焊接接頭的選擇與坡口設(shè)計(jì)_滄州五森管道有限公司
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焊接結(jié)構(gòu)是由許多部件、元件、零件用焊接方法連接而成的,因此焊接接頭的性能質(zhì)量好壞直接與焊接結(jié)構(gòu)的性能和安全性、可靠性有關(guān)。多年來(lái)焊接工程界對(duì)焊接接頭進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究,這對(duì)于提高焊接結(jié)構(gòu)的性能和可靠性,擴(kuò)大焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍起了很大作用。
一、焊接接頭
(1)焊接接頭的基本類型
用主要的焊接方法如熔焊、壓焊和釬焊都可制成焊接結(jié)構(gòu),用這些焊接方法連接金屬結(jié)構(gòu)形成不可拆的連接接頭—焊接接頭,分別形成熔焊接頭、壓焊接頭和釬焊接頭,從而構(gòu)成焊接結(jié)構(gòu)。但應(yīng)用最廣泛的是熔焊,這里重點(diǎn)介紹熔焊接頭。BR隔熱管托
1)熔焊接頭:熔焊接頭由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)和母材所組成。而焊縫金屬是填充材料和部分母材熔化后凝固而成的鑄造組織。熔焊接頭各部分的組織是不均勻的,性能上也存在差異。
這是由于以上四個(gè)區(qū)域化學(xué)成分和金相組織不同,并且接頭處往往改變了構(gòu)件原來(lái)的截面和形狀,出現(xiàn)不連續(xù),甚至有缺陷,形成不同程度的應(yīng)力集中,還有焊接殘余應(yīng)力和變形,大的剛度等都對(duì)接頭的性能有影響,結(jié)果使接頭不僅力學(xué)性能不均勻,而且物理化學(xué)性能也存在差異。
為保證焊接結(jié)構(gòu)可靠地工作,希望焊接接頭具有與母材相同的力學(xué)性能,有些情況下還希望獲得相同的物理和化學(xué)性能,如導(dǎo)電、導(dǎo)磁、抗腐蝕性能和相同的光澤和顏色等。
就焊縫金屬而言,往往形成柱狀晶鑄造組織,一般較母材的強(qiáng)度高且硬,而韌性下降。對(duì)于高強(qiáng)度鋼,采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?/font>,如預(yù)熱、緩冷或采用合適的熱輸人也可獲得要求性能的焊縫金屬。一般來(lái)說(shuō),焊縫金屬?gòu)?qiáng)度相對(duì)母材強(qiáng)度可能要高或低,前者稱為高匹配,后者稱為低匹配。
寬度不大的熱影響區(qū),由于焊接溫度場(chǎng)梯度大,各點(diǎn)的熱循環(huán)大不相同,造成了組織和性能的不同。這種差別和被焊金屬的組織成分、焊接熱輸人有關(guān)。
特別要指出的是經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)后發(fā)生的“動(dòng)應(yīng)變時(shí)效”(熱應(yīng)變時(shí)效)會(huì)使接頭性能惡化。將鋼材、鋁材等經(jīng)預(yù)應(yīng)變后,會(huì)產(chǎn)生變脆的“時(shí)效”現(xiàn)象,這種預(yù)應(yīng)變及時(shí)效都是在低溫(室溫)下發(fā)生的,通常稱為“靜應(yīng)變時(shí)效”。BR隔熱管托
而焊接熱影響區(qū)經(jīng)焊接熱循環(huán)后會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)變,焊接的高溫加速了時(shí)效脆化,所以“動(dòng)應(yīng)變時(shí)效”大大降低了接頭的性能,要注意防止。
熔焊的焊縫主要有對(duì)接焊縫和角焊縫,以這兩種焊縫為主體構(gòu)成的焊接接頭有對(duì)接接頭、角接接頭、T形(十字)接頭、搭接接頭和塞焊接頭等。
