焊接结构设计的一般原则
焊接结构设计的一般原则
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。
（5）焊接变形控制
（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。
焊接结构设计的一般原则
焊接设计包括： 焊接结构设计
焊接工装设计
焊接工艺设计 焊接设备设计
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
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。
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。
焊接结构基本知识
焊接结构基本知识1. 焊接结构的定义与分类焊接结构是指利用焊接工艺将金属材料或其他材料连接在一起形成的结构。
焊接结构广泛应用于建筑、机械、船舶、汽车等领域，其连接方式可以使结构更加牢固、耐用。
根据焊接结构的连接方式和材料特点，可以将焊接结构分为以下几类：1.熔化焊接结构：熔化焊接结构是通过将焊条、焊丝或焊剂加热至熔化状态，使其与基材相互融合，形成连接。
常见的熔化焊接方法有电弧焊、气焊、TIG焊等。
2.压力焊接结构：压力焊接结构是通过施加一定的压力，将接触面加热至一定温度，使其在压力作用下融合，形成连接。
常见的压力焊接方法有电阻焊、搅拌摩擦焊等。
3.化学焊接结构：化学焊接结构是利用化合物的化学反应使金属材料连接在一起形成结构，常见的化学焊接方法有焊锡焊接、铜焊接等。
4.固相焊接结构：固相焊接结构是通过加热使接触面降低至固相状态，然后施加一定的压力使接触面融合，形成连接。
常见的固相焊接方法有点焊、摩擦焊等。
2. 焊接结构的优缺点焊接结构具有以下优点：•强度高：焊接点的强度通常可以达到或接近母材的强度。
•刚性好：焊接结构的连接点刚度较大，能够承受较大的外部力矩和荷载。
•连接紧密：焊接结构在连接过程中，焊缝充满材料间的间隙，使连接更紧密，有助于提高结构的稳定性和密封性。
•节省材料：焊接结构与螺栓连接相比，不需要使用螺栓、螺母等连接件，可以节省材料和降低成本。
然而，焊接结构也存在一些缺点：•难以拆卸：焊接结构通常是永久性的连接方式，难以拆卸和维修。
•焊接变形：焊接过程中，由于局部加热和冷却引发的热应力会导致焊接结构变形，需要加以控制和修正。
•对材料要求高：焊接结构对材料的要求较高，需要选择合适的焊材和母材，以确保焊接结构的质量和强度。
•焊接接缝敏感：焊接接缝是焊接结构的弱点，容易产生裂纹和疲劳断裂，需要采取相应的措施加以强化和防护。
3. 焊接结构的设计原则在进行焊接结构设计时，应遵循以下原则：•合理布置焊缝：焊缝的布置应尽可能减少焊接应力集中和焊接变形，避免焊接接头过长或过密。
焊接工程师课程-IWE-3-3[1].14-15动载焊接结构的设计
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对无限大薄板： K=σ （π a)^(1/2)
da/dN,mm/次 10－1
△K=△σ (π a)^(1/2) 10－2
按帕瑞斯公式，亚临界扩展速率不受
试验几何形状和加载方式的影响，只 受应力强度因子幅值的影响。其过分 10－3
强调△ K和△ σ 作用，而忽视了
Kmax的增大，特别是Kmax趋近K1C时 对裂纹扩展的加速作用。
成就
不足
亚临界扩展速率 不受试验几何形 状和加载方式的 影响，只受应力 强度因子幅值△ K的影响。
忽视了Kmax的增 大，特别是Kmax 趋近K1C时对裂纹 扩展的加速作用。
裂纹扩展速率是C、 许多高韧性材料
r、△K和K1C的函 数， K1C越大 da/dN越小。
的K1C无法测得。
用m参数替代无法
测得的K1C。 当m=1时，华格公
公式1 公式2
Nf
ac da
N
Nf
N0
dN
N0
a0 c(K )
K a
n2
N 1 2
ac
ac
n 2
1
1, n
2
C n 2 ( a ) a0
if , n 2
N 1
1
ln ac
C ( a )n a0
