第三节合理安排焊缝的数量和位置

第三节　合理安排焊缝的数量和位置

在焊接结构的设计中，应该力求使焊缝数量（条数）减至最少，尽量避免不必要的焊缝。一般在设计中常采用加肋板来提高结构的稳定性和刚度。有时为了减轻主体结构的重量而选用薄板，这就必定大量采用肋板，于是大大地增加了装配和焊接的工作量，其结果不但不经济，而且焊缝过多、过于密集，致使焊接变形过大。经验表明，如果能合理选择板厚，适当减少肋板，使焊缝减少，即使是结构稍重些，还是比较经济的。例如，如图2-15所示，如果采用槽钢（图2-15（b））代替辐射状肋板（图2-15（a））来加固轴承座的稳定性和刚度，会有更好的效果，因为前者需要的焊缝数量明显比后者少。

图2-15　轴承的加固形式

为了避免焊接构件弯曲变形，在结构设计中，应力求使焊缝位置对称于焊接构件的中性轴，或者接近于中性轴。因为焊缝对称于中性轴，有可能使中性轴两侧焊缝产生的弯曲变形完全抵消或部分抵消。焊缝接近构件中性轴，使焊缝收缩引起的弯曲力矩减小，从而使构件弯曲变形也减小。图2-16为不同的焊缝位置对减小弯曲变形的效果。

图2-16　接近或对称于中性轴的焊缝布置

图2-17　对称于中性轴的焊缝布置

焊缝的对称布置在很大程度上取决于结构设计的对称性，所以在设计焊接结构时，应力求使结构对称。然而，结构的多用性和多样化，难以保证结构的对称性。例如，图2-18（a）所示的床身结构，显然在装配和焊接过程中缺乏对称性，焊缝布置与焊接顺序也不能对称。因此，难以用焊缝之间的相互作用来减小焊接变形。对于这种缺乏对称中心的结构，很容易产生空间的扭曲变形，而空间扭曲变形是很难矫正的，如果能改为图2-18（b）或图2-18（c）

具有对称中心的箱形截面结构，焊缝位置最好布置在截面的中性轴上或对称于中性轴两侧，图2-17（a）所示的布置是使焊缝集中在中心轴的下侧，上侧无焊缝。图2-17（b）所示布置使焊缝对称于中性轴。图2-17（c）所示布置使焊缝位于中性轴上。因此，图2-17（b）、图2-17（c）的弯曲变形要比图2-17（a）要小得多。所示的结构形式，则对其对称性有很大改进，这时若再采用合理的焊接顺序，则会使焊接变形明显减小。

图2-18　焊接床身结构力求对称性

选用对称焊缝虽然对减小焊件弯曲变形是有利的，但是，有时还必须考虑其他问题，例如，焊件在焊接时能否翻转，如果翻转非常困难，甚至不能翻转，采用对称焊缝和对称坡口可能会增加仰焊的工作量，影响焊缝质量。所以在焊缝位置选择时要全面考虑。

对于一些截面形状无法改变的非对称构件，可在保持截面形状不变的情况下，采用调整焊缝重心轴与中性轴距离的方法减小变形。例如，图2-19（a）所示为一∏形焊接立柱，焊缝重心轴与中性轴之间的距离为17mm，使立柱的弯曲变形超出技术条件规定；当改为图2-19（b）所示的结构时，焊缝的偏心距减小至14mm，使立柱的弯曲变形满足技术条件的规定要求。

图2-19　∏形立柱的焊缝设计

对于类似的非对称焊接构件，例如图2-20所示的T形构件，如果产品数量为偶数时，可以先组合焊成对称的工形构件（截面高度为产品的两倍），然后在腹板中间，采用气割割开，这也能达到减小弯曲变形的目的。

图2-20　复合成对称结构的T形截面梁

此外，焊件焊后产生的纵向和横向收缩变形，可通过对焊缝收缩量进行估算，在设计时应预先留出收缩余量进行控制（具体见第四章）。还要注意在结构上可留出装配焊接卡具的位置，以便在焊接过程中利用夹具来控制或减少变形。

如在船体建造中，甲板、内底板、舱壁、围壁以及平直的舷部分段等大面积平板均需预先进行拼板装配工作。目前拼板一般采用双面埋弧自动焊，或采用单面焊双面成型自动焊拼板工艺。反面成型依靠衬垫来保证，反面衬垫有两种：一种是采用随焊机移动的滑动衬垫及固定衬底，压力架和电磁铁将钢板压紧于平台，衬底由压缩空气等压紧于接头背面；另一种是软衬垫，用于曲面平板对接。

采用滑动衬底焊接（又称滑块焊接）时，两板件留有一定的间隙δ与δ₁，如图2-21所示。为了防止回转变形，通常δ＞δ₁，因为从δ₁端起弧至δ端熄弧，板缝在焊接过程中有逐渐增大的趋势。δ和δ₁的常用数据见表2-3。滑块焊时，由于焊机小车在连接板缝中通过，故不进行定位焊，而用压马将拼板固定。

图2-21　滑块衬底焊接中的拼板间隙

拼板时的主要焊接变形是横向收缩和纵向收缩。因此，板列必须加放适当的余量来补偿。

表2-3　滑动衬垫焊接时的间隙数值