《焊接结构》课程设计指导书解读.docx
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《焊接结构》课程设计指导书解读
焊接结构
课程设计指导书
机电工程系
洛阳理工学院
目 录
前言…………………………………………………………………2
一．课程设计的性质和目的………………………………………3
二．课程设计的基本任务…………………………………………3
三．课程设计的基本要求…………………………………………3
四．课程设计的基本步骤…………………………………………4
五．课程设计说明书要求…………………………………………4
六．课程设计内容简介……………………………………………4
七．附录……………………………………………………………6
前言
课程设计是焊接结构生产课程教学的最后一个环节，是对学生进行全面系统的训练。
课程设计可以让学生将学过的零碎知识系统化，真正地把学过的知识落到实处，进一步激发学生学习的热情，因此课程设计是必不少的，是非常必要的。
但是，在教学实践中，一方面，我们感到学生掌握的理论知识和实践知识有限；另一方面课程设计的时间有限。
要想学生在规定时间内，运用自己有限的知识去独立完成某一焊接结构的全部设计是不现实的。
因此，在两周的课程设计时间内，除了让每个学生清楚地了解焊接结构的整个设计、装配过程外，更应该注重焊接结构设计的某一细节，完全弄懂、弄透，能够达到举一反三的目的，从而培养学生设计焊接结构的初步能力。
基于以上认识，作者编写了《焊接结构课程设计指导书》。
编者
一、课程设计的性质、目的
焊接作为先进制造技术的重要组成部分，在国民经济的发展和国家建设中发挥了重要的作用。
焊接技术在航空航天、核能、船舶、电力、海洋钻探、高层建筑等领域得到了广泛的应用。
焊接结构是焊接技术应用于工程实际产品的主要形式，也是在许多部门中应用最为广泛的金属结构。
焊接结构学作为焊接专业基础课，对学生的专业知识和技能的培养具有重要的作用。
《焊接结构》课程设计是在完成焊接结构理论教学课程后，进行的综合运用所学基本知识和技能的一个非常重要的教学环节。
本周开展了焊接结构学的课程设计，主要目的：
进一步加深学生对焊接结构学理论知识的回顾和焊接结构在实际生产中的应用；
通过本次课程设计，使学生将理论知识与实际的焊接构件设计相结合，培养学生的理论联系实际的能力；
本次课程设计可以采用计算机绘图和手工试图，使学生加深绘图要点和培养计算机绘图技能；
通过本次课程设计培养学生的查阅技术资料、团队协作和独立创新能力。
二、课程设计的主要内容和基本任务
了解焊接结构、工况环境、制造过程的特点，掌握焊接结构的整体设计、焊接工艺规程、焊接工艺卡的编制要领。
最终能根据实际需要独立研究设计相应的焊接结构，制定相关的焊接工艺。
设计主体可以是梁柱桁架类和压力容器结构，对选择构件进行结构的设计，焊接接头（对接、搭接、T形和角接头）合理性分析，对相关接头的强度进行简单的计算，对易产生的应力应变特征进行分析，绘制部分结构的草图，最后绘制一张A1焊接结构图纸，并编写课程设计说明书一份。
三、课程设计的基本要求
熟悉焊接结构（梁柱桁架类和压力容器结构）的结构特点，了解焊接结构（梁柱桁架类和压力容器）各部分的受力及运行状态、结构特点以及影响制造工艺的因素并能按实际情况具体制定相应的工艺流程卡和工艺卡（具体要求见附录）。
具体要求：
1）要充分认识课程设计对培养自己的重要性，认真做好设计前的各项准备工作；
2）既要虚心接受老师的指导，又要充分发挥主观能动性。
结合课题，独立思考,努力钻研，勤于实践，勇于创新；
3）独立按时完成规定的工作任务，不得弄虚作假，不准抄袭他人内容，否则成绩以不及格计；
4）无论在校外、校内，都要严格遵守学校和所在单位的学习和劳动纪律、规章制度，学生有事离校必须请假。
课程设计期间，无故缺席按旷课处理；缺席时间达四分之一以上者，其成绩按不及格处理；
5）在设计过程中，要严格要求自己，树立严肃、严密、严谨的科学态度；
6）认真阅读设计任务书，保质保量地完成任务书的规定的工作。
7）焊接结构装配图用A1纸绘制或打印，必须符合国家有关标准的规定。
8）每组合作完成一套焊接结构（梁柱桁架类和压力容器）的整体装配图；
