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三、焊縫結構的設計 3.1 布局設計 1、焊接過程中的設計要求主要包括哪些內(nèi)容？ ① 設計時應使設計方案滿足零件各部位強度和硬度的要求，但不能超出安全設計標準，應讓焊接工程師來檢驗各部件設計的安全性。如果設計要求的硬度設定的太高，這樣的設計會超出安全設計標準，并且會因額外材料、焊接操作和運輸?shù)确矫娴脑黾佣岣哒麄€過程的成本。超出安全設計標準還可能增加用戶在燃料、能源和維護等方面長期的費用，因此設計時應請有經(jīng)驗的工程技術人員嚴格檢驗設計方案的合理性。 ② 應確定結構中焊縫的外觀要求，以避免不必要的增高。有時許多設備零件上的焊縫完全被隱藏起來，這樣可以減少為了提高焊縫外觀質量而增加的焊縫打磨、修整的費用。因此，為了便于讓操作者知道哪些焊縫需要進行打磨、修整以具有良好的外觀，應在這些部位進行標記。 ③ 如果產(chǎn)品必須要求按一定的工藝規(guī)程進行焊接制造時，應核對相關的工藝規(guī)程以決定采用經(jīng)濟、合理的焊接方法。 ④ 用較厚的結構件可以防止產(chǎn)生焊接彎曲和變形。 ⑤ 焊接中采用對稱結構對于防止焊接彎曲和變形更加有效。 ⑥ 在橫梁結構的末端焊接剛性支撐件，可以增加結構的強度和剛度，在材質、寬度和承受載荷相同的兩個橫梁結構中，采用剛性支撐比不采用剛性支撐的焊接結構產(chǎn)生的彎曲變形小，如圖14所示。
⑦ 采用封閉式結構或對角拉條結構可以防止發(fā)生扭轉變形。封閉式結構比開口式結構的彎曲角度小得多，見表1。同時采用適當?shù)募訌娊钸€可以減小結構的質量，提高結構的剛度，如圖15～17所示。
在圖15中，框架結構的抗扭轉變形能力與各部分單獨抗扭轉變形能力的總和幾乎相等，采用封閉式C形框架結構可以提高整體結構的抗扭轉變形性能。在圖16中，圓形結構比矩形結構的抗扭轉載荷更好，主要是由于矩形結構周圍剪切應力分布不均勻，而圓形結構載應力集中現(xiàn)象，而且圓形結構在各方向上還具有抗彎曲變形能力。在圖17中，采用對角加強筋的焊件結構經(jīng)常可以代替基座的厚重鑄件，提高結構的強度。在抗壓應力載荷方面，橫向加強筋與縱向加強筋的作用不同，橫向加強筋一般常用于鑄造結構中，而縱向加強筋常用于焊接結構設計中。 ⑧ 在抗扭轉載荷方面，對角拉條結構比縱向垂直結構更為有效。圖18所示為兩種鋼結構基座的結構示意，圖18(a)中基座是由厚度25mm的鋼板組成的，圖18(b)中的基座是由厚度10mm的鋼板組成的。它們的抗扭轉變形能力幾乎相同，但對角拉條結構的加強設計與縱向加強結構相比，可以節(jié)約60%的結構質量、減少78%的焊接工作量以及54%的總制造費用。