由于π、ac、a0、n等都是不变或基本不变的数，可以合并到新常数C，故上2个公式 可以简化为：
Seq
1
n 1
n
( i
i 1
eq )2
2010第29期国际焊接工程师
班 编稿-上海交通大学陈立功
IWE-3/3.3 14-15 动载焊接结构的设计
焊接结构件设计原则
焊接结构件设计原则焊接件结构设计概括起来讲就是要保证产品的制造合理性、经济合理性、使用安全性。
1.制造合理性1）焊接件应具有好的定位基准——保证组装的可操作性。
2）考虑焊接时操作方便，结构特殊更应考虑焊缝的布置，在设计图1 结构中应保证焊接作业时的最小间距L;在图2中（a）结构设计不合理，（b）结构设计合理。
3）毛坯上与其他件连接的部分应离开焊缝至少3mm4）焊缝的位置应使焊接设备的调整次数和工件的翻转次数为最少。
2.经济合理性方面1）考虑最有效的焊接位置，以最小量焊接达到最大量效果。
2）在不影响产品性能的前提下，长焊缝尽量采用间断焊缝。
3）根据产品机构特点，尽量设计为平焊、横焊，避免立焊、仰焊。
4）正确选用角焊缝的计算厚度。
角焊缝在较小的负载下，不必计算强度，可按经验确定焊角高度尺寸K，即按连接钢板中较薄的板厚考虑。
5）一般情况下尽量不要把焊缝布置在加工面上。
6）根据不同的焊接方法和板厚确定合理的坡口形式：如V型坡口焊缝制备简单，但焊接工作量大，使焊接成本提高；X型坡口焊缝，但制备较复杂，焊接工作量小，在对接焊缝中可适当选用，在角缝中双面角焊缝填充金属小，并能承受较高负载，变形也小，应优先采用。
3.使用安全性方面1）避免将焊缝设计在应力容易集中的地方，特别是重要部件或承受反复载荷的焊接件，更应注意这一点。
合理布置构件的相互位置，以保证焊接件的刚性。
2）焊缝的根部在避免处于受拉应力的状态3）直接传递负载的焊接件，采用整体嵌接为好，将工作焊缝转为联系焊缝。
4）箱形焊接结构件应设计为折弯件的拼焊。
5）避免焊缝过分集中，以防止裂纹、减少变形；同时，焊缝间应保持足够的距离。
6）焊接端部产生锐角的地方，应尽量使角度变缓；薄板筋的锐角必须去掉，因为尖角处融化。
焊接结构设计实例。
焊接工艺的焊接接头设计原则
焊接工艺的焊接接头设计原则焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于制造业领域。
焊接接头设计是焊接工艺中至关重要的一环，它直接影响到焊接接头的强度、可靠性和寿命。
本文将介绍焊接接头设计的原则，以帮助焊接工艺专业人员提高焊接质量。
一、选择合适的焊接方法在进行焊接接头设计时，首先要根据焊接对象的材料类型、厚度和形状选择合适的焊接方法。
常见的焊接方法包括电弧焊、气体保护焊、电阻焊等。
不同的焊接方法适用于不同的材料和工件结构，选择合适的焊接方法可以提高焊接接头的强度和可靠性。
二、确定焊接接头的几何形状焊接接头的几何形状对于焊接接头的强度和寿命具有重要影响。
在设计焊接接头时，应根据焊接对象的应力条件和使用条件，合理确定焊接接头的几何形状。
一般情况下，焊接接头的几何形状可以选择为直角型、T型、搭接型等。
此外，还应考虑焊缝的长度和宽度，避免焊接接头出现应力集中和裂纹的问题。
三、保证焊接接头的质量焊接接头的质量直接影响到焊接接头的强度和可靠性。
在焊接接头设计过程中，应注意以下几点来保证焊接接头的质量：1. 选择合适的焊接材料和焊接电流。
焊接材料的选择应考虑其与焊接对象的相容性和强度。
焊接电流的选择应根据焊接材料和焊接接头的厚度来确定，过高或过低的焊接电流都会影响焊缝的质量。
2. 控制焊接温度和焊接速度。
焊接温度过高或焊接速度过快都会导致焊接缺陷的产生，应注意控制好焊接温度和焊接速度，确保焊接接头的质量。
3. 采取适当的焊接工艺措施。
在进行焊接接头设计时，应结合具体的焊接工艺要求，采取适当的焊接工艺措施，如预热、焊前清洁、后焊热处理等，以提高焊接接头的强度和可靠性。
四、考虑焊接接头的使用条件焊接接头在使用过程中会受到不同的力学和环境条件的影响，因此在焊接接头设计时需要考虑到这些使用条件。
具体来说，应根据焊接接头所在的工作环境、工作温度和工作负荷来选择合适的焊接材料和焊接方法，以确保焊接接头在使用过程中能够保持稳定的性能。
《焊接结构设计 》课件
焊接工艺的分类与特点
焊接工艺的分类