10）编写课程设计说明书，说明书要求文字通顺，简炼。
不少于5000字。
四、课程设计的基本步骤
1）选题与搜集资料：
设计开始之前，每位同学应进行系统调查，搜集资料；
2）分析设计、画装配图：
根据搜集的资料，进行分析，了解焊接结构（梁柱桁架类和压力容器）的基本构造和工作原理，并绘制相应结构的装配图；
3）制定焊接工艺：
制定相关部件的制造工艺流程。
4）验收与评分：
指导教师对每位同学设计的焊接及相关工艺流程，结合课程设计说明书，根据课程设计成绩的评定方法，评出成绩。
五、课程设计说明书要求
1）写出课程设计的基本步骤及方案；
2）简单说明焊接结构（梁柱桁架类和压力容器）的基本构造和工作原理，并绘制相应的装配图；
3）设计相关部件的焊接及相关工艺流程；
4）设计者的心得体会。
六、课程设计内容简介
梁柱桁架结构和容器结构
一、梁柱桁架结构
1、焊接梁
焊接梁主要工作在横向弯曲载荷下，有时还可承受弯扭的联合作用。
是焊接结构中最主要的一种构件形式，是组合各种建筑钢结构的基础。
例如：
可用来组合桥梁及栈桥主梁；可用梁组合成格栅的工作平台；制作钢结构的盖子等。
焊接梁还是机器构件的主要组成部分。
2、焊接柱
柱是主要承受压应力的构件。
压力载荷通过轴心或不通过轴心，则分别称为轴心受压和偏心受压柱。
焊接柱广泛用于机器结构和建筑工程结构，如起重机的支撑臂、龙门起重机的支腿、支撑梁和桁架等金属结构或建筑工程结构中。
3、焊接桁架
桁架结构又称为杆系结构，是指由长度远大于七宽度和厚度的杆件在节点处通过焊接工艺相互连接组成的能够承受横向弯曲的结构，其杆件按照一定的规律组成几何不变结构。
桁架结构其材料得到充分的应用，重量轻，节省材料，制造易于控制变形等优点，焊接桁架结构广泛应用于建筑、桥梁、起重机、高压输电线路等的一般桁架，以及用于塔架结构做柱使用。
二、容器结构
随着工程焊接技术的迅速发展，现代压力容器也已发展成典型的全焊结构。
压力容器的焊接成为压力容器制造过程中最重要最关键的一个环节，焊接质量直接影响压力容器的质量。
焊接容器是主要的壳体结构，它通常由板材成形加工并装配焊接而成。
焊接容器多承受内压，少数承受外压的结构，它是应用广泛的焊接结构之一。
焊接容器主要用于供热、供电、贮存和运输各种工业原料及产品，完成工业生产过程必需的各种物理化学过程。
焊接容器一旦出现事故，危害极大、损失严重，因此对焊接容器的设计、制造、使用和维护，有严格的要求和规定。
三、焊接实例
1低合金钢焊接梁焊接实例
如图1所示，焊接梁，材料为20钢，现有钢板最大长度为2500mm，设计要求：
确定腹板、上、下翼板、筋板的焊缝位置；选择焊接方法；画出各条焊缝的接头形式；确定各条焊缝的焊接次序。
图1焊接梁示意图
（1）焊接位置
应考虑到焊缝避免交叉密集、焊缝尽量中心对称、焊缝避开最大应力和应力集中处，另外还要考虑板材规格确定拼接方式。
因此确定如下图所示焊接位置（涂黑处表示上下翼板和腹板的焊缝），中心应力最大不布置焊缝，焊件左右对称抵消焊接变形，板材拼接时焊缝不交叉密集。
图2焊接位置示意图
（2）焊接方法
大批量生产时翼板和腹板分别采用埋弧焊焊接然后用焊条电弧焊连在一起，焊接筋板时同样用焊条电弧焊，小批量生产全部使用焊条电弧焊
（3）焊接接头
翼板腹板分别用对接接头拼接，然后T形接头组装，筋板同样采用T形接头。
同时注意翼板和腹板、翼板和筋板厚度不同，为避免较大应力集中，焊接前在翼板开凹槽。
图3翼板凹槽示意图
焊接筋板时在与腹板翼板相交处避免应力集中应有倒角
图4腹板翼板相交处倒角示意图
（4）焊接次序
焊接时首先将翼板腹板各自焊接起来（下翼板还需先弯曲），然后将上翼板与腹板焊在一起，焊接时注意前后对称的焊，以免变形，再将下翼板与腹板焊接同样注意前后对称焊接，最后焊接筋板，焊接时前后对称左右对称焊接，抵消变形量。
此外，每条焊缝焊接时采用对称法安排顺序。
2低合金高强钢压力容器焊接实例
直径为2000mm，壁厚为32mm的缓冲罐（图1-1），壳体材质为16MnR，其主要承压焊缝的焊接工艺见表1-1。
图1-1缓冲罐简图
表1-1缓冲罐焊接工艺
焊缝编号
焊缝位置
焊接方法
焊接材料
说明
O1A1、O2A1
封头拼缝