根據(jù)GB/T 985-1988《氣焊、焊條電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》和GB/T 986-1988《埋弧焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》常用的焊縫坡口基本形式與所構(gòu)成的上述接頭形式。
由符號(hào)字母代表的有關(guān)尺寸見表5-6。表5-6是參照GB/T 985-1988 , GB/T 986-1988標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定列出的。選擇哪一種坡口形式除按照上述兩標(biāo)準(zhǔn)外,也可按行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由焊件厚度確定,并且有一個(gè)合適的區(qū)間。
電渣焊接頭是熔焊接頭中重要的一種接頭。當(dāng)焊件厚度大于30mm時(shí)即可以考慮采用電渣焊接頭,特別是大斷面的焊縫,例如焊件厚度大于60 mm,則電渣焊比電弧焊接頭效率要高。
當(dāng)工件采用電渣焊時(shí)要使工件位置做到焊縫由下至上,即適于垂直位置焊接的焊縫。
電渣焊焊縫由焊接材料和母材邊緣被高溫的渣池熔化堆積而成,因而焊縫的內(nèi)外側(cè)應(yīng)該有擋塊,電渣焊適于大和特大焊接截面的焊件,如厚壁壓力容器、大直徑的軸、大厚度的管道、大機(jī)器件的拼焊等。BR隔熱管托
電渣焊的焊件焊后通常要經(jīng)正火——回火或高溫退火熱處理,以消除大焊接熱輸人造成的寬熱影響區(qū)、粗晶粒、高殘余應(yīng)力的不良影響。
電子束焊接接頭是熔焊接頭中一種特殊的接頭。它是利用聚焦的高速電子流轟擊焊件,使電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而熔化焊接接頭的焊縫區(qū)而進(jìn)行的熔焊。
其特點(diǎn)是可焊接各種特殊的金屬,大厚度,焊縫的深寬比大(可達(dá)25 :1)。按其特點(diǎn)應(yīng)用于核反應(yīng)堆元件,航空、航天設(shè)備中的某些特殊金屬、超高強(qiáng)度鋼及耐熱合金零件的焊接。
由于電子束直徑細(xì)、焊接能量集中,焊接時(shí)不加填充金屬,形成了電子束焊接頭的一些特點(diǎn)。這種接頭也有對(duì)接、角接、T形接和搭接形式,還有一種類似于電渣焊的疊接的端接形式,只是焊件是貼緊的。
2)壓焊接頭:除了上述熔焊接頭外,電阻焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、超聲波焊、冷壓焊和爆炸焊統(tǒng)稱為壓焊,其中電阻焊和摩擦焊由于其具有高效率的特點(diǎn),在許多部門得到了廣泛的應(yīng)用。BR隔熱管托
特別是在汽車工業(yè)中,電阻焊和摩擦焊應(yīng)用很普遍,電阻焊中的點(diǎn)焊(包括滾點(diǎn)焊)和縫焊多是采用搭接接頭,凸焊是點(diǎn)焊的一種變異,但接頭形式有多種多樣,需要根據(jù)焊件形狀尺寸,設(shè)計(jì)出適用和巧妙的接頭來(lái)。高頻電阻焊一般為對(duì)接,也有采用搭接接頭的。
電阻對(duì)焊顯然是采用對(duì)接接頭,應(yīng)當(dāng)指出的是,由于電阻對(duì)焊工藝的發(fā)展,目前其已經(jīng)可以焊接100000mm²以上的截面,所以在鍋爐壓力容器的制造中,特別是鋼管道的環(huán)縫中,例如石油、天然氣的長(zhǎng)輸管線建設(shè)中(包括陸地和海洋),電阻對(duì)焊獲得了應(yīng)用。
摩擦焊接頭通常也是采用對(duì)接接頭。其他的阻焊接頭形式和應(yīng)用可參考有關(guān)資料。
3)釬焊接頭:釬焊接頭也有多種類型,但基本類型只有對(duì)接接頭和搭接接頭兩種。
