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1、機電裝備儀器的工程化設計,第8講 焊接件與螺紋連接設計要領 主講教師：康宜華教授,焊接與焊接件,焊接加工方法越來越多使用。 主要原因： 快 省 多樣,常用焊接方法及特點,一、釬焊 釬焊是利用熔點比母材低的金屬作為釬料，加熱后，釬料熔化，焊件不熔化，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散，將焊件牢固的連接在一起。 根據(jù)釬料熔點的不同，將釬焊分為軟釬焊和硬釬焊。 （1）軟釬焊：軟釬焊的釬料熔點低于450C，接頭強度較低(小于70 MPa)。 （2）硬釬焊：硬釬焊的釬料熔點高于450C，接頭強度較高(大于200 MPa)。 釬焊接頭的承載能力與接頭連接面大小有關。因此，釬焊一般采
2、用搭接接頭和套件鑲接，以彌補釬焊強度的不足。,二、電弧焊 利用電弧作為熱源的熔焊方法，稱為電弧焊?？煞譃槭止る娀『?、埋弧自動焊和氣體保護焊等三種。手工自動焊的最大優(yōu)點是設備簡單，應用靈活、方便，適用面廣，可焊接各種焊接位置和直縫、環(huán)縫及各種曲線焊縫。尤其適用于操作不變的場合和短小焊縫的焊接；埋弧自動焊具有生產率高、焊縫質量好、勞動條件好等特點；氣體保護焊具有保護效果好、電弧穩(wěn)定、熱量集中等特點。,常用焊接方法及特點,三、電阻焊 電流通過工件及焊接接觸面間所產生的電阻熱，將焊件加熱至塑性或局部熔化狀態(tài)，再施加壓力形成焊接接頭的焊接方法。分為點焊、縫焊和對焊3種形式。 （1）點焊：將焊件壓緊在兩個
3、柱狀電極之間，通電加熱，使焊件在接觸處熔化形成熔核，然后斷電，并在壓力下凝固結晶，形成組織致密的焊點。適用于焊接4 mm以下的薄板(搭接)和鋼筋，廣泛用于汽車、飛機、電子、儀表和日常生活用品的生產。 （2）縫焊：縫焊與點焊相似，所不同的是用旋轉的盤狀電極代替柱狀電極。疊合的工件在圓盤間受壓通電，并隨圓盤的轉動而送進，形成連續(xù)焊縫。 縫焊適宜于焊接厚度在3 mm以下的薄板搭接，主要應用于生產密封性容器和管道等。,常用焊接方法及特點,（3）對焊（面焊）：分為電阻對焊和閃光對焊。 1）電阻對焊 先施加頂鍛壓力(1015 MPa)，使工件接頭緊密接觸，通電加熱至塑性狀態(tài)，然后施加頂鍛壓力(3050 M
4、Pa)，同時斷電，使焊件接觸處在壓力下產生塑性變形而焊合。操作簡便，接頭外形光滑，但對焊件端面加工和清理要求較高，否則會造成接觸面加熱不均勻，產生氧化物夾雜、焊不透等缺陷，影響焊接質量。一般只用于焊接直徑小于20 mm、截面簡單和受力不大的工件。,常用焊接方法及特點,2）閃光對焊 先通電，再使兩焊件輕微接觸，由于焊件表面不平，使接觸點通過的電流密度很大，金屬迅速熔化、氣化、爆破，飛濺出火花，造成閃光現(xiàn)象。繼續(xù)移動焊件，產生新的接觸點，閃光現(xiàn)象不斷發(fā)生，待兩焊件端面全部熔化時，迅速加壓，隨即斷電并繼續(xù)加壓，使焊件焊合。 對焊的接頭質量好，對接頭表面的焊前清理要求不高。常用于焊接受力較大的重要工件
