第一节焊接结构及结构强度

第一节　焊接结构及结构强度

一、焊接结构的特点

焊接结构的构造和工艺特征决定了焊接结构具有以下的特点。

（1）焊接结构的刚性和整体性。焊接时刚性连接，焊缝既是连接元件又是结构中的一部分。它使零部件之间不能产生位移，因此刚性较大（铆接接头有一定的移动可能）不容易缓和高峰应力，也就是说应力集中的敏感性大。如果设计中采用了应力集中系数较大的构造式或接头形式，在一定条件下（如温度降低、结构材料的塑性差等）就可能在这些部位发生破坏，甚至发展到整个结构的破坏。

由于结构的整体性，容易保持气密性、水密性，这是优点，但如果设计不当或制造不良，事物向相反方面转化，优点反而变为缺点。如结构的整体性，很可能给裂纹的扩展创造了十分便利的条件，当焊件结构某一部分发生裂纹，就可能扩展到结构的整体而引起破坏，因此有些大型重要结构（如桥梁等）还保留一些铆接接头，其原因就在于此。

（2）焊接是对基本金属不均匀加热和局部再熔炼的过程，因而造成在接头处（基本金属、热影响区、焊缝金属）的化学成分、金相组织及机械性能的差异（不均匀），这必然影响到结构强度。

（3）焊接结构中普遍存在残余应力和变形。

（4）焊接缺陷在整个焊接工艺过程中难以完全避免，它在不同程度上降低了结构的强度。

归纳这些特点，可以说在材料、设计、制造工艺三方面，以及焊接结构使用时所处的介质环境、载荷性质等因素都影响焊接结构的强度。

二、典型焊接结构

1.梁

工作时承受弯曲的杆件称为梁。梁通常是由钢板和型钢拼焊而成，一般在零件下料后即能进行拼装，焊后主要是焊缝和产品外观尺寸的检查，一般不需要进行探伤检测。

常用焊接梁的外形有等断面梁（图2-1（a））和变断面梁（图2-1（b）～图2-1（j））。等断面梁结构简单、制造方便，易于实现自动化焊接，但材料耗量较大。为了合理使用金属材料，可按受力情况设计成不同形式的变断面梁。

梁的断面形状有工字形和箱形两类。工字梁由三块钢板组成，结构简单，焊接工作量小，应用最为广泛。箱形梁的断面形状为封闭形，整体结构刚度大，可以承受较大的外力，主要用于同时受到水平和垂直弯矩或转矩作用时的工作状况。

梁通常是由低碳钢制成，而且钢板厚度也不大，所以焊接变形是制造梁的主要工艺问题，梁的长度与高度之比较大，焊后的变形主要是弯曲变形，当焊接方向不正确时，也会产生扭曲变形。

图2-1　梁的外形

2.柱

工作时承受纵向压缩的杆件称为柱，如图2-2所示。与梁一线；7—肋板；8—柱脚板样，柱通常是由钢板和型钢拼焊而成，一般在零件下料后即能进行拼装，焊后主要是焊缝和产品外观尺寸的检查，一般不需要进行探伤检测。

图2-2　柱的结构示意图

1—盖板；2—主型钢；3—隔板；

4—柱顶板；5—托架；6—标记

焊接柱按外形分为实腹柱（图2-3（a）、图2-3（b））和格构柱（图2-3（c）、图2-3（d））两种，按断面形状分为等断面柱和变断面柱两种。

图2-3　柱的外形

与梁一样，柱往往都有较长的直角焊缝，所以给自动焊创造了有利条件。焊接位置有船形和非船形的直角焊两种，前者有较大的熔深，焊缝表面的成形良好，但需要有专门的焊接装置施焊。

3.压力容器

内装某种介质（气态或液态、有毒或无毒）、承受一定工作压力（内压或外压）的容器称压力容器。压力容器多数制成圆柱形或球形，它除了承受内部盛放的介质压力（工作压力）外，还需承受自重和其他附加设备重量的作用力，更多的是将受到高温或者低温的作用。随着使用的场合及工作压力的不同，容器可制成不同的形状和尺寸。

