焊接接頭的形式結構及原理分析

一、焊接接頭形式

焊接接頭形式：對接接頭、角接接頭及T字形接頭、搭接接頭。

 

 

(a)對接接頭; (b)角接接頭; (c)搭接接頭

圖4-44 焊接接頭的三種形式

1.對接接頭

結構：兩個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進行焊接的接頭。

特點：受熱均勻，受力對稱，便于無損檢測，焊接質量容易得到保證。

應用：最常用的焊接結構形式。

2.角接接頭和T型接頭

結構：兩個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行焊接的接頭。兩構件成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：結構不連續，承載后受力狀態不如對接接頭，應力集中比較嚴重，且焊接質量也不易得到保證。

應用：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

結構：兩個相互連接零件在接頭處有部分重合在一起，中面相互平行，進行焊接的接頭。

特點：屬于角焊縫，與角接接頭一樣，在接頭處結構明顯不連續，承載后接頭部位受力情況較差。應用：主要用于加強圈與殼體、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量，減少焊接變形，施焊前，一般將焊件連接處預先加工成各種形狀。 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：一般接頭應開設坡口，而搭接接頭無需開坡口即可焊接。

雙V形坡口由兩個V形坡口和一個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：為對口錯邊量、熱處理、無損檢測、焊縫尺寸等方面有針對性地提出不同的要求，GB150根據位置，根據該接頭所連接兩元件的結構類型以及應力水平，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接連接的接頭。

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

C類：平蓋、管板與圓筒非對接連接的接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭，內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、補強圈等與殼體連接的接頭。但已規定為A、B類的焊接接頭除外。

注意：焊接接頭分類的原則僅根據焊接接頭在容器所處的位置而不是按焊接接頭的結構形式分類，所以，在設計焊接接頭形式時，應由容器的重要性、設計條件以及施焊條件等確定焊接結構。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、壓力容器焊接結構設計的基本原則

1.盡量采用對接接頭，易于保證焊接質量，所有的縱向及環向焊接接頭、凸形封頭上的拼接焊接接頭，必須采用對接接頭外，其它位置的焊接結構也應盡量采用對接接頭。

舉例：角焊縫，改用對接焊縫[圖48(a)改為8(b)和(c)]。減小了應力集中，方便了無損檢測，有利于保證接頭的內部質量。

 

 

圖4-48 容器接管的角接和對接

2.盡量采用全熔透的結構，不允許產生未熔透缺陷

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象。未熔透導致脆性破壞的起裂點，在交變載荷作用下，它也可能誘發疲勞破壞。

改進：選擇合適的坡口形式，如雙面焊;當容器直徑較小，且無法從容器內部清根時，應選用單面焊雙面成型的對接接頭，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，在設計焊接結構時必須盡量減少應力集中。

措施：盡可能采用等厚度焊接，對于不等厚鋼板的對接，應將較厚板按一定斜度削薄過渡，然后再進行焊接，以避免形狀突變，減緩應力集中程度。一般當薄板厚度δ2不大于10mm，兩板厚度差超過3mm;或當薄板厚度δ2大于10mm，兩板厚度差超過薄板的30%，或超過5mm時，均需按圖4-49的要求削薄厚板邊緣。

 

 

圖4-49 板厚不等時的對接接頭

五、壓力容器常用焊接結構設計

主要內容：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，避免產生各種焊接缺陷; ③便于施焊，改善勞動條件; ④減少焊接變形和殘余變形量，對較厚元件焊接應 盡量選用沿厚度對稱的坡口形式，如X形坡口等。

1.筒體、封頭及其相互間連接的焊接結構縱、環焊縫必須采用對接接頭。

對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形坡口等數種，應根據筒體或封頭厚度、壓力高低、介質特性及操作工況選擇合適的坡口形式。

2. 接管與殼體及補強圈間的焊接結構

一般只能采用角接焊和搭接焊，具體的焊接結構還與容器的強度和安全性要求有關。有多種接頭形式，涉及是否開坡口、單面焊與雙面焊、熔透與不熔透等問題。設計時，應根據壓力高低、介質特性、是否低溫、是否需要考慮交變載荷與疲勞問題等來選擇合理的焊接結構。下面介紹常用的幾種結構。

(1)不帶補強圈的插入式接管焊接結構

中低壓容器不需另作補強的小直徑接管用得最多的焊接結構，接管與殼體間隙應小于3mm，否則易產生裂紋或其它焊接缺陷。

(a)圖：單面焊接結構，適用于內徑小于600mm、盛裝無腐蝕性介質的接管與殼體之間的焊接，接管厚度應小6mm;

(b)圖：最常用的插入式接管焊接結構之一，為全熔透結構。適用于具備從內部清根及施焊條件、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)的基礎上，將接管內徑邊角處倒圓，可用于疲勞、低溫及有較大溫度梯度的操作工況。

 

 

(2)帶補強圈的接管焊接結構

要求：盡量與補強處的殼體貼合緊密，焊接結構力求完善合理。但只能采用塔接和角接，難于保證全熔透，也無法進行無損檢測，因而焊接質量不易保證。

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,保證接管根部及補強圈內側焊縫熔透。

 

 

(3)安放式接管的焊接結構

優點：結構拘束度低、焊縫截面小、較易進行射線檢測等。

圖(a)：適用于接管內徑小于或等于100mm的場合;

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)的接管內徑應小于或等于 50mm，厚度δnt≤6mm，圖(c)的接管內徑應大于50mm，且小于或等于150mm，厚度δnt>6mm。

 

 

(4)嵌入式接管的焊接結構

屬于整體補強結構中的一種，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構

1)角焊連接：連接不承受脈動載荷的容器凸緣與殼體，如圖4-54所示。

 

 

2)對接連接：連接壓力較高或要求全熔透的容器凸緣與殼體，如圖4-55。