材料成型大作业

材料成型大作业

题目：题目三

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2012.12.11

题目三：

如图所示，焊接梁，材料为20刚，现有最大长度为2500mm，设计要求：确定腹板、上、下翼板、筋板的焊缝位置；选择焊接方法；画出焊缝接头形式；确定各条焊缝的焊接次序。

图1 焊件的结构图

焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。不可拆卸的焊接与机械连接相比结构简单，节省材料；接头气密性好；成型工艺简单，生产效率高。

熔焊是采用局部加热的方法，使工件焊接接头部位融化，通常还需填充金属，构成共同熔池，熔池冷却结晶后，形成牢固的原子间结合，使分离的工件成为一体。熔焊的熔池可以看做是一个微型冶金炉，其内要进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等一系列的冶金化学反应。由于大多数熔焊是在大气中进行，使得熔焊冶金过程复杂、激烈，从而影响焊缝的化学成分、组织及性能。初步分析，可知在该焊接工艺设计中主要用到的就是熔焊的原理。

1.确定腹板、上、下翼板、筋板的焊缝位置

焊缝位置的选择是焊接件结构设计的关键，其与产品质量、生产率、成本及劳动条件密切相关。选择焊缝位置是应该考虑以下原则：

A.焊缝应避免交叉或者密集

B.焊缝尽量对称分布

C.焊缝应尽量避开最大最大应力和应力集中的位置

D.焊缝应尽量避开机械加工表面

E.焊缝布置应便于焊接操作

图2 部分焊缝位置图（筋板与其他件的焊缝未标出）

由于最长的钢板只有2500mm，而要求钢板的总长为5000mm，故上下翼板与腹板的均需要焊接，综合考虑各方面的原因，将焊缝位置确定如上图所示，A、B处焊缝分别为上、下翼板的接口，置于正中间，对称结构使得受力均匀更加合理。A-B连线为腹板的焊缝，C、D分别为下翼板的两外两条焊缝，焊缝分别与相邻的筋板和下翼板的焊缝的距离大于100mm，同时焊缝与弯折处离有一定的距离，保证焊缝的质量。筋板共12块，每块与上下翼板与腹板的焊缝有6条。为了保证焊接过程的可行性，将各个筋板之间的距离暂定为如下图中的距离。

图3 筋板位置初定图

2.选择焊接方法

各种焊接方法都有各自的特点及适用范围，只有选择了正确的焊接方法才能保证焊接质量，又降低生产的成本。焊接方法的选择要考虑焊接材料的焊接性、接头形式、焊件厚度、焊缝空间位置、焊接结构形式以及现有设备等，在进行质量、经济性和工艺可行性分析之后，最终确定适宜的焊接方法。

下面是焊接方法选择时通常依据的原则。

A.质量原则。选择焊接方法首先要保证能满足焊接接头的使用性能要求，

要考虑材料的焊接性、焊件厚度及焊件结构技术要求等因素。如焊接低

碳钢和低合金钢材料时，各焊接方法均适用；焊接合金钢、不锈钢、有

色金属等材料时，应采用氩弧焊；焊接稀有金属和高熔点金属材料是用

采用等离子弧焊，激光焊氩弧焊真空电子束焊等；中等板厚可采用焊条

电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等；超厚板可采用电渣焊，包办可采用气

焊脉冲氩弧焊、电焊、缝焊、电子束焊等，如有密封要求应采用缝焊，

如要求变形小，就不适宜选用气焊。

B.工艺原则。选择焊接方法要考虑现有的设备条件、缝焊的空间位置、接

头形式及焊接工艺能否实现等。如焊缝短曲而处于不同空间位置，采用

焊条电弧焊最为方便；电渣焊适用立焊；埋弧焊适用平焊；摩擦焊、对

焊适用对接接头；电焊、缝焊适用搭接接头等。对于无法采用双面焊工

艺有要求焊透的工件，采用单面焊工艺时，若先使用脉冲氩弧焊打底焊

接，更易保证焊接质量。

C.选择焊接方法还要考虑生产批量、各种焊接方法的费用投入及生产情况

等。如氩弧焊虽然可以焊接各种金属及合金，但是成本较高，一般主要

用于焊接有色金属及合金；长直焊缝或圆周焊缝，批量生产一般可以采

用埋弧自动焊，效率较高；若是焊件是单件生产，选用焊条电弧焊最好。

因为焊件关于中心对称，从制定的焊缝的位置我们可以看到其实整个焊件就是由左右两对称的部分组成，所以在实际进行焊接的过程中，我们考虑以中心线为分界线，将左右两部份分开分别进行加工。且两部份加工的方法基本相同，所以在下文的介绍中将只针对左侧部分进行分析。

在这个焊接工艺中，总共用到了三种厚度的钢板6mm，8mm，10mm；

同时钢板的材料为20钢，属低碳钢；同时，还有第一部分中所设计的焊缝位置，这三个条件共同决定了应该选择哪一种的焊接方法比较合适。考虑经济方面的问题，我们将尽量采用焊条电弧焊来来实现焊接过程。

上翼板与腹板焊缝长且直，若是批量生产可以考虑采用氩弧焊。但是从经济方面考虑，氩弧焊的成本较高，若是单件生产，考虑采用焊条电弧焊。

下翼板与腹板的焊接方法亦采用焊条电弧焊。下翼板与腹板的焊接采用与下翼板与腹板与筋板的焊接因为焊缝较短且位于不同空间，故采用焊条电弧焊，既经济又操作方便。左右两部分焊接在一起的时，因为整体作为一个梁，那中间部分的需要承受一定的力。但是因为结构问题，这时候已经无法采用双面焊工艺来提高焊接质量，故为了提高焊接质量，在焊接时先用脉冲氩弧焊打底焊接，然后再进行焊条电弧焊。

3.画出焊缝的接头形式

焊接接头设计的设计应该根据焊件结构形状、强度要求、焊后变形要求、焊接材料的消耗量、坡口加工的难易程度、焊接方法等因素综合考虑、通用的焊接接头形式有对接接头、搭接接头交接接头T型接头等；坡口形式有I 型、Y型（V型）、双Y型（X型）、U型等。

对接接头受力均匀，在静载和动载作用下都具有很高的强度，是常用的接头形式，重要受力焊缝应尽量选用。搭接接头焊前准备简便，装配时尺寸要求不高，但因两焊件不在同一平面，受力时将产生附加弯矩，而且金属消耗量也大，一般避免采用。对于受力不大的平面连接与空间架构，采用搭接可以节省工时。角接接头通常只起连接作用，受力情况比对接要复杂，接头成一定角度连接时必须采用这种接头形式。T型接头广泛用于空间类焊件上，具有较高的强度。

为了使焊接接头根部能够焊透，是焊缝更加美观，常用热切割或冷加工的方法将金属材料边缘加工成一定形状的坡口，通过坡口大小还可以调节金属和填充金属的比例，达到焊缝成分调节的比例达到调整焊缝成分的目的。

焊接坡口选择原则通常选用考虑以下三个因素。