焊接接头设计的工艺性研究

焊接接头设计的工艺性研究【摘要】焊接接头设计应考虑的因素很多，其中工艺性是主要因素，接头设计的工艺性主要包括接头焊接的可达性，接头检测的可达性及接头形式与坡口类型选用等内容，本文作者就从这三个方面分别对接接头设计的工艺性进行了探讨，并就如何提高焊接强度质量的具体工艺方法进行了简单的介绍。

【关键词】焊接接头设计可达性工艺性中图分类号： v229+.8 文献标识码： a 文章编号：引言焊接接头设计的工艺性，是指设计的焊接接头在具体的生产条件下(一定的焊接方法、焊接工艺)，能否以优的质量、高的效率、低的消耗、少的成本制造出来的可行性，具体包括接头焊接的可达性，接头检测的可达性，接头形式与坡口类型（下图1反应了几种常见的焊接接头和坡口形式）等内容。

笔者长期从事焊接结构工艺设计工作，积累了较丰富的经验。

下面笔者结合自己多年的工作经验就焊接接头设计的工艺性加以探讨。

图1 t形接头和角接接头1 接头焊接可达性接头焊接的可达性就是焊接接头的可焊到性、可施焊性。

即保证每条焊缝都能方便施焊，保证焊工都能清楚地观察到接缝，保证焊条、焊丝、焊枪或机械手都能方便地到达欲焊部位。

这就要求设计的焊接接头在焊接结构中应具有足够的空间，以保证焊缝周围有供焊工自由操作的空间和焊接装置正常运行的条件。

影响接头焊接可达性的因素主要有接头在构件中的空间大小、构件相交角度及焊缝位置等。

1.1接头在构件中的空间大小接头在构件中的空间大小影响接头焊接的可达性。

如图1所示结构，就必须考虑两块平行板的间距和高度。

图1(a)焊条电弧焊焊接t形接头内侧角焊缝时，由于平行板的间距过小或高度过高，操作空间太小焊条无法伸入操作，接头焊接可达性差。

如将t形接头改成图1(b)所示的单面坡口角焊缝，就可解决可达性问题；如结构的刚度较大，适当放宽平行板的间距(图1(c))或降低平行板的高度(图1(d))，也可使焊条能伸人t形接头内施焊。

图1接头在构件中的空间大小图2为带垫板的对接接头示意图，这是许多小筒体纵、环焊缝采用的接头形式之一。

图2(a)由于坡口角度和根部间隙较小，影响焊接可达性，易在根部产生未熔合或未焊透，如增大坡口角度(α2＞α1)、加大根部间隙(b2＞b1)就可解决这一问题，见图2(b)。

