焊接結構設計的案例
關于焊接結構設計的內容清單
引言
使用焊接方法制造的金屬結構稱為焊接結構。船體、球罐、起重機臂等都是焊接結構。
設計主要內容：（1）焊接結構材料的選擇；（2）焊接方法的選擇；（3）焊接接頭工藝設計；包括焊縫布置的設計，焊接接頭形式和坡口形式設計。（4）焊接材料、焊接參數的選擇等。
1、焊接結構設計基本要求：1、實用性2、可靠性3、工藝性4、經濟性
2、選材的一般原則：
（1）WC＜0.25%的碳鋼（低碳鋼），WC＜0.4%的低合金鋼焊接性好盡量選用。 WC>0.5%的碳素鋼，WC>0.4%的合金鋼焊接性不好。
（2）強度等級低的低合金鋼的可焊性與低碳鋼相似，但強度比低碳鋼高，適當選用低合金鋼代替低碳鋼可以節省鋼材，減輕結構重量。
（3）盡量減少異種金屬的熔焊。減少出現的問題復雜性，避免無法用熔焊的方法獲得滿意接頭。
（4）盡量選用尺寸較大的原材料或型材，以減少焊縫數量。
（5）盡量采用廉價材料，以降低成本。
3、焊接接頭形式設計：焊接接頭是焊接結構最基本的組成部分，是影響結構性能與安全的關鍵因素。接頭形式設計應根據焊接方法、結構形狀與尺寸、強度要求、填充金屬的量和坡口形式、加工難易等因素綜合考慮。
4、常用焊接接頭形式及特點：（1）對接接頭：受力均勻，接頭質量易保證，應用最廣；（2）搭接接頭：受力不均勻，材料消耗大，一般用于薄板件；（3）角接接頭：只連接，不能傳遞工作載荷；（4） T形接頭：可傳遞載荷。
5、焊接桁架
1.定義：由桿件組成的通常具有三角形特征的承受橫向彎曲載荷的構件。
2.特點：材料利用率高、耗材少、自重輕，常用于大跨度、承載小的場合。
3.桁架的結構形式：平面桁架（基本）和空間桁架（由平面桁架組成）。桿件只受軸向力，其連接點稱為節點，通過焊接而成，節點之間的區間稱為節間。桿件分為弦桿和腹桿。
4.關于節點。
展開 焊接結構疲勞失效的原因
焊接結構疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：①客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結構形式有密切的關系。這是引起一些結構因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；②早期的焊接結構設計以靜載強度設計為主，沒有考慮抗疲勞設計，或者是焊接結構疲勞設計規范并不完善，以至于出現了許多現在看來設計不合理的焊接接頭；③工程設計技術人員對焊接結構抗疲勞性能的特點了解不夠，所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲勞設計準則與結構形式；④焊接結構日益廣泛，而在設計和制造過程中人為盲目追求結構的低成本、輕量化，導致焊接結構的設計載荷越來越大；⑤焊接結構有往高速重載方向發展的趨勢，對焊接結構承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結構疲勞強度方面的科研水平相對滯后。
展開 焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
從結構制造特點的角度看，由于焊接結構具有連接性好、重量輕、易于加工、便于采用自動化生產等優點，在長期承受靜態或動態載荷的復雜裝備領域得到廣泛應用，特別是焊接工藝技術的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結構在這些產品中的應用地位。但是焊接結構還有不足的一面，即：承受動載荷的焊接接頭，由于其幾何不連續性而導致應力集中，因而焊接結構成了產品結構可靠性的薄弱環節之一。
面對焊接結構疲勞失效的問題，多少年來包括軌道車輛在內的各個制造行業一直在努力治理，并取得了一定進展，確保了焊接結構的服役安全，但目前依然存在一些認識上的誤區，如果我們能夠從這些這些認識誤區中盡快地走出來，效果將可能更加顯著。
誤區一：將金屬材料抗疲勞強度設計的理論與方法不加區分地用于焊接結構
