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三、焊縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1 布局設(shè)計(jì) 1、焊接過(guò)程中的設(shè)計(jì)要求主要包括哪些內(nèi)容？ ① 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使設(shè)計(jì)方案滿足零件各部位強(qiáng)度和硬度的要求，但不能超出安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)讓焊接工程師來(lái)檢驗(yàn)各部件設(shè)計(jì)的安全性。如果設(shè)計(jì)要求的硬度設(shè)定的太高，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)超出安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且會(huì)因額外材料、焊接操作和運(yùn)輸?shù)确矫娴脑黾佣岣哒麄€(gè)過(guò)程的成本。超出安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還可能增加用戶在燃料、能源和維護(hù)等方面長(zhǎng)期的費(fèi)用，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員嚴(yán)格檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性。 ② 應(yīng)確定結(jié)構(gòu)中焊縫的外觀要求，以避免不必要的增高。有時(shí)許多設(shè)備零件上的焊縫完全被隱藏起來(lái)，這樣可以減少為了提高焊縫外觀質(zhì)量而增加的焊縫打磨、修整的費(fèi)用。因此，為了便于讓操作者知道哪些焊縫需要進(jìn)行打磨、修整以具有良好的外觀，應(yīng)在這些部位進(jìn)行標(biāo)記。 ③ 如果產(chǎn)品必須要求按一定的工藝規(guī)程進(jìn)行焊接制造時(shí)，應(yīng)核對(duì)相關(guān)的工藝規(guī)程以決定采用經(jīng)濟(jì)、合理的焊接方法。 ④ 用較厚的結(jié)構(gòu)件可以防止產(chǎn)生焊接彎曲和變形。 ⑤ 焊接中采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)于防止焊接彎曲和變形更加有效。 ⑥ 在橫梁結(jié)構(gòu)的末端焊接剛性支撐件，可以增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，在材質(zhì)、寬度和承受載荷相同的兩個(gè)橫梁結(jié)構(gòu)中，采用剛性支撐比不采用剛性支撐的焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎曲變形小，如圖14所示。
⑦ 采用封閉式結(jié)構(gòu)或?qū)抢瓧l結(jié)構(gòu)可以防止發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。封閉式結(jié)構(gòu)比開口式結(jié)構(gòu)的彎曲角度小得多，見(jiàn)表1。同時(shí)采用適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)筋還可以減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)的剛度，如圖15～17所示。
在圖15中，框架結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)變形能力與各部分單獨(dú)抗扭轉(zhuǎn)變形能力的總和幾乎相等，采用封閉式C形框架結(jié)構(gòu)可以提高整體結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)變形性能。在圖16中，圓形結(jié)構(gòu)比矩形結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)載荷更好，主要是由于矩形結(jié)構(gòu)周圍剪切應(yīng)力分布不均勻，而圓形結(jié)構(gòu)載應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且圓形結(jié)構(gòu)在各方向上還具有抗彎曲變形能力。在圖17中，采用對(duì)角加強(qiáng)筋的焊件結(jié)構(gòu)經(jīng)?？梢源婊暮裰罔T件，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在抗壓應(yīng)力載荷方面，橫向加強(qiáng)筋與縱向加強(qiáng)筋的作用不同，橫向加強(qiáng)筋一般常用于鑄造結(jié)構(gòu)中，而縱向加強(qiáng)筋常用于焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。 ⑧ 在抗扭轉(zhuǎn)載荷方面，對(duì)角拉條結(jié)構(gòu)比縱向垂直結(jié)構(gòu)更為有效。圖18所示為兩種鋼結(jié)構(gòu)基座的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變形能力幾乎相同，但對(duì)角拉條結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)與縱向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比，可以節(jié)約60%的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減少78%的焊接工作量以及54%的總制造費(fèi)用。
⑨ 確定結(jié)構(gòu)中可能采用的低級(jí)別鋼材的位置，在實(shí)際的焊接操作過(guò)程中，高碳鋼和合金鋼的焊接需要預(yù)熱和焊后熱處理，但這樣會(huì)增加焊接結(jié)構(gòu)的成本。因此在焊接結(jié)構(gòu)中僅僅在需要的時(shí)候采用高級(jí)別的鋼材，其余的結(jié)構(gòu)都可以采用低碳鋼。 ⑩ 高級(jí)別鋼種和其他昂貴材料都不是以標(biāo)準(zhǔn)形狀的工件供貨的。 ⑾ 如果結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fèi)用和降低供貨時(shí)間，一般采用板材、棒材或其他標(biāo)準(zhǔn)形狀的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接。 ⒀ 如果板材或棒材必須進(jìn)行機(jī)械加工、磨削或表面硬化處理，那么原始板材或棒材的結(jié)構(gòu)尺寸要求可以迅速?gòu)能囬g或供貨廠家方面得到。 ⒁ 對(duì)設(shè)備零部件應(yīng)確保必要的維修、維護(hù)，不要忽視對(duì)封閉式結(jié)構(gòu)中的軸承座或其他重要的易磨損零部件的維護(hù)，這也適用于電力和壓力管線或組件的維護(hù)要求。 ⒂ 為了進(jìn)行自動(dòng)焊接，有時(shí)將結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)成圓形結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)有利于后續(xù)的焊接、加工、裝配等各個(gè)環(huán)節(jié)，如圖19所示。
⒃ 焊接設(shè)計(jì)前應(yīng)咨詢工廠中有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，可以獲得更好的設(shè)計(jì)方案并可節(jié)約費(fèi)用，這些工作必須在確定焊接設(shè)計(jì)方案之前進(jìn)行。 ⒄ 焊接設(shè)計(jì)前應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)規(guī)定的公差范圍和各部分受力情況，實(shí)際操作者可能不會(huì)掌握更經(jīng)濟(jì)、合理的操作規(guī)范，因?yàn)橛袝r(shí)可能不需要更精確的公差要求。 2、零部件的布局設(shè)計(jì)需要考慮的因素有哪些？ ① 首先應(yīng)考慮零部位數(shù)量的最小化，這將減少設(shè)備的裝配時(shí)間和焊接工作量，如圖20所示 。
② 對(duì)結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化可以節(jié)約材料和焊接時(shí)間。在決定采用圖21(a)和圖21(b)所示的方案之前應(yīng)考慮材料、切割及焊接的費(fèi)用，還應(yīng)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(jié)構(gòu)剪裁的余料進(jìn)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(jì)意義；圖21(b)是假設(shè)的優(yōu)化選擇方案，框架結(jié)構(gòu)被分成若干個(gè)部位進(jìn)行焊接，這樣可以代替從大型板材上切割下料。
③ 環(huán)狀結(jié)構(gòu)件可以從單塊板材或被焊接成嵌套的結(jié)構(gòu)件中切割而成，與上述布局和設(shè)計(jì)方案的選擇一樣，確定最佳工藝方案之前，應(yīng)充分考慮零部件的尺寸公差、材料、切割、焊接的費(fèi)用以及邊角余料的有效利用等?？紤]到運(yùn)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(fèi)用和運(yùn)輸時(shí)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(jié)構(gòu)，然后在具有中空的圓形結(jié)構(gòu)中進(jìn)行焊接，以代替直接從厚板上切割環(huán)狀結(jié)構(gòu)件，這樣可以減少材料的費(fèi)用，如圖23所示。