球形容器由于各点的应力均匀，所以各条拼接焊缝所受到的力基本相等，同样的容积它所用的材料最少（表面积最小），强度又最好。由于球形容器制造比较复杂，所以除特殊场合应用外，一般都以圆柱形代替，圆柱形容器的受力不均匀，纵向焊缝所受到应力要比环向焊缝的应力大一倍。圆柱形容器一般由筒体、封头、人孔装置和接管等部件组成。

根据容器设计压力P的大小不同，容器可分为低压、中压、高压和超高压容器。根据容器压力、介质危害程度以及该容器在运行中的重要作用，又将容器分为一类容器、二类容器和三类容器，其中三类容器压力最大，介质危害程度最严重，在生产中的重要性最大。根据容器在实际运行过程中的作用原理不同，容器还可分为反应容器、换热容器、分离容器和贮运容器。

压力容器的筒体随着壁厚的不同，可分为单层结构和多层结构两种形式。单层压力容器是使用最普遍的一种容器结构，其制造方法有钢板圆柱筒体卷焊法，钢板半爿筒体拼焊法以及锻焊法。圆柱筒体卷焊法是制造筒体的主要方法，它是将钢板在冷态或热态下通过卷板机卷制成筒形，这种方法的优点是只需焊接一条纵缝，但是往往难以达到理想的圆度。半爿筒体拼焊法是钢板在水压机上压成两个瓦爿片，然后焊接两条纵缝，这种方法容易达到理想的圆度，并且可以制造厚度不同的筒体，常用于厚壁压力容器和小直径容器的制造。锻焊法的筒体是整体的锻件，没有纵焊缝，它是该容器的主要制造方法。

多层压力容器常用于厚壁压力容器制造中，应用的方法有绕带法、层板包扎法、绕板法、热套法。多层压力容器每层都存在径向压应力，它与容器内的工作应力方向相反，降低了整个容器的受力水平，并且应力状态比单层的均匀，脆性破坏的危险性减小，更具有安全性。但缺点是结构比较复杂，制造周期长。

由于冷作加工的零件精度低，互换性差，所以在环缝搭装前，要对封头和每个筒体进行编号，测量周长，并标注测得的尺寸，然后根据测量的结果进行选配，特别是对两块钢板拼制的筒体，还应注意筒体的纵缝位置，避免将纵缝布置在禁忌的位置上，造成废品。

压力容器的筒体与筒体、筒体与封头的组焊应避免采用十字焊缝，以免使焊缝接头处材料变脆。相邻两筒节间的纵缝以及封头与相邻筒节的纵缝应错开，错开间距应大于筒体厚度的3倍，且不小于100mm。

筒节纵缝可以采用电渣焊或埋弧焊。环缝由于采用电渣焊收尾有困难，均采用埋弧焊，焊接技术与焊纵缝时相同。由于工业生产的需要，容器的厚度日益增加，因此深坡口窄间隙焊接在容器环缝焊接中得到广泛应用。

接管焊缝是容器的主要受压焊缝之一，它和容器的纵、环焊缝具有同等重要的意义，经验指出，接管焊缝在受压状态下，往往是更容易发生破坏的薄弱区域。压力容器焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和夹渣等缺陷，焊缝咬边不得大于0.5mm，咬边连续长度不应大于100mm，焊缝两侧咬边的总长不得超过该焊缝长度的10%，低温容器焊缝不得有咬边；角焊缝应有圆滑过渡至母材的几何形状；打磨焊缝表面消除缺陷或机械损伤后的厚度应不小于母材的厚度。

球形容器一般称作球罐，它主要用来储存带有压力的气体或液体。球罐按其瓣片形状分为足球瓣式、橘瓣式及混合式，如图2-4所示。足球瓣式的优点是所有瓣片的形状、尺寸都一样，材料利用率高，下料和切割比较方便，但大小受钢板规格的限制。混合式橘瓣式球罐因安装较方便，焊缝位置较规则，目前应用最广泛。按球罐直径大小和钢板尺寸分为三带、四带、五带和七带橘瓣式球罐。球罐的中部用橘瓣式，上极和下极用足球瓣式，常用于较大型球罐。一个完整的球体，往往需要数十块或数百块的瓣片。