双面SAW
H08MnMo+HJ431
①
1A1、2A1、B1、B3
壳体纵、环缝
双面SAW
H10Mn2+HJ431
②
B2
壳体环缝（大合拢）
内SMAW
外SAW
J507
H10Mn2+HJ431
③
B4
D1-D3
人孔接管与对应法兰环缝
人孔、小接管与壳体角焊缝
双面SMAW
J507
④
B5、B6
小接管与对接法兰环缝
GTAW打底
SMAW盖面
TIG-50
J507
⑤
E1
鞍座与壳体焊接角焊缝
GMAW
（CO2焊）
TWE-711
⑥
说明：
①封头拼缝在平板状态下焊接完成后，需再经过950~1000℃的加热后进行冲压成形，故拼缝要经过Ac3以上温度的加热，焊缝的力学性能不仅取决于化学成分，而且和焊缝的组织状态有很大关系。
虽然焊缝的含碳量要比母材低很多，但由于焊接是一个局部加热过程，冷却速度很大，因此焊缝呈现为一种柱状晶的特殊的过饱和铸造组织，其中少量的马氏体主要靠碳的固溶强化存在，而低碳马氏体的亚结构存在许多位错，过饱和的固溶的碳就聚集在位错周围，起着钉扎位错的作用，使位错难于运动，马氏体便不易变形而呈现强化焊缝的作用。
经过Ac3以上的温度加热后，焊缝组织从柱状晶变成了等轴晶，打破了原来的亚结构状态，使过饱和程度降低，其碳的固溶强化作用也随之降低了，所以势必焊缝强度降低。
为了弥补上述情况造成的焊缝强度降低，只有调整焊缝的化学成分，使用合金元素更多一些的、强度高一档的焊丝来焊接热压封头拼缝。
②壳体纵、环缝焊接条件好，考虑到板厚因素，从提高效率、保证焊接质量出发，选用双面埋弧焊，焊丝啊等强度原则选用。
③设备大合拢焊缝，考虑到设备因素，内焊缝采用埋弧焊较困难，故内侧采用焊条电弧焊、外侧采用碳弧气刨清根后再进行外环缝埋弧焊。
B2焊缝据人孔较近，故将其为大合拢焊缝。
④人孔接管与人孔法兰环缝，由于人孔直径较大，故采用焊条电弧焊进行双面焊。
对于人孔、小接管与壳体角焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊进行双面焊。
⑤对于小直径接管环缝，由于只能单面焊，又要保证质量，选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法。
TIG-50为焊材牌号，其焊材型号为ER70S-G（AWSA5.18）。
⑥鞍座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝，采用熔化极气体保护焊（保护气体为纯CO2），效率高，焊缝成形好。
TWE-711为焊材牌号，其焊材型号为E71T-1（AWSA5.20）。
七、附录
附录一
焊接结构课程设计任务书
一、课程设计班级、时间
B090303第17周
二、指导教师
安俊超
三、课程设计题目
1、梁柱桁架类结构设计
2、压力容器结构设计
四、课程设计内容
1、设计说明书一份（不少于5000字）
2、焊接结构装配图（A1）
五、课程设计要求
1、梁柱桁架类结构设计
具体要求：
（1）每组同学讨论选择不同的梁柱桁架类结构，并合作完成整体装配图；
（2）将梁柱桁架类结构结构划分成几个不同部分，每组同学按照课题设计相应的焊接工艺流程；
（3）编写课程设计说明书（参考附件二）。
2、压力容器结构设计
具体要求：
（1）每组同学讨论选择不同的压力容器结构，并合作完成整体装备图；
（2）将压力容器结构划分成几个不同部分，每组同学按照课题设计相应的焊接工艺流程；
（3）编写课程设计说明书（参考附件二）。
六、课程设计进度安排
周一布置任务、讲课、查阅有关资料，熟悉焊接结构设计思路，初步了解梁柱桁架类和压力容器设计方法及程序；
周二对结构进行合理设计并进行相关计算；
周三~周五设计图纸绘制，选材及可焊性分析；确定合理的焊缝位置及接头形式，并选择合适的焊接方法及材料；制定结构设计的工艺流程，撰写设计说明书。
七、成绩评定
平时设计表现30%
考勤20%
装配图10%
设计说明书40%
八、参考文献
1.GB150-1998《钢制压力容器》，国家质量技术监督局
2.JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》，国家质量技术监督局
