连接焊缝残余应力PPT课件

1、一、焊缝连接一、焊缝连接优点：优点：构造简单构造简单，任何形式的构件都可，任何形式的构件都可直接相连直接相连；用料用料经济经济，不削弱不削弱截面；截面；制作制作加工方便加工方便，可实现，可实现自动化操作自动化操作；连接的连接的密闭性好密闭性好，结构，结构刚度大刚度大 缺点：缺点：在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发在焊缝附近的热影响区内，钢材的金相组织发生改变，导致局部生改变，导致局部材质变脆材质变脆；焊接残余应力和残余变形使受压构件焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降承载力降低低；对对裂纹很敏感裂纹很敏感，局部裂纹一旦发生，就容易扩，局部裂纹一旦发生，就容易扩展到整体，展到整体，低温

2、冷脆低温冷脆问题较为突出问题较为突出 第1页/共63页二、铆钉连接二、铆钉连接 构造复杂构造复杂，费钢费工费钢费工，现已很少采用；，现已很少采用；铆钉连接的铆钉连接的塑性和韧性较好塑性和韧性较好，传力可靠传力可靠，质量易于检查质量易于检查，在一些重型和直接承受动，在一些重型和直接承受动力荷载的结构中，有时仍然采用力荷载的结构中，有时仍然采用三、螺栓连接三、螺栓连接 普通螺栓连接普通螺栓连接 高强螺栓连接高强螺栓连接第2页/共63页（一）普通螺栓连接1、分为A、B、C三个等级类别类别加工精度加工精度抗剪抗剪 性能性能成本成本使用范围使用范围精制精制 (A(A、B)B)级级 高，栓径与孔高，栓径与

3、孔径之差为径之差为0.50.50.8mm0.8mm，I I类孔类孔 高高 高高 1 1）构件精度很高的结构，机械结构；）构件精度很高的结构，机械结构；2 2）连接点仅用一个螺栓或有模具套）连接点仅用一个螺栓或有模具套钻的多个螺栓连接的可调节杆件钻的多个螺栓连接的可调节杆件（柔性杆）（柔性杆）粗制粗制 (C(C级级) )较低，栓径与较低，栓径与孔径之差为孔径之差为1 11.5mm, 1.5mm, 类孔类孔较低较低 低低 1 1）抗拉连接；）抗拉连接； 2 2）静力荷载下抗剪连接；）静力荷载下抗剪连接； 3 3）加防松措施后受风振作用抗剪；）加防松措施后受风振作用抗剪； 4 4）可拆卸连接；）可拆

4、卸连接； 5 5）安装螺栓；）安装螺栓；6 6）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用）与抗剪支托配合抗拉剪联合作用第3页/共63页2 2、A A级、级、B B级螺栓材料性能为级螺栓材料性能为8.88.8级级 表示螺栓成品的表示螺栓成品的抗拉强度抗拉强度下限值为下限值为800N/mm800N/mm2 2 屈强比屈强比为为0.80.83 3、C C级螺栓材料性能为级螺栓材料性能为4.64.6级或级或4.84.8级级 表示螺栓成品的抗拉强度下限值为表示螺栓成品的抗拉强度下限值为400N/mm400N/mm2 2 屈强比为屈强比为0.60.6或或0.80.8第4页/共63页1 1、分类：按传力机理分、分类：按

5、传力机理分摩擦型高强螺栓摩擦型高强螺栓、承压型承压型高强螺栓高强螺栓 a.a.摩擦型高强螺栓：摩擦型高强螺栓：只依靠只依靠摩擦阻力摩擦阻力传力，并传力，并以以剪力不超过接触面摩擦力剪力不超过接触面摩擦力作为设计准则作为设计准则 b.b.承压型高强螺栓：承压型高强螺栓：允许接触面滑移，以允许接触面滑移，以连接连接达到破坏达到破坏的极限承载力作为设计准则的极限承载力作为设计准则 2 2、材料：一般采用优质碳素钢中的、材料：一般采用优质碳素钢中的4545号钢、号钢、40B40B钢，合金钢中的钢，合金钢中的20MnTiB20MnTiB钢等，性能等级可达钢等，性能等级可达8.88.8级和级和10.910

6、.9级级 （二） 高强螺栓连接第5页/共63页3 3、两类高强螺栓对比：、两类高强螺栓对比：摩擦型高强螺栓：摩擦型高强螺栓：螺杆与螺孔之差螺杆与螺孔之差1.51.52.0mm2.0mm剪切变形小，弹性性能号，施工较简单，可拆卸，剪切变形小，弹性性能号，施工较简单，可拆卸，耐疲劳、抗动力荷载性能好，承载力较承压型低耐疲劳、抗动力荷载性能好，承载力较承压型低特别适用于特别适用于承受动力荷载承受动力荷载的结构的结构承压型高强螺栓：承压型高强螺栓：螺杆与螺孔之差螺杆与螺孔之差1.01.01.5mm1.5mm承载力高，连接紧凑，但抗剪变形大承载力高，连接紧凑，但抗剪变形大一般一般仅用于仅用于承受承受静力

