CCSJ31重型機械焊接件設計規范2023-12-28發布2023-12-28實施國家標準化管理委員會I前言 l2規范性引用文件 13術語和定義 14焊接件設計的基本要求 l5焊接件用鋼材的選擇 15.1一般要求 5.2金屬的焊接性 26焊接接頭的型式 26.1一般要求 26.2選用原則 37焊接件焊縫強度計算 37.1不同焊縫的強度計算 37.2焊縫的許用應力 57.3不同載荷條件下焊接件設計要素 78焊接件設計的經濟性和合理性 78.1焊接件設計的基本原則 78.2T形接頭焊縫及角焊縫設計原則 88.3選擇合理的坡口形式 8.4選擇鋼材和焊材的合理性與經濟性 8.5焊縫位置的合理性與經濟性 8.6減少結構件焊接后的輔助工序 8.7減少焊縫內應力和收縮變形時的焊縫布置 8.8減少由于內應力在厚度方向而形成的層狀撕裂 9焊接件圖樣要求 9.1技術要求 9.2圖樣標注要求 10設計舉例 附錄A(資料性)焊接件圖樣規范 附錄B(資料性)設計舉例 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》的規定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國冶金設備標準化技術委員會(SAC/TC409)提出并歸口。本文件起草單位：中國重型機械研究院股份公司、一重集團大連工程技術有限公司、太原重工股份有限公司、二重(德陽)重型裝備有限公司、中煤北京煤礦機械有限責任公司、西安海威信誠檢驗檢測咨詢有限公司。1重型機械焊接件設計規范本文件規定了焊接件材料、焊接接頭選用規定、焊縫強度計算及焊接件設計的合理性和經濟性等一般規范。本文件適用于重型機械及零部件中的鋼制焊接件的焊接制造。2規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T324焊縫符號表示法GB/T985.1氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口GB/T985.2埋弧焊的推薦坡口GB/T5313厚度方向性能鋼板GB/T37400.3重型機械通用技術條件第3部分：焊接件JB/T6967電渣焊通用技術條件3術語和定義本文件沒有需要界定的術語和定義。4焊接件設計的基本要求焊接件設計時以可靠性為前提，以實用性為核心，以工藝性和經濟性為制約條件，宜注意設計結構的造型美觀，并應符合下列要求：——實用性：焊接件達到所要求的使用功能和預期效果；——工藝性：焊接件所選材料既具有良好的焊接性能，又具有良好的焊前預加工性能和焊后熱處理性能，焊接件設計的結構具有焊接和檢驗檢測的可達性，并易于實現機械化和自動化焊接；——經濟性：制造焊接件消耗的原材料、能源和工時最少，其綜合成本低。5焊接件用鋼材的選擇5.1一般要求焊接結構材料使用最多的是鋼，常用的鋼材有碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、低合金結構鋼、控軋2GB/T43483—2023比及精確計算。5.2金屬的焊接性5.2.1金屬的焊接性是指被焊金屬材料在采用一定的焊接工藝方法、焊接材料、工藝參數及結構型式條件下，獲得優質焊接接頭的難易程度。同一金屬材料，采用不同焊接方法或焊接材料，其焊接性有很大差別。