根据焊接过程中所使用的热源不同，焊接工艺可以分为熔化焊、 压力焊和钎焊等类型。
焊接工艺的特点
熔化焊是通过加热使焊件达到熔化状态，通过液态金属的流动实 现连接；压力焊则是通过施加压力，使焊件达到塑性状态或直接 实现连接；钎焊则是通过加热使钎料熔化，利用液态钎料润湿被 连接表面实现连接。
外观检测
通过目视、测量等方法检查焊接结构的外观 质量，如焊缝的外观、尺寸等。
力学性能检测
对焊接结构进行拉伸、弯曲、冲击等试验， 检测其力学性能是否符合设计要求。
耐压检测
对焊接结构进行压力试验，检测其密封性能 和强度。
焊接结构的验收标准
焊接结构应符合设计图 纸和相关标准规范的要 求。
焊接结构应进行全面的 检测，确保无缺陷和损 伤。
在气体保护焊中，保护气体的 流量也会影响焊接质量和效率 ，需要根据实际情况进行调整 。
05
焊接结构强度与稳定性分析
焊接结构的应力分布与变形
焊接过程中应力的产生
在焊接过程中，由于材料受热膨胀和 冷却收缩，会在焊缝及其附近区域产 生应力。
焊接应力的分布
焊接应力的分布取决于焊接工艺、材 料性质和焊缝设计等因素。
焊接速度
保护气体流量
焊接电流是焊接过程中最重要 的工艺参数之一，它直接影响 到焊接质量和焊接效率。需要 根据焊件的材料、厚度、焊接 位置等因素来确定合适的焊接 电流。
焊接电压也是重要的工艺参数 之一，它影响到电弧的稳定性 和焊接熔池的形状。需要根据 焊件的材料、电流等因素来确 定合适的焊接电压。
焊接速度决定了焊接效率，过 快或过慢的速度都可能影响焊 接质量。需要根据焊件的材料 、厚度等因素来确定合适的焊 接速度。
《焊接结构学(第2版)》教学课件-第8章
1）母材的许用应力和安全系数 许用应力是构件工作时，允许的最大应力
值。在静载条件下，焊接结构中母材的许用 应力是根据材料的极限强度除以安全系数确 定的，即
[σ]=σc /nc
能、焊接热过程、焊接应力与变形、焊接 接头工作应力分布、焊接结构断裂与疲劳
性能、焊接结构类型和力学特征的基础上 进行的。
主要内容
8.1 焊接结构设计的一般原则 8.2 焊接结构设计实例
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
1. 焊接结构设计的基本要求
所设计的焊接结构应当满足下列基本要求：
2. 焊接结构设计的基本方法
对于大型复杂的焊接结构设计，一般分为初 步设计、技术设计和工作图设计三个工作阶段。 其中最重要的确定焊接结构形状和尺寸的任务是 在技术设计阶段完成。
从发展的角度来分，设计方法有传统设计方 法和现代设计方法，焊接结构设计目前大量采用 的仍然是传统设计方法，如许用应力设计法；重 要的大型焊接结构设计，逐渐采用现代设计方法 中的可靠性设计法；随着计算机和有限元方法的 发展，对于焊接结构局部细节，已经开始采用有 限元数值模拟辅助设计方法。
（4）经济性
制造焊接结构时，所消耗的原材料、能 源和人工工时应最少，其综合成本尽可能低。
上述要求是设计者追求的目标。对一 个具体焊接结构产品来说，这些基本要 求必须统筹兼顾，它们之间的关系是： 以实用性为核心，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注重结构 的造型美观。
（1）许用应力设计法 （传统）
焊接工装设计的基本原则和要求
焊接工装设计的基本原则和要求
焊接工装设计的步骤与内容
尺寸链及其在结构设计中的应用
夹具的公差配合与技术条件
焊接工装夹具主体的基本要求
夹具体是夹具的基本件，它既要把夹具的各种元件、机构、装置连接成一个整体，而且还要考虑工件装卸的方便。
因此，夹具体的形状和尺寸主要取决于夹具各组成件的分布位置、工件的外形轮廓尺寸以及加工的条件等。
在设计夹具体时应满足以下基本要求：
1.具有足够的强度和刚度。
2.结构简单、轻便，在保证强度和刚度前提下结构尽可能简单紧凑，体积小、质量轻和便于工件装卸。
3.安装稳定牢靠。
4.结构的工艺性好，便于制造、装配和检验。
5.尺寸要稳定且具有一定精度。
6.清理方便。
夹具的定位方式及元器件选择
1.定位件的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不便的位置，在保证加工