5、。閃光對焊不僅能焊接同種金屬，也能焊接鋁鋼、鋁銅等異種金屬，可以焊接0.01 mm的金屬絲，也可以焊接直徑500 mm的管子及截面為20 000 mm2的板材。,四、激光焊 激光焊利用聚焦的激光束作為能源轟擊工件所產生的熱量進行焊接。具有如下特點： 1）激光束能量密度大，加熱過程極短，焊點小，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，焊件尺寸精度高； 2）可以焊接常規(guī)焊接方法難以焊接的材料，如焊接鎢、鉬、鉭、鋯等難熔金屬； 3）可以在空氣中焊接有色金屬，而不需外加保護氣體； 4）激光焊設備較復雜，成本高。 激光焊可以焊接低合金高強度鋼、不銹鋼及銅、鎳、鈦合金等；異種金屬以及非金屬材料(如陶瓷、有機玻璃等)；目前
6、主要用于電子儀表、航空、航天、原子核反應堆等領域。,常用焊接方法及特點,五、電子束焊 電子束焊在真空中利用聚焦的高速電子束轟擊焊接表面，使之瞬間熔化并形成焊接接頭。 具有以下特點： 1）能量密度大，電子穿透力強； 2）焊接速度快，熱影響取消，焊接變形??； 3）真空保護好，焊縫質量高，特別適用于活波金屬的焊接。 電子束焊用于焊接低合金鋼、有色金屬、難熔金屬、復合材料、異種材料等，薄板、厚板均可。特別適用于焊接厚件及要求變形很小的焊件、真空中使用器件、精密微型器件等。,常用焊接方法及特點,焊接件設計要領,a.根據(jù)工藝性能選擇焊接材料 優(yōu)先選用含碳量低于0.25%的碳鋼或碳當量低于0.4%的合金鋼
7、。這類材料的焊接性能、切削 性能等都比較好。 b.根據(jù)焊接件結構選擇焊接材料 在滿足承載能力等工作條件的前提下，考慮體積、重量、經濟因素，盡量選用型材和管材，以減少焊縫數(shù)量，簡化焊接工藝。 c.根據(jù)焊接方法選擇焊接材料（如圖表一）,8A.1焊接件材料的選擇,焊接件設計要領,焊接件設計要領,焊接件設計要領,8A.2 合理設計外形和選擇型材,焊接件應盡量采用直線輪廓，以提高焊接工藝性，并使造型簡明、美觀。 其結構最好能用各種標準的型鋼或鋼板拼焊而成， 其種類和尺寸型號也應盡量少。 只有必要時才用鑄焊結構。,不銹鋼和鋁的焊接件也越來越多使用。,8A.3 減少焊前切削加工,用鋼板焊接制
8、造零件時，盡量使所用的零件形狀簡單、規(guī)范，以減少加工工作量和邊角廢料。,焊接件的優(yōu)勢在于用標準的型材和板材經過簡單的切割下料，然后成型加工。,焊接件設計要領,8A.4 焊接件不要簡單模仿鑄件（一）,鑄件改為焊接件后應按焊接工藝的特點，在保證實現(xiàn)原有功能前提下，采用焊接加工方便的結構形式和尺寸。,焊接件設計要領,8A.5 焊接件不要簡單模仿鑄件（二）,保證焊接件的剛度。機座的地腳部分由于鋼板較薄，可將凸臺設計成雙層結構，并增設加強肋。,鳥巢的塔架結構,焊接件設計要領,8A.6 盡量減少組成焊接件的零件數(shù)和焊縫數(shù),上圖的焊接件由角鋼和小平板組成共11件。 下圖采用鋼板彎曲件以后，則減少到5件，焊
9、逢數(shù)目也大量減少。,焊接件設計要領,8A.7 注意提高焊接懸臂梁根部的強度,懸臂梁根部應力最大，是它的薄弱環(huán)節(jié)，應注意提高該部位的強度，尤其是受變應力的場合，宜采用下圖的結構，使焊縫避開最大彎矩截面。,焊接件設計要領,焊接件設計要領,8A.8 焊接接頭應力求過渡平緩,a.焊接接頭的四種形式,根據(jù)被焊件的相互位置，接頭形式有以上四種。,b.焊接接頭的坡口形式及尺寸要求,焊接件設計要領,搭接接頭的尺寸要求,對接接頭的坡口形式,角接接頭坡口形式,焊接件設計要領,T形接頭的坡口形式,8A.8 焊接接頭應力求過渡平緩,在槽鋼側面焊接一個蓋板以提高其強度和剛度，應使其各斷面的剛度逐漸加大，以避免突變的部位