5.2.2焊接性分為工藝焊接性和使用焊接性兩方面：a)工藝焊接性主要指金屬或材料在一定的焊接工藝條件下，能否獲得優質致密、無缺陷和具有一定使用性能的焊接接頭的能力，涉及焊接制造工藝過程中的焊接缺陷，即金屬對形成裂紋、氣b)使用焊接性主要指焊接接頭在使用中的可靠性，包括焊接接頭的機械性能(強度、塑性、韌性、硬度以及抗裂紋擴展的能力等)和其他特殊性能(如耐熱、耐蝕、耐低溫、抗疲勞、抗時效等)。5.2.3可通過碳當量法或焊接工藝評定試驗對金屬材料焊接性進行評價，具體分類如下。a)中高強度的非調質低合金高強鋼(500MPa≤Rm≤900MPa),wc≥0.18%,其碳當量CE(%)的計算公式見式(1)。b)普通碳鋼和低合金鋼，wc<0.6%、wmn<1.6%、wx<3.3%、wc<1.0%、wmo<0.6%、0.5%≤wcu≤1.0%、0.05%≤wp≤0.15%的合金鋼，其碳當量Cr(%)的計算公式見式(2)。c)低碳調質低合金高強鋼(500MPa≤Rm≤1000MPa),wc≤0.2%、ws≤0.55%、wmn≤1.5%、wc≤0.5%、ww≤2.5%、wc≤1.25%、wwo≤0.7%、wy≤0.1%、wg≤0.006%,其碳當量C:(%)的計算公式見式(3)?！擟E<0.4%時，鋼材的淬硬傾向不明顯，可焊性優良，當被焊工件厚度小于40mm、環境溫度大于5℃時焊接時可不用預熱；——當0.4%≤CE≤0.6%時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，焊接性變差，應采取適當預熱，控制線能量等工藝措施；——當Cg>0.6%時，鋼材的淬硬傾向強，屬于較難焊的鋼材，應采取較高的預熱溫度和嚴格的工藝措施。6焊接接頭的型式6.1一般要求在設計焊接接頭及焊縫型式時，宜充分考慮焊接材料消耗量、可達性、坡口加工、焊接變形等因素。根據焊接接頭的作用可將其分為三類(見圖1):——聯系焊接接頭的焊縫稱為聯系焊縫，在結構中的主要作用是保證金屬的有效連接，承受較小的載荷，在焊接結構件工作時，作用在焊縫上的工作應力較??；3——工作焊接接頭的焊縫稱為工作焊縫，在結構中主要作用是傳遞結構承受的載荷，在焊接結構件工作時，作用在焊縫上的工作應力較大；——雙重性焊接接頭焊縫既要起到連接作用又要傳遞一定的工作載荷。a)聯系焊縫b)工作焊縫c)雙重性焊縫6.2選用原則6.2.1厚鋼板宜采用組合焊縫、雙向對稱或不對稱焊縫，以減少焊縫截面積，增大接頭抗層狀撕裂能力。焊接件中不必全部采用全熔透焊縫，對主要的應力集中部位的焊縫應打磨或加工成圓滑過渡，此時在圖樣中按GB/T324中規定的焊縫代號標注。6.2.2氣體保護焊、焊條電弧焊、埋弧焊、窄間隙埋弧焊以及電渣焊等特殊焊縫的坡口形式和尺寸按GB/T985.1、GB/T985.2、GB/T37400.3、JB/T6967和特殊的要求進行設計。7焊接件焊縫強度計算7.1不同焊縫的強度計算不同焊縫的強度計算見表1。表1強度計算公式/P女hPnPnMMhfàPP4F4PPCPBPBPsine/PhFhIIP4.14.18Hh1心TM-PP/f’BPδhh一LLh4PAfAf會A會AhMhM5表1強度計算公式(續)鹽鹽上M&?角焊mMmM7.2焊縫的許用應力7.2.1.1受靜載荷時焊縫的許用應力[σ]按式(4)計算。式中：[o]'——母體金屬的許用應力(見表2);n——工作條件系數(見表3)。