3.《焊接结构生产》，机械工业出版社
4.《焊接结构学》，机械工业出版社
5.《焊接结构生产及装备》，机械工业出版社
6.《焊接结构生产工艺》，机械工业出版社
附录二
课程设计说明书参考目录
1、前言
焊接结构应用介绍
2、课程设计的目的和要求
1.1课程设计的目的
1.2课程设计的基本要求
3、焊接结构简述
2.1焊接结构类型介绍
2.2课程设计方案确定
4、焊接结构总体设计
3.1、基本工作原理
3.2、焊接结构总体设计
总的设计要求：
结构的整体和各部分在使用过程中不应产生失效（弹性失效、塑性失效及断裂等），并达到所要求的使用性能。
结构所要求的使用性能决定于以下因素：
载荷的大小和种类、使用温度、使用环境以及由这些条件相应确定的设计原则。
设计过程中，依据操作载荷的大小和种类，准确分析结构各部分在操作条件下的应力，确定合理、经济的结构方案，以满足结构的各项设计要求。
焊接结构的好坏，决定于结构的焊接接头实际性能能否较好地达到所要求的性能要求。
焊接结构的设计与材料及加工方法有关。
为提高焊接结构的可靠性，重要的是从设计、材料、加工等各方面综合考虑，使焊接接头满足要求。
5、焊接接头设计
焊接接头的设计应遵循以下原则：
1）合理选择接头型式。
2）焊缝填充金属应尽量少。
3）合理选择坡口角度、钝边高和根部间隙等结构尺寸，使之有利于坡口加工和焊透，以最大限度地减少焊接缺陷。
4）按等强度要求，接头的强度应不低于母材标准规定的强度下限值。
5）焊缝外形应尽量连续、圆滑过渡，以减少应力集中。
4.1、结构设计
焊接结构较常见的典型接头型式有：
1）主体的焊接接头
2）接管与壳体的焊接接头
3）接管与法兰的焊接接头
4）管板与筒体及管子的焊接接头
4.2、焊接材料
4.3、加工方法
6、焊接及相关工艺流程
设计相关部件的焊接及相关工艺流程
7、课程设计总结
简述课程设计的收获、体会以及对本教学环节的意见和建议。
附录三焊接工艺规程示例
焊接工艺规程
WeldingProcedureSpecification
WPS№
版次Rev.№
日期Date2001-05-02
支持的焊接工艺评定号：
A53-B-φ60x4－WVQ-1326
SupportingPQR№
焊接工艺：
GTAW
WeldingProcess（s）
焊接方法：
手工□自动□半自动□机械
Type（s）ManualAutomaticSemi-AutoMachine
接头型式Joints
接头设计：
V形坡口
JointsDesign
垫板（有/无）：
无
Backing（Yes/No）
垫板材料：
□金属□非熔金属
BackingmaterialMetalNonfusingMetal
□非金属□其它
NonmetalOther
母材BaseMetal
材质：
A53-B与A53-B
SpecificationtypeandgradetoSpecificationtypeandgrade
类别号组别号与类别号组别号
P-№Group№toP-№Group№
壁厚范围：
4
ThicknessRange
管径范围：
All
PipeDia.Range
填充金属FillerMetal
牌号
Trademark
ER70S-G
AWS号
AWS№
A5.18ER70S-6
组别号
F-№￡A-№
规格
Size
2.0mm
焊接位置Position
对接焊缝位置：
All角焊缝位置：
—
PositionofGroovePositionoffillet
焊接方向：
—
WeldingProgression
气体保护Gas
保护方式
Type
气体类型
Gas（es）
气体成份
Mixure
气体流速
FlowRate
喷嘴
Shielding
Ar
≥99.75%
8～12L/Min
电特性ElectricalCharacteristics
电流类型和极性：
GTAW直流正接
CurrentType＆Polarity
最大线能量：
—8-15
Max.HeatIntput
拖罩
Trailing
—
—
—
背面
Backing
—
—
—
预热Preheat
最小预热温度：
Min.PreheatTemp.
最大层间温度：
Max.InterpassTemp.
