焊接结构设计的一般原则

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。

（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。



（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。

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）。
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

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；
源自文库

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。
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。

（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。


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。


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。

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。

（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）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。