該認識誤區是理論層面的。以原鐵道部1996年頒布的《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》(TB/T 1335—1996)標準為例，在這個標準的“車輛主要零部件疲勞強度評估方法”一節中，首先指出：“本方法是鐵道車輛主要承載零部件或構件的疲勞分析指南，適用于各型鐵道車輛主要承載零部件的疲勞評估”，可見該標準的內容并不區分被評估的對象是否為焊接結構。在該書的后面也將提到，焊接結構抗疲勞設計的理論與方法與金屬材料疲勞強度設計的理論與方法的不同，其原因是它們的疲勞破壞機理是有明顯區別的，因此二者不可互相替代。在定義疲勞壽命時，該標準認為疲勞壽命是“構件疲勞裂紋萌生壽命與裂紋擴展壽命之和”，然而在焊接結構的疲勞開裂過程中裂紋萌生對疲勞壽命的貢獻是可以忽略的。
展開 焊接結構強度的基本理論
斷裂時所承受載荷不大，遠低于設計時的許用應力，是典型的低應力破壞形式。
2、影響金屬脆性斷裂的因素：1）應力狀態的影響；2）溫度的影響3）；加載速度的影響；4）材料狀態的影響。
3、焊接結構產生脆性斷裂的原因
1）焊接結構本身：剛性大，整體性強，構件間很難發生相對位移，焊接應力很難消除，且對應力集中特別敏感。止裂能力差，裂紋容易在構件之間擴展，繼而擴展到整體。
2）焊接熱循環：熱影響區組織脆化，韌性下降。
改變材料脆性轉變溫度。對某些高強鋼，板厚為30 mm，線輸入達50000J/cm時，可使脆性轉變點升高50~100℃
3）焊接殘余應力：脆性材料降低材料實際承載能力。
產生應力集中，使微裂紋擴展成脆性斷裂源。
4）備料及成形加工
5）焊接缺陷：裂紋、未焊透等面缺陷可能直接成為斷裂源。
氣孔、夾渣等三維缺陷會降低結構的實際強度，并可能誘發微裂紋，如擴展到表面，就可能成為斷裂源。
4、防止焊接結構脆性斷裂的措施：1）正確選用材料；2）采用合理的焊接結構設計；3）不可采用過厚截面；4）了解焊接結構的工作條件
5、脆性斷裂的特征：無明顯塑性變形的低應力破壞，突然性強。
產生脆斷的原因
1）使用溫度低于脆性轉變溫度使塑性材料變脆；
2）焊接熱循環容易使熱影響區組織粗大，塑性下降;
3）焊接殘余應力使焊接接頭強度下降并且接頭處易產生應力集中；
4）焊接缺陷使結構的實際承載面積減小，并可能引起微裂紋；
5）備料及成形加工時容易引入缺陷和降低材料塑性；
6）焊接結構剛度大，焊接應力難消除，裂紋在構件之間擴展容易。
生產和設計中防止脆斷的措施：了解使用條件；合理設計結構；降低應力集中；盡量減少缺陷。
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設計仿真 | Simufact焊接工藝仿真變形精確預測汽車結構
汽車案例舉例
上海大眾汽車有限公司作為Simufact的資深客戶，已經熟練使用Simufact welding解決實際結構件的焊接變形問題，隨著仿真數據及仿真經驗的積累，針對不同結構和焊接工藝，已經具備一些仿真判斷標準。一些結構焊接工藝的規劃，經過Simufact welding仿真驗證后，幫助其提升了焊接變形質量控制，受益明顯。
以下案例來自上海大眾汽車有限公司，展示了Simufact welding焊接工藝仿真軟件變形結果與實際焊接變形結果對比。結構分別為B柱熱成型板激光焊接案例以及白車身側圍門框焊接變形。
上海大眾汽車有限公司通過使用Simufact welding焊接仿真軟件，深刻認識到精確的仿真結果需要結合實際焊接工藝仿真，如下圖所示為實際焊裝、焊接順序工藝。
展開 塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（上）
由于效率高，人工成本低，同時省去了大量夾具、粘合劑或者機械緊固件等的使用，因此超聲波焊接是一種非常經濟的塑膠件裝配方式；
3)強度高。超聲波焊接幾乎可以達到塑膠件本體強度的80%以上，在一些應用上甚至可以與注塑成型相媲美；
4）不改變塑料狀態，超聲波塑料焊接是一種固態工藝，可以通過精確控制，振動產生的高溫只會熔化塑膠而不會過度加熱導致降解，停止工作后會迅速冷卻固化，有助于保持塑料在連接前表現出的原始材料特性。