要求的情况下，限制足够的自由度。
2.在焊接夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有被限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制一个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度，过定位也属于不合理设计。
3.夹紧方式及元器件选择
夹紧机构的三要素是夹紧力方向的确定、夹紧力作用点的确定、夹紧力大小的确定。
对夹紧机构的基本要求如下：
①夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。
②夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损害零件表面质量。
③夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调节的。
④结构力求简单，便于制造和维修。
焊接技术规范
※※目錄※※1.目的：规范焊接结构件的设计、制造及检验。
2.适用范围：本规范适用于本公司焊接结构件的设计、制造及检验。
3.引用标准：GB12212-90 《技术制图焊缝符号的尺寸、比例及简化表示法》GB324-88 《焊缝符号表示法》GB985-88 《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》GB6417-86 《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》GB10854-89 《钢结构焊缝外形尺寸》4.参考标准：JB/T6753.4-93 《电工设备的设备购体公差焊接结构的一般公差》5.基本功能描述：金属焊接是用适当的手段，使两个分离的金属的物体产生原子或分子间结合而连接成一体的连接方式。
金属焊接是一种广泛采用的工艺手段。
6.技术要求：6.1焊接结构设计一般原则：电子设备结构设计中经常彩焊接结构形式。
在设计时应遵循一定的原则：6.1.1电子设备的结构件采用薄板类材料居多，如冷轧钢板，不锈钢板等，这类薄板件焊接变形较大，外协厂加工多彩二氧化碳保护焊和氩弧焊，生产效率较低，焊接后焊缝的打磨，消除应力集中和消除变形等增加了工艺步骤与成本。
建议结构设计中尽可能避免焊接结构。
6.1.2焊接结构设计中应尽可能减少焊接量。
对角焊缝而言，在保证强度的基础上，尽可能采用最小的焊脚尺寸。
6.1.3为控制焊接变形，应合理布置焊缝。
如有对称轴的焊接结构，焊缝应对称和分布等。
6.1.4必须在结构上保证每条焊缝能够方便地施焊和进行质量检查，焊缝周围要有足够的焊接和质量检查操作空间。
6.1.5电子设备结构往往从防锈的角度考虑对结构件进行电镀等电化学处理，如果焊接件整体电镀，需避免有截留电镀液的焊接结构，这种截留在焊接结构缝隙中的化学溶液会加速结构件的锈蚀。
6.2焊接结构一般公关如无特殊标注，要求焊接结构的一般公差达到以下A级要求：如有更高的要求，请在尺寸标注时直接标注公差。
6.2.1尺寸一般公差：表1 一般尺寸公差一般垂直度公差（若L∠W，则以长边L为基准）表26.3.1总则严格按照国标GB324-88《焊缝符号表示法》执行；可以按照国标GB12212-90《技术制图焊缝符号的尺寸、比例及简化表示法》对焊拉进行简化表示；可以依本规范对焊缝进行标注。
焊接结构设计的基本要求和基本原则
焊接结构设计的基本要求和基本原则1.强度要求：焊缝必须能够承受设计荷载，在额定载荷下不应产生变形、塑性破坏或断裂。
2.刚度要求：焊接结构的变形应受到控制，以确保结构的稳定性和使用性能。
3.耐久性要求：焊接结构应能够耐受外界环境的侵蚀、震动、振动等因素，保持设计寿命。
4.适应性要求：焊接结构要能够适应不同的工艺要求和施工条件，满足安装、运输和维护的需求。
5.安全性要求：焊接结构应符合安全设计规范，减少事故和潜在风险。
1.材料选择：应选用适用于具体焊接结构的材料，具备良好的焊接性能、力学性能和耐久性。
2.焊缝设计：焊缝的选择和设计应符合强度和刚度要求，考虑接触应力、应力集中和蠕变等因素。
