焊接接頭的形式結(jié)構(gòu)及原理分析

一、焊接接頭形式

焊接接頭形式：對(duì)接接頭、角接接頭及T字形接頭、搭接接頭。

 

 

(a)對(duì)接接頭; (b)角接接頭; (c)搭接接頭

圖4-44 焊接接頭的三種形式

1.對(duì)接接頭

結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互連接零件在接頭處的中面處于同一平面或同一弧面內(nèi)進(jìn)行焊接的接頭。

特點(diǎn)：受熱均勻，受力對(duì)稱，便于無(wú)損檢測(cè)，焊接質(zhì)量容易得到保證。

應(yīng)用：最常用的焊接結(jié)構(gòu)形式。

2.角接接頭和T型接頭

結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互連接零件在接頭處的中面相互垂直或相交成某一角度進(jìn)行焊接的接頭。兩構(gòu)件成T字形焊接在一起的接頭，叫T型接頭。角接接頭和T字接頭都形成角焊縫。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，承載后受力狀態(tài)不如對(duì)接接頭，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，且焊接質(zhì)量也不易得到保證。

應(yīng)用：某些特殊部位：接管、法蘭、夾套、管板和凸緣的焊接等。

3.搭接接頭

結(jié)構(gòu)：兩個(gè)相互連接零件在接頭處有部分重合在一起，中面相互平行，進(jìn)行焊接的接頭。

特點(diǎn)：屬于角焊縫，與角接接頭一樣，在接頭處結(jié)構(gòu)明顯不連續(xù)，承載后接頭部位受力情況較差。應(yīng)用：主要用于加強(qiáng)圈與殼體、支座墊板與器壁以及凸緣與容器的焊接。

二、坡口形式

焊接坡口——為保證全熔透和焊接質(zhì)量，減少焊接變形，施焊前，一般將焊件連接處預(yù)先加工成各種形狀。 不同的焊接坡口，適用于不同的焊接方法和焊件厚度。

坡口形狀

基本坡口形狀： Ⅰ形、V形、單邊V形、 U形、J形。

組合形狀

特例：一般接頭應(yīng)開設(shè)坡口，而搭接接頭無(wú)需開坡口即可焊接。

雙V形坡口由兩個(gè)V形坡口和一個(gè)I形坡口組合而成

 

 

圖4-45 坡口的基本形式

 

 

圖4-46 雙V形坡口

三、壓力容器焊接接頭分類

目的：為對(duì)口錯(cuò)邊量、熱處理、無(wú)損檢測(cè)、焊縫尺寸等方面有針對(duì)性地提出不同的要求，GB150根據(jù)位置，根據(jù)該接頭所連接兩元件的結(jié)構(gòu)類型以及應(yīng)力水平，把接頭分成A、B、C、D四類，如圖4-47。

 

 

圖4-47 壓力容器焊接接頭分類

A類：圓筒部分的縱向接頭(多層包扎容器層板層縱向接頭除外)、球形封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭、各類凸形封頭中的所有拼焊接頭以及嵌入式接管與殼體對(duì)接連接的接頭。

B類：殼體部分的環(huán)向接頭、錐形封頭小端與接管連接的接頭、長(zhǎng)頸法蘭與接管連接的接頭。但已規(guī)定為A、C、D類的焊接接頭除外。

C類：平蓋、管板與圓筒非對(duì)接連接的接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭，內(nèi)封頭與圓筒的搭接接頭以及多層包扎容器層板層縱向接頭。

D類：接管、人孔、凸緣、補(bǔ)強(qiáng)圈等與殼體連接的接頭。但已規(guī)定為A、B類的焊接接頭除外。

注意：焊接接頭分類的原則僅根據(jù)焊接接頭在容器所處的位置而不是按焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式分類，所以，在設(shè)計(jì)焊接接頭形式時(shí)，應(yīng)由容器的重要性、設(shè)計(jì)條件以及施焊條件等確定焊接結(jié)構(gòu)。這樣，同一類別的焊接接頭在不同的容器條件下，就可能有不同的焊接接頭形式。

四、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

1.盡量采用對(duì)接接頭，易于保證焊接質(zhì)量，所有的縱向及環(huán)向焊接接頭、凸形封頭上的拼接焊接接頭，必須采用對(duì)接接頭外，其它位置的焊接結(jié)構(gòu)也應(yīng)盡量采用對(duì)接接頭。

舉例：角焊縫，改用對(duì)接焊縫[圖48(a)改為8(b)和(c)]。減小了應(yīng)力集中，方便了無(wú)損檢測(cè)，有利于保證接頭的內(nèi)部質(zhì)量。

 

 

圖4-48 容器接管的角接和對(duì)接

2.盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)，不允許產(chǎn)生未熔透缺陷

未熔透：指基體金屬和焊縫金屬局部未完全熔合而留下空隙的現(xiàn)象。未熔透導(dǎo)致脆性破壞的起裂點(diǎn)，在交變載荷作用下，它也可能誘發(fā)疲勞破壞。

改進(jìn)：選擇合適的坡口形式，如雙面焊;當(dāng)容器直徑較小，且無(wú)法從容器內(nèi)部清根時(shí)，應(yīng)選用單面焊雙面成型的對(duì)接接頭，如用氬弧焊打底，或采用帶墊板的坡口等。