5)合理的塑膠件結構設計可以使得超聲波焊接達到一定程度的水密或氣密效果；
6)表面質量好，焊點美觀，可以實現無縫焊接；
7)工序簡潔，操作簡單，可以實現自動化焊接；
8)品質穩定，產品質量穩定可靠，焊接故障率低，適宜大批量生產；
9)超聲波焊接過程清潔，無需其他粘合劑，能源和材料效率高。
2、缺點：
1）超聲波焊接機的初始投資相對昂貴；
2）超聲波塑料焊機需要定制焊頭以及工裝，適應性差；
3）零件大小和形狀的限制，中小型的塑膠件適合超聲波焊接，常用的超聲波焊接機有尺寸限制（通常長度<250mm），形狀太過于復雜（主要指焊接區高度方向），焊接質量難以保證；
4）超聲波焊接是不可拆卸性連接，無法像螺絲卡扣等連接方式一樣進行反復拆卸。一旦兩個零件過超聲波焊接裝配成一體，之后如果發現產品存在質量問題，那么也無法進行返工。
5）超聲波焊接會產生振動，振動會對塑膠某些應力集中部位產生不利影響（開裂），同時振動也可能會對內部裝配的電子元器件產生一定程度的傷害。
6）超聲波焊接對塑膠材料有一定的局限性，
超聲波焊接并不能夠焊接所有的塑料，這是超聲波焊接最大的局限性。有的塑料焊接性能好，有的塑料焊接性能差，而且超聲波焊接一般僅適合于—種或者相似塑料之間的焊接。
那些材料適合超聲波焊接？
展開 塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（中）
圖：鑿子型超聲線
4）超聲波焊接的配合結構
a）普通型
在實際的應用中，普通的超聲波焊接配合結構較簡單，存在一定的缺陷，有一定的風險產生溢膠，同時沒有止口限位，容易產生斷差，不能很好滿足外觀要求。(下圖為普通型超聲波焊接配合結構的簡圖，超聲線的尺寸可按上述介紹參考設計)
為了解決溢膠和斷差問題，以下有三種改善結構（較適用于一些高度較小的端蓋型零件焊接）：
圖1：有內部圍邊自定位，斷差可以得到一定改善，但是還是存在在外觀面溢膠風險。
圖2：有外部圍邊自定位，斷差得到改善（即使有在外觀上也不明顯），溢膠面在內部，外觀無溢膠。
圖3：有內外圍邊自定位，斷差得到改善，同時內部和外觀都無溢膠。
這種普通的超聲波焊接配合結構，其優點是，由于不在外壁上設計止口，壁厚均勻性好，因此，除了應用在端蓋型產品焊接上，也適用于小型產品，這類產品壁厚本來就小，再切止口容易產生應力痕等外觀缺陷。比如，在蘋果公司的專利中，發現一項“無縫一體式結構”的專利，描述了如何將不同的零件焊接在一起以獲得無縫的外觀。
具體是對超聲波焊接后產生的溢出焊接環進行切割、打磨、拋光和清潔等工序后，可以制造出具有無縫、更美觀的“一體成型”外觀的耳機。
但是蘋果公司的設計成本高，一般的產品還是回歸常規設計，以下介紹幾種較常用的超聲波焊接配合結構。
b）階梯型
階梯型由于是在單止口的基礎上設計的，所以也叫單止口型。
優點：
配合面采用止口式設計，可實現自定位，減少零件在焊接過程橫向移動，減小外觀斷差，通過設計美工線，即使有輕微變現，斷差也不明顯。
如有溢膠產生，也是在產品內側產生，不會在產品外側殘留，保證外觀質量。
展開 設計仿真 | Simufact焊接工藝仿真變形精確預測汽車結構
汽車案例舉例
上海大眾汽車有限公司作為Simufact的資深客戶，已經熟練使用Simufact welding解決實際結構件的焊接變形問題，隨著仿真數據及仿真經驗的積累，針對不同結構和焊接工藝，已經具備一些仿真判斷標準。一些結構焊接工藝的規劃，經過Simufact welding仿真驗證后，幫助其提升了焊接變形質量控制，受益明顯。
以下案例來自上海大眾汽車有限公司，展示了Simufact welding焊接工藝仿真軟件變形結果與實際焊接變形結果對比。結構分別為B柱熱成型板激光焊接案例以及白車身側圍門框焊接變形。
上海大眾汽車有限公司通過使用Simufact welding焊接仿真軟件，深刻認識到精確的仿真結果需要結合實際焊接工藝仿真，如下圖所示為實際焊裝、焊接順序工藝。
展開 設計仿真 | Simufact Welding焊接工藝-結構一體化仿真分析方案
