2焊接设计
2.1 材料选用
2.1.1 母材材料选用
2.1.1.1 钢结构对材料的要求[5]
钢结构所用的钢必须符合下列要求：
1） 较高的抗拉强度fu 和屈服点fy
fy是衡量结构承载能力的指标，fy高则可减轻结构自重、节约钢材和降低造价。fu是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时fu 高可以增加结构的安全保障。
2） 较高的塑性和韧性
塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗交变荷载作用的能力。
3） 良好的工艺性能
良好的工艺性能不但能保证通过冷加工、热加工和焊接加工成各种形式结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不良影响。
此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境能力。
按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。
2.1.1.2 钢结构用钢的分类 [5]
在钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构钢（或称普通碳素钢）和低合金结构钢。
1） 碳素结构钢
根据国家标准《碳素结构钢》（GB700-88）的规定，将碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275等五种牌号，钢的牌号有屈服强度字母（Q）、屈服强度值、质量等级符号（A、B、C和D）、脱氧方法符号等四部分顺序组成。常见用钢具体参数见表2-1-1。
2） 低合金钢
根据《低合金高强度结构钢》（GB1591-94）的规定，低合金高强度结构钢分为Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，其中Q345、Q390为钢结构常用钢种，Q420已在九江长江大桥中成功使用。具体参数见表2-1-1。
2.1.1.2 钢结构用钢选用原则 [5] [6]
钢材的选用在钢结构设计中是重要的一环，选择的目的是既要保证结构的安全，又要做到可靠和经济合理。选择钢材时应考虑以下几点。
1） 结构的重要性
对重型工业建筑钢结构、大跨度钢结构、压力容器、高层或超高层民用建筑或构筑物等重要结构，应考虑选用质量好的钢材；其他按工作性质分别选用普通质量的钢材；另外，安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。
2） 载荷情况
一般承受静载荷的结构，应主要以满足强度要求来选取。直接承受交变载荷的结构，若属于低周疲劳，在保证一定强度要求下，着重考虑材料的塑性和韧性；若属于高周疲劳，这时强度队疲劳抗力起着主导作用，应选择强度高的材料。承受冲击载荷的结构，所选材料应具有足够的延性和韧性。按刚度条件设计的结构，其工作应力一般比较小，但其壁厚较厚，此时选材不应是高强度的，而应是塑性和韧性好的一般强度的材料。在厚度方向受到拉伸载荷，应选择层状夹杂少，厚度方向塑性好的材料，以防止产生层状撕裂。
3） 连接方法
焊接结构对材质的要求应严格一些。例如，在化学成分方面必须严格控制碳、硫、磷的含量；非焊接结构对碳当量可放宽要求。
4） 结构所处的温度和环境
在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。露天结构易产生时效，有害介质作用的钢材易腐蚀、疲劳和断裂，应区别地选择不同的材质，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准GB/T4172《焊接结构有耐候钢》的规定。
5） 钢材厚度
厚钢材辊轧次数少 ，轧制压缩比相对薄板小。所以厚度大的钢材不仅强度较小，而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差。因此，厚度大的焊接结构应采用材质好的钢材。推荐采用Z向钢，其材质应符合现行国家标准GB/T5313《厚度方向性能钢材》的规定。
6）对于需要演算疲劳的焊接结构的钢材，应具用常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于0℃但高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具用0℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度不高于-20℃时，Q235钢和Q345钢应具用-20℃冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40℃冲击韧性的合格保证。
吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对钢材冲击韧性的要求应与需要演算疲劳的构件相同。
表2-1-1 常见结构钢力学性能及匹配焊接材料
|
钢 材
|
手工电弧焊焊条
|
CO2⑤气体保护焊实心焊丝
|
埋弧焊焊接材料
|
|
牌号
|
等级
|
抗拉强度①Re/Mpa
|
屈服强度
|
冲击吸收功①
|
型号示例
|
型号示例
|
焊剂型号-焊丝牌号
|
|
δ≤16mm
|
δ>50～100mm
|
T/℃
|
AKV/J
|
|
Q235
|
A
|
375～460
|
235
|
205②
|
—
|
—
|
E4303③
|
ER49-1③
|
F4A0-H08A
|
|
B
|
20
|
27
|
E4303、E4328、E4315、E4316
|
|
C
|
0
|
27
|
ER50-6
|
|
D
|
-20
|
27
|
F4A2-H08A
|
|
Q295
|
A
|
390～570
|
295
|
235
|
—
|
—
|
E4303③
|
ER49-1③ER49-6
|
F5004-H08A⑥、F5004-H08MnA⑦
|
|
B
|
20
|
34
|
E4328、E4315、E4316
|
ER50-3、ER50-6
|
F5014-H08A⑥、F5014-H08MnA⑦
|
|
Q345
|
A
|
470～630
|
345
|
275
|
—
|
—
|
E5003③
|
ER49-1③
|
F5004-H08A⑥、F5004-H08MnA⑦F5004-H10Mn2⑦
|
|
B
|
20
|
34
|
