焊接与连接件设计.ppt

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1、机电装备仪器的工程化设计,第8讲 焊接件与螺纹连接设计要领主讲教师：康宜华教授,焊接与焊接件,焊接加工方法越来越多使用。主要原因：快省多样,常用焊接方法及特点,一、钎焊 钎焊是利用熔点比母材低的金属作为钎料，加热后，钎料熔化，焊件不熔化，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散，将焊件牢固的连接在一起。根据钎料熔点的不同，将钎焊分为软钎焊和硬钎焊。（1）软钎焊：软钎焊的钎料熔点低于450C，接头强度较低(小于70 MPa)。（2）硬钎焊：硬钎焊的钎料熔点高于450C，接头强度较高(大于200 MPa)。钎焊接头的承载能力与接头连接面大小有关。因此，钎焊一般采用搭接接头和套件镶接，以弥

2、补钎焊强度的不足。,二、电弧焊 利用电弧作为热源的熔焊方法，称为电弧焊。可分为手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊等三种。手工自动焊的最大优点是设备简单，应用灵活、方便，适用面广，可焊接各种焊接位置和直缝、环缝及各种曲线焊缝。尤其适用于操作不变的场合和短小焊缝的焊接；埋弧自动焊具有生产率高、焊缝质量好、劳动条件好等特点；气体保护焊具有保护效果好、电弧稳定、热量集中等特点。,常用焊接方法及特点,三、电阻焊 电流通过工件及焊接接触面间所产生的电阻热，将焊件加热至塑性或局部熔化状态，再施加压力形成焊接接头的焊接方法。分为点焊、缝焊和对焊3种形式。（1）点焊：将焊件压紧在两个柱状电极之间，通电加热，使焊

3、件在接触处熔化形成熔核，然后断电，并在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。适用于焊接4 mm以下的薄板(搭接)和钢筋，广泛用于汽车、飞机、电子、仪表和日常生活用品的生产。（2）缝焊：缝焊与点焊相似，所不同的是用旋转的盘状电极代替柱状电极。叠合的工件在圆盘间受压通电，并随圆盘的转动而送进，形成连续焊缝。缝焊适宜于焊接厚度在3 mm以下的薄板搭接，主要应用于生产密封性容器和管道等。,常用焊接方法及特点,（3）对焊（面焊）：分为电阻对焊和闪光对焊。1）电阻对焊 先施加顶锻压力(1015 MPa)，使工件接头紧密接触，通电加热至塑性状态，然后施加顶锻压力(3050 MPa)，同时断电，使焊件接触处在压

4、力下产生塑性变形而焊合。操作简便，接头外形光滑，但对焊件端面加工和清理要求较高，否则会造成接触面加热不均匀，产生氧化物夹杂、焊不透等缺陷，影响焊接质量。一般只用于焊接直径小于20 mm、截面简单和受力不大的工件。,常用焊接方法及特点,2）闪光对焊 先通电，再使两焊件轻微接触，由于焊件表面不平，使接触点通过的电流密度很大，金属迅速熔化、气化、爆破，飞溅出火花，造成闪光现象。继续移动焊件，产生新的接触点，闪光现象不断发生，待两焊件端面全部熔化时，迅速加压，随即断电并继续加压，使焊件焊合。对焊的接头质量好，对接头表面的焊前清理要求不高。常用于焊接受力较大的重要工件。闪光对焊不仅能焊接同种金属，也能焊

5、接铝钢、铝铜等异种金属，可以焊接0.01 mm的金属丝，也可以焊接直径500 mm的管子及截面为20 000 mm2的板材。,四、激光焊激光焊利用聚焦的激光束作为能源轰击工件所产生的热量进行焊接。具有如下特点：1）激光束能量密度大，加热过程极短，焊点小，热影响区窄，焊接变形小，焊件尺寸精度高；2）可以焊接常规焊接方法难以焊接的材料，如焊接钨、钼、钽、锆等难熔金属；3）可以在空气中焊接有色金属，而不需外加保护气体；4）激光焊设备较复杂，成本高。激光焊可以焊接低合金高强度钢、不锈钢及铜、镍、钛合金等；异种金属以及非金属材料(如陶瓷、有机玻璃等)；目前主要用于电子仪表、航空、航天、原子核反应堆等领域