3.焊接工艺：应根据焊接结构的要求选择合适的焊接工艺，确保焊缝质量，并避免热影响带的形成。
4.结构布局：焊接结构的布局应合理、紧凑，减少焊接长度和次数，提高生产效率。
5.质量控制：应对焊接结构进行质量控制，包括焊接材料的选择、预处理和检测，以及焊接工艺参数的调整和监测。
6.工作环境：焊接结构的设计应考虑到工作环境的特殊要求，如高温、低温、腐蚀等，选择合适的材料和相应的保护措施。
在具体的焊接结构设计中，还需要考虑以下因素：1.加工性：焊接结构的形状和尺寸应符合加工要求，便于操作和施工。
2.外观效果：焊接结构应具备良好的外观效果，减少焊接缺陷和瑕疵。
3.经济性：焊接结构的设计应尽可能减少材料的消耗和加工成本，提高生产效率和经济效益。
综上所述，焊接结构设计的基本要求和基本原则旨在确保焊接结构的安全、稳定和耐久，以及提高生产效率和经济效益。
设计师应考虑材料选择、焊缝设计、焊接工艺等因素，并根据工作环境和特殊要求进行合理布局和质量控制。
通过严格遵循这些原则和要求，能够使焊接结构具备合适的强度、刚度和耐久性，满足实际工程应用的需求。
焊接接头的工艺设计
一焊缝的布置合理的焊缝位置是焊接结构设计的关键，与产品的质量，生产率，成本及劳动条件密切相关。
其一般工艺设计原则如下：（1）焊缝布置应尽量分散。
焊缝密集或交叉，会造成金属过热，加大热影响区，使组织恶化。
因此两条焊缝的间距一般要求大于3倍板厚，且不小于100mm。
图中a,b,c 的结构不合理，应改为图4-40d,e,f的结构形式。
（2）焊缝的位置应尽可能对称布置。
如图ab所示的构件，焊缝位置偏离截面中心，并在同一侧，由于焊缝的收缩，会造成较大的弯曲变形。
图cde所示的焊缝位置对称，焊后不会发生明显的变形。
（3）焊缝应尽量避开最大应力断面和盈利集中位置。
对于受力较大，结构较复杂的焊接构件，在最大应力断面和应力集中位置不应该布置焊缝。
例如，大跨度的焊接钢梁，板坯的拼料焊缝，应避免放在梁中间，如图a 应改为图d 的状态。
压力容器的封头应有一直壁段，如图b应改为图e 状态，使焊缝避开应力集中的转角位置。
直壁段不小于25mm. 在构件截面有急剧变化的位置或尖锐棱角部位，易产生应力集中，应避免布置焊缝。
例如图c应改为f的状态。
（4）焊缝应尽量避开机械加工表面。
有些焊接结构，只是某些部位需要进行机械加工，如焊接轮毂，管配件，焊接支架等。
其焊缝位置的设计应尽可能距离一加工表面远些，如图a, b 所示结构显然不如c,d 所示结构容易保证质量。
（5）焊缝位置应便于焊接操作。
布置焊缝时，要考虑到有足够的操作空间。
如图a b c 所示的内侧焊缝，焊接时焊条无法伸入。
若必须焊接，只能将焊条弯曲，但操作者的视线被遮挡，极易造成缺陷。
因此应改为图d e f 所示的设计。
埋弧焊结构要考虑接头处在施焊中存放焊剂和熔池的保持问题。
点焊与焊缝应考虑电极伸入的方便性。
此外，焊缝应尽量放在平焊位置，尽可能避免仰焊焊缝，减少横焊焊缝。
良好的焊接结构设计，还应尽量使全部焊接部件，至少是主要部件能在焊接前一次装配点固，以简化装配焊接过程，节省场地面积，减少焊接变形，提高生产效率。
焊接结构设计的基本要求和基本原则
焊接结构设计的基本要求和基本原则1.设计的基本要求设计任何焊接结构都应满足下列基本要求1实用性结构必须达到所要求的使用功能和预期效果2可靠性结构在使用期内必须安全可靠,应能满足强度、刚度、稳定、抗振、耐蚀等方面的要求;3工艺性应该是能焊接施工的结构;所选的金属材料既有良好的焊接性能,又具有良好的焊前预加工性能和焊后热处理性能；所设计的结构应具有焊接和检验的可达性,并易于实现机械化和自动化焊接;4经济性制造该结构时所消耗的原材料、能源和工时应最少,其综合成本低;此外,还要适当注意结构的造型美观;上述要求是设计者追求的目标,设计时要统筹兼顾,应以可靠性为前提,实用性为核心,工艺性和经济性为制约条件;2.