图2-4　球罐形式

球罐的各球瓣下料、坡口、装配精度等尺寸均要确保质量，这是保证球罐质量的先决条件。另外，由于工作介质和压力、环境的要求，且返修困难，故焊接质量要严格控制，要保证受压均匀。焊接变形也要严格控制，这必须有合适的工夹具来配合及正确的装焊顺序。

一般球罐多在厂内预装，然后将零件编号，再到工地上组装焊接。球罐的焊缝多数采用焊条电弧焊，要求焊工的技术水平较高，并要有严格的检验制度，对每一生产环节都要认真对待。

4.机器焊接结构

机器焊接结构主要包括机床大件（床身、立柱、横梁等）、压力机机身、减速器箱体卷扬筒、轴承支座、连杆及摇臂以及大型机器零件等。这类结构通常是在交变载荷或多次重复载荷状态下工作的，因此这类焊接结构应要求具有良好的动载性能和刚度，保证机械加工后的尺寸精度和使用稳定性等。典型机械焊接构件的结构特点如下：

（1）切削机床的焊接床身（图2-5）。切削机床采用焊接结构可减轻结构重量，缩短生产周期和降低成本，尤其单件小批生产的大型和重型机床，采用焊接结构的经济效果非常明显。焊接床身特别适用于单件小批量生产的大型和专用机床。

生产中，床身选用轧制的板材和型钢组焊而成，可选用低碳钢和普通低合金结构钢作为基体材料。要求焊接床身具有较好的尺寸稳定性。主要是控制焊接变形和残余应力的问题。采用减小焊接变形的合理结构，减少焊缝数量。还可将复杂的结构分解成几个部件进行制造和矫正，尽量减少最后总装焊时的焊缝数量。残余应力通常是采用热处理的方法加以消除。钢的减振性能不如铸铁，但减振性可以通过构造形式的设计加以改善。

（2）压力机机身。压力机加工的零件精度要求比切削加工件低，但在运行过程中会产生很大的作用力要由机身承受，因此压力机机身（图2-6）除保证必要的刚度要求外，还要求具有较高的强度。

焊接机身主要承受动载荷的作用，因此生产过程中应尽可能降低关键部位的应力集中，以免产生疲劳破坏。焊接完成后，还要经过热处理消除残余应力。

（3）减速箱体焊接结构。减速箱是安装各传动轴的基体。要求箱体具有足够的刚度。采用焊接钢结构箱体（图2-7）能获得较大的强度和刚度，且结构紧凑，成本降低。钢制箱体比铸铁箱体轻很多，特别适用于起重机、运输机械等经常运动的结构上。

图2-6　压力机机身

图2-5　焊接床身

图2-7　减速箱箱体

生产中，一般把整个箱体沿某一剖面划分成两半，分别加工制造，然后在剖分面处通过法兰和螺栓把两半箱连接成整体。剖分面上的三个轴承座连成一个整体（在一块厚钢板上用精密气割切成），轴承座下侧用垂直肋板加强，并与壁板焊接成整体。壁板焊接时必须采用连续焊缝以防止漏油，焊后还应进行渗漏检查。下箱体主要承受传动轴的作用力并与地基固定，因此必须采用较厚的钢板（特别是底板和法兰）。箱体选用的材料多为低碳钢，焊接成形后须热处理消除残余应力。

（4）轮的焊接结构。轮可分为工作部分和基体部分（图2-8），工作部分是直接与外界接触并实现轮的功能的部分，如齿轮中的轮齿等；基体部分对工作部分起支承和传递动力的作用，由轮缘、辐板和轮毂组成。

轮齿直接在轮缘上制出，此种结构的轮缘材料必须能满足轮缘与辐板焊接工艺性能的要求。轮缘与轮齿分开制作再焊接，此种结构轮缘材料可选用焊接性好的Q235A钢或16Mn钢等普通结构钢制作。轮毂是轮体与轴相连的部分，转动力矩通过轮毂与轴的过盈配合或键进行传递，因此所用材料的强度较轮辐略高，可选用35钢或45钢制作。