表2常用鋼材的許用應力[σ]’單位為兆帕材料名稱受拉(或壓)時材料名稱受拉(或壓)時Q195Q235(用于梁橋時)Q235Q275表3工作條件系數n焊接方法系數n對接剪切受拉受壓焊條電弧焊0.60埋弧自動焊接、閃光接觸對接焊、氣體保護焊0.6567.2.1.2受變載荷和變向載荷時的許用應力[R]按式(5)計算。式中：r——降低系數(見表4);[o]——受靜載荷時焊縫的許用應力。表4降低系數r焊縫類別載荷類型r對接接頭受變載荷受變向載荷角焊縫及其他焊縫受變載荷Pmin及Pmax分別為絕對數值的最小和最大作用力，代入時應帶有本身的正負號。r≤1(當r>1時則取r=1)7.2.2.1受靜載荷時的許用應力[o?]按式(6)計算。式中：m——工作條件系數(見表5);[o?]'——焊縫的基本許用應力。表5工作條件系數mm受拉元件受壓元件單面焊接的角鋼元件表6焊縫的基本許用應力[σ]’單位為兆帕焊縫分類應力種類[o?]’對接壓力對接拉力對接剪力壓力、拉力、剪力注：E4303、E4316、E4315焊條或埋弧自動焊接，用在Q215、Q235、Q275鋼號的元件上。7GB/T43483—20237.2.2.2受變向載荷時的許用應力[R?]按式(7)計算，系數γ按式(8)計算。 (7) (8)式中：a、b——鋼號系數(見表7);Pmin、Pmax——絕對數值的最小和最大的作用力，代入時應帶有本身的正負號。當計算的γ大于1時，則應取γ=1。表7鋼號Q235的a、b值焊縫分類ab焊縫分類ab應力集中未涉及的母體金屬1/1.5的端焊縫表面加工的對接焊縫對接焊縫側焊縫7.3不同載荷條件下焊接件設計要素不同產品領域其焊接結構承受不同的載荷及環境條件。靜載及主靜載、動載和熱動載等載荷條件下，以及在高低溫、特殊介質、輻射等環境條件宜從材料特性、接頭及結構特點等方面考慮進行焊接件設計。不同的載荷及環境條件焊接構件有可能發生不同形式的破壞：——如在靜載及主靜載的狀態下，發生形變斷裂、脆性斷裂、層狀撕裂、失穩破壞；——環境溫度過高或過低時發生蠕變失效及脆性斷裂；——動載狀態下發生疲勞斷裂。8焊接件設計的經濟性和合理性8.1焊接件設計的基本原則8.1.1合理設計結構形式8.1.1.1焊接件設計結構宜根據強度、剛度、穩定的要求，以最理想的受力狀態去確定結構的幾何形狀和尺寸。8.1.1.2宜重視結構的整體設計、細節處理，慎重處理對于應力復雜或應力集中部位。8.1.1.3焊接件設計宜利于實現機械化和自動化焊接，盡量采用簡單、平直的結構形式，減少短且不規則的焊縫。8.1.1.4宜避免采用難以彎制或沖壓、具有復雜空間曲面的結構。8.1.2減少焊接量8.1.2.1可以選用沖壓件代替部分焊件，結構形狀復雜、角焊縫多且密集的部位可用鑄鋼件代替。88.1.2.2筋板數量多的結構可以適當增加基體壁厚以減少焊縫。8.1.2.3角焊縫在保證強度要求的前提下，盡可能用最小的焊腳尺寸。坡口焊縫在保證焊透的前提下，宜選用填充金屬量最小的坡口形式。8.1.3合理布置焊縫8.1.3.1對稱軸的焊接件結構焊縫，宜盡量對稱布置或接近對稱軸處，以利于控制焊接變形。8.1.3.2設計時宜避免焊縫匯交和密集。有焊縫匯交時，宜使重要焊縫連續，宜使焊縫避開高工作應力部位、應力集中處、機械加工面和需變質處理的表面等。8.1.4.1宜使結構上每條焊縫都能方便施焊和進行質量檢驗。