(2)熔焊坡口形式的選擇
熔焊坡口形式根據(jù)其形狀,可分三類,即基本型,如圖5-1b, 1等即I形、V形和單V形、U形和單U形等;還有就是特殊型,如卷邊的、帶墊板的、鎖邊的和塞焊、開槽焊等;組合型,顧名思義這是上述各型組合而成,圖5 -1中絕大多數(shù)都是這種組合型的坡口。坡口形式通常根據(jù)工廠條件、工藝要求等考慮以下問題來(lái)決定。
1)工廠的加工條件。例如采用雙V形、Y形、單邊V形、雙單邊V形、V形、I形等坡口可用氣割、等離子弧切割,當(dāng)然也可用金屬切削方法加工。但雙U形、帶鈍邊U形、帶鈍邊J形、U形、Y形坡口一般需用刨邊機(jī)加工(最近也有采用氣割加工U形坡口的報(bào)道),效率較熱切割低。BR隔熱管托
2)可達(dá)性的好壞。采用Y形、帶墊板Y形(見圖5-1e、f)、帶墊板V形、VY形(見圖5-1g)、帶鈍邊的U形(見圖5-1h)等坡口的接頭,施焊時(shí),一般可不需翻轉(zhuǎn),對(duì)內(nèi)徑較小的容器或管道,以及不便翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu),為避免仰焊及不能從內(nèi)側(cè)施焊,則可采用這種坡口和焊縫形式。
3)減小焊接材料的消耗量,一般熔敷金屬量小,焊接材料(焊條、焊絲和焊劑、保護(hù)氣體)消耗也小,也節(jié)省加工時(shí)間。同樣板厚:Y形比雙Y形坡口的熔敷金屬量增加最大可達(dá)50%,雙U形或UY形則更加節(jié)省熔敷金屬,因此對(duì)于大厚度的焊接接頭,多采用這種較經(jīng)濟(jì)的坡口。
對(duì)于不適于電渣焊、電子束焊的特厚件焊縫還采用窄間隙焊。電渣焊的坡口。
4)考慮焊接變形與應(yīng)力。例如單面焊可能引起角變形和焊縫根部的嚴(yán)重焊接殘余應(yīng)力,此時(shí)要考慮材料(母材)特點(diǎn),采用適當(dāng)?shù)墓に嚭推驴谛问?/font>,以便獲得合格的接頭。
應(yīng)該指出,無(wú)論是對(duì)接焊縫還是角焊縫,其焊縫表面都可以是凹陷的、凸起的或是平齊的,后者有時(shí)通過(guò)加工來(lái)達(dá)到。
而角焊縫除了上述三種等邊角焊縫外,還有三種不等邊角焊縫,直角焊縫的四種形式,除三種等邊平的、凹的和凸的直角焊縫外,還有平的不等邊直角焊縫。
焊腳尺寸K為角焊縫的特征尺寸,角焊縫的焊腳尺寸為焊縫內(nèi)接等腰直角三角形的直角邊。BR隔熱管托
(3)工作接頭、聯(lián)系接頭和密封接頭
前述焊接接頭的基本類型主要是根據(jù)采用的焊接工藝來(lái)區(qū)分的。實(shí)際上也是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)焊縫的承載狀況來(lái)分的。
焊接結(jié)構(gòu)的焊縫又可以按直接承受載荷與否分為承載焊縫和非承載焊縫,習(xí)慣上又稱為工作焊縫和聯(lián)系焊縫,如圖5-4所示。前者將結(jié)構(gòu)中的作用力由一個(gè)零件傳至另一個(gè)零件,焊縫和零(構(gòu))件串聯(lián)在一起,這種焊縫必須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
后者的焊縫和零(構(gòu))件并聯(lián)在一起,與零(構(gòu))件一起同時(shí)受力和變形,焊縫即使破壞,一般也不會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全工作,傳遞作用力不是焊縫的主要任務(wù),通常可不進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
但嚴(yán)格講,應(yīng)該認(rèn)為是整個(gè)接頭,除焊縫外,還有熔合線、熱影響區(qū)等承擔(dān)(串聯(lián)或并聯(lián))直接作用載荷或不直接承受載荷(并聯(lián)),所以有資料提出了工作接頭、聯(lián)系接頭和密封接頭。后者的主要任務(wù)是防止泄漏,故多屬于工作接頭。