6、。,常用焊接方法及特点,五、电子束焊 电子束焊在真空中利用聚焦的高速电子束轰击焊接表面，使之瞬间熔化并形成焊接接头。具有以下特点：1）能量密度大，电子穿透力强；2）焊接速度快，热影响取消，焊接变形小；3）真空保护好，焊缝质量高，特别适用于活波金属的焊接。电子束焊用于焊接低合金钢、有色金属、难熔金属、复合材料、异种材料等，薄板、厚板均可。特别适用于焊接厚件及要求变形很小的焊件、真空中使用器件、精密微型器件等。,常用焊接方法及特点,焊接件设计要领,a.根据工艺性能选择焊接材料 优先选用含碳量低于0.25%的碳钢或碳当量低于0.4%的合金钢。这类材料的焊接性能、切削 性能等都比较好。b.根据焊接件结

7、构选择焊接材料 在满足承载能力等工作条件的前提下，考虑体积、重量、经济因素，尽量选用型材和管材，以减少焊缝数量，简化焊接工艺。c.根据焊接方法选择焊接材料（如图表一）,8A.1焊接件材料的选择,焊接件设计要领,焊接件设计要领,焊接件设计要领,8A.2 合理设计外形和选择型材,焊接件应尽量采用直线轮廓，以提高焊接工艺性，并使造型简明、美观。其结构最好能用各种标准的型钢或钢板拼焊而成，其种类和尺寸型号也应尽量少。只有必要时才用铸焊结构。,不锈钢和铝的焊接件也越来越多使用。,8A.3 减少焊前切削加工,用钢板焊接制造零件时，尽量使所用的零件形状简单、规范，以减少加工工作量和边角废料。,焊接件的优势在

8、于用标准的型材和板材经过简单的切割下料，然后成型加工。,焊接件设计要领,8A.4 焊接件不要简单模仿铸件（一）,铸件改为焊接件后应按焊接工艺的特点，在保证实现原有功能前提下，采用焊接加工方便的结构形式和尺寸。,焊接件设计要领,8A.5 焊接件不要简单模仿铸件（二）,保证焊接件的刚度。机座的地脚部分由于钢板较薄，可将凸台设计成双层结构，并增设加强肋。,鸟巢的塔架结构,焊接件设计要领,8A.6 尽量减少组成焊接件的零件数和焊缝数,上图的焊接件由角钢和小平板组成共11件。下图采用钢板弯曲件以后，则减少到5件，焊逢数目也大量减少。,焊接件设计要领,8A.7 注意提高焊接悬臂梁根部的强度,悬臂梁根部应力

9、最大，是它的薄弱环节，应注意提高该部位的强度，尤其是受变应力的场合，宜采用下图的结构，使焊缝避开最大弯矩截面。,焊接件设计要领,焊接件设计要领,8A.8 焊接接头应力求过渡平缓,a.焊接接头的四种形式,根据被焊件的相互位置，接头形式有以上四种。,b.焊接接头的坡口形式及尺寸要求,焊接件设计要领,搭接接头的尺寸要求,对接接头的坡口形式,角接接头坡口形式,焊接件设计要领,T形接头的坡口形式,8A.8 焊接接头应力求过渡平缓,在槽钢侧面焊接一个盖板以提高其强度和刚度，应使其各断面的刚度逐渐加大，以避免突变的部位形成薄弱的环节。,焊接件设计要领,8A.9 焊缝不宜安排在机械加工表面或转折处,左图中机械

10、加工后焊缝被切掉一部分，其强度降低，而在转折处受力较大，焊接时操作要求较高。右图改进后的结构。,焊接件设计要领,8A.10 断面转折处不应布置焊逢,一般情况下不应在断面转折处布置焊逢。如确实需要，则焊逢在转折处不应中断，否则容易产生裂纹。,焊接件设计要领,8A.11 避免焊逢底部受拉应力,焊逢底部抗拉强度较差，应尽量避免焊缝底部受拉力，为了提高焊缝强度，要进行背面补焊。,焊接件设计要领,8A.12 截面形状应有利于减少变形和应力集中,焊接件设计应具有对称性。焊缝布置与焊接顺序也应对称。这样，就可以利用各条焊缝冷却时的力和变形的互相均衡，使焊件整体的变形较小。,焊接件设计要领,8A.13 正确选

11、择焊缝位置,选择好焊缝位置可以减少变形量。图中底座顶板内侧缝口大，在内侧开坡口，并在内侧焊接可以减小变形量，使顶板比较平直，内侧焊接顶板变形角度为，外侧焊接顶板变形角度为，而。,焊接件设计要领,8A.14 不要让焊接影响区相距太近,为使热影响减小，各条焊缝应相互错开。以免影响区相距太近，使变形太大，强度降低。,焊接件设计要领,8A.15 避免多条焊缝汇聚,多条焊缝汇聚时，结构复杂，发热和变形大，强度低，应尽量避免，如在汇聚处A作出缺口（B）。,焊接件设计要领,8A.16 考虑气体扩散,焊接密闭容器时，应考虑焊接时容器中的气体是否能释放出来。较差的图中所示结构气体释放不好，不易焊牢，若预先设计一

