哈尔滨工业大学
材料成形工艺大作业
题目：题目三
院系：机电学院
专业：机械设计制造及其自动化
班级：
学号：
姓名：
题目三：如图所示，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。

解题过程：
焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。

不可拆卸的焊接与机械连接相比结构简单，节省材料；接头气密性好；成型工艺简单，生产效率高。

熔焊是采用局部加热的方法，使工件焊接接头部位融化，通常还需填充金属，构成共同熔池，熔池冷却结晶后，形成牢固的原子间结合，使分离的工件成为一体。

熔焊的熔池可以看做是一个微型冶金炉，其内要进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等一系列的冶金化学反应。

由于大多数熔焊是在大气中进行，使得熔焊冶金过程复杂、激烈，从而影响焊缝的化学成分、组织及性能。

初步分析，可知在该焊接工艺设计中主要用到的就是熔焊的原理。

一、焊接位置
焊接位置的选择是焊接结构设计的关键，其与产品质量、生产
率和劳动成本密切相关。

（1）应考虑到焊缝避免交叉密集
（2）焊缝尽量中心对称使焊接变形互相抵消
（3）焊缝避开最大应力和应力集中处
（4）另外还要考虑板材规格确定拼接方式，避开机械加工表面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），钢板最大长度为2500mm，于是放在最中间上下两个，按照两
钢板的中心对称布置；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，所以四个腹板对称，对称。

图1 设计焊接图
二、焊接接头
焊接接头设计的设计应该根
据焊件结构形状、强度要求、焊后变形要求、焊接材料的消耗量、坡口加工的难易程度、焊接方法等因素综合考虑、通用的焊接接头形式有对接接头、搭接接头交接接头T 型接头等；坡口形式有I型、Y型（V型）、双Y型（X型）、U型等。

对接接头受力均匀，在静载和动载作用下都具有很高的强度，是常用的接头形式，重要受力焊缝应尽量选用。

搭接接头焊前准备简便，装配时尺寸要求不高，但因两焊件不在同一平面，受力时将产生附加弯矩，而且金属消耗量也大，一般避免采用。

对于受力不大的平面连接与空间架构，采用搭接可以节省工时。

角接接头通常只起连接作用，受力情况比对接要复杂，接头成一定角度连接时必须采用这种接头形式。

T型接头广泛用于空间类焊件上，具有较高的强度。

翼板腹板分别用对接接头拼接，我们选用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2 凹槽
图3 T型接头
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 倒角图
三、焊接方法和焊接材料
各种焊接方法都有各自的特点及适用范围，只有选择了正确的焊接方法才能保证焊接质量，又降低生产的成本。

焊接方法的选择要
考虑焊接材料的焊接性、接头形式、
焊件厚度、焊缝空间位置、焊接结构形式以及现有设备等，在进行质量、经济性和工艺可行性分析之后，最终确定适宜的焊接方法。

下面是焊接方法选择时通常依据的原则。

A.质量原则。

选择焊接方法首先
要保证能满足焊接接头的使
用性能要求，要考虑材料的焊
接性、焊件厚度及焊件结构技
术要求等因素。

如焊接低碳钢
和低合金钢材料时，各焊接方
法均适用；焊接合金钢、不锈
钢、有色金属等材料时，应采
用氩弧焊；焊接稀有金属和高
熔点金属材料是用采用等离
子弧焊，激光焊氩弧焊真空电
子束焊等；中等板厚可采用焊
条电弧焊、埋弧焊、气体保护
焊等；超厚板可采用电渣焊，
包办可采用气焊脉冲氩弧焊、
电焊、缝焊、电子束焊等，如
有密封要求应采用缝焊，如要
求变形小，就不适宜选用气焊。

B.工艺原则。

选择焊接方法要考
虑现有的设备条件、缝焊的空
间位置、接头形式及焊接工艺
能否实现等。

如焊缝短曲而处
于不同空间位置，采用焊条电
弧焊最为方便；电渣焊适用立
焊；埋弧焊适用平焊；摩擦焊、
对焊适用对接接头；电焊、缝
焊适用搭接接头等。

对于无法
采用双面焊工艺有要求焊透
的工件，采用单面焊工艺时，
若先使用脉冲氩弧焊打底焊
接，更易保证焊接质量。

C.选择焊接方法还要考虑生产
批量、各种焊接方法的费用投
入及生产情况等。

如氩弧焊虽
然可以焊接各种金属及合金，
但是成本较高，一般主要用于
焊接有色金属及合金；长直焊
缝或圆周焊缝，批量生产一般
可以采用埋弧自动焊，效率较
高；若是焊件是单件生产，选
用焊条电弧焊最好。

因为焊件关于中心对称，从制定的焊缝的位置我们可以看到其实整个焊件就是由左右两对称的部分组成，所以在实际进行焊接的过程中，我们考虑以中心线为分界线，将左右两部份分开分别进行加工。

且两部份加工的方法基本相同，所以在下文的介绍中将只针对左侧部分进行分析。

在这个焊接工艺中，总共用到了三种厚度的钢板6mm，8mm，10mm；同时钢板的材料为20钢，属低碳钢；同时，还有第一部分中所设计的焊缝
位置，这三个条件共同决定了应该选择哪一种的焊接方法比较合适。

考虑经济方面的问题，我们将采用焊条电弧焊和埋弧焊来来实现焊接过程。

由于板厚适中，焊缝直径又不大，大批量生产时，埋弧焊焊接生产效率高、焊接质量好，所以翼板和腹板分别采用埋弧焊焊接，焊丝为H08A、H08MnA或H10Mn2配合焊剂HJ431,但埋弧焊焊接不适合有倾斜的焊缝焊接，所以焊接筋板时用焊条电弧焊，电焊条为E5015；小批量生产全部使用焊条电弧焊，比较方便。

四、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。