10、形成薄弱的環(huán)節(jié)。,焊接件設計要領,8A.9 焊縫不宜安排在機械加工表面或轉折處,左圖中機械加工后焊縫被切掉一部分，其強度降低，而在轉折處受力較大，焊接時操作要求較高。 右圖改進后的結構。,焊接件設計要領,8A.10 斷面轉折處不應布置焊逢,一般情況下不應在斷面轉折處布置焊逢。如確實需要，則焊逢在轉折處不應中斷，否則容易產生裂紋。,焊接件設計要領,8A.11 避免焊逢底部受拉應力,焊逢底部抗拉強度較差，應盡量避免焊縫底部受拉力，為了提高焊縫強度，要進行背面補焊。,焊接件設計要領,8A.12 截面形狀應有利于減少變形和應力集中,焊接件設計應具有對稱性。焊縫布置與焊接順序也應對稱。這樣，就可以利用
11、各條焊縫冷卻時的力和變形的互相均衡，使焊件整體的變形較小。,焊接件設計要領,8A.13 正確選擇焊縫位置,選擇好焊縫位置可以減少變形量。 圖中底座頂板內側縫口大，在內側開坡口，并在內側焊接可以減小變形量，使頂板比較平直，內側焊接頂板變形角度為，外側焊接頂板變形角度為，而<。,焊接件設計要領,8A.14 不要讓焊接影響區(qū)相距太近,為使熱影響減小，各條焊縫應相互錯開。以免影響區(qū)相距太近，使變形太大，強度降低。,焊接件設計要領,8A.15 避免多條焊縫匯聚,多條焊縫匯聚時，結構復雜，發(fā)熱和變形大，強度低，應盡量避免，如在匯聚處A作出缺口（B）。,焊接件設計要領,8A.16 考慮氣體擴散,焊接密閉容
12、器時，應考慮焊接時容器中的氣體是否能釋放出來。較差的圖中所示結構氣體釋放不好，不易焊牢，若預先設計一放氣孔，使氣體能夠釋放，則有利于焊接。,焊接件設計要領,8A.17 減小焊縫的受力,焊縫應安排在受力較小的部位。如輪轂與輪圈之間的焊縫應盡量安排在距回轉中心遠一些的部位。 套管與板的連接，應將套管插入板孔，進行角焊，這種結構可以減小焊縫受力。,焊接件設計要領,8A.18 合理利用型材，簡化焊接工藝,較差的圖中下部的封口用熱軋普通槽鋼，A處焊接困難。若改為兩條角鋼焊接，則A所指處焊接較方便。,焊接件設計要領,8A.19 焊縫的加強肋布置要合理,合理布置加強肋可以提高焊接件強度和剛度，若布置不合理
13、，不但不起作用，甚至引起更大的焊接變形。受力集中處的焊縫應增設加強肋以改善焊縫的受力狀況，使水平梁上下翼板的力通過隔板傳遞到立柱兩側。,焊接件設計要領,8A.20 采用板料彎曲件以減少焊縫,用鋼板焊接的零件，如改為先將鋼板彎曲成一定形狀再進行焊接，不但可以減少焊縫，而且可使焊縫對稱和外形美觀。,焊接件設計要領,8A.21 箱形截面的構件用點焊連接時，應把連接處放在中性軸處,箱形截面的梁，受彎曲應力時，點焊處不宜安排在承受彎曲應力最大的上下面，而在中性軸處焊拉，所受應力較小。,焊接件設計要領,8B.1 避免同時裝入兩個配合面,圖中所示軸承與箱體相配，兩個軸承同時裝入，裝配困難，不易同時對準。