⑤ 如果焊接結(jié)構(gòu)中環(huán)狀結(jié)構(gòu)件有數(shù)量上的要求，可以考慮將一個(gè)平板滾壓成一個(gè)圓筒結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)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(jié)構(gòu)件，如圖24所示。
⑥ 對(duì)于非常復(fù)雜的一些結(jié)構(gòu)部件可以通過(guò)將各零部件進(jìn)行焊接裝配而獲得，這樣可以節(jié)約整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、材料及機(jī)械加工時(shí)間，如圖25所示。
⑦ 對(duì)平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行卷邊處理可以增加鋼板的剛度，節(jié)約材料的費(fèi)用，如圖26所示。
⑧ 兩平板對(duì)接焊時(shí)，將其中一個(gè)板的邊緣進(jìn)行彎曲卷邊處理，可以給焊接結(jié)構(gòu)提供一個(gè)加強(qiáng)筋，而且費(fèi)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?qū)Π宀谋砻孢M(jìn)行壓痕處理以增加板材的剛度，如圖28所示。
⑩ 在進(jìn)行各項(xiàng)工藝步驟前，應(yīng)仔細(xì)檢查設(shè)計(jì)方案，看是否可以節(jié)約材料，并且使采用的焊接工藝不會(huì)影響最終產(chǎn)品的強(qiáng)度要求，如圖29所示。
⑾ 檢查焊縫位置是否處于焊接制造過(guò)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(fèi)，更適合于自動(dòng)化焊接技術(shù)的使用。
3.2 焊接準(zhǔn)備及接頭設(shè)計(jì) 1、焊接板材的準(zhǔn)備過(guò)程中需要注意的問(wèn)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(shí)，應(yīng)充分考慮焊件尺寸準(zhǔn)確性和坡口質(zhì)量要求，同時(shí)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(zhǔn)備時(shí)，應(yīng)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(shí)不能滿足使用要求。 ④ 對(duì)于單面V形坡口，可以采用單割嘴火焰切割開坡口；相反，對(duì)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(guò)程可以采用同一臺(tái)切割設(shè)備完成。 ⑤ 厚板材料有時(shí)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(shí)需要考慮鑄造或鍛壓結(jié)構(gòu)是否能消除焊件的復(fù)雜截面，以及是否能簡(jiǎn)化焊接設(shè)計(jì)和減少制造費(fèi)用。 ⑦ 對(duì)于結(jié)構(gòu)連接的關(guān)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(dá)到良好的效果。 ⑧ 在零部件需要卷邊、密閉件或增加加強(qiáng)板時(shí)，應(yīng)考慮用焊接方法制造的工件代替采用鍛壓件或機(jī)械加工件。 ⑨ 采用焊接方法并不能處理所有的問(wèn)題。例如采用成形工藝制造角形結(jié)構(gòu)與采用焊接方法相比，可以減少材料、制造和焊接等費(fèi)用，如圖31所示。
2、焊接接頭設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題有哪些？ ① 應(yīng)避免焊接接頭的坡口設(shè)計(jì)過(guò)大。例如一個(gè)圓形或管狀結(jié)構(gòu)和另一個(gè)圓形或管狀結(jié)構(gòu)的平直表面進(jìn)行焊接時(shí)，就會(huì)存在兩個(gè)問(wèn)題，即根部熔合情況和是否燒穿。采用正確的接頭設(shè)計(jì)可以得到良好的根部熔合并且不會(huì)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(jié)構(gòu)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(shí)采用單個(gè)焊接接頭可以同時(shí)焊接三部分焊接結(jié)構(gòu)（如圖35所示），上部?jī)砂宓拈g隙可以使三部分結(jié)構(gòu)充分熔合。
⑤ 應(yīng)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(duì)于焊接操作者來(lái)說(shuō)，選擇焊縫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮滿足接頭強(qiáng)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(shè)計(jì)。