图2-8　轮的焊接结构

三、焊接结构强度

由于各种焊接结构的工作条件不同，对焊接结构的要求也有所不同，但是概括起来，共同的要求如下。

（1）有足够的强度，能安全地承受各种外力（如静载荷，交变载荷，冲击载荷）的作用，以保证结构的安全使用。

（2）不因外界条件（如温度变化，腐蚀介质作用）的影响，而造成结构的突然破坏或缩短使用期限。

（3）个别结构的特殊要求（如气密性，水密性等）。

在这三条要求中，对强度的要求一般总是处于最主要的地位，但在设计焊接结构和进行焊接接头强度计算时，通常是以某些假定条件为前提，也就是为了简化计算而忽略了一些影响强度的因素，例如一般不考虑由于结构的构造形式和接头形式而引起的应力集中，不考虑制造工艺中所带来的缺陷，不考虑焊接残余应力，不考虑焊接接头区（包括焊缝金属，即热影响区）的组织不均匀等的影响，因此为了保证焊接结构的强度和安全使用，必须在充分认识焊接结构的特点基础上，制定合理的焊接工艺来弥补设计和计算时的不足。

1.焊接接头形式及结构构造形式

焊接接头中的工作应力分布一般是不均匀的，也就是说存在着不同程度的应力集中。图2-9是对接接头的应力集中点，最大应力集中系数为1.6和1.5，主要发生在表面焊缝加强部分的起点，这是由于截面改变的结果，因此焊缝的余高（加强高）越小以及基本金属的接合越平顺，则应力集中系数越小；反之，则大。

既然焊缝加强度高对强度是不利的，那么为什么在规定中还要有加强高呢？这要从两方面来看，首先从历史发展来看，由于焊接技术在发展的初级阶段，焊接材料的性能差，同时焊缝金属是铸造组织，因而焊缝的强度和基本金属的强度达不到等强度，故用加强高来弥补这个缺陷，这个因素在采用优质焊条后基本上不存在。其次，从工艺角度证明来看要使焊后的焊缝正好与基本金属具有足够的塑性，当应力保持在σ_s值上，继续增加的外载荷将由同一横截面的其他部分来承担，并不影响强度，只有在温度下降，材料变脆或在应力集中处有三向拉应力存在（不能产生局部塑性变形）或结构承受疲劳等载荷时，则将引起脆性破坏，因此在某些要求较高的焊接结构中，在焊后用机械加工的方法将加强高磨平或光顺过渡。总之加强高要严格控制不应超过规定的尺寸。

图2-9　对接接头的应力集中点

在十字接头中的应力集中如图2-10所示，不开坡口的十字接头中在根部应力集中系数达3.38（图2-10（a）），而开坡口并焊透的十字接头根部应力集中系数为1.18（图2-10（b）），这说明焊透与未焊透对应力集中影响很大，因此一般在重要焊接结构中均要求开坡口并保证焊透。

图2-10　十字接头的应力集中

由于结构的构造型式不合理，而造成破坏的事故不少。如早期一些轮船的破坏事故，其中主要因素之一是构造性是不合理的，如图2-11（a）所示。在船舱口设计成直角形，由于引力集中而发生裂纹，后来改成图2-11（b）的圆转角形式就基本纠正了错误。

图2-11　船体舱口的构造形式

表2-1列出了一些合理与不合理的设计参考。

表2-1　合理与不合理的接头设计

续表

2.载荷性质

根据焊接结构的用途不同，结构承受着不同载荷，一般可分为静载荷与动载荷。不同的载荷对焊接接头的强度会产生不同的影响。

静载荷是指焊接结构所承受的外力无论大小和方向基本上保持不变，同时外力是缓慢的而不是突然的作用于结构，在静载荷作用下的焊接接头，如果存在应力集中和焊接残余应力时，当结构具有下述条件，即使存在应力集中和焊接残余应力，并不影响结构强度。