(4)焊接接頭工作應(yīng)力的分布
熔焊接頭,如前述主要有對(duì)接接頭、角接接頭、T形接頭(十字接頭)和搭接接頭,塞焊接頭實(shí)際上也是一種搭接接頭。
在焊接接頭中工作應(yīng)力的分布不是均勻的,也就是存在應(yīng)力集中,而各種接頭應(yīng)力集中的情形亦不相同。其中對(duì)接接頭應(yīng)力集中最小,形式最簡(jiǎn)單,力的傳遞也較少轉(zhuǎn)折,故是最合理的、典型的焊接接頭形式。BR隔熱管托
即使如此,對(duì)接接頭如果出現(xiàn)較大的余高和過(guò)渡處圓弧半徑較小,則應(yīng)力集中將增大,對(duì)接接頭中應(yīng)力分布的情形。應(yīng)力集中系數(shù)Kσ隨余高h和過(guò)渡圓弧半徑r變化而變化的情形。
T形(十字)接頭由母材向焊縫過(guò)渡急劇,力的傳遞轉(zhuǎn)折大,力線扭曲,應(yīng)力分布不均,易出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中,其應(yīng)力分布。
可見,由不開坡口角焊縫構(gòu)成的T形(十字)接頭,,其最大應(yīng)力在角焊縫的根部,如Ⅰ - Ⅰ、 Ⅱ - Ⅱ截面的A點(diǎn)和Ⅲ - Ⅲ截面的B點(diǎn)。
如開坡口焊透,則應(yīng)力分布大為改善,如圖5-7b所示。T形(十字)接頭也是典型的熔焊接頭,應(yīng)用亦很廣,該接頭在造船業(yè)中占所有接頭的70%,所以改善其應(yīng)力分布十分重要。
對(duì)于Ⅰ形坡口的角焊縫構(gòu)成的T形(十字)接頭,隨著焊腳尺寸的增大和θ角的減小(圖5-7a),應(yīng)力集中下降,當(dāng)θ角小于或大于45°,即不等邊角焊縫時(shí),只有長(zhǎng)邊順著力線方向(即θ<45°),才會(huì)改善應(yīng)力分布不均的狀況。
由角焊縫構(gòu)成的搭接接頭,其應(yīng)力分布很不均勻,它不是理想的結(jié)構(gòu)接頭形式,在動(dòng)載和低溫時(shí)尤其應(yīng)避免采用。
但由于采用搭接接頭,裝配工作十分簡(jiǎn)便,焊前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單,構(gòu)件收縮量小,故在一些受靜載的建筑結(jié)構(gòu)中和用薄板制造的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)中仍被采用。
應(yīng)該指出:搭接接頭又可分為正面搭接和側(cè)面搭接,搭接接頭中不僅存在角焊縫橫截面上應(yīng)力分布不均的情形(和T形接頭角焊縫類似),而且正面和側(cè)面搭接焊縫中的應(yīng)力分布也不同,側(cè)面搭接焊縫沿焊縫長(zhǎng)度的應(yīng)力分布不均。
二、焊接接頭的設(shè)計(jì)
(1)焊接接頭的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
優(yōu)良的接頭設(shè)計(jì)是防止結(jié)構(gòu)破壞的條件之一。實(shí)際受力十分復(fù)雜的接頭,進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下問題:BR隔熱管托
1)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)該優(yōu)先采用接頭(焊縫)形式簡(jiǎn)單、應(yīng)力集中小、不破壞結(jié)構(gòu)連續(xù)性的,即不使或很少使力線密集或出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的接頭和焊縫形式。