12、放气孔，使气体能够释放，则有利于焊接。,焊接件设计要领,8A.17 减小焊缝的受力,焊缝应安排在受力较小的部位。如轮毂与轮圈之间的焊缝应尽量安排在距回转中心远一些的部位。套管与板的连接，应将套管插入板孔，进行角焊，这种结构可以减小焊缝受力。,焊接件设计要领,8A.18 合理利用型材，简化焊接工艺,较差的图中下部的封口用热轧普通槽钢，A处焊接困难。若改为两条角钢焊接，则A所指处焊接较方便。,焊接件设计要领,8A.19 焊缝的加强肋布置要合理,合理布置加强肋可以提高焊接件强度和刚度，若布置不合理，不但不起作用，甚至引起更大的焊接变形。受力集中处的焊缝应增设加强肋以改善焊缝的受力状况，使水平梁上下翼

13、板的力通过隔板传递到立柱两侧。,焊接件设计要领,8A.20 采用板料弯曲件以减少焊缝,用钢板焊接的零件，如改为先将钢板弯曲成一定形状再进行焊接，不但可以减少焊缝，而且可使焊缝对称和外形美观。,焊接件设计要领,8A.21 箱形截面的构件用点焊连接时，应把连接处放在中性轴处,箱形截面的梁，受弯曲应力时，点焊处不宜安排在承受弯曲应力最大的上下面，而在中性轴处焊拉，所受应力较小。,焊接件设计要领,8B.1 避免同时装入两个配合面,图中所示轴承与箱体相配，两个轴承同时装入，装配困难，不易同时对准。先装入外面的大轴承，则在继续打入装里面的小轴承时，装配很难观察对准情况。应该设计成两个轴承依次装入孔中，行装

14、入里面的小轴承，后装入外面的大轴承。,螺纹连接设计要领,8B.2 零件安装部位应该有必要的倒角,对用机械手安装的零件应该有倒角，以保证零件装入时的柔顺性。如果有一个零件有倒角，则装配柔顺性较好，如两个零件都有倒角则柔顺性很好。,螺纹连接设计要领,8B.3 要为折装零件留有必要的操作空间,应为拧紧螺母留有必要的扳手空间。弹性套柱销联轴器的弹性柱销，应在不移动零件的条件下自由装拆。在联轴器标准中，尺寸A有一定要求，就是为拆装弹性柱销而定。,螺纹连接设计要领,8B.4 避免凸轮机构试车时电动机反转，造成失效,凸轮机构试车时由于连线不合适，电动机转向与规定相反，凸轮的凸起部分与从动件相撞，使该机构失效

15、。在传动系统中加入一个超越离合器使凸轮只能按一个预期方向转动即可避免产生此种事故。注：图示凸轮机构中，凸轮1推动滚轮4上升，在经过凸轮A点后，改为由凸轮的附加轮廓2推端块3，至右图位置时，从动件突然下落，实现冲击效果。,螺纹连接设计要领,8B.5 采用特殊结构避免错误安装,有些零件有细微的差别，安装时很容易弄错，应在结构设计中突出显示差异。如图中所示双头螺柱，两端螺纹都是M16但长度不同，安装时容易弄错。如将其中一端改用细牙螺纹M161.5（另一端仍用标准M16螺距为2mm）则不易错装。如将另一端改为M18则更不易装错，但加工较难。,螺纹连接设计要领,8B.6 采用对称结构简化装配工艺,如图中

16、所示的螺母与垫圈，在改进后，两面对称，不必判别方向，装上即可。这种结构对自动化装配更为重要，可以省去一个判断零件正反方向的步骤。有人提出考虑装配方便设计“傻瓜装配”的结构设计思想。,螺纹连接设计要领,8B.7 尽量减少现场装配工作量,有些设备，如重型机床、起重机、矿山设备等，必须分为若干部分运至现场进行装配。现场与制造厂条件不同，困难较多，应尽量减少现场装配工作。,螺纹连接设计要领,8B.8 拆卸一个零件时应避免必须拆下其他零件,在设计时应避免各零件之间的装配关系相互纠缠。其中主要零件可以单独拆装，这样就可以避免许多安装中的反复调整工作。,螺纹连接设计要领,8B.9 对一个机械应合理划分部件,