8.1.4.2焊接結構件宜在工廠中焊接，宜減少現場焊接量，減少手工操作，增加自動焊接。8.1.4.3對于雙面焊縫，操作空間好的用大坡口，差的小坡口。必要時，改用單面焊雙面成形的接頭坡口形式和焊接工藝。8.1.4.4宜減少仰焊或立焊的焊縫。8.1.5有利于生產組織與管理設計大型焊接結構時，宜按照部件的起重運輸條件、焊接變形控制、焊后熱處理、機械加工、質量檢驗和總裝配等因素進行合理分段。8.2T形接頭焊縫及角焊縫設計原則8.2.1原則上不宜采用單面角焊縫。在選用雙面焊縫確實有困難[如其中有一面難以施焊或者處于強迫位置，單面角焊縫不但變形大而且焊縫截面積比雙面角焊縫大一倍(見圖2、圖3)]時，宜選用單面角焊縫。8.2.2若角焊縫在較小負荷下工作或其強度不必計算時，宜按經驗公式確定全部或部分焊縫的高度：——對于雙面角焊縫按式(9);——對于單面角焊縫按式(10)。a≤0.6S或K≤0.7S………(10)式中：a——角焊縫厚度尺寸(見圖4),單位為毫米(mm);K——角焊縫焊腳尺寸(見圖4),單位為毫米(mm);S——連接鋼板中較薄的鋼板厚度(見圖4),單位為毫米(mm)。8.2.3尺寸a是按照連接鋼板中較薄的鋼板考慮的(見圖4),a不宜超過12mm。若由于負載原因，需要a>12mm時，宜采取開坡口的形式，采用半焊透或全焊透焊縫。9標引符號說明：標引符號說明：標引符號說明：a——角焊縫厚度尺寸；K——角焊縫焊腳尺寸；S——連接鋼板中較薄的鋼板厚度。8.2.4不同厚度的板材或管材對接接頭受拉時，其允許厚度差宜符合表8的規定。當超過表8的規定時宜將焊縫焊成斜坡狀，其坡度最大允許值宜為1:2.5;或將較厚板的一面或兩面及管材的內壁或外壁在焊前加工成斜坡，其坡度最大允許值宜為1:2.5(見圖5)。表8對接接頭允許厚度差單位為毫米較薄板厚度δ?允許厚度差(δ—δ?)234標引符號說明：L——斜坡狀長度。8.3選擇合理的坡口形式在設計焊接件坡口時，宜根據焊接件的厚度、焊接方法、焊接位置和具體焊接工藝過程進行考慮，應選用合理、便于施焊、易于加工、填充量少、減小變形的坡口形式。在對接焊縫中，可適當選擇焊接坡口形式。在保證設計焊接坡口深度的情況下，制造工藝可根據采用的焊接方法，改變坡口形式。示例見表9焊接件坡口形式選擇焊縫坡口型式焊縫坡口型式板厚20mm氣體保護焊F手工電弧焊F氣體保護焊F手工電弧焊F8.4選擇鋼材和焊材的合理性與經濟性應按照焊接產品承受載荷的特征、使用條件、壽命要求及制造工藝過程繁簡程度等進行合理選材。強度等級較低的鋼材價格較低焊接性能好，但在重載荷情況下，會導致產品尺寸和重量的增大；強度等級較高的鋼材價格較高，但可以節省用料、減小產品尺寸和重量。此外，選材時還應考慮材料強度級別不同時，會由于材料加工、焊接難易程度的不同對制造費用產生影響。選擇結構材料時，應按照焊接結構材料滿足的使用性能要求和加工性能要求，經過對其工況條件及各種材料在不同使用條件下的性能數據進行全面分析對比和精確計算，最終選用最適用的、經濟性最好的結構材料。在同一焊接結構件或產品中應減少選用板材或型材的材質種類和規格，宜選用軋制的型材和異型材。在材料劃分零部件下料時，考慮材料合理套料的可能性，提高材料利用率。焊接材料的選用宜考慮的主要因素如下：——材料的特性數據；——結構的運行條件；——加工工藝；——焊接工藝過程對材料性能的影響； 結構工作環境所產生的作用，8.5焊縫位置的合理性與經濟性在設計焊縫位置時，應選擇水平焊或平角焊，以保證焊接質量、提高生產率。