⑨ 確定結構中可能采用的低級別鋼材的位置，在實際的焊接操作過程中，高碳鋼和合金鋼的焊接需要預熱和焊后熱處理，但這樣會增加焊接結構的成本。因此在焊接結構中僅僅在需要的時候采用高級別的鋼材，其余的結構都可以采用低碳鋼。 ⑩ 高級別鋼種和其他昂貴材料都不是以標準形狀的工件供貨的。 ⑾ 如果結構中需要彩和表面耐磨性能良好的昂貴材料或難焊材料，可以考慮采用碳鋼結構作為基底，利用堆焊或表面硬化處理獲得滿意的表面性能要求。 ⑿ 為了節(jié)約費用和降低供貨時間，一般采用板材、棒材或其他標準形狀的結構件進行焊接。 ⒀ 如果板材或棒材必須進行機械加工、磨削或表面硬化處理，那么原始板材或棒材的結構尺寸要求可以迅速從車間或供貨廠家方面得到。 ⒁ 對設備零部件應確保必要的維修、維護，不要忽視對封閉式結構中的軸承座或其他重要的易磨損零部件的維護，這也適用于電力和壓力管線或組件的維護要求。 ⒂ 為了進行自動焊接，有時將結構件設計成圓形結構，這樣的設計有利于后續(xù)的焊接、加工、裝配等各個環(huán)節(jié)，如圖19所示。
⒃ 焊接設計前應咨詢工廠中有經(jīng)驗的技術人員，可以獲得更好的設計方案并可節(jié)約費用，這些工作必須在確定焊接設計方案之前進行。 ⒄ 焊接設計前應檢查結構規(guī)定的公差范圍和各部分受力情況，實際操作者可能不會掌握更經(jīng)濟、合理的操作規(guī)范，因為有時可能不需要更精確的公差要求。 2、零部件的布局設計需要考慮的因素有哪些？ ① 首先應考慮零部位數(shù)量的最小化，這將減少設備的裝配時間和焊接工作量，如圖20所示 。
② 對結構布局和設計方案進行優(yōu)化可以節(jié)約材料和焊接時間。在決定采用圖21(a)和圖21(b)所示的方案之前應考慮材料、切割及焊接的費用，還應考慮邊角余料的有效利用。在圖21(a)中可以直接使用框架結構剪裁的余料進行后續(xù)工藝，這種剪裁方法比采用拼接工藝更加具有經(jīng)濟意義；圖21(b)是假設的優(yōu)化選擇方案，框架結構被分成若干個部位進行焊接，這樣可以代替從大型板材上切割下料。
③ 環(huán)狀結構件可以從單塊板材或被焊接成嵌套的結構件中切割而成，與上述布局和設計方案的選擇一樣，確定最佳工藝方案之前，應充分考慮零部件的尺寸公差、材料、切割、焊接的費用以及邊角余料的有效利用等。考慮到運輸方面的因素，從厚板材料切割嵌套零件并焊接成環(huán)狀部件可以節(jié)約材料費用和運輸時間，如圖22所示。
④ 在尺寸公差允許的范圍內(nèi)，可以考慮將鋼板滾壓成環(huán)狀結構，然后在具有中空的圓形結構中進行焊接，以代替直接從厚板上切割環(huán)狀結構件，這樣可以減少材料的費用，如圖23所示。
⑤ 如果焊接結構中環(huán)狀結構件有數(shù)量上的要求，可以考慮將一個平板滾壓成一個圓筒結構，然后進行縫焊。也可采用火焰切割將圓筒切割成一系列的環(huán)狀結構件，如圖24所示。
⑥ 對于非常復雜的一些結構部件可以通過將各零部件進行焊接裝配而獲得，這樣可以節(jié)約整體結構的質量、材料及機械加工時間，如圖25所示。
⑦ 對平板結構進行卷邊處理可以增加鋼板的剛度，節(jié)約材料的費用，如圖26所示。
⑧ 兩平板對接焊時，將其中一個板的邊緣進行彎曲卷邊處理，可以給焊接結構提供一個加強筋，而且費用不高，如圖27所示。
⑨ 可以考慮采用波紋形板材以增加板材的剛度，或對板材表面進行壓痕處理以增加板材的剛度，如圖28所示。