14、先裝入外面的大軸承，則在繼續(xù)打入裝里面的小軸承時，裝配很難觀察對準情況。 應該設計成兩個軸承依次裝入孔中，行裝入里面的小軸承，后裝入外面的大軸承。,螺紋連接設計要領,8B.2 零件安裝部位應該有必要的倒角,對用機械手安裝的零件應該有倒角，以保證零件裝入時的柔順性。如果有一個零件有倒角，則裝配柔順性較好，如兩個零件都有倒角則柔順性很好。,螺紋連接設計要領,8B.3 要為折裝零件留有必要的操作空間,應為擰緊螺母留有必要的扳手空間。 彈性套柱銷聯(lián)軸器的彈性柱銷，應在不移動零件的條件下自由裝拆。 在聯(lián)軸器標準中，尺寸A有一定要求，就是為拆裝彈性柱銷而定。,螺紋連接設計要領,8B.4 避免凸輪機構
15、試車時電動機反轉，造成失效,凸輪機構試車時由于連線不合適，電動機轉向與規(guī)定相反，凸輪的凸起部分與從動件相撞，使該機構失效。在傳動系統(tǒng)中加入一個超越離合器使凸輪只能按一個預期方向轉動即可避免產生此種事故 。 注：圖示凸輪機構中，凸輪1推動滾輪4上升，在經過凸輪A點后，改為由凸輪的附加輪廓2推端塊3，至右圖位置時，從動件突然下落，實現(xiàn)沖擊效果。,螺紋連接設計要領,8B.5 采用特殊結構避免錯誤安裝,有些零件有細微的差別，安裝時很容易弄錯，應在結構設計中突出顯示差異。如圖中所示雙頭螺柱，兩端螺紋都是M16但長度不同，安裝時容易弄錯。如將其中一端改用細牙螺紋M161.5（另一端仍用標準M16螺距為
16、2mm）則不易錯裝。如將另一端改為M18則更不易裝錯，但加工較難。,螺紋連接設計要領,8B.6 采用對稱結構簡化裝配工藝,如圖中所示的螺母與墊圈，在改進后，兩面對稱，不必判別方向，裝上即可。這種結構對自動化裝配更為重要，可以省去一個判斷零件正反方向的步驟。有人提出考慮裝配方便設計“傻瓜裝配”的結構設計思想。,螺紋連接設計要領,8B.7 盡量減少現(xiàn)場裝配工作量,有些設備，如重型機床、起重機、礦山設備等，必須分為若干部分運至現(xiàn)場進行裝配?，F(xiàn)場與制造廠條件不同，困難較多，應盡量減少現(xiàn)場裝配工作。,螺紋連接設計要領,8B.8 拆卸一個零件時應避免必須拆下其他零件,在設計時應避免各零件之間的裝配關系相互
17、糾纏。其中主要零件可以單獨拆裝，這樣就可以避免許多安裝中的反復調整工作。,螺紋連接設計要領,8B.9 對一個機械應合理劃分部件,一臺機械設備如果能合理地劃分為若干部件，分別平等作業(yè)進行裝配，然后總裝，可以減少裝配時間。在修理時，可以更換損壞的部件，加快修理進度、提高修理質量。,螺紋連接設計要領,8B.10 與孔配合緊密的套筒，應有考慮拆卸的結構,圖示套筒與孔有較緊密的配合。最左邊的圖拆卸時，很難放入工具拆卸困難。其余三個圖可以用工具推、打m處，插入間隙h，或用螺釘擰入釘孔t，把套筒向左推出。,螺紋連接設計要領,8B.11 薄弱的零件不應暴露在容易損壞的部位,圖示為向機器供應潤滑油的油嘴，左圖油