对于厚度大于10 mm工件，可采用锁底接头代替带垫板的对接接头，如图2(c)所示，同样也需注意这一问题。

图2带垫板的对接接头和锁底接头需要注意的是，电阻点焊、缝焊也存在接头焊接可达性问题。

因此设计点焊和缝焊接头时，必须考虑机臂长度和电极尺寸，以便保证设计的接头具有足够空间能在电阻焊机上方便焊接。

1.2构件相交角度在钢结构中，常见两构件相交成锐角的接头形式。

如构件相交角度小于60°，就存在焊接可达性的问题。

解决的办法是适当调整两构件的交角，使其大于60。

图2(a)为锅炉本体拉撑杆与筒体内表面的焊接接头。

由于两构件交角较小，往往在根部造成未熔合或未焊透(箭头所指)。

改为图4(b)后交角增大，焊接可达性问题不会存在了。

图3构件交角对焊接可达性影响1.3焊缝位置焊缝位置布置应便于施焊，有利于保证焊缝质量。

焊缝可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝和仰焊缝四种形式。

其中施焊操作最方便、焊接质量最容易保证的是平焊缝，焊接可达性好，所以焊接接头设计时应尽量使焊缝能在水平位置进行焊接。

2接头检测可达性焊接接头的检测可达性，也称接头的可检测性，是指接头所处的部位和焊件的形状、尺寸对焊接检测的适用性。

焊接检测内容很多，有无损深检测、外观检测等。

外观检测比较简单，一般能焊接的地方都能检测。

这里的检测可达性指的是无损探伤检测可达性。

因为在许多承载和受压的重要焊接结构(如锅炉、压力容器)中，重要焊缝(如承压焊缝)都要求作无损检测。

目前最主要的无损检测方法有x射线检测和超声波检测。

2.1接头射线检测可达性设计的焊接接头需作射线检测时，其所处部位必须留有足够空间，以便安放胶片，使胶片位置能保证整个焊缝处于探伤范围之内并使缺陷成像，同时还要满足焦距调整要求。

一般来说，对接接头最适合射线探伤，通常一次照射即可，t形接头和角接接头有时无法进行射线探伤，有时即使从不同角度多次照射任然会出现漏检现象，使探伤检测结果并没有多大意义。

2.2接头超声波检测可达性超声波探伤是利用超声波在金属内部传播时，遇到焊缝缺陷产生反射波作为信号进行检测的一种无损探伤方法。

超声波探伤具有灵敏度高，操作灵活方便，探伤周期短、成本低、安全等优点，现广泛应用于现代焊接结构检测中。

超声波探伤时由于探头要在焊缝及其两侧移动，对检测区渐进扫描，所以焊接接头设计时，要留有一定的空间放置探头并满足探头来回移动。

探头移动尺寸主要根据板厚而定，其移动范围可按表1中的公式计算确定。

表1 探头移动最小尺寸3接头形式和坡口类型3.1焊接接头形式焊接接头主要有对接接头、t形接头、角接接头和搭接接头四种形式。

焊接接头形式一般根据焊件的厚度、结构及使用条件来选用。

对接接头受力状况好，应力集中程度较小，材料消耗较少，疲劳强度较高，是理想的接头形式，也是各种焊接结构中采用最多的一种接头形式。

所以对接接头是焊接接头设计首选的接头形式。

需要注意的是，不同厚度的钢板对接焊时，如果厚度差超过规定值(见表2)，则应在较厚的板上作出单面或双面削薄,削薄长度不小于板厚差3倍。

表2 不同厚度钢板对接接头的允许厚度差对接接头余高一般为0～3mm，余高越大应力集中越严重，接头的疲劳强度越低，一些重要的承受动载荷的焊接接头，常采用减少余高甚至削平余高来提高焊接接头的疲劳强度。

