10-4 焊接接头应力分布（教资特选）

1、焊工技师、高级技师培训,10-4 焊接接头工作应力分布,1,教学教资,焊接接头工作应力分布,在焊件需连接的部位，用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头，一般简称接头。焊接接头本身的力学性能不均匀、焊接接头部位所受工作应力分布不均匀，是造成接头破坏的主要原因。,焊接接头工作应力分布,在焊件需连接部位，用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头，一般简称接头。 接头是焊接结构的重要组成部分。通过对大量焊接结构失效事故的分析表明，接头部位往往是结构破坏的起点。造成这种情况的原因是多方面的，归纳起来主要有两点：焊接接头本身的力学性能不均匀；接头部位所受工作应力分布不均匀。因此，研究焊接接头的性能特征和应力分布

2、规律，对提高焊接结构的使用可靠性具有十分重要的意义。,焊接接头工作应力分布,焊接接头的类型,一、焊接接头的组成 二、焊缝的基本形式 三、焊接接头的基本形式,焊接接头工作应力分布,一、焊接接头的组成,焊接接头由焊缝金属、熔合区、热影响区、母材组成,图2-1 熔焊焊接接头的组成 对接接头的断面图 搭接接头的断面图,焊接接头工作应力分布,影响焊接接头性能的主要因素,焊接接头是一个成分、组织和性能都不均匀的连接体。此外，焊接接头因焊缝的形状和布置的不同，将会产生不同程度的应力集中。所以，不均匀性和应力集中是焊接接头的两个基本属性。 影响焊接接头性能的主要因素有以下两个方面： 力学方面因素：接头形状的不

3、连续性(余高、接头错边)、焊接缺陷（未焊透、裂纹）、残余应力和残余变形等。 材质方面因素：焊接热循环所引起的组织变化、焊接材料引起的焊缝化学成分的变化、焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等。,焊接接头工作应力分布,二、焊接接头的不均匀性及其力学行为,热影响区的力学性能,1.强度和塑性,焊接接头工作应力分布,2.韧性,焊接接头工作应力分布,焊缝金属的力学性能,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,影响焊接接头性能的主要因素,残余应力,组织成分不同,焊趾及咬边,热影响区,焊缝金属,缺陷：裂纹、未焊透、气孔、夹渣,裂纹、脆化,应力集中,角变形,错边,错

4、边,应力集中,焊接接头工作应力分布,二、焊缝的基本形式,对接焊缝 角焊缝,焊缝的形式应根据焊件的厚度、工作条件、受力情况等因素进行选择。 焊缝是构成焊接接头的主体部分，对接焊缝和角焊缝是焊缝的基本形式。,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,对接焊缝,对接焊缝的接头可采用卷边、平对接或加工成各种形式的坡口。对接焊缝开坡口的目的，是为了确保接头的质量，同时也从经济效益考虑。坡口形式的选择取决于板材厚度、焊接方法和工艺过程。通常必须考虑以下几个方面： 1）可焊到性或便于施焊； 2）降低焊接材料的消耗量； 3）坡口易加工； 4）减少或控制焊接变形。,焊接接头工作应力分布,上面只是列举了选择坡口

5、的一般规则，具体选择时，则需要根据具体情况综合考虑。例如，从节约焊接材料出发，U形坡口较V形坡口好，但加工费用高；双面坡口明显地优于单面坡口，同时焊接变形小。双面坡口焊接时需要翻转焊件，增加了辅助工时，所以在板厚小于25mm时，一般采用V形坡口。受力大而要求焊接变形小的部位应采用U形坡口。利用焊条电弧焊焊接6mm以下钢板时，选用I形坡口就可得到优质焊缝；用埋弧自动焊焊接14mm以下的钢板，采用I形坡口也能焊透。,焊接接头工作应力分布,对接焊缝,坡口角度的大小与板厚和焊接方法有关，其作用是使电弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，焊缝金属量越多，焊接变形也会增大，一般坡口角度选60左右。 采用根

6、部间隙是为了保证焊缝根部能焊透，一般情况下，坡口角度小，需要同时增加根部间隙；根部间隙较大时，又容易烧穿，为此，需要采用钝边防止烧穿。根部间隙过大时，还需要加垫板。,焊接接头工作应力分布,对接焊缝的典型坡口形式,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,角焊缝,角焊缝按其截面形状可分为平角焊缝、凹角焊缝、凸角焊缝和不等焊脚角焊缝。 各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关。静载时，如母材金属塑性良好，则角焊缝的截面形状对承载能力没有明显影响；动载时，凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高，凸角焊缝的承载能力最低。不等腰角焊缝，长边平行于载荷方向时，承受动载效果好。,焊接接头工作应力分布,角焊缝截面