7、荷载静力荷载和和间接承受动力荷载间接承受动力荷载结结构中的连接构中的连接第6页/共63页 钢结构中通常采用电弧焊钢结构中通常采用电弧焊 电弧焊又分为电弧焊又分为手工电弧焊、埋弧焊（自手工电弧焊、埋弧焊（自动或半自动）以及气体保护焊动或半自动）以及气体保护焊等等第二节 焊接连接的特性一、焊接方法第7页/共63页手工电弧焊手工电弧焊示意图第8页/共63页优缺点：优缺点：设备简单设备简单，操作，操作灵活灵活方便，适用于方便，适用于任意空间任意空间，工位复杂，形状复杂的焊缝焊接，特别适用于工位复杂，形状复杂的焊缝焊接，特别适用于焊接焊接短焊缝短焊缝全手动，生产全手动，生产效率低效率低，劳动，劳动强度大

8、强度大，焊接质量，焊接质量和焊工的精神状态与技术水平有很大关系和焊工的精神状态与技术水平有很大关系焊条与焊剂焊条与焊剂：短短焊条焊条(350(350400mm)400mm)：Q235Q235E43E43型；型； Q345Q345E50E50型；型；Q390Q390与与Q420Q420E55E55焊剂：附于焊条之药皮，保护电弧和溶化金属焊剂：附于焊条之药皮，保护电弧和溶化金属第9页/共63页埋弧焊（自动或半自动）第10页/共63页特点：特点：焊丝不涂药皮，施焊端靠由焊剂漏头自动流下焊丝不涂药皮，施焊端靠由焊剂漏头自动流下的颗粒状焊剂所覆盖的颗粒状焊剂所覆盖电弧热量集中电弧热量集中，熔深大熔深大，

9、适于适于厚板的焊接厚板的焊接生产生产效率高效率高，工艺条件，工艺条件稳定稳定，焊缝化学成分均，焊缝化学成分均匀，焊缝的匀，焊缝的质量好质量好，质量均匀、塑性、韧性好，质量均匀、塑性、韧性好，抗腐蚀性强，焊件变形小，减小了热影响区的抗腐蚀性强，焊件变形小，减小了热影响区的范围范围装配精度（如间隙）要求比手工焊高装配精度（如间隙）要求比手工焊高 第11页/共63页利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保利用二氧化碳气体或其他惰性气体作为保护介质，保证了焊接过程的稳定性护介质，保证了焊接过程的稳定性速度快，焊缝强度高于手工电弧焊，塑性、速度快，焊缝强度高于手工电弧焊，塑性、抗腐蚀性好抗腐蚀性好 气体保护

10、焊第12页/共63页二、焊缝连接形式及焊缝形式（一）焊缝连接形式第13页/共63页1 1、按受力方向分：、按受力方向分：（1 1）对接焊缝：）对接焊缝：正对接焊缝正对接焊缝、斜对接焊缝斜对接焊缝（2 2）角焊缝：）角焊缝：正面角焊缝正面角焊缝、侧面角焊缝侧面角焊缝、斜焊缝斜焊缝（二）焊缝形式对接焊缝角焊缝第14页/共63页2、按长度方向的布置分：（1）连续角焊缝：受力性能较好，主要的角焊缝形式（2）间断角焊缝：容易引起应力集中只能用于一些次要构件的连接或受力很小的连接中连续角焊缝 间断角焊缝第15页/共63页3、按施缝位置分： 平焊 横焊 立焊 仰焊第16页/共63页焊缝缺陷：焊接过程中产生于

11、焊缝金属或附近热影响区钢材表面或内部的缺陷常见缺陷：三、焊缝缺陷及焊缝质量检查1、焊缝缺陷第17页/共63页（1 1）焊缝质量）焊缝质量检验方法检验方法分：分：外观检查外观检查、超声波超声波探伤探伤检验、检验、X X射线检验射线检验（2 2）焊缝）焊缝质量质量分分三级三级: : a. a.一级焊缝需经一级焊缝需经外观检查外观检查、超声波探伤超声波探伤、x x射线射线检验都合格；检验都合格； b.b.二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格；二级焊缝需外观检查、超声波探伤合格； c.c.三级焊缝需外观检查合格；三级焊缝需外观检查合格； 2、焊缝质量检查3、焊缝质量等级的选用第18页/共63页 焊缝代号