t形接头是一焊件之端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。

t形接头能承受各个方向的力和力矩，但t形接头的应力集中系数比对接接头要高，因此t形接头的疲劳强度远低于对接接头。

t形接头是各类箱型结构中最常用的接头形式。

搭接接头承载能力差，一般用于不重要的焊接结构中。

搭接接头的接头承载能力低，疲劳强度很低，只用在不重要的结构中。

搭接接头一般用于12 mm 以下钢板，其重叠部分为3～5倍板厚。

有时为了保证结构强度，搭接接头可选用圆孔塞焊缝或长孔槽焊缝的形式，这种形式常用于被焊接结构狭小处及密闭的焊接结构。

3.2焊接坡口类型根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽叫坡口。

开坡口的目的是保证电弧能深入接头根部，使根部焊透以及便于清渣，获得较好的成形，同时坡口还能起到调节焊缝金属中母材金属与填充金属的比例作用。

坡口的形式有i形、v形、单边v形、u形、双v形(x形)坡口等。

焊接坡口选用的基本原则是，在保证焊接质量的前提下，能不开坡口就不开坡口，能开小尺寸坡口绝不开大尺寸坡口。

(1)i形坡口。

i形坡口就是不开坡口，是一种最经济的坡口形式。

因此在焊透的最大厚度内，尽量采用i形坡口。

(2)v形、u形和双v形(x形)坡口。

v形和双v形(x形)坡口加工较u形或双u形坡口简单，加工性好；双v形(x形)和u形坡口断面积较v形小，双v形坡口断面积仅为v形坡口的一半，所以焊接变形小。

由于u形坡口根部加工困难，限制了其应用，生产中一般v形坡口用得较多，厚板可用双v形(x形)坡口。

有时为了减少变形，常设计成非对称的双v形(x形)坡口，这时应注意焊接顺序，先焊小尺寸坡口面，后焊大尺寸坡口面。

(3)坡口尺寸。

坡口尺寸主要是坡口角度(坡口面角度)、根部间隙和钝边。

坡口尺寸与焊接方法有关，对于焊条电弧焊和埋弧焊，由于焊接时会产生熔渣，则坡口角度应大些、根部间隙要大些。

通常焊条电弧焊、埋弧焊的坡口角度为60-70°，根部间隙0～3 mm，钝边0～3 mm。

对于co2／mag由于不必考虑脱渣，并且焊丝直径较细、电流密度大、电弧穿透力强，电弧热量集中，对于同等厚度焊件，坡口角度可由焊条电弧焊的60°～70°减为30°～45°，钝边可相应增大2～3mm，根部间隙可相应减少1～2mm。

等离子弧焊的熔透能力大，则可采用钝边较大的焊接坡口，如采用穿透型法焊接10mm不锈钢时，钝边厚度可由tig焊的1.5 mm增至5 mm，坡口角度也可由75°减至60°，均能获得满意的焊接质量。

此外，采用窄坡口或窄间隙焊，不仅能节省焊接材料，而且显著提高了焊接效率。

4 提高焊接强度质量的具体的工艺方法应用二次脉冲法改变脆性组织，提高焊接强度是焊接中经常用到的技术方法。

二次脉冲法是用二次脉冲电流直接在电焊机上将马氏体组织进行回火，转变为韧性好、晶粒细的索氏体组织的焊接规范：(1)第一脉冲。

利用较大的脉冲电流(又称焊接电流)使金属熔化，形成熔核。

待熔核冷却到马氏体组织的转变温度(ms)以下时，再通第二脉冲电流。

注意：第一脉冲电流不能太小，电流太小只能使金属产生塑性变形而不能使其熔化。

(2)第二脉冲。

利用第二脉冲电流(又称回火电流)使熔核中的马氏体组织回火，转变为索氏体组织。

注意：控制好回火电流和回火时问。

回火电流不能太小，电流太小．核心部位达不到回火目的，硬度仍然会很高。

一般回火电流=50％一60％焊接电流；回火时间不能太长，回火时间过长会使金属晶粒变大，硬度相应增加。

回火时间可按焊接材料的厚度确定。

实际生产中，根据二次脉冲法调整焊接工艺规范，同时考虑影响焊接强度的其他因素，使焊接强度达到了满意的效果。

结论（1）焊接接头设计应考虑的因素很多，其中工艺性是主要因素，接头设计的工艺性主要包括接头焊接的可达性，接头检测的可达性及接头形式与坡口类型选用等内容。

（2）影响接头焊接可达性的因素主要有接头在构件中的空间大小、构件相交角度及焊缝位置，接头检测可达性主要是射线检测可达性和超声波检测可达性。

（3）焊接接头设计时应考虑接头形式和坡口类型。

对接接头受力状况好，应力集中程度较小，材料消耗较少，是理想的接头形式。

i形坡口是最经济的坡口形式，在焊透的最大厚度内，尽量采用i 形坡口。

必须开坡口时，生产中一般开v形坡口，厚板可用双v形(x形)坡口。

坡口尺寸的确定应考虑不同焊接方法的特点。

参考文献[1]李东亮.薄壁试板焊接工艺研究[j]. 机电信息. 2009(24)[2]中村照美,彭惠民.低相变温度焊接材料的研究[j]. 国外机动车辆工艺. 2008(02)[3]现代焊接技师培训(四十八)[j].现代焊接. 2010(07)。