浅谈焊接结构的基本设计.ppt

标题,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,浅谈焊接结构的基本设计,目录,一、摘要,二、焊接结构出现脆性破坏的原因,三、焊接结构设计的一般原则,四、焊接设计对焊接变形的影响,五、存在的问题和建议,一、摘要,海洋平台、导管架以及其它海洋工程的建造中很大一部分工作都是钢结构的焊接，而且这些海洋钢结构的服役环境相对比较恶劣，一旦焊缝开裂造成的后果将是灾难性的。因此作为加工设计人员对焊接相关知识进行一定的了解和研究,以保证焊接接头的质量，是非常必要的。本文针对焊接的特点及常见的问题进行简要的介绍，对焊接结构的设计提出一些建议。,焊接结构是用各种规格的板材、型材、管材、铸件、锻件经加工后再焊接而成为能承受载荷的结构。焊缝是钢结构中比较脆弱的部分，容易发生脆性断裂，其主要原因如下：,（,1,）焊缝经常或多或少存在一些缺陷，如裂纹、未焊透、夹渣、裂纹和气孔等，这些缺陷能够成为断裂的起源；,（,2,）由于高温作用在焊缝附近形成焊接热影响区，钢材的金相组织和机械性能发生变化，材质变脆；,二、焊接结构出现脆性破坏的原因,二、焊接结构出现脆性破坏的原因,（,3,）焊接结构内部存在残余应力。残余应力未必是破坏的主要因素，但是和其它因素结合在一起，可能导致开裂；,（,4,）焊接结构的连接往往有较大的刚性，当出现三条相互垂直的焊缝时，材料的塑性变形就很难发展；,（,5,）焊接使结构形成连续的整体，一旦裂缝开裂，就有可能扩展到整体。,三、焊接结构的一般设计原则,针对以上问题，为防止结构发生脆性破坏，有两种设计原则：一为防止断裂引发原则，一为止裂原则。因此在进行焊接接头设计时应注意以下几点：,1,）,在一些构件截面改变的地方，必须设计成平缓过渡，不要形成尖角，加强筋板端部的锐角应该削去，板的端部应包角，如图,1,、图,2,所示：,三、焊接结构的一般设计原则,图,1,三、,焊接结构的一般设计原则,图,2,2,）在满足结构的使用情况下，应尽量减少结构的刚度，以其降低应力集中和附加力的影响。,3,）不采用过厚的截面，增加厚度会提高钢材的转变温度，降低其断裂韧性值，容易引起脆断。,4,）避免和减少焊缝缺陷，应将焊缝设计布置在便于焊接和检验的地方。见图,3,。,三、,焊接结构的一般设计原则,三、,焊接结构的一般设计原则,图,3,5,）避免将焊缝布置在应力最大处，见图,4,。,受弯曲作用的焊缝未焊侧不要位于受拉处，见图,5,。,三、,焊接结构的一般设计原则,图,4,焊缝不能分布在最大应力处,图,5,未焊侧不要位于受拉处,对于海洋平台来说，一般我们要求是梁的两端支撑点至梁的八分之一处和梁的中间四分之一段以及靠近任何节点、支撑点的,1200mm,内不能够有接缝，如图,6,所示。另外悬臂梁的中点至支撑点内不能有焊缝。这都是为了避免焊缝受力过大而引起开裂。,三、,焊接结构的一般设计原则,图,6,梁的分段要求,6,）焊缝不宜密集，使相邻焊缝相隔一定的距离且要避免焊缝交叉。在平台甲板片预制的时候，梁与梁相接或是在安装加强筋板时通常会在焊道交叉的地方开过焊孔,以避免焊道交叉而引起应力集中，如图,7,所示,:,三、,焊接结构的一般设计原则,图,7,避免焊缝交叉,7,）角焊缝的尺寸要合适。许多施工人员认为角焊缝只要足够大，就能保证构件或是结构的可靠性，因此在有角焊缝的焊接构件中容易出现焊脚尺寸超标现象。而焊脚尺寸超标会导致焊缝的粗晶区增大，从而使焊接接头的塑性和韧性变差。,三、,焊接结构的一般设计原则,四、焊接设计对焊接变形的影响,4.1,焊接变形机理及影响因素,因为焊接是一个局部冶金的过程,在这个过程中,形成焊接接头的材料在热源的作用下迅速熔化,当热源移动之后,熔化的金属材料重新凝固形成焊接接头。焊接冶金过程使接头部位金属材料温度变化范围很大，构件在焊接过程中受到不均匀的加热和冷却，焊件各部分相互连接而又相互制约，不能自由伸长和缩短，使焊件本身产生应力不均匀，在结构间的内部形成了热应力，此时，若结构件刚性不足，在热应力作用下就会产生变形。在生产中焊接变形主要有以下的原因：,1,）焊缝分布的影响。,2,）焊缝过分集中的影响。,3,）结构刚度的影响。,4,）焊接装配的影响。,5,）焊接顺序的影响。,6,）坡口形式的影响。,7,）焊接工艺的影响。,四、焊接设计对焊接变形的影响,4.2,焊接顺序对焊接变形的影响,以开口箱梁为例：开口箱梁的结构形式如图,8,所示，它由盖板、隔板、和腹板组成。