12、由焊缝代号由引出线、图形符号、辅助符号引出线、图形符号、辅助符号三三部分组成部分组成四、焊缝代号、螺栓及其孔眼图例第19页/共63页 对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊对接焊缝的焊件常需做成坡口，故又叫坡口焊缝缝第三节 对接焊缝的构造与计算一、对接焊缝的构造板厚t 10mm: 直边缝板厚t 1020mm: 单边V形、双边V形板厚t 20mm ：U形、 K形、 X形第20页/共63页变厚度板对接变厚度板对接，在板的一面或，在板的一面或两面切成坡度不大于两面切成坡度不大于1 1：2.52.5的的斜面，避免应力集中斜面，避免应力集中 变宽度板对接，在板的一侧或两侧切成坡度不大于1：2.5的斜边

13、，避免应力集中 起落弧处易有焊接缺陷，用引弧板，采用引弧板施工复杂，除承受动力荷载外，一般不用，计算每条焊缝长度应则减去2t（t为较薄焊件厚度） 第21页/共63页二、对接焊缝的计算分分焊透焊透和和部分焊透部分焊透两种情况两种情况 影响对接焊缝强度的因素：所用钢材的牌号、焊条型号、焊缝质量等级 对接焊缝强度： 受压、受剪强度与母材强度相等 一、二级焊缝抗拉强度与母材相等 三级焊缝抗拉强度大约为母材强度的85第22页/共63页( (一一) ) 轴心受力的对接焊轴心受力的对接焊缝缝1、直对接焊缝受轴心力作用第23页/共63页计算公式：计算公式：未加引弧板时未加引弧板时l lw w取实际长度减去取实

14、际长度减去2 2t t第24页/共63页2、斜对接焊缝受轴心力作用当斜焊缝倾角56.3，即tg1.5时，可认为与母材等强，不用计算 第25页/共63页（二）承受弯距和剪力作用的对接焊缝第26页/共63页正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物正应力与剪应力图形分别为三角形与抛物线形线形分别验算分别验算最大正应力最大正应力、最大剪应力最大剪应力 1、对于矩形对接焊缝的情况第27页/共63页 不仅需分别验算最大正应力和剪应力，对腹不仅需分别验算最大正应力和剪应力，对腹板与翼缘的交接点处同时受有较大正应力和较大板与翼缘的交接点处同时受有较大正应力和较大剪应力处，还验算该处剪应力处，还验算该处折算应力折算

15、应力：2、对于工字形截面梁对接焊缝的情况第28页/共63页1 1、分类、分类按截面形式可分为按截面形式可分为直角角焊缝直角角焊缝和和斜角角焊斜角角焊缝缝第四节 角焊缝的构造与计算一、角焊缝的构造直角角焊缝斜角角焊缝第29页/共63页2、 角焊缝的构造要求第30页/共63页 侧面角焊缝侧面角焊缝：焊缝长度方：焊缝长度方向与受力方向平行，主要承向与受力方向平行，主要承受受剪应力剪应力，其特点为应力分，其特点为应力分布简单些，但分布并布简单些，但分布并不均匀不均匀，剪应力两端大，中间小。剪应力两端大，中间小。弹弹模低、强度低、但塑性较好模低、强度低、但塑性较好。 正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，其特

16、点为受力后应力状态较复杂，应力集中严重，焊缝根部形成高峰应力，易于开裂。破坏强度要高一些，但塑性差 。 斜焊缝：受力性能和强度介于两者之间 二、直角角焊缝强度计算的基本公式第31页/共63页有效厚度有效厚度h he e=0.7h=0.7hf f为焊缝为焊缝横截面的内接等横截面的内接等腰三角形的最短腰三角形的最短距离，即不考虑距离，即不考虑熔深和凸度熔深和凸度 当角焊缝的两焊脚边夹角为90时，称为直角角焊缝，即一般所指的角焊缝 角焊缝截面第32页/共63页 角焊缝应力分析角焊缝应力分析角焊缝计算的角焊缝计算的基本公式基本公式22223wfxfyfxfyfzff 第33页/共63页f、 f共同作用

17、计算式：（4.10）或：对直接承受动力荷载结构中的角焊缝，f1.0第34页/共63页进一步简化 ：合应力f：第35页/共63页沿焊缝长度方向的分力Nx引起f= （4.10）第36页/共63页对正面角焊缝，对正面角焊缝，f f =0 =0 （4.11）对侧面角焊缝， f =0 （4.12）第37页/共63页1 1、承受轴心力作用时角焊缝连接计算、承受轴心力作用时角焊缝连接计算三、角焊缝连接的计算a. 只有侧面角焊缝按式（4.12）计算b.只有正面角焊缝按式（4.11）计算（1）用盖板的对接连接承受轴心力（拉力、压力或剪力）第38页/共63页c.c.三面围焊三面围焊：先按式先按式4.114.11计