17、一台机械设备如果能合理地划分为若干部件，分别平等作业进行装配，然后总装，可以减少装配时间。在修理时，可以更换损坏的部件，加快修理进度、提高修理质量。,螺纹连接设计要领,8B.10 与孔配合紧密的套筒，应有考虑拆卸的结构,图示套筒与孔有较紧密的配合。最左边的图拆卸时，很难放入工具拆卸困难。其余三个图可以用工具推、打m处，插入间隙h，或用螺钉拧入钉孔t，把套筒向左推出。,螺纹连接设计要领,8B.11 薄弱的零件不应暴露在容易损坏的部位,图示为向机器供应润滑油的油嘴，左图油嘴暴露在外，容易被 碰坏，增加维修的工作量和成本。右图所示油嘴受到其他零件的保护，延长了使用寿命。但是这样的设计在加油时不容易找

18、到加油的位置，应该在机器上面加一个位置图。在油嘴上面涂以颜色油漆，以便识别。,螺纹连接设计要领,8B.12 避免用螺纹件定位,螺纹连接一般不能保证准确的对中，因为不可避免地有中径误差和间隙。弯曲的管道与机座之间不应采用螺纹连接，因为无法保证管道正好位于要求的方向，改用靠配合连接或用凸缘加螺栓固定较合理。,经常有学生认为这个是可以的，其实真的不可以！,螺纹连接设计要领,8B.13 螺钉应布置在被连接件刚度最大的部位,螺钉布置在被连接件刚度较小的凸耳上不能可靠地压紧被连接件。加大边缘部分的厚度，可便结合面贴合得好一些。在被连接件上面加十字或交叉对角线的肋，可以提高刚度，提高螺钉连接的紧密性。,螺纹

19、连接设计要领,8B.14 受弯矩的螺杆结构，应尽量减小螺纹受力,主要考虑螺钉的受力条件，其中a)、g)螺钉所受应力大，e)、f)圆柱和圆锥配合面抗弯强度高，结构最为合理，i)采用四个螺钉，提高了强度。,螺纹连接设计要领,8B.15 避免在拧紧螺母（或螺钉）时，被连接件产生过大变形,由于螺钉的预紧力过大，使叉形零件变形，杆件不能灵活转动，加一套筒撑住叉形零件，使叉形零件变形受到限制，保证了转动的灵活性。,螺纹连接设计要领,8B.16 紧定螺钉只能加在不承受载荷的方向上,使用紧定螺钉进行轴向定位止动时，要在不受轴的载荷作用的方向进行紧定，否则会简单地压坏，不起紧定作用。当轴承受变载荷时，用紧定螺钉

20、止动是不合适的。,螺纹连接设计要领,8B.17 螺纹孔不应穿过两个焊接件,对焊接构件，螺孔既不要开在搭接处又不要穿通，防止泄漏和降低连接强度。,螺纹连接设计要领,8B.18 螺孔要避免相交,轴线相交的螺孔碰在一起，削弱机体的强度和螺钉的连接强度。,螺纹连接设计要领,8B.19 靠近基础混凝土端部不宜布置地脚螺栓,如果在混凝土基础的端部设置有地脚螺栓等，常常容易使混凝土破损。解决办法是最好尽量远离基础端部，在不得已靠近端部时，要把混凝土基础加厚，提高强度。,螺纹连接设计要领,8B.20 螺孔的孔边要倒角,螺纹孔孔边的螺纹容易碰坏，碰坏后产生装拆困难，将钉孔口倒角可以避免。,螺纹连接设计要领,8B

21、.21 用多个沉头螺钉固定时，各埋头不可能都贴紧,用多个锥端沉头螺钉固定一个零件时，如有一个钉头锥面贴紧，则由于加工孔间距误差，其它钉头不能正好贴紧。如改用圆柱头沉头螺钉固定，则可以便每个螺钉都压紧，而使固定比较可靠。,螺纹连接设计要领,8B.22 防松方法结构应简单,采用止动垫圈防松时，如果垫圈的舌头没有完全插入轴侧的竖槽里则不能止动。使用新螺母止动垫圈，轴槽加工量较少，省去了麻烦的去螺纹毛刺工作，防松的可靠性达到100%，对轴强度削弱较少。,螺纹连接设计要领,8B.23 考虑螺母拧紧时有足够的扳手空间,部分箱体的接合面法兰部分和箱体壁面有壁厚差。因为希望壁厚变化尽量平缓，又希望螺栓中心尽量接近壁面，还希望缩小螺栓间距。因此容易造成锪孔非常深，或由于螺母太靠近壁面而扳手空间不够而不容易拧紧，甚至拧不紧。可以设法提高钉头或螺母的位置，以加大扳手空间。,螺纹连接设计要领,8B.24 要保证螺栓的安装与拆卸的空间,进行结构设计时要留出螺栓的安装与拆卸的空间，以保证螺栓在装拆时有足够的空间使螺栓能顺利地装入或取出。,螺纹连接设计要领,