例如本文用到的工藝結果映射工具模塊Digimat-MAP和有限元聯合仿真分析模塊Digimat-CAE，就集成在解決方案Digimat-MS里面，而Digimat-MS則是多尺度耦合分析集成解決方案，該方案將工藝分析與結構分析集成，通過將工藝分析結果映射至結構分析模型，完成后續的結構分析。
?MSC Nastran工具軟件
MSC Nastran是一款高度可靠性結構有限元分析軟件，擁有眾多領先的求解功能，尤其在動力學方面，可以快速的得到準確的分析結果。MSC Nastran具有多學科分析，可為用戶提供針對各種工程問題的一體化結構分析解決方案。MSC Nastran能夠有效解決各類大型復雜結構的強度、剛度、屈曲、模態、動力學、熱力學、非線性、聲學、流體-結構耦合、氣動彈性、超單元、結構疲勞、慣性釋放及結構優化等問題。
圖4. MSC Nastran多用途有限元分析程序
PART.02
焊接工藝-結構一體化仿真工作流程
為了考慮焊接工藝對焊接結構強度的影響，本文給出一種焊接工藝-結構一體化仿真分析的工作流程。該流程可實現金屬結構焊接工藝仿真分析，將焊接工藝仿真結果自動引入結構仿真分析中，保證焊接結構仿真模型與實際狀態的一致性，從而提高焊接結構強度分析的精度。
圖5. 焊接工藝-結構一體化仿真分析工作流程。
上述仿真分析流程包含3個步驟：
01
結構焊接工藝仿真；
02
焊接工藝結果映射；
03
耦合結構仿真分析軟件MSC Nastran，通過istress關鍵字引入焊接殘余應力完成最終結構分析，從而考慮焊接殘余應力的影響。
其中，焊接工藝仿真可以在工藝仿真軟件Simufact Welding中進行，分析完成后獲得焊接工藝結果，包括殘余應力、變形分布、溫度場等。
展開 克羅地亞薩格勒布大學機械工程與船舶建筑學院選擇 Cast-Designer Weld 用于大型結構與海洋設備焊接設計與模擬
今年7月，薩格勒布大學面向全球招標， 遴選能針對大型結構和海洋工程進行焊接設計與模擬的軟件系統和相關服務，C3P Software憑借強大的技術實力和完善的一級、二級技術支持能力最終在眾多軟件中脫穎而出，一舉中標。
C3P software 的 Cast-Designer WELD， 為焊接行業客戶和焊接產品提供完整的解決方案：包括焊接工藝設計、模擬和焊接裝配優化。過程中考慮了幾何設計，材料性能和焊接工藝等所有因數。針對大型焊件，從材料到工藝，到模擬和優化唯一可行的全流程系統，內置超快速自動建模技術和人工智能優化算法。
Maja Jurica, 薩格勒布大學機械工程和船舶建筑學院高級研究員，很自豪地說“我們選擇 Cast-Designer Weld 是由于其獨特的設計模擬一體化的綜合功能，及其對大型結構變形與應力分析勝于其他軟件數十倍的計算能力和模型化時間，正是我們長期尋求的”。
請點“在看”或分享，也歡迎留言。
如需申請 C3P Cast-Designer
或 Cast-Designer Weld軟件演示
請長按識別二維碼，填寫表格
我們將盡快與您聯系：
展開 焊接工藝設計時，焊縫的布置應注意哪些問題？
焊縫布置一般應從下述幾方面考慮：
（1）便于裝配和施焊焊縫位置必須具有足夠的操作空間以滿足焊接時運條的需要。焊條電弧焊時，焊條須能伸到待焊部位。點焊與縫焊時，要求電極能伸到待焊部位。埋弧焊時，則要求施焊時接頭處應便于存放焊劑。
（2）有利于減少焊接應力與變形設計焊接結構時，應盡量選用尺寸規格較大的板材、型材和管材，形狀復雜的可采用沖壓件和鑄鋼件，以減少焊縫數量，簡化焊接工藝和提高結構的強度和剛度。同時，焊縫布置應盡可能對稱布置以減小變形。
（3）焊縫的布置應避免密集、交叉焊縫交叉或過分集中會造成接頭部位過熱，增大熱影響區，使組織惡化，性能嚴重下降。兩條焊縫間距一般要求大于3倍板厚。
（4）避開最大應力區和應力集中部位焊接接頭是焊接結構的薄弱環節。因此，焊縫布置應避開焊接結構上應力最大的部位。另外，在集中載荷作用的焊縫處應有剛性支撐。
（5）避開機械加工面焊接時會引起工件變形，對于位置精度要求較高的焊接結構，一般應在焊后進行精加工；對于位置精度要求不高的焊接結構，可先進行機械加工，但焊縫位置與加工面要保持一定距離。
