接受弯曲应力作用的部位。
• （2）压力容器的C类焊接接头 •这类接头不必采用全焊透的接头形式，而采用 局部焊透的T形接头。 •低压力容器中的小直径法兰也可以采用不开破 口的角焊缝来连接，但必须在法兰内外两面进行 缝焊，这样既可防止法兰的焊接变形，又可保证 法兰的要求的刚度。
• • • • 改造前进行分析 1）要注意所用材料性质上的差别 2）要注意铸造工艺和焊接工艺各自的要求 3）要注意振动和屈曲问题
• 按等强度设计，焊接结构的壁厚将减薄，可能会 因壁板振动刚度不足，可适当增加肋板。
• 2.考虑自动化焊接的结构设计
• 3.考虑现代生产管理的设计
8.3 焊接结构设计实例
• 多用的金属是焊接性好的低碳钢和普通低合金钢； 匹配的锻件或铸件用化学成分相近的材料，如20钢， 26钢等。
• （4）压力容器E类焊接接头
采用双面开坡口的全焊透角焊缝的接头形式，主要用 于吊耳、支架、角撑等承载部件与壳体的链接 加强肋之类无强度要求的连接焊缝可采用不开坡 口的双面角焊缝。
• 3.压力容器焊接结构设计 • （1）焊接强度校核
• 1）薄壁容器
•
薄壁零件的壁厚比其直径小很多，应力在壁板厚度上可 视为均匀分布，按照薄膜应力计算。 • A 球形容器壁板应力各向相等，用下式计算：
• （3）压力容器D类焊接接头
• D类接头是比A类、B类接头受力条件复杂的T形 接头或角接头，需要全面分析，选择最合理， 最可靠的接头形式。 • D类接头常用的接头形式有：
• • • • • 插入式接管全焊透T形接头、 插入式接管局部焊头T形接头、 带补强圈接管T形接头、 鞍座式接管的角接接头 小直径法兰和接管的角接接头。
• 开坡口的原则：焊缝填充量尽量小，具有良好的可达性， 坡口形状容易加工，便于调控焊接变形。
• （2）焊接结构形式与焊接工艺选择
• • • • 铸锻焊都可以完成。 小尺寸，大批量，铸造。 大尺寸小批量焊接 大批量，分半压制，然后拼焊
• （3）焊缝的可焊到性和可检测性
• • • • 必须使结构上每 条焊缝都能方便地 施焊和方便地进 行质量检查。
• 厚壁容器应力在壁板厚度方向分布不均匀，应该按照应 力最大的部位计算。因此圆筒形厚壁容器的额壁厚可采 用下式： •
• • • •
δ =[pDn/(2ψ [σ ]-p)]+C
其中：p为容器内部压力， Dn为筒体内径， ψ 为纵向焊缝强度减弱系数，对于低碳钢，不锈钢取ψ =1，对高铬钢 ψ =0.8. C为设计附加值。
• 1)母材的许用应力和安全系数 • 静载时，母材的许用应力等于材料的极限强度除以安全系 数。 • [σ ]=σ c/nc • 因此，材料的安全系数取值参照设计手册确定,如表8-1。
பைடு நூலகம்
• 2）焊缝的许用应力 • 确定焊缝需用应力的方法： • 一是电弧焊按母材的许用应力乘以一个系数， 该系数≤1； • 一是熔透的对接焊缝，经质检符合设计要求， 系数可取1.