设计的基本原则为了使设计能达到上述的基本要求,设计焊接结构时,应遵循下列的设计原则;1合理选择和利用材料所选用的金属材料必须同时满足使用性能和加工性能的要求,前者包括强度、韧度、耐磨、耐蚀、抗蠕变等性能；后者主要是焊接性能,其次是其他冷、热加工性能,如热切割、冷弯、热弯、金属切削及热处理等性能;在结构上有特殊性能要求的部位,可采用特种金属材料,其余采用能满足一般要求的廉价材料;如有防腐蚀要求的结构,可采用以普通碳钢为基体;以不锈钢为工作面的复合钢板或者在基体上堆焊抗腐蚀层；又如有耐磨要求的构件,仅在工作面上堆焊耐磨合金或热喷涂耐磨层等;充分发挥异种金属材料能进行焊接的特点;尽可能选用扎制的标准型材料和异型材;通常轧制型材表面光洁平整、质量均匀可靠；使用时不仅减少许多备料工作量,还可减少焊缝数量;由于焊接量减少,焊接变形易于控制;在划分结构的零部件时,要考虑到备料过程中合理排料的可能性,以减少余料,提高材料利用率;（2）合理设计结构形式能满足上述基本要求的结构形式都被认为是合理的结构设计,也就是可从实用、可靠、可加工和经济等方面对结构设计的合理性进行综合评价;设计时,一般应注意以下几点;1）根据强度、刚度和稳定的要求,以最理想的受力状态去确定结构的几何形状和尺寸;切忌仿效铆接、铸造、锻造结构的构造形式;2）既要重视结构的整体设计,也要重视结构的细部处理;这是因为焊接结构属刚性连接的结构,结构的整体性意味着任何部位的构造都同等重要,许多焊接结构的破坏事故起源于局部构造设计不合理处;对于应力复杂或应力集中部位更要慎重处理,如结构中的结点、断面变化部位、焊接接头的焊趾处等;3）要有利于实现机械化和自动化焊接;为此,应尽量采用简单、平直的结构形式；减少短而不规则的焊缝；一条焊缝上其截面应相同；要避免采用难以弯制或冲压的具有复杂空间曲面的结构；尽量减少施焊时的翻身次数；组装时,定位和夹紧应方便;（3）减少焊接量除了前述尽量多选用轧制型材减少焊缝处,还可以利用冲压件代替部分焊件；结构形状复杂,角焊缝多且密集的部位,可用铸钢件代替；肋板的焊缝数量多工作量大,必要时可以适当增加基体壁厚,以减少或不用肋板；对于角焊缝,在保证强度要求的前提下,尽可能用最小的焊脚尺寸,因为焊缝面积与焊角高的平方成正比；对于坡口焊缝,在保证焊透的前提下应选用填充金属量最小的坡口形式;（4）合理布置焊缝有对称轴的焊接结构,焊缝宜对称的布置,或接近对称轴处,这有利于控制焊接变形；要避免焊缝汇交和密集；在结构上有焊缝汇交时,使重要焊缝连续,让次要焊缝中断,这有利于重要焊缝实现自动焊,保证其质量；尽可能使焊缝避开高工作应力部位、应力集中处、机械加工面和需变质处理的表面等;（5）施工方便必须使结构上每条焊缝都能方便施焊和质量检验;如,焊缝周围要留有足够焊接和质量检验的操作空间；尽量使焊缝都能在工厂中焊接,减少在工地的焊接量；减少手工焊接量,增大自动焊接量；对双面焊缝,操作方面的一面用大坡口,施焊条件差的一面用小坡口,必要时,改用单面焊双面成形的接头坡口形式和焊接工艺；尽量减少仰焊或立焊的焊缝,仰焊或立焊的焊接劳动条件差,不易保证质量,且生产率低;（6）有利于生产组织与管理经验证明,大型焊接结构采用部件组装的生产方式有利于工厂的组织管理;因此,设计大型焊接结构时,要进行合理分段;分段时,一般要综合考虑起重运输条件、焊接变形控制、焊后热处理、机械加工、质量检验和总装配等因素;。
焊接结构的设计原则
焊接结构的设计原则焊接结构的设计原则是指在进行焊接工艺和焊接接头设计过程中，需要遵循的一些准则和原则。
这些原则能够确保焊接结构具有合适的强度、稳定性和可靠性。
下面将介绍一些重要的焊接结构设计原则，以便于更好地指导实际的设计工作。
1. 合理选择焊接方法：焊接结构的设计要根据实际情况合理选择焊接方法，常用的有手工电弧焊、气体保护焊、等离子焊等。
不同的焊接方法适用于不同的材料和接头形式，需要根据具体的要求和工艺条件来综合考虑。
2. 选择合适的焊接材料：焊接结构的设计还需要根据焊接接头的工作条件选择合适的焊接材料。
焊接材料的选择要考虑到材料的强度、韧性、耐腐蚀性等要求，并且要进行合理的材料配比和焊接试验，以确保焊接接头的性能满足设计要求。
3. 确保焊接接头的足够强度：焊接结构的设计中，要确保焊接接头具有足够的强度来承受外部载荷和环境条件的影响。
因此，在设计中需要考虑焊缝的尺寸、形状和焊接角度等因素，以提高焊接接头的强度和稳定性。
4. 避免应力集中：焊接结构在焊接过程中会产生应力，并且焊接接头处会出现应力集中的现象。