7、形状及其计算断面,K,K,a,K,K,a,K,K,a,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,为了提高焊接效率、节约焊接材料、减小焊接变形，当板厚大于13mm时，可以采用开坡口的角焊缝。在等强度条件下，坡口角焊缝的焊接材料消耗量仅为普通角焊缝的60% 。,焊接接头工作应力分布,三、焊接接头的基本形式,焊接接头的基本形式有四种：对接接头、搭接接头、T形接头和角接接头。 对接接头：两焊件表面构成大于或等于135 、小于或等于180夹角，即两板件相对端面焊接而形成的接头。 对接接头从强度角度看是比较理想的接头形式，也是广泛应用的接头形式之一。常见的对接接头的焊缝轴线与载荷方

8、向相垂直，也有少数与载荷方向成斜角的斜焊缝对接接头。,F,F,对接接头 斜缝对接接头,焊接接头工作应力分布,搭接接头,两板件部分重叠起来进行焊接所形成的接头称为搭接接头。 搭接接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是理想的接头形式。但由于焊前准备及装配工作较为简单，故多用于受力较小且不要求密封性的结构中。 搭接接头中，最常见的是角焊缝组成的搭接接头，一般用于12mm 以下的钢板焊接。除此之外，还有开槽焊、塞焊、锯齿状搭接等多种形式。,焊接接头工作应力分布,开槽焊搭接接头,F,F,开槽焊搭接接头，先将被连接件加工成槽形孔，然后用焊缝金属填满该槽，开槽焊焊缝断面为矩形，其宽度为被连接件厚度的二倍，

9、开槽长度应比搭接长度稍短一些。,2,焊接接头工作应力分布,塞焊接头,塞焊接是在被连接的钢板上钻孔，用来代替开槽焊的槽形孔，用焊缝金属将孔填满使两板连接起来。当被连接板厚小于5mm时，可以采用大功率的埋弧焊或CO2气体保护焊直接将钢板熔透而不必钻孔。,F,F,焊接接头工作应力分布,这种接头施焊简单，特别对于一薄一厚的两焊件连接最为方便，生产效率较高。,焊接接头工作应力分布,T形（十字）接头,T形接头是典型的电弧焊接头，能承受各种方向的力和力矩，这类接头应避免采用单面角焊缝，因为这种接头的根部有很深的缺口，其承载能力低。,焊接接头工作应力分布,T形接头的承载能力,Fy,Fx,M,Fy,Fz,Fx,

10、M,焊接接头工作应力分布,角接接头,两板件端面构成30135夹角的焊接接头称作角接接头，角接接头多用于箱形构件。,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,电弧焊接头的工作应力,一、应力集中的概念 二、电弧焊接头的工作应力分布,焊接接头工作应力分布,应力集中的概念,由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大应力比平均应力值 高，这种情况称应力集中。 应力集中，是指接头局部区域的最大应力值较平均应力值高的现象。常以应力集中系数KT表示。,焊接接头工作应力分布,在焊接接头中产生应力集中的原因是： 焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中

11、咬边、未焊透较为严重。 不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。 接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。 制造过程中的缺陷。 焊接残余应力。,焊接接头工作应力分布,二、电弧焊接头的工作应力分布,1、对接接头 由于余高造成了构件表面不平滑，在焊缝与母材金属的过渡处引起应力集中。焊趾处KT为1.6，焊根处KT为1.5。 KT的大小与余高h和焊缝向母材金属过渡的半径r有关。减小r和增大h，均使KT增加。当余高h为零时， KT =1，应力集中消失。 如果余高太大，虽然使焊缝截面增厚，但却使应力集中程度增加，因此生产中应适当控制余高。 余高不得超过国家有关标准规定的03mm范围。,焊接

12、接头工作应力分布, 对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力集中部位在焊趾。 应力集中系数：,焊接接头工作应力分布,对接接头的应力集中,焊接接头工作应力分布,余高对应力集中的影响,由余高带来的应力集中，对动载结构的疲劳强度是十分不利的，所以此时要求它越小越好。 国家标准规定：在承受动载荷情况下，焊接接头的焊缝余高应趋于零。 因此，对重要的动载结构，可采用削平余高或增大过渡圆弧的措施来降低应力集中，以提高接头的疲劳强度。,焊接接头工作应力分布,余高与过渡半径与KT的关系,焊接接头工作应力分布,丁字接头、十字接头,焊接接头工作应力分布,十字接头有熔透和未熔透两种 未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，其中以焊根处为最大。 熔透的十字接头有较小的应力集中系数,焊接接头工作应力分布,点焊接头的应力分布,单排点焊接头的应力分布（如图） 多排点焊以两端焊点受力最大（如图）,焊接接头工作应力分布,正面搭接焊缝的弯曲变形,焊接接头工作应力分布,3.联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布,焊接接头工作应力分布,接触焊接头的工作应力分布和工作性能,焊接接头工作应力分布,焊接接头工作应力分布,多排点焊接头排数多于三排是不合理的，因为不能增加承载能力。,单排点焊缝焊点间距小，对降低应力集中有利；