腹板与盖板间用角焊缝,1,来连接，隔板与盖板之间用角焊缝,2,来连接，隔板与腹板之间用角焊缝,3,来连接，这样一个构件可以用三种不同的装配焊顺序来组对。,四、焊接设计对焊接变形的影响,图,8,四、焊接设计对焊接变形的影响,1,）,先把隔板与腹板装配在一起，然后焊接角焊缝,3,，由于焊缝,3,的大部分在腹板中性轴以下焊缝的横向收缩产生上挠度,f,3,，再将盖板与腹板装配起来，焊接焊缝,1,，由于焊缝,1,位于构件断面中性轴以下，焊缝,1,的纵向收缩引起上挠度,f,1,，。最后将盖板与隔板装配起来，焊接焊缝,2,，由于焊缝,2,也位于断面中性轴之下，焊缝,2,的横行收缩引起上挠度,f,2,，最终产生上挠变形，其变形值为：,f,1,+f,2,+f,3,。,隔板,3,2,腹板,盖板,1,2,）先将盖板与腹板装配在一起，焊接焊缝,1,，由于焊缝,1,在构件断面中性轴以下，它的纵向收缩引起构件产生上挠度,f,1,。再装配隔板，焊接焊缝,2,，焊缝,2,的横行收缩引起上挠度,f,2,。最后焊接焊缝,3,，此时由于腹板与盖板已经形成一个整体，其中性轴从腹板的中心下移，使焊缝,3,的大部分处于中性轴以上，因此焊缝,3,的纵向收缩引起构件下挠，其数值为,f,3,焊后构件的最终挠度为：,f,1,+f,2,-f,3,。,四、焊接设计对焊接变形的影响,隔板,3,2,腹板,盖板,1,3,）先将隔板与盖板装配去起来，焊接焊缝,2,。盖板在自由状态 焊接，只能产生横向收缩和角变形。若采用压板将盖板紧压在平台上，角变形是可以控制的。此时由于盖板和腹板没有连接，因此它的收缩并不引起挠度，即,f,2,=0,。在此基础上装配腹板，焊接焊缝饿引起上挠度,f,1,。再装配隔板焊接焊缝,3,，引起下挠度,f,3,，构件的最终挠度为,f,1,-f,3,。,四、焊接设计对焊接变形的影响,隔板,3,2,腹板,盖板,1,对上面三个方案进行比较，可以看出，不同的装配顺序，得出的结果完全不同。方案,1,的挠曲变形最大，方案,3,最小，方案,2,介于两者之间。方案,3,之所以挠曲变形最小，其主要原因在于把把焊缝,2,的焊接安排在腹板与盖板组成一个整体之前，这样焊缝,2,就可以自由收缩，而它的横向收缩力不致加到已经具有较大刚度的腹板和盖板的组合体上去。其次，把焊缝,3,的焊接安排在腹板与盖板组成一个整体之后，因为腹板和盖板组合体的断面中性轴下移，使得焊缝,3,的中心和断面中性轴的相对位置起了转化，由方案,1,的中性轴以下转化的中性轴以上，结果产生与焊缝,1,引起挠度方向相反的下挠度，这样就进一步减小了变形。,四、焊接设计对焊接变形的影响,四、焊接设计对焊接变形的影响,4.3,施工中一些焊接设计的应用,反变形法在某些焊接中可取得较好的效果，在焊接前预先偏转一定的的角度，焊接后与角变形产生的变形相抵消，可达到预期的效果，如图,9,所示：,图,9,四、焊接设计对焊接变形的影响,在卷管或是制造压力容器筒体时，容易出现变形，造成不圆度较大，这将增加焊后重新滚圆的工序和制造难度。按照焊接顺序的不同可采用不同的压头形式和装配形式来解决这个问题，可以取得较好的效果，有时能达到焊后不用矫正的效果。具体如下：,若坡口向筒内，先焊内侧焊缝，外侧清根后焊接，则按图,10,装焊。,图,10,压头形式及焊接顺序,四、焊接设计对焊接变形的影响,若坡口向筒外，先焊外侧焊缝，内侧清根后焊接，则按图,11,装焊。,压头形式及焊接顺序,图,11,五、存在问题和建议,施工中没有对焊接顺序和组装顺序进行明确的要求，在编制建造方案时基本上较少考虑分片对焊接变形的影响，造成一些构件的变形过大，使得焊后矫正不易进行，因此在进行钢结构的制造时，建议注意以下几点：,1),针对构件的具体结构，对焊接各方面可能产生的变形做统一的分析，对于大型结构件，可以把结构适当地分成几个部分，分别装配焊接，然后再拼焊成一个整体，这样可以使那些不对称的或是收缩较大的焊缝能够自由收缩。,五、存在问题和建议,2),对于大型压力容器、龙门吊等一些重要的钢结构在做整体建造方案的时候就要考虑到分片对焊接质量的影响，并且要对现场施工制定明确的焊接顺序，对现场焊接进行监督，力求使焊接变形和焊接应力减到最小，或是让焊接变形和焊接应力向着有利的方向进行发展。,3),在施工前针对某个项目或是某个要预制甲板片的结构特点进行分析和总结，然后对施工人员进行培训，使其在施工过程中能够自觉应用，从而减小焊接变形。,谢 谢！,