E5003③、E5015、E5016、E5018
|
ER50-3
|
F5014-H08A⑥、F5014-H08MnA⑦、F5014-H10Mn2⑦、F5011-H08A⑥、F5011-H08MnA⑦、F5011-H10Mn2⑦
|
|
C
|
0
|
34
|
E5015、E5016、E5018
|
ER50-2
|
F5024-H08A⑥、F5024-H08MnA⑦、F5024-H10Mn2⑦、F5021-H08A⑥、F5021-H08MnA⑦、F5021-H10Mn2⑦
|
|
D
|
-20
|
34
|
F5034-H08A⑥、F5034-H08MnA⑦、F5034-H10Mn2⑦、F5031-H08A⑥、F5031-H08MnA⑦、F5031-H10Mn2⑦
|
表2-1-1续
|
钢材
|
手工电弧焊焊条
|
CO2⑤气体保护焊实心焊丝
|
埋弧焊焊接材料
|
|
牌号
|
等级
|
抗拉强度①Re/Mpa
|
屈服强度
|
冲击吸收功①
|
型号示例
|
型号示例
|
焊剂型号-焊丝牌号
|
|
δ≤16mm
|
δ>50～100mm
|
T/℃
|
AKV/J
|
|
Q390
|
A
|
490～650
|
390
|
330
|
—
|
—
|
E5015、E5016、E5515-D3、E5515-G、E5516-D3、E5516-G
|
ER50-3
|
F5011-H08MnA⑥、F5011-H10Mn2⑦、F5011-H08MnMoA⑦
|
|
B
|
20
|
34
|
|
C
|
0
|
34
|
F5021-H08MnA⑥、F5021-H10Mn2⑦、F5021-H08MnMoA⑦
|
|
D
|
-20
|
34
|
ER50-2
|
F5031-H08MnA⑥、F5031-H10Mn2⑦、F5031-H08MnMoA⑦
|
|
E
|
-40
|
27
|
④
|
④
|
F5041④
|
|
Q420
|
A
|
520～680
|
420
|
360
|
—
|
—
|
E5515-D3、E5515-G、E5516-D3、E5516-G
|
ER55-D2
|
F6011-H10Mn2⑥、F6011-H08MnMoA⑦
|
|
B
|
20
|
34
|
|
C
|
0
|
34
|
F6021-H10Mn2⑦、F6021-H08MnMoA⑦
|
|
D
|
-20
|
34
|
F6031-H10Mn2⑦、F6031-H08MnMoA⑦
|
|
E
|
-40
|
27
|
④
|
④
|
F6041④
|
① 表中钢材力学性能的单值均为最小值。
② 板厚δ>60～100mm时的Re值。
③ 用于一般结构，其他用于重大结构。
④ 由供需双方协议。
⑤ 含Ar-CO2混合气体保护焊。
⑥ 薄板I形坡口对接。
⑦ 中、厚板坡口对接.
7）下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：
①焊接结构。
a． 直接承受动力载荷或振动载荷且需要演算疲劳的结构。
b． 工作温度低于-20℃时的直接承受动力载荷或振动载荷但不需要演算疲劳的结构以及承受静力载荷的受弯及受拉德重要承重结构。
c． 工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。
② 非焊接结构。
工作温度等于或低于-20℃时的直接承受动力载荷且需 要演算疲劳的结构。
8）承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。对焊接结构还应具有碳含量的合格证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。
2.1.2焊接材料匹配[3] [7] [8] [9] [10] [11]
焊接不同类别钢材时，焊接材料的匹配应符合设计要求。常见结构钢材采用焊条电弧焊、CO2气体保护焊和埋弧焊进行焊接，焊接材料可按表2-1-1中的规定。
2.2 焊接方法的选用[12]
选择焊接方法时必须符合以下要求：能保证焊接产品的质量优良可靠；生产率高，生产费用低，工作条件好，能获得较好的经济效益。
影响这两方面的因素很多，概括如下：
㈠ 产品特点
⑴ 产品结构类型
本单位焊接的产品按结构特点大致可分为以下三大类。
1） 结构类 如桥梁钢结构、起重机械等的钢结构；
2） 机械零件类 如机械产品的零部件等；
3） 半成品类 如工字梁、管子等。
这些不同结构的产品由于焊缝的长短、形状、焊接位置等个不相同，因而适用的焊接方法也会不同。
结构类产品中规则的的长焊缝和环缝宜采用埋弧焊；手弧焊用于打底焊和短焊缝焊接，机械类产品接头一般较短，根据其准确度要求，选用气体保护焊（一般厚度）、电渣焊（重型构件易于立焊的）；半成品类的产品的焊接接头往往是规则的，宜采用适于机械化的焊接方法，如埋弧焊和气体保护焊。
表2-1-2焊接方法影响因素
|
焊接方法
|
适用材料下焊接厚度(mm)
|
接头形式
|
焊接位置
|
费用
|
自动化程度
|
|
对接
|
T接
|
搭接
|
平焊
|
立焊
|
横焊
|
仰焊
|
设备费
|
焊接费
|
|
手工电弧焊
|
碳钢
|
单道2～6 多道6以上
|
A
|
A
|
A
|
A
|
B
|
B
|
C
|
少
|
少
|
差
|
|
低合金钢
|
单道2～6 多道6以上
|
|
二氧化碳气保焊
|
碳钢
|
射流过渡:单道3～10;多道10以上
短路过渡:单道0.5～6;多道6～20
|
A
|
A
|
A
|
A
|
A
|
B
|
C
|
中
|
少
|
好
|
|
低合金钢
|
射流过渡:单道3～10;多道10以上
短路过渡:单道0.5～6;多道6～20
|
|
埋弧焊
|
碳钢
|
单道5～24 多道24以上
|
A
|
A
|
A
|
A
|
D
|
B
|
D
|
中
|
少
|
好
|
|
低合金钢
|
单道5～24 多道24以上
|
|
栓钉焊
|
碳钢①
|
②
|
|
|
|
|
|
|
|
少
|
少
|
好
|
|
低合金钢①
|
|
电渣焊
|
碳钢
|
24以上
|
A
|
A
|
B
|
C
|
A
|
D
|
D
|
大
|
少
|
好
|
|
低合金钢
|
24以上
|
① ②栓钉的材料为ML15 和ML15Al。（GB/T6478-2001 《冷镦和冷挤压用钢》）； 栓钉的规格有：M10、M13、M16、M19、M22、M25等（GB/T10433-2002 《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》）
