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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。
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。
焊接结构课程设计一、教学目标本课程的教学目标是使学生掌握焊接结构的基本理论、方法和相关技术，培养学生具备焊接结构的设计、制造和检验能力。
具体目标如下：1.知识目标：（1）了解焊接结构的定义、分类和应用领域；（2）掌握焊接原理、焊接工艺和焊接方法；（3）熟悉焊接结构的应力分析、变形控制和质量检验。
2.技能目标：（1）能够根据工程需求选择合适的焊接工艺和方法；（2）具备焊接结构设计和制造的基本能力；（3）掌握焊接质量检验的方法和技巧。
3.情感态度价值观目标：（1）培养学生的创新意识和团队合作精神；（2）增强学生对焊接技术的兴趣和热情；（3）培养学生对工程安全和质量的重视。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个方面：1.焊接结构的基本概念和分类；2.焊接原理和焊接工艺；3.焊接方法及其应用；4.焊接结构的应力分析与变形控制；5.焊接质量检验与评估。
具体安排如下：第1周：焊接结构的基本概念和分类；第2周：焊接原理和焊接工艺；第3周：焊接方法及其应用；第4周：焊接结构的应力分析与变形控制；第5周：焊接质量检验与评估。
三、教学方法为了实现课程目标，我们将采用以下教学方法：1.讲授法：通过教师的讲解，使学生掌握焊接结构的基本理论和方法；2.案例分析法：通过分析实际案例，使学生了解焊接结构的实际应用和问题解决；3.实验法：通过实验操作，使学生掌握焊接工艺和质量检验方法；4.讨论法：通过小组讨论，培养学生的团队合作精神和创新意识。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的焊接结构教材；2.参考书：提供相关的焊接技术书籍，供学生拓展阅读；3.多媒体资料：制作课件、视频等多媒体资料，丰富教学手段；4.实验设备：准备齐全的焊接设备和材料，为学生提供实践操作的机会。
五、教学评估本课程的评估方式包括以下几个方面：1.平时表现：通过课堂参与、提问和讨论等方式，评估学生的学习态度和积极性；2.作业：布置适量的作业，评估学生的理解和应用能力；3.考试：进行期中和期末考试，评估学生对课程知识的掌握程度。
焊接结构的优化设计与机理分析随着现代工业的发展，焊接技术被广泛应用于各种结构的制作中。
而随着焊接工艺的不断改进和提升，焊接结构的优化设计也成为了焊接工程师和设计师的重要任务。
本文将结合实际案例和理论分析，探讨焊接结构的优化设计和机理分析。
一、焊接结构的优化设计焊接结构的优化设计不仅仅关乎制作过程的效率和成本，更重要的是对于结构的使用寿命、安全性和可靠性的保证。
因此，我们需要从以下几个方面入手：1.选择合适的焊接方法和材料合适的焊接方法和材料的选择是焊接结构优化设计的第一步。
焊接方法选择应考虑焊接材料的物理化学特性、尺寸形状、力学性能以及工艺要求等因素。
材料选择则需考虑焊接前后的材料性能变化以及与基体的相容性等因素。
同时还需要考虑人员技术水平和设备条件等因素，确保焊接质量和效率。
2.合理的结构设计在焊接结构设计中，需要注意结构强度、稳定性、耐久性等方面。
结构强度要求是指焊接结构在外力作用下能够承受较大的载荷而不断裂或破坏。
结构稳定性要求指焊接结构在受到外力作用下不会发生过度倾斜、翻转或变形等现象。
而结构耐久性要求则与结构的寿命和使用情况相关。
因此，在进行结构设计时需要综合考虑材料的物性、结构的尺寸和形态，以及结构所处的环境等因素。
3.优化的焊接接头设计焊接接头是焊接结构的连接部分，其质量和性能直接影响着整个结构的强度和稳定性。
因此，在焊接接头设计中，需要注意接头的尺寸、形状、焊接方式、焊接量等各种因素，以保证接头的强度和耐久性。
二、焊接结构机理分析理解焊接结构的机理有助于优化焊接设计，提高焊接结构的质量和效率。
以下是焊接结构机理分析的几点要点：1.焊接变形焊接变形是焊接结构不可避免的问题之一。
当焊接接头受热时，会发生热膨胀，从而使得焊接接头发生变形。
因此，在进行焊接接头设计和制作时需要考虑到这一问题，采用减少焊接变形的措施，如采用预加热、后热处理等方法。
2.焊接断裂另一个重要的焊接机理是焊接断裂。
焊接结构设计
一、焊接接头形式
焊接接头形式：对接接头、角接接头及T字形接头、搭接接头。
图1焊接接头的三种形式
（a）对接接头；（b）角接接头；（c）搭接接头
1．对接接头
结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。
特点：受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。
应用：最常用的焊接结构形式。
2．角接接头和T型接头
结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。
两构件成T字形焊接在一起的接头，叫T型接头。
角接接头和T字接头都形成角焊缝。
特点：结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。
应用：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接等。
3．搭接接头
结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。
特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。
应用：主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容
器的焊接。
二、坡口形式
焊接坡口——为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。
不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。
坡口形状
基本坡口形状：Ⅰ形、V形、单边V形、 U形、J形。
组合形状
特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。