3.盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中

接頭常常是脆性破壞和疲勞破壞的起源處，因此，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)必須盡量減少應(yīng)力集中。

措施：盡可能采用等厚度焊接，對(duì)于不等厚鋼板的對(duì)接，應(yīng)將較厚板按一定斜度削薄過(guò)渡，然后再進(jìn)行焊接，以避免形狀突變，減緩應(yīng)力集中程度。一般當(dāng)薄板厚度δ2不大于10mm，兩板厚度差超過(guò)3mm;或當(dāng)薄板厚度δ2大于10mm，兩板厚度差超過(guò)薄板的30%，或超過(guò)5mm時(shí)，均需按圖4-49的要求削薄厚板邊緣。

 

 

圖4-49 板厚不等時(shí)的對(duì)接接頭

五、壓力容器常用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容：選擇合適的焊縫坡口，方便焊材(焊條或焊絲)伸入坡口根部，以保證全熔透。

坡口選擇因素：①盡量減少填充金屬量; ②保證熔透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷; ③便于施焊，改善勞動(dòng)條件; ④減少焊接變形和殘余變形量，對(duì)較厚元件焊接應(yīng) 盡量選用沿厚度對(duì)稱的坡口形式，如X形坡口等。

1.筒體、封頭及其相互間連接的焊接結(jié)構(gòu)縱、環(huán)焊縫必須采用對(duì)接接頭。

對(duì)接接頭的坡口形式可分為不開坡口(又稱齊邊坡口)、V形坡口、X形坡口、單U形坡口和雙U形坡口等數(shù)種，應(yīng)根據(jù)筒體或封頭厚度、壓力高低、介質(zhì)特性及操作工況選擇合適的坡口形式。

2. 接管與殼體及補(bǔ)強(qiáng)圈間的焊接結(jié)構(gòu)

一般只能采用角接焊和搭接焊，具體的焊接結(jié)構(gòu)還與容器的強(qiáng)度和安全性要求有關(guān)。有多種接頭形式，涉及是否開坡口、單面焊與雙面焊、熔透與不熔透等問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)壓力高低、介質(zhì)特性、是否低溫、是否需要考慮交變載荷與疲勞問(wèn)題等來(lái)選擇合理的焊接結(jié)構(gòu)。下面介紹常用的幾種結(jié)構(gòu)。

(1)不帶補(bǔ)強(qiáng)圈的插入式接管焊接結(jié)構(gòu)

中低壓容器不需另作補(bǔ)強(qiáng)的小直徑接管用得最多的焊接結(jié)構(gòu)，接管與殼體間隙應(yīng)小于3mm，否則易產(chǎn)生裂紋或其它焊接缺陷。

(a)圖：?jiǎn)蚊婧附咏Y(jié)構(gòu)，適用于內(nèi)徑小于600mm、盛裝無(wú)腐蝕性介質(zhì)的接管與殼體之間的焊接，接管厚度應(yīng)小6mm;

(b)圖：最常用的插入式接管焊接結(jié)構(gòu)之一，為全熔透結(jié)構(gòu)。適用于具備從內(nèi)部清根及施焊條件、殼體厚度在4～25mm、接管厚度大于等于0.5倍殼體厚度的情況;

(c)圖：在(b)的基礎(chǔ)上，將接管內(nèi)徑邊角處倒圓，可用于疲勞、低溫及有較大溫度梯度的操作工況。

 

 

(2)帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管焊接結(jié)構(gòu)

要求：盡量與補(bǔ)強(qiáng)處的殼體貼合緊密，焊接結(jié)構(gòu)力求完善合理。但只能采用塔接和角接，難于保證全熔透，也無(wú)法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，因而焊接質(zhì)量不易保證。

坡口：大間隙小角度，利于焊條伸入到底，減少焊接工作量。

圖(a)：一般要求的容器，即非低溫、無(wú)交變載荷的容器

圖(b)：承受低溫、疲勞及溫度梯度較大工況的容器,保證接管根部及補(bǔ)強(qiáng)圈內(nèi)側(cè)焊縫熔透。

 

 

(3)安放式接管的焊接結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)拘束度低、焊縫截面小、較易進(jìn)行射線檢測(cè)等。

圖(a)：適用于接管內(nèi)徑小于或等于100mm的場(chǎng)合;

圖(b)和(c)：適用于殼體厚度δn≤16mm的碳素鋼和碳錳鋼，或 δn≤25mm的奧氏體不銹鋼容器，其中圖(b)的接管內(nèi)徑應(yīng)小于或等于 50mm，厚度δnt≤6mm，圖(c)的接管內(nèi)徑應(yīng)大于50mm，且小于或等于150mm，厚度δnt>6mm。

 

 

(4)嵌入式接管的焊接結(jié)構(gòu)

屬于整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)中的一種，適用于承受交變載荷、低溫和大溫度梯度等較苛刻的工況。

(a)圖：適用于球形封頭或橢圓形封頭中心部位的接管與封頭的連接，且封頭厚度δn≤50mm。

 

 

(5)凸緣與殼體的焊接結(jié)構(gòu)

1)角焊連接：連接不承受脈動(dòng)載荷的容器凸緣與殼體，如圖4-54所示。

 

 

2)對(duì)接連接：連接壓力較高或要求全熔透的容器凸緣與殼體，如圖4-55。