同時在設計時宜考慮各處焊縫的布置具備可操作性，避免由于空間受限造成個別焊縫無法焊接。各種焊接位置的施焊時間對照示例見圖6、圖7及表10,宜避免強迫位置焊縫(見圖8)。仰焊橫焊表10焊接位置與施焊時間對照表焊接位置種類平角焊(水平角焊)平焊仰焊立焊橫焊(對接焊縫)施焊時間比8.6減少結構件焊接后的輔助工序8.6.1焊接后的輔助工序包括矯直、清理和打磨、焊后熱處理。8.6.2優先選用雙面焊縫，減少因單面焊縫變形較大而進行的矯直。8.6.3盡可能按負偏差焊接，減少因焊縫過高而進行的清理和打磨。8.6.4減少因如下情況而進行的焊后熱處理。a)當要求焊后消除應力和焊后進行多孔、多平面的機械加工時，應進行必要的熱處理。b)當材料的碳當量超過0.3%、要求減少由于合金元素而產生的焊后硬脆時，應進行焊后熱處理。c)針對焊縫較少、壁件薄、不進行機械加工且精度要求較低的焊接件，可采用振動時效來消除應力處理，而不采用焊后熱處理。8.7減少焊縫內應力和收縮變形時的焊縫布置隨著板厚的增加，焊縫在很大程度上會出現收縮，可分為如下三種收縮：——橫向收縮(見圖9);——縱向收縮(見圖10);——角變形收縮(見圖11)。標引符號說明：8.7.2減少收縮應力的措施8.7.2.1采用斷續焊縫、減小焊縫體積、降低熱量輸入，能減少收縮應力。但為避免應力集中，斷續焊縫不宜用在動載荷的結構件中。8.7.2.2減少收縮力矩，焊縫應相對截面的重心軸S對稱布置。如不可能，則較厚的焊縫應布置在靠近對稱軸心，較薄的焊縫布置在另一面(見圖12)。8.7.2.3避免焊縫聚積(例如十字交叉焊縫),特別是在厚截面時要避免，以免產生三向應力。若結構上需要交叉焊縫時，相交焊縫應交錯布置(見圖13)。8.7.2.4筋板能導致應力集中，可對筋板倒角，避免焊縫相交。8.7.2.5用收縮切口來減少收縮應力(見圖14、圖15、圖16)。圖14GB/T43483—20238.8減少由于內應力在厚度方向而形成的層狀撕裂8.8.1層狀撕裂對于厚度不小于30mm的鋼板，如果在焊接時厚度方向承受較大的拉伸拘束應力則易發生層狀撕裂(見圖17)。層狀撕裂多發生在T型和十字接頭的結構上，裂紋一般不露出表面，有危險性。4層狀撕裂乙8.8.2防止層狀撕裂的措施8.8.2.1對于船舶、海上采油平臺、鍋爐和壓力容器等重要焊接件應采用符合GB/T5313中對厚度方向性能規定的鋼板。鋼板的抗層狀撕裂能力采用厚度方向(Z向)拉伸試驗的斷面收縮率來評定。8.8.2.2選用合適的結構，以減少“Z”向拘束度，其具體辦法如下。a)改進焊接接頭形式：對塑性、韌性較低的焊縫區，避開與外力垂直作用(如圖18a)所示],開坡口(如圖18b)所示],將全插式接管改為半插式(如圖18c)所示]。不合理不合理b)合理合理圖18b)改進結構型式。如：將平板封頭改為橢圓封頭(如圖19所示);通過增大連接面減少層狀撕裂圖22、圖23)。圖20圖22標引符號說明：圖23SS9焊接件圖樣要求9.1技術要求焊接件的設計應符合GB/T37400.3的規定。9.2圖樣標注要求焊接件圖樣中的焊縫標注應符合GB/T324的規定，焊接件的圖樣規范參見附錄A。10設計舉例設計舉例參見附錄B。(資料性)焊接件圖樣規范焊接件的圖樣規范見表A.1。表A.1焊接件圖樣規范通用技術條件GB/T37400.