18、嘴暴露在外，容易被 碰壞，增加維修的工作量和成本。右圖所示油嘴受到其他零件的保護，延長了使用壽命。但是這樣的設計在加油時不容易找到加油的位置，應該在機器上面加一個位置圖。在油嘴上面涂以顏色油漆，以便識別。,螺紋連接設計要領,8B.12 避免用螺紋件定位,螺紋連接一般不能保證準確的對中，因為不可避免地有中徑誤差和間隙。彎曲的管道與機座之間不應采用螺紋連接，因為無法保證管道正好位于要求的方向，改用靠配合連接或用凸緣加螺栓固定較合理。,經常有學生認為這個是可以的，其實真的不可以！,螺紋連接設計要領,8B.13 螺釘應布置在被連接件剛度最大的部位,螺釘布置在被連接件剛度較小的凸耳上不能可靠地壓緊被連接
19、件。 加大邊緣部分的厚度，可便結合面貼合得好一些。 在被連接件上面加十字或交叉對角線的肋，可以提高剛度，提高螺釘連接的緊密性。,螺紋連接設計要領,8B.14 受彎矩的螺桿結構，應盡量減小螺紋受力,主要考慮螺釘?shù)氖芰l件，其中a)、g)螺釘所受應力大，e)、f)圓柱和圓錐配合面抗彎強度高，結構最為合理，i)采用四個螺釘，提高了強度。,螺紋連接設計要領,8B.15 避免在擰緊螺母（或螺釘）時，被連接件產生過大變形,由于螺釘?shù)念A緊力過大，使叉形零件變形，桿件不能靈活轉動，加一套筒撐住叉形零件，使叉形零件變形受到限制，保證了轉動的靈活性。,螺紋連接設計要領,8B.16 緊定螺釘只能加在不承受載荷的
20、方向上,使用緊定螺釘進行軸向定位止動時，要在不受軸的載荷作用的方向進行緊定，否則會簡單地壓壞，不起緊定作用。 當軸承受變載荷時，用緊定螺釘止動是不合適的。,螺紋連接設計要領,8B.17 螺紋孔不應穿過兩個焊接件,對焊接構件，螺孔既不要開在搭接處又不要穿通，防止泄漏和降低連接強度。,螺紋連接設計要領,8B.18 螺孔要避免相交,軸線相交的螺孔碰在一起，削弱機體的強度和螺釘?shù)倪B接強度。,螺紋連接設計要領,8B.19 靠近基礎混凝土端部不宜布置地腳螺栓,如果在混凝土基礎的端部設置有地腳螺栓等，常常容易使混凝土破損。解決辦法是最好盡量遠離基礎端部，在不得已靠近端部時，要把混凝土基礎加厚，提高強度。,
21、螺紋連接設計要領,8B.20 螺孔的孔邊要倒角,螺紋孔孔邊的螺紋容易碰壞，碰壞后產生裝拆困難，將釘孔口倒角可以避免。,螺紋連接設計要領,8B.21 用多個沉頭螺釘固定時，各埋頭不可能都貼緊,用多個錐端沉頭螺釘固定一個零件時，如有一個釘頭錐面貼緊，則由于加工孔間距誤差，其它釘頭不能正好貼緊。如改用圓柱頭沉頭螺釘固定，則可以便每個螺釘都壓緊，而使固定比較可靠。,螺紋連接設計要領,8B.22 防松方法結構應簡單,采用止動墊圈防松時，如果墊圈的舌頭沒有完全插入軸側的豎槽里則不能止動。 使用新螺母止動墊圈，軸槽加工量較少，省去了麻煩的去螺紋毛刺工作，防松的可靠性達到100%，對軸強度削弱較少。,螺紋連接設計要領,8B.23 考慮螺母擰緊時有足夠的扳手空間,部分箱體的接合面法蘭部分和箱體壁面有壁厚差。因為希望壁厚變化盡量平緩，又希望螺栓中心盡量接近壁面，還希望縮小螺栓間距。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間不夠而不容易擰緊，甚至擰不緊。可以設法提高釘頭或螺母的位置，以加大扳手空間。,螺紋連接設計要領,8B.24 要保證螺栓的安裝與拆卸的空間,進行結構設計時要留出螺栓的安裝與拆卸的空間，以保證螺栓在裝拆時有足夠的空間使螺栓能順利地裝入或取出。,螺紋連接設計要領,
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