为了避免应力集中导致的裂纹和破坏，设计时需要合理设置过渡段，减少焊接接头的应力集中程度。
此外，还可以通过焊缝预热、热处理等方法来减少焊接接头的应力。
5. 控制焊接变形：焊接结构在焊接过程中会发生变形，影响接头的质量和稳定性。
为了控制焊接变形，可以采取适当的焊接顺序、合理设置支撑件和采用余弦指数曲线的焊接方法等。
此外，还可以通过预热和焊后热处理等措施来减少焊接变形。
综上所述，焊接结构的设计原则包括合理选择焊接方法、选择合适的焊接材料、确保焊接接头的足够强度、避免应力集中以及控制焊接变形等。
在实际的设计过程中，必须根据具体情况综合考虑各种因素，并结合实践经验和相关标准进行设计，以确保焊接结构具有良好的性能和可靠性。
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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；
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。
（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。
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
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。 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.考虑自动化焊接的结构设计
3.考虑现代生产管理的设计
3 焊接结构设计实例
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。
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
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]=σc/nc 因此，材料的安全系数取值参照设计手册确定,如表8-1。
（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 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）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。
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。
常用的软件有ANSYS,ABQUS,SAP2000等有限元软件。
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
（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）。
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。
（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。
焊接结构设计的一般原则
焊接设计包括：
焊接结构设计 焊接工装设计
焊接工艺设计 焊接材料设计
焊接设备设计 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
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。
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）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。
（6）操作者劳动条件的改善 （7）材料的合理利用
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
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。