• 2）容器上支管连接
支管连接处钻孔后，孔附近将有相当大的应力集中， 为了减少孔口处应力集中的影响，对于薄板可以在 孔口周围进行补强加固。
• 注意：压力容器考虑疲劳载荷时，疲劳破坏发生在结 构不连续处，如突变，开孔，转角，焊缝和焊接缺陷， 法兰连接处等。 支管与容器连接处的应力集中系数KT=2.0~4.0,可能降低 容器的疲劳强度，其影响程度取决于连接处具体工艺形 式与工艺措施。
• 4）开孔与补强
由于工艺要求和检修需要，在容器的筒体和封头上 开设各种孔，如人孔，手孔，视镜孔，物料进出接 管等。 这些孔会减弱容器的断面强度。 因此，一般要采用孔补强，提高材料的利用率。
• 补强的方式：
注意：当容器工作温度超过300℃或壁厚超过40mm时，不采用图 c补强方式。 因管孔过于密集而必须开在A类，B类接头上时，必须对开孔部 位焊缝做100%X射线透照。壁厚大于50mm时，在焊接接管之前将 开孔区焊缝作消除应力处理。
• （5）焊接变形控制
• 把复杂的结构分成几个部件制造，尽量减少最 后总装配时的焊缝，对于防止结构总体变形时 有利的。
• （6）操作者劳动条件的改善 • （7）材料的合理利用
8.1.3 焊接结构设计中应注意的问题
• 1.改造结构的设计 • （1）铆接结构的改造 图8-13
• （2）铸造结构的改造
• 焊接结构在使用期内必须安全可靠，受力必须合理，能 满足强度、刚度、稳定性、抗震性、耐蚀性等方面的要 求。
• （3）工艺性
• 焊接结构必须能够方便的进行焊接操作，其中包括金属 材料具有良好的焊接性，结构的焊前预加工，焊后处理， 焊接与检验操作的可达性等。此外，还应易于实现机械 化和自动化焊接。
• （4）经济性
实验证明：带加强圈的插入式 连接管的形式对疲劳强度降低 程度最大，贯穿插入型较好。
• 3）板管连接 图8-24
管子与管板连接处承受交变载荷，设计时考虑长期使 用的安全性和工艺性。
图a,b,为了降低焊缝的拘束度，在管板上加工出一个环形沟槽。 图c为了管接头与管板接触跟紧密，焊前把管子端部外扩。 图d当接头要承受较大的弯曲应力，焊缝可以放在管板中间，焊缝低于应力 区。 图e,f采用对接焊缝，受力情况最好，但是装配工艺复杂。
• （2）可靠性设计法
• 可靠性设计是保证机械及零部件满足给定的可 靠性指标的一种机械设计方法。 • 把与设计有关的载荷，强度，尺寸和寿命等数 据如实地当做随机变量，运用概率论和数理统 计的方法进行处理。 • 其设计结构更符合生产实际。
• （3）有限元数值模拟辅助设计法
•
利用有限元模拟法可以分析已设计的焊接结构静态和 动态的物理系统，可得出焊接结构局部区域的工作应力 分布，从而改进焊缝形状及尺寸设计。
• 4.压力容器接头的设计
压力容器结构：主要有筒体，封头，法兰，接管， 支座等
图8-21
• 1）筒体、封头及其相互间连接的焊接结构
采用纵向焊缝和环向焊缝，全部采用对接接头，且焊缝 和母材之间平滑过渡。 纵向焊缝必须与母材等强度，环向焊缝可以用较软的填 充金属材料。 各筒节的环向焊缝以及筒节与封头间的环向焊缝一般都 采用埋弧焊。
• 必须考虑焊接装配焊接次序对可焊到性的影响， 图8-9
• （4）减少焊接工作量
• • • • • 减少焊缝数量和焊缝填充金属。 选用轧制型钢代替一部分焊件； 角焊缝多且密集的地方可用铸钢代替； 角焊缝保证强度的条件下，尽量减少焊脚尺寸。 对接焊缝，保证熔透的情况下选用填充金属最 少的坡口形式。
• （4）合理布置焊接接头位置 • 1）避免应力集中
• 如图根部角接接头应力集中严重，承 载能力低。在封头加工一个槽，效果 近似于对接接头。 • 另外，最好的方法是将封底改换成球 面封头，以对接接头连接筒体和封头。
• 2）集中载荷处，必须有较高刚度的依托。
• 图a，支耳背面无依托，容易在支耳两端的焊缝上产生 裂纹。改进成图b结构，支耳有依托，应力分布均匀。