（1）结构用塑性材料制造——即该材料具有足够大的延伸率δ及截面收缩率φ，并且脆性转变温度较低。一般低碳结构钢、普通低合金结构钢等都能满足这个条件。

（2）结构的焊接接头（焊缝金属及热影响区）具有一定的塑性（即具有和基本金属相接近的塑性指标）。

（3）结构中存在的应力分布情况不妨碍在结构中发生塑性变形。

动载荷一般分交变载荷和冲击载荷。现主要介绍交变载荷。

交变载荷（又称疲劳载荷）是指焊接结构所承受的外力无论在大小和方向上都随时间改变而变化。焊接结构因交变载荷而破坏（习惯上称为疲劳破坏）和静载荷下的破坏有极大的不同，其主要特点主要如下。

结构疲劳破坏时，它所承受的最大应力值一般都远低于静载荷下材料的抗拉强度，有时也低于屈服极限（σ_s）；并且大多数是经过许多次（几十万次甚至更多）的交变载荷作用才破坏。在疲劳载荷下的破坏，一般均表现为无明显塑性变形的断裂。

焊接结构在交变载荷下的强度取决于外力的大小和变化性质，基本金属和焊接材料的性能是否存在焊接工艺缺陷、接头及结构的形状（及应力集中）等。从焊接工艺的角度来说提高结构在交变载荷情况下的强度主要是避免在焊接结构制造过程中产生应力集中。

关于焊接残余应力对疲劳强度的关系，一些人认为即使接头中残余应力很大，也不会严重地降低疲劳强度，因为在交变载荷作用下由于材料的塑性变形，内应力将逐渐减小。另一些人认为，结构中的应力对疲劳强度是有影响的，有时有利，有时不利。产生这两种观点的主要原因是影响疲劳强度的因素很多，而各个因素又互相干扰，难于区分单项因素的影响，如很难将残余应力与焊接过程中热影响区金属组织的改变，以及应力集中等因素完全分开。因此在重要的焊接过程中，从安全角度出发，要求消除残余应力。

3.工作环境

工作环境主要是指焊接结构的工作温度及周围的介质（也就是腐蚀介质）。

对于体心立方晶体的钢材，随着温度的下降，塑性将下降，此时焊接结构可能在低的工作应力作用下产生脆性破坏。脆性破坏的特征是：破坏是没有明显的（也可说基本上不产生）塑性变形，断口平齐，断面上晶粒粗糙有金属光泽；破坏裂纹不仅起源于应力集中点，而且都在低温条件下破坏；结构一开始破坏，裂纹扩展迅速，瞬时整个结构破坏。这说明破坏是突然的，而且破坏时的平均应力远低于许用应力。

实践与研究证明，造成焊接结构脆断的根本原因是：基本金属和焊接材料选用不当；设计不合理使结构中存在应力集中，结构制造过程中产生的工艺缺陷造成应力集中；当焊接残余应力与应力集中共同作用下更可能发生脆断事故。当结构中不存在应力集中因素（包括焊接缺陷）时残余应力对脆断的影响就不严重。其中所谓材料选用不当，主要指该材料的脆性转变温度较高。

金属材料（体心立方晶体）随着温度的降低，其塑性状态逐渐向脆性状态转变。在这一转变过程中存在一个脆性转变的临界温度，我们简称为“脆性转变温度”或“脆性转变临界温度”。就是说低于这个温度金属就可能发生脆性破坏。因此在评定金属材料的抗脆断能力时，通常用脆性转变温度作为依据。

4.工艺缺陷

工艺缺陷在焊接结构中将引起很大的应力集中，它常常是接头或结构的疲劳或脆断破坏的策源地。各种工艺缺陷对强度的影响不一样。其中焊接裂纹的影响最为严重，根据断裂力学的分析和实践的证明，在焊接结构中裂纹是客观存在的，它的危害性在一定的条件下并不是绝对的，因此提出了在一定的工作条件和使用期间内裂纹允许存在的极限尺寸问题。但作为焊接工作者，还是要尽一切可能防止裂纹的发生。

咬肉和未焊透也是结构中的应力集中点，至于夹渣和气孔，实践证明，当焊缝中有微量夹渣或气孔时对强度影响是不大的，但夹渣尺寸过大或气孔数量过多的情况下也会影响疲劳强度和使焊件脆性破坏。