⑩ 在進行各項工藝步驟前，應仔細檢查設計方案，看是否可以節(jié)約材料，并且使采用的焊接工藝不會影響最終產(chǎn)品的強度要求，如圖29所示。
⑾ 檢查焊縫位置是否處于焊接制造過程的最佳位置，圖30所示改變焊縫的位置可以減少焊接材料的浪費，更適合于自動化焊接技術的使用。
3.2 焊接準備及接頭設計 1、焊接板材的準備過程中需要注意的問題有哪些？ ① 從板材上制備焊件坯料的最佳工藝方法主要包括火焰切割、剪切、鋸割、沖壓下料、沖裁、棒材和管材的車削等。 ② 考慮制備焊件坯料方法時，應充分考慮焊件尺寸準確性和坡口質量要求，同時考慮其他材料的后續(xù)加工、坡口形狀或開坡口的要求。 ③ 考慮焊接中切割坯料的尺寸和坡口準備時，應注意并非所有的焊縫都采用連續(xù)焊縫。具有連續(xù)焊縫的V形坡口有時不能滿足使用要求。 ④ 對于單面V形坡口，可以采用單割嘴火焰切割開坡口；相反，對于雙面V形坡口，可以采用多頭割嘴火焰切割開坡口，切割工藝過程可以采用同一臺切割設備完成。 ⑤ 厚板材料有時需要開J形或U形坡口，與雙面V形坡口相比可以節(jié)約焊縫金屬。 ⑥ 有時需要考慮鑄造或鍛壓結構是否能消除焊件的復雜截面，以及是否能簡化焊接設計和減少制造費用。 ⑦ 對于結構連接的關鍵部位，可以采用昂貴材料（如少量的堆焊合金）代替一般焊接材料，這樣可以達到良好的效果。 ⑧ 在零部件需要卷邊、密閉件或增加加強板時，應考慮用焊接方法制造的工件代替采用鍛壓件或機械加工件。 ⑨ 采用焊接方法并不能處理所有的問題。例如采用成形工藝制造角形結構與采用焊接方法相比，可以減少材料、制造和焊接等費用，如圖31所示。
2、焊接接頭設計過程中需要注意的問題有哪些？ ① 應避免焊接接頭的坡口設計過大。例如一個圓形或管狀結構和另一個圓形或管狀結構的平直表面進行焊接時，就會存在兩個問題，即根部熔合情況和是否燒穿。采用正確的接頭設計可以得到良好的根部熔合并且不會產(chǎn)生燒穿，如圖32所示。
② 為了減少填充材料的使用，可以減小根部間隙和坡口角度，如圖33所示 。
③ 厚板結構采用雙面V形坡口代替單面V形坡口可以減少焊縫金屬，如圖34所示。
④ 有時采用單個焊接接頭可以同時焊接三部分焊接結構（如圖35所示），上部兩板的間隙可以使三部分結構充分熔合。
⑤ 應檢查焊接接頭位置，以確定適合于焊縫位置的焊接方法，如圖36所示 。
⑥ 對于焊接操作者來說，選擇焊縫設計時應考慮滿足接頭強度、使焊縫金屬減少及不產(chǎn)生燒穿的要求。圖37所示為防止產(chǎn)生燒穿的一些合理的焊縫設計。
3、焊接接頭設計過程中焊縫尺寸和數(shù)量有哪些要求？ ① 應確保采用的焊縫數(shù)量適中，不要太多也不要太少，并且焊縫尺寸過大會增加焊接費用。 ② 根據(jù)工藝文件或標準的車間工藝規(guī)程確定要完成的焊縫數(shù)量，設計者應考慮安全因素來設計焊縫，不要增加其他額外的安全因素。 ③ 角焊縫接頭設計中角焊縫的焊腳尺寸十分重要。由于焊縫的面積和數(shù)量會增加焊腳尺寸，因此雙焊腳尺寸將會使焊縫金屬增加4倍，如圖38所示。