（6）便于焊接和檢驗設計封閉容器時，要留工藝孔，如入孔、檢驗孔和通氣孔。焊后再用其他方法封堵。
展開 
焊接接頭工藝設計時，焊縫的布置應注意哪些問題？
焊縫布置一般應從下述幾方面考慮：
（1）便于裝配和施焊焊縫位置必須具有足夠的操作空間以滿足焊接時運條的需要。焊條電弧焊時，焊條須能伸到待焊部位。點焊與縫焊時，要求電極能伸到待焊部位。埋弧焊時，則要求施焊時接頭處應便于存放焊劑。
（2）有利于減少焊接應力與變形設計焊接結構時，應盡量選用尺寸規格較大的板材、型材和管材，形狀復雜的可采用沖壓件和鑄鋼件，以減少焊縫數量，簡化焊接工藝和提高結構的強度和剛度。同時，焊縫布置應盡可能對稱布置以減小變形。
（3）焊縫的布置應避免密集、交叉焊縫交叉或過分集中會造成接頭部位過熱，增大熱影響區，使組織惡化，性能嚴重下降。兩條焊縫間距一般要求大于3倍板厚。
（4）避開最大應力區和應力集中部位焊接接頭是焊接結構的薄弱環節。因此，焊縫布置應避開焊接結構上應力最大的部位。另外，在集中載荷作用的焊縫處應有剛性支撐。
（5）避開機械加工面焊接時會引起工件變形，對于位置精度要求較高的焊接結構，一般應在焊后進行精加工；對于位置精度要求不高的焊接結構，可先進行機械加工，但焊縫位置與加工面要保持一定距離。
（6）便于焊接和檢驗設計封閉容器時，要留工藝孔，如入孔、檢驗孔和通氣孔。焊后再用其他方法封堵。
展開 千斤頂支架固定裝置焊接件組裝
我設計了這些千斤頂支架，用于焊接，重量適中，可調節。中心管設計為可從焊接底座上拆卸，可更換不同高度的管子。常見用途是支撐懸掛在固定臺上的長管等，以及焊接拖車框架。 ￥3
我設計了這些千斤頂支架，用于焊接，重量適中，可調節。中心管設計為可從焊接底座上拆卸，可更換不同高度的管子。常見用途是支撐懸掛在固定臺上的長管等，以及焊接拖車框架。
壓力容器基本結構及制造過程
焊接結構設計涉及接頭的形式 (如對接、搭接、角接)、接頭的坡口形式、幾何尺寸等。由于壓力容器的特殊性，可以說它對焊接質量的要求是所有焊接設備中要求最高的一種。因此，壓力容器設計工程師必須懂得容器中的焊接結構設計的特點及對焊接質量進行檢驗的基本要求。
文章來源：阿斯米
鋼結構焊接中對焊接材料的要求有哪些？
焊接材料要求
焊接材料熔敷金屬的力學性能應不低于相應母材標準的下限值或滿足設計文件要求。
【說明】焊接材料對焊接結構的安全性有著重大的質量影響，其成分、物理性能和工藝性能應符合相應國家標準的規定，施工企業應采取抽樣方法進行驗證。
1、焊接材料應儲存在干燥、通風良好的地方，由專人保管、烘干、發放和回收，并有詳細記錄。
【說明】焊接材料的保管要求主要是防止焊接材料銹蝕，防止受潮、變質，甚至脫落，影響正常使用。
低氫型焊條的烘干應符合下列要求:
1、焊條使用前在300-430°C溫度下烘干1. 0~2h，或按廠家提供的焊條使用說明書進行烘干。焊條放入時烘箱的溫度不應超過最終烘干溫度的一半，烘干時間以烘箱到達最終烘干溫度后開始計算;
2、烘干后的低氫焊條應放置于溫度不低于120 °C的保溫箱中存放、待用;使用時應置于保溫筒中，隨用隨取;
3、焊條烘干后放置時間不應超過4h，用于III , IV類結構鋼的焊條，烘干后放置時間不應超過2h。重新烘干次數不應超過2次。
【說明】低氫型焊條主要用于重要的焊接結構，對低氫焊條的要求更為嚴格。在低氫焊條包裝前一般均經過符合擴散氫要求溫度的嚴格烘焙，并進行密封容器包裝。如果密封包裝完好，包裝打開后立即使用，可不必進行烘焙;但包裝損壞或打開包裝后超過4小時后使用，應按本規范規定進行烘焙。
低氫型焊條焊接前進行高溫烘焙，去除焊條藥皮中的結晶水和吸附水，主要是為了防止焊條藥皮中的水分在施焊過程中經電弧熱分解而給焊縫金屬中帶入氫，而氫是焊接延遲裂紋產生的主要因素之一。
焊接調質鋼、高強度鋼及橋梁結構的焊接接頭，氫致延遲裂紋比較敏感，故對焊接材料中氫的來源控制更為嚴格。
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