焊接生产工艺过程的设计

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1、第四节焊接生产工艺过程的设计焊接结构随着焊接技术的发展及其独特的优点，目前已得到广泛应用。但与焊接结构使用条件要求的日益复杂和苛刻相对应，对焊接设计以及生产控制等也提出了更高的要求。焊接设计包括焊接结构设计、焊接生产工艺过程设计、焊接检验设计等，包含着产品设计有关焊接方面要求的内容。焊接生产过程就是采用焊接加工工艺方法，将毛坯、零件等连接起来制成焊接结构的生产过程。焊接结构产品许多就是最终产品，如大型球罐、全焊船舶、工业锅炉（其中包括大型电站锅炉）等。焊接产品的一般制造流程如图6-1所示。图6-1

2、焊接产品的一般制造流程一、焊接结构设计方法焊接结构是金属结构中一种最主要的结构形式。焊接结构的设计在焊接结构的生产过程中是一个非常重要的环节，是保证焊接结构正常安全使用以及决定结构制造工艺是否更趋合理，做到技术先进、经济合理的前提。一般焊接结构设计时，考虑的因素如图6-2所示。图6-2焊接结构设计时考虑的因素焊接参数常用的设计方法有许用应力法和以概率论为基础的极限状态的方法。131．许用应力法就是设计时对结构中的任一点应力，按平面力系解法将其归结为单向屈服的关系，用第一强度理论（最大主应力理论）或

3、第三强度理论（最大切应力理论）计算出最大主应力或差值应力（三个主应力中最大与最小的差值），并将其限制在许用应力之下。其表达式为：σ≤[σ]式中σ—焊缝中的最大主应力；[σ]—焊缝中许用应力。许用应力法是一种常用传统结构设计方法，如压力容器、一些承重结构等就常采用这种设计方法。决定焊缝许用应力的因素有焊接材料的强度等级；母材金属的强度等级、化学成分和组织；焊接方法；焊接接头形式及外力性质；焊缝质量检验方法及质量标准等。确定焊缝许用应力值通常有定值法和按母材许用应力值确定等方法。2．以概率论为基础的极

4、限状态法在许多实际结构中，其内部受力状况是极其复杂的。材料抵抗破坏的能力即抗力和由载荷引起的应力是随机的，是随时间和空间的变化而变化的随机变量。因此结构工作的可靠性（安全性、适用性和耐久性）也是随机的。在设计时，如果确定了应力和抗力的随机变量分布函数，并确定结构的抗力大于应力，这样利用概率论的数学方法可以计算出结构的可靠度，这就是概率设计法。我国的GJB/T17—1988《钢结构设计规范》中采用了以概率论为基础的极限状态设计法。由于多方面因素包括缺乏各种形式载荷、材料性能、构件抗力等全部统计数据，

5、许多参数的随机分布仅是近似正态分布，还难以完全用可靠指标进行设计，目前使用的仍是近似的概率设计法。此外，对于有些焊接结构在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，并经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂，这样的过程称为疲劳或疲劳破坏。如有些压力容器由于频繁的间隙操作和开、停所引起的各种载荷波动，正常操作时出现的压力波动和周期性的温度变化等因素，这些都可能引起压力容器的破坏。根据有关资料统计的结果分析表明，由于疲劳裂纹扩展而造成的压力容器疲劳破坏事故约占整个事故的40%左右，而

6、许多工程结构失效约80%是由疲劳引起的。焊接结构的疲劳损伤往往是从焊接接头处产生的，这是因为焊接接头不仅有应力集中，而且这些部位易产生各种焊接缺陷而成为疲劳裂纹源。有关疲劳分析内容见第三节叙述。针对焊接结构疲劳破坏的特点，目前对一些焊接结构开展以疲劳分析为基础的设计，以提高结构抗疲劳破坏的能力。进行以疲劳分析为基础的设计时，要确立结构是否需作疲劳分析，GB150—1998《钢制压力容器》中对此有规定。在GJB/T17—1988《钢结构设计规范》中也规定对于承受动力载荷重复作用，并且非特殊条件下的钢

7、结构的构件及其连接，当应力变化的循环次数N≥105次时，需要进行疲劳分析计算。二、设计焊接结构肘钢材的选择通常对于用钢材制造的焊接结构，在设计选用钢材时应考虑以下几点。1．抗拉强度按强度设计的结构，材料强度越高，所需材料就越少，结构自重也越轻。但强度级别高的材料，通常其焊接性能也会下降。对承受动载荷的结构，还应考虑材料的低周疲劳或高周疲劳强度性能。在高温条件下工作的结构，应考虑高温强度和蠕变强度。低温条件下工作的还应考虑低温韧度。2．塑性钢材的塑性越好，就越易于加工，而且焊接时也不易产生裂纹，并能

8、降低焊接残余应力及应力集中的危害。但是一般钢材（非奥氏体不锈钢）当塑性好时，其强度就较低。而当强度高时，其塑性就变差。3．刚度钢材的弹性模量基本上都是近似相等的，因此对于设计控制刚度的结构，采用一般强度的钢材就可以了。4．冲击韧度它13反映材料抵抗突变载荷的能力，同时也反映材料的缺口敏感性，是材料强度与塑性的综合反映。钢材的冲击韧度随着温度的降低而下降，并且具有在某一温度时呈突然下降的特征，通常称这一温度为无延性转变温度，并且作为该材料使用时的极限温度。5．断裂韧度断裂韧度是用来反