双V形坡口由两个V形坡口和一个I形坡口组合而成
图2 坡口的基本形式
图3双V形坡口
三、压力容器焊接接头分类
目的：为对口错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面有针对性地提出不同的要求，GB150根据位置，根据该接头所连接两元件的结构类型以及应力水平，把接头分成A、B、C、D四类，如图4-47。
图4 压力容器焊接接头分类
A类：圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外）、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头。
B类：壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头。
但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。
C类：平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。
D类：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。
但已规定为A、B类的焊接接头除外。
注意：焊接接头分类的原则仅根据焊接接头在容器所处的位置而不是按焊接接头的结构形式分类，所以，在设计焊接接头形式时，应由容器的重要性、设计条件以及施焊条件等确定焊接结构。
这样，同一类别的焊接接头在不同的容器条件下，就可能有不同的焊接接头形式
四、压力容器焊接结构设计的基本原则
1．尽量采用对接接头，易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。
举例：角焊缝，改用对接焊缝［图5（a）改为8（b）和（c）]。
减小了应力集
中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。
图5 容器接管的角接和对接
2．尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷
未熔透：指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。
未熔透导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。
改进：选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。
3．尽量减少焊缝处的应力集中
接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。
措施：尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。
一般当薄板厚度δ2不大于10mm，两板厚度差超过3mm；或当薄板厚度δ2大于10mm，两板厚度差超过薄板的30%，或超过5mm时，均需按图6的要求削薄厚板边缘。
图6板厚不等时的对接接头
五、压力容器常用焊接结构设计
主要内容：选择合适的焊缝坡口，方便焊材(焊条或焊丝）伸入坡口根部，以保证全熔透。
坡口选择因素：①尽量减少填充金属量；②保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；
③便于施焊，改善劳动条件；④减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。
1．筒体、封头及其相互间连接的焊接结构纵、环焊缝必须采用对接接头。
对接接头的坡口形式可分为不开坡口（又称齐边坡口）、V形坡口、X形坡口、单U形坡口和双U形坡口等数种，应根据筒体或封头厚度、压力高低、介质特性及操作工况选择合适的坡口形式。
2. 接管与壳体及补强圈间的焊接结构
一般只能采用角接焊和搭接焊，具体的焊接结构还与容器的强度和安全性要求有关。
有多种接头形式，涉及是否开坡口、单面焊与双面焊、熔透与不熔透等问题。
设计时，应根据压力高低、介质特性、是否低温、是否需要考虑交变载荷与疲劳问题等来选择合理的焊接结构。
下面介绍常用的几种结构。
（1）不带补强圈的插入式接管焊接结构
中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接结构，接管与壳体间隙应小于3mm，否则易产生裂纹或其它焊接缺陷。
如下图：
（a）图：单面焊接结构，适用于内径小于600mm、盛装无腐蚀性介质的接管与壳体之间的焊接，接管厚度应小6mm；
（b）图：最常用的插入式接管焊接结构之一，为全熔透结构。
适用于具备从内部清根及施焊条件、壳体厚度在4～25mm、接管厚度大于等于0.5倍壳体厚度的情况；
（c）图：在（b）的基础上，将接管内径边角处倒圆，可用于疲劳、低温及有较大温度梯度的操作工况。
（2）带补强圈的接管焊接结构
要求：尽量与补强处的壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。
但只能采用塔接和角接，难于保证全熔透，也无法进行无损检测，因而焊接质量不易保证。
坡口：大间隙小角度，利于焊条伸入到底，减少焊接工作量。
如下图：
图（a）：一般要求的容器，即非低温、无交变载荷的容器
图（b）：承受低温、疲劳及温度梯度较大工况的容器,保证接管根部及补强圈内侧焊缝熔透。
（3）安放式接管的焊接结构
优点：结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行射线检测等。
如下图：
图（a）：适用于接管内径小于或等于100mm的场合；
图（b）和（c）：适用于壳体厚度δn≤16mm的碳素钢和碳锰钢，或δn≤25mm 的奥氏体不锈钢容器，其中图（b）的接管内径应小于或等于 50mm，厚度
δnt≤6mm，图（c）的接管内径应大于50mm，且小于或等于150mm，厚度δnt ＞6mm。
（4）嵌入式接管的焊接结构
属于整体补强结构中的一种，适用于承受交变载荷、低温和大温度梯度等较苛刻的工况。
如下图：
（a）图：适用于球形封头或椭圆形封头中心部位的接管与封头的连接，且封头厚度δn≤50mm。
（5）凸缘与壳体的焊接结构
1）角焊连接：连接不承受脉动载荷的容器凸缘与壳体，如图下所示。
2）对接连接：连接压力较高或要求全熔透的容器凸缘与壳体，如下图。