3、焊接接頭設(shè)計(jì)過(guò)程中焊縫尺寸和數(shù)量有哪些要求？ ① 應(yīng)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(guò)大會(huì)增加焊接費(fèi)用。 ② 根據(jù)工藝文件或標(biāo)準(zhǔn)的車間工藝規(guī)程確定要完成的焊縫數(shù)量，設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮安全因素來(lái)設(shè)計(jì)焊縫，不要增加其他額外的安全因素。 ③ 角焊縫接頭設(shè)計(jì)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(huì)增加焊腳尺寸，因此雙焊腳尺寸將會(huì)使焊縫金屬增加4倍，如圖38所示。
④ 在小載荷或無(wú)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(qiáng)筋或焊接隔板不需要過(guò)多進(jìn)行焊接，應(yīng)盡可能減小焊腳尺寸或焊縫長(zhǎng)度。 4、裝配組件的應(yīng)用有哪些優(yōu)點(diǎn)？ ① 將焊接工作分配給更多的焊工，可以縮短工時(shí)； ② 可以提供更好的焊接方法； ③ 可以減少結(jié)構(gòu)變形的可能性； ④ 對(duì)小區(qū)域的機(jī)械加工更加便利； ⑤ 有利于局部區(qū)域的應(yīng)力消除； ⑥ 可以對(duì)各部件和密閉式結(jié)構(gòu)進(jìn)行滲漏試驗(yàn)； ⑦ 在焊接工作前可以進(jìn)行工藝檢驗(yàn)，以利于提高工藝的精確性并糾正錯(cuò)誤。 5、組件的焊接裝配有哪些步驟？ ① 焊前應(yīng)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(bǔ)； ③ 夾緊工件到焊接位置并保持焊接過(guò)程的穩(wěn)定； ④ 用固定夾具夾緊臨時(shí)夾具，使焊接過(guò)程始終維持在校正位置； ⑤ 預(yù)置接頭以補(bǔ)償焊接時(shí)可能產(chǎn)生的收縮； ⑥ 預(yù)彎曲零部件以補(bǔ)償焊接時(shí)任何可能產(chǎn)生的變形； ⑦ 使用定位板； ⑧ 有時(shí)可以將焊件截?cái)喑蓭撞糠?，?duì)每一部分進(jìn)行焊接，可以使每部分焊件在中性軸位置保持平衡； ⑨ 對(duì)大量復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接時(shí)，可以對(duì)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(shè)備等； ② 在最短的時(shí)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(yù)熱溫度； ⑤ 手動(dòng)將焊條的伸出長(zhǎng)度調(diào)整到50mm； ⑥ 應(yīng)盡量在平焊位置進(jìn)行焊接，采用仰焊或立焊費(fèi)用要貴一些； ⑦ 如有可能應(yīng)采用最高焊接速度在平焊位置對(duì)角焊縫進(jìn)行焊接； ⑧ 采用自動(dòng)焊設(shè)備焊接角焊縫接頭時(shí)，調(diào)整焊縫位置可以在接頭的根部獲得良好的熔深，并且不會(huì)影響焊縫的強(qiáng)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(wú)拘束應(yīng)力方向進(jìn)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(duì)在冷卻條件下極易產(chǎn)生收縮的接頭先進(jìn)行焊接； ⒀ 應(yīng)確保采用恰當(dāng)?shù)暮附铀俣?、焊接電流和焊接電壓?/p> ⒁ 采用半自動(dòng)或全自動(dòng)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(duì)焊接件的清理和檢驗(yàn)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(yīng)將焊縫表面打磨光滑或平滑，因?yàn)閷?duì)焊縫進(jìn)行打磨的工時(shí)和費(fèi)用較高，通常會(huì)超過(guò)焊接的費(fèi)用； ② 采用手工電弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)，使用鐵粉焊條可以降低焊縫表面的清理時(shí)間； ③ 焊接時(shí)將防飛濺薄膜平行放置在焊縫兩邊； ④ 獲得質(zhì)量良好的焊縫是焊接的最終目的，但有時(shí)一個(gè)外觀較差焊縫的強(qiáng)度可能會(huì)比外觀良好焊縫的強(qiáng)度高； ⑤ 過(guò)度的焊縫檢查工序會(huì)增加焊接的總費(fèi)用。 本文編輯：糖糖 |
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