上述熔焊接頭中,對(duì)接接頭是最符合上述條件的,因此應(yīng)優(yōu)先考慮采用,其次應(yīng)考慮采用T形(十字)接頭,而搭接接頭則應(yīng)避免采用,但如上述在一些靜載的,不是很重要的結(jié)構(gòu)中為了施工方便仍有采用。
2)在有可能的條件下,盡量將焊接接頭布置在工作載荷較小處,以及構(gòu)件幾何尺寸和形狀不變的地方。
3)角焊縫的焊腳尺寸不宜過(guò)大,搭接角焊縫不宜過(guò)長(zhǎng)。如前所述,應(yīng)力分布沿角焊縫截面是不均勻的,截面越大,應(yīng)力分布不均勻的程度越大,故大截面的角焊縫承載能力低。
而焊接材料與工時(shí)消耗卻隨焊腳尺寸成平方地增加。在搭接接頭中,正面角焊縫的剛度大于側(cè)面角焊縫,實(shí)際強(qiáng)度也大,所以具有正側(cè)面角焊縫的聯(lián)合搭接角焊縫中的應(yīng)力分布不均,側(cè)面角焊縫沿焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力分布亦不均,故對(duì)重要的結(jié)構(gòu)、變形能力差的接頭,尤其要注意。
4)鋼板在厚度方向上(Z向)性能差,因此組成T形(十字)接頭,如要在厚度方向上傳遞外力,應(yīng)選用Z向鋼。BR隔熱管托
5)焊接接頭剛度大,焊縫未達(dá)屈服前變形量很小,故對(duì)于作為鉸接點(diǎn)的接頭(如桁架的節(jié)點(diǎn))可能產(chǎn)生高的附加應(yīng)力,此時(shí)應(yīng)采取諸如減小焊接截面、改變焊縫位置等措施來(lái)增加接頭的柔性。
6)充分考慮制造廠的條件,提高設(shè)計(jì)接頭的工藝性。如使焊接結(jié)構(gòu)的接頭種類少,采用的焊接方法種類少,接頭尺寸單一;施工時(shí)的可達(dá)性好,包括焊接時(shí)的可達(dá)性和焊接完成后的可檢驗(yàn)性(如射線探傷便于布片,超聲探傷有合適的探頭移動(dòng)范圍等);施焊性好等等。
7)計(jì)算接頭時(shí)不考慮應(yīng)力分布不均及焊接殘余應(yīng)力,下面還要介紹到這種計(jì)算是作了一些假定和簡(jiǎn)化的。而對(duì)于工作條件苛刻,如在低溫或動(dòng)載下或接頭剛度大的場(chǎng)合,則要適當(dāng)考慮這些因素。而對(duì)于在腐蝕環(huán)境下工作的焊接結(jié)構(gòu)的接頭,接頭的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)也需要特殊考慮。
(2)焊接接頭靜載強(qiáng)度的計(jì)算
1)以許用應(yīng)力法為基礎(chǔ)的計(jì)算
①對(duì)接接頭強(qiáng)度的計(jì)算:為典型對(duì)接接頭及其受力情況,可按表5-8的公式進(jìn)行計(jì)算。由計(jì)算公式中可以看出,計(jì)算不考慮接頭中的應(yīng)力集中(應(yīng)力分布不均),也不考慮焊接殘余應(yīng)力,并認(rèn)為工作應(yīng)力沿焊縫是均勻分布的。
可以看出,當(dāng)不同厚度的兩板對(duì)接,厚度差(δ一δ1)超過(guò)規(guī)定值時(shí)(按GB 985標(biāo)準(zhǔn),允許厚度差1~4mm),需在厚板上削出斜面,斜面長(zhǎng)L>3(δ一δ1),也可兩面削出斜面。
②搭接接頭強(qiáng)度的計(jì)算:圖5-10為典型的搭接接頭及受力情況,這里還列出了塞焊和電鉚焊搭接接頭(見圖5-10g、h),除此以外,搭接接頭都是角焊縫組成的,和對(duì)接接頭強(qiáng)度計(jì)算主要是驗(yàn)算對(duì)接焊縫的強(qiáng)度一樣,搭接接頭強(qiáng)度計(jì)算則主要是計(jì)算角焊縫的強(qiáng)度。在搭接角焊縫的計(jì)算中進(jìn)行了下述假定:BR隔熱管托
第一,對(duì)于此種角焊縫的形狀(見圖5 -3)都將內(nèi)接等腰直角三角形的高即K0,作為計(jì)算厚度,不計(jì)及焊縫的凸凹度,也不考慮熔深的差別,這樣