焊后热处理PostWeldHeatTreatment
温度范围：
—
TemperatureRange
处理时间：
—
TimeRange
操作技术Technique
钨极类型和尺寸：
钍钨极Φ2.0喷嘴孔径：
Φ8～10
TungstenElectrodeSizeandTypeOrificeorGasCupSize
运条方式：
摆动摆幅：
—
StringorWeaveBeadOscillation
内部或层间清理：
砂轮机打磨背部清根：
—
InitialandInterpassCleaningMethodofBackGouging
其它—
Other
焊接层次
WeldLayers
焊接方法
Process
填充金属FillerMetal
电特性Electrical
焊接速度
TravelSpeed
备注
Remarks
牌号
Trademark
直径
Dia.
电流
Amp.Range
电压
VoltRange
1
GTAW
ER70S
2.4
70~120
10~16
5~10
2
GTAW
ER70S
2.4
70~120
10~16
5~15
空白
附录四
焊接工艺卡示例
单位名称：
工艺卡编号：
AQ-WPS-001
所依据的工艺评定报告编号：
5-033-005B
批准日期：
2002年8月8日
修改文件编号：
/
日期：
/
评定项目：
1.外观检查2.无损探伤3.断口检查4.机械性能5.金相
焊接方法：
Ws/Ds
产品名称：
φ273×27P91钢大口径管焊接
自动化程度：
手工施焊
接头：
接头型式对接
衬垫/
衬垫材料/
其他/
母材：
类号Ⅴ级号/与类号Ⅴ级号/
钢号P91与钢号P91相焊接
母材厚度范围：
对接接头27~31mm角接接头/
焊缝金属厚度范围：
27~31mm
管子直径范围：
对接接头φ273mm角接接头/
其他：
填充金属
根部
填充
盖面
焊条型号
/
E9015-B9
E9015-B9
规格（mm）
/
Ф2.5、Ф3.2
Ф2.5
焊丝牌号
ER505
/
/
规格（mm）
Ф2.5
/
/
焊剂型号
/
/
/
其他
/
/
/
焊接位置：
对接接头焊接位置：
2G、5G
焊接方向：
由下至上
角接接头焊接位置：
/
预热：
预热温度：
200~230℃
层间温度：
200~250℃
预热保持方式：
电阻加热，持续控温
后热、焊后热处理：
温度范围：
750~770℃
时间范围：
≥3h
其他：
焊后热处理前，冷却至80~100℃，恒温1~2小时。
焊接工艺卡
单位名称：
工艺卡编号：
AQ-WPS-001
电（火焰）特性：
焊层
道号
焊接
方法
焊条（丝）
电流范围（气体压力）
电压范围（V）
（焊炬型号、焊嘴号码）
焊接速度范围
（mm/min）
其他
型（牌）号
直径（mm）
极性
[乙炔（MPa）]
电流（A）
[氧气（MPa）]
1~2
Ws
ER505
Ф2.4
直流正接
100~130
10~13
20~40
3~4
Ds
9MV-N
Ф2.5
直流反接
80~100
21~25
190~230
5~14
Ds
E9015-B9
Ф3.2
直流反接
90~120
22~25
140~220
15
Ds
E9015-B9
Ф2.5
直流反接
80~100
22~25
190~230
/
气体：
保护气体Ar流量8~12L/min
背面保护气体Ar流量15~30L/min
后拖保护气体/流量/L/min
钨极型号与尺寸：
Wce-20Ф2.5
送丝速度范围：
/
其他：
/
施焊技术：
焊嘴尺寸：
M10×L65×Ф6
无摆动或摆动焊：
摆动范围小于3倍焊条直径
打底焊道和中间焊道清理方法：
机械法清理
清根方法：
/
导电嘴与工件距离：
/
其他：
/
其他：
编制
年月日
（单位盖章）
审核
年月日
批准
年月日
焊接工艺卡基本内容
1.原料检验
2.划线根据压力容器的整体装配图，计算出相应部件的下料尺寸并划线
3.切割下料根据技术要求以及材质的特性确定相应的切割方法和切割设备。
4.刨边对切割完材料的飞边和毛刺进行清理，并根据实际情况确定刨边的设备和参
数
5.成形根据图纸要求选用相应的成形设备和成形工艺参数
6.焊接选择适合实际生产的焊接方法、焊接设备、焊接材料、焊接工艺参数，并要遵
守相应的标准、法规。
7.检验根据每种检验方法的特点以及结构设备的特点选用适合的检测方
法，并根据相应的操作规范检测焊缝判定其是否合格并作相应的处理。
8.校形选用合适的设备对前期出现的变形进行校正。
9.组装进行最后的装配、定位、焊接成形
10.检验包装
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