18、算计算正面角焊缝正面角焊缝承担的内力承担的内力N N：再由（再由（N N- -N N）计算）计算侧面角焊缝侧面角焊缝的强度：的强度：lw为连接一侧的正面角焊缝计算长度总和lw为连接一侧的侧面角焊缝计算长度总和第39页/共63页垂直于焊缝分力：垂直于焊缝分力： N Nx xNsinNsin平行于焊缝分力：平行于焊缝分力： N Ny y NcosNcos(2)承受斜向轴心力的角焊缝连接计算验算强度第40页/共63页（3）承受轴心力的角钢角焊缝计算a两面侧焊 b三面围焊 cL形围焊腹杆受轴心力作用，为了避免焊缝偏心受力，焊缝所传递的合力的作用线应与角钢杆件的轴线重合 第41页/共63页a.三面围焊情

19、况： 先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3，正面角焊缝所分担的轴心力N3 （4.17）（4.18）（4.19）式中：N1、N2肢背和肢尖侧面角焊缝所分担的轴力 e 角钢的形心距 K1、K2肢背和肢尖焊缝的内力分配系数第42页/共63页角钢角焊缝内力分配系数角钢角焊缝内力分配系数K K设计时也可近似取K12/3，K2=1/3第43页/共63页b.两面侧焊情况： N3 0第44页/共63页轴力轴力N Nx x 剪力剪力N Ny y 弯距弯距M MN Nx xe e2、承受弯距、轴心力、剪力共同作用的角焊缝A点应力最大为控制点（1）弯矩、剪力、轴力共同作用下的矩形角焊缝 第45页/共63页M和N作用下的

20、应力方向相同，可直接叠加，故A点垂直于焊缝长度方向的应力f为 第46页/共63页假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承假设腹板焊缝承受全部剪力，弯矩则由全部焊缝承受受 （2）弯矩、剪力共同作用下工字梁角焊缝连接计算弯曲应力沿梁高度呈三角形分布，最大应力发生在翼缘焊缝的最外纤维1处 为焊缝分布较合理，宜在每个翼缘的上下两侧均匀布置焊缝 第47页/共63页 翼缘焊缝只承受垂直于焊缝长度方向的弯曲应力，翼缘焊缝最外纤维处的应力满足角焊缝的强度条件 第48页/共63页腹板焊缝承受弯曲应力和剪应力的联合作用： 弯曲应力垂直于焊缝长度方向且沿梁高度呈三角形分布 剪应力平行于焊缝长度方向且沿焊缝截面均

21、匀分布 设计控制点为翼缘焊缝与腹板焊缝2的交点处第49页/共63页腹板焊缝2的端点应按下式验算强度：方法二：假设腹板焊缝只承受剪力；翼缘焊缝承担全部弯矩，并将弯矩M化为一对水平力H=M/h1第50页/共63页竖向剪力竖向剪力V VF F扭距扭距T TF F（e e1 1+ +e e2 2）3、承受扭矩剪力联合作用三面围焊角焊缝计算按弹性理论假定：Y被连接件是绝对刚性的，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而角焊缝本身是弹性的；Y角焊缝群上任一点的应力方向垂直于该点与形心的连线，且应力大小与连线长度r成正比。 第51页/共63页扭矩扭矩T T引起的剪应力引起的剪应力T T最大在最大在A A点和点和A A

22、点最大，点最大，A A点点和和A A点为设计控制点点为设计控制点扭距扭距T T作用下，作用下，A A点（或点（或A A点）的应力点）的应力T T：TPxyT rT rIIIT沿x轴和y轴的分应力：sinyyTxTPprT rT rIrI（4.25）cosxxTyTPprT rT rIrI（4.26）第52页/共63页 剪力V引起的剪应力V均匀分布 剪力V作用下，A点（或A点）的应力Vy：Vye wVh l A点垂直于焊缝长度方向的应力f：fTyVy A点沿焊缝长度方向的应力Tx A点合应力满足的强度条件为：22TyVywTxfff第53页/共63页第五节 焊接应力和焊接变形一、 焊接应力的分类和产生的原因 焊接残余应力焊接残余应力简称焊接应力：焊接后冷却时，简称焊接应力：焊接后冷却时，焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约焊缝与焊缝附近的钢材不能自由收缩，由此约束而产生的应力束而产生的应力第54页/共63页分为： 纵向焊接应力：沿焊缝长度方向； 横向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力 ； 沿厚度方向焊接应力：垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力 第55页/共63页1、纵向焊接应力焊缝区产生纵向拉应力焊缝稍远区段产生压应力 第56页/共63页横向焊接应力产生于两个原因横向焊接应力产生于两个原因最终横向焊接应力为两个原