K0≈0. 7K, K為焊腳尺寸。當(dāng)熔深較大,如埋弧焊時(shí),可考慮K0≈0. 8K,甚至等于K。
第二,角焊縫一律按計(jì)算截面,即計(jì)算厚度(習(xí)慣稱喉厚)截面處受切應(yīng)力破壞來(lái)計(jì)算,即使接頭承受彎矩,抵抗彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力亦假定為切應(yīng)力,見表5-8中,式(5-12 )、式(5-15 )、式(5-17 )等等。
第三,不考慮正、側(cè)面角焊縫上應(yīng)力的差別和焊縫上應(yīng)力分布的不均,這給計(jì)算帶來(lái)了方便。由于側(cè)面搭接焊縫隨焊縫長(zhǎng)度的增加,應(yīng)力不均勻程度增大,上述計(jì)算規(guī)定限制了計(jì)算焊縫的長(zhǎng)度。
第四,限制角焊縫的最小焊腳尺寸,一般不應(yīng)小于4mm,當(dāng)板厚小于4mm,則焊腳尺寸可與板厚相同。圖5 -10各種搭接接頭強(qiáng)度的計(jì)算見表5-8的相關(guān)部分。
③T形接頭強(qiáng)度的計(jì)算:如圖5-7所示,T形接頭和十字接頭可以由角焊縫構(gòu)成(見圖5 -7a),這種接頭會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,也可以由對(duì)接焊縫,如K形坡口(見圖5-7b)焊縫構(gòu)成,后者應(yīng)力集中要小得多。表5-8所列包括了兩種焊縫的強(qiáng)度計(jì)算。
可以看出,角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算與搭接角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算是一樣的,而后者又和對(duì)接焊縫強(qiáng)度的計(jì)算相同。應(yīng)該指出,T形接頭承受壓力(見圖5 -11a)時(shí),由于立板可與蓋板抵緊,承受壓力能力大為提高,可用式(5 -20 )進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
很多情況下,集中力既不平行、又不垂直于焊縫,可以將作用力分解成兩部分,分別進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,如圖5 -11 d及表5-8中式(5 -26 )。BR隔熱管托
2)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法焊縫連接的計(jì)算。根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用焊接連接時(shí),對(duì)于對(duì)接接頭、T形接頭、角接頭和搭接接頭上的焊縫,采用了對(duì)接焊縫、直角角焊縫(圖5 -3 )、斜角角焊縫(圖5 -13)和對(duì)接與角接的組合焊縫(圖5-12)等形式。
焊縫則應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、載荷特性、焊縫形式、工作環(huán)境以及應(yīng)力狀態(tài)等情況選用是否熔透和不同質(zhì)量等級(jí),如承受疲勞構(gòu)件的對(duì)接焊縫均應(yīng)焊透且焊縫質(zhì)量為I 、II級(jí);雖不計(jì)疲勞,但要求與母材等強(qiáng)的,也要求焊透,并應(yīng)不低于II級(jí)的焊縫質(zhì)量;重級(jí)工作制的吊車梁、起重量>50t的中級(jí)工作制的吊車梁,腹板與蓋板間的角焊縫,要求開坡口焊透等。
熔焊接頭靜載強(qiáng)度的計(jì)算(許用應(yīng)力法)。
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