④ 在小載荷或無載荷條件下，斷續(xù)角焊縫可以用于代替同樣焊腳尺寸的連續(xù)角焊縫。 ⑤ 盡量使焊縫位于焊件較薄的區(qū)域，使焊縫尺寸主要集中于薄板上。 ⑥ 加強筋或焊接隔板不需要過多進行焊接，應盡可能減小焊腳尺寸或焊縫長度。 4、裝配組件的應用有哪些優(yōu)點？ ① 將焊接工作分配給更多的焊工，可以縮短工時； ② 可以提供更好的焊接方法； ③ 可以減少結構變形的可能性； ④ 對小區(qū)域的機械加工更加便利； ⑤ 有利于局部區(qū)域的應力消除； ⑥ 可以對各部件和密閉式結構進行滲漏試驗； ⑦ 在焊接工作前可以進行工藝檢驗，以利于提高工藝的精確性并糾正錯誤。 5、組件的焊接裝配有哪些步驟？ ① 焊前應清理工件表面的油、銹和污物； ② 檢查工裝夾具，有縫隙的部位需要修補； ③ 夾緊工件到焊接位置并保持焊接過程的穩(wěn)定； ④ 用固定夾具夾緊臨時夾具，使焊接過程始終維持在校正位置； ⑤ 預置接頭以補償焊接時可能產(chǎn)生的收縮； ⑥ 預彎曲零部件以補償焊接時任何可能產(chǎn)生的變形； ⑦ 使用定位板； ⑧ 有時可以將焊件截斷成幾部分，對每一部分進行焊接，可以使每部分焊件在中性軸位置保持平衡； ⑨ 對大量復雜結構進行焊接時，可以對各部分組件分別焊接，這樣可以使最終的裝配更加容易固定。 6、焊接工藝步驟有哪些？ ① 盡量提高操作效率，采用焊工輔助裝置、良好的固定夾具和夾持設備等； ② 在最短的時間內(nèi)熔敷盡可能大量的填充金屬； ③ 采用焊接輔助板，可以提高開坡口接頭第一道焊縫的焊接速度； ④ 采用低氫型焊條消除或降低預熱溫度； ⑤ 手動將焊條的伸出長度調整到50mm； ⑥ 應盡量在平焊位置進行焊接，采用仰焊或立焊費用要貴一些； ⑦ 如有可能應采用最高焊接速度在平焊位置對角焊縫進行焊接； ⑧ 采用自動焊設備焊接角焊縫接頭時，調整焊縫位置可以在接頭的根部獲得良好的熔深，并且不會影響焊縫的強度。水平板在水平方向30°的角焊縫位置焊接和垂直板水平方向60°的角焊縫的焊接示意如圖39所示；
⑨ 可以考慮在較大焊接電流條件下采用大尺寸焊條； ⑩ 在各部件無拘束應力方向進行焊接； ⑾ 采用合適的焊接工藝措施以消除電弧偏吹現(xiàn)象； ⑿ 對在冷卻條件下極易產(chǎn)生收縮的接頭先進行焊接； ⒀ 應確保采用恰當?shù)暮附铀俣取⒑附与娏骱秃附与妷海?/p> ⒁ 采用半自動或全自動焊接方法更加有利于獲得良好的熔深和均勻的熔敷金屬。 7、焊后對焊接件的清理和檢驗有哪些步驟？ ① 除了某些特殊性能的要求（不包括外觀要求），不應將焊縫表面打磨光滑或平滑，因為對焊縫進行打磨的工時和費用較高，通常會超過焊接的費用； ② 采用手工電弧焊和熔化極氣體保護焊時，使用鐵粉焊條可以降低焊縫表面的清理時間； ③ 焊接時將防飛濺薄膜平行放置在焊縫兩邊； ④ 獲得質量良好的焊縫是焊接的最終目的，但有時一個外觀較差焊縫的強度可能會比外觀良好焊縫的強度高； ⑤ 過度的焊縫檢查工序會增加焊接的總費用。 本文編輯：糖糖 |
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