焊接结构与生产教案

1、 第一章 绪论 第二章 焊接应力与变形 第三章 焊接接头 第四章 焊接结构的脆性断裂 第五章 焊接接头和结构的疲劳强度 第六章 机器焊接结构 第七章 焊接结构评估 焊接技术在工业中应用的历史并年长，但它的发展却是非常迅。在很短时间里，许多工业部门的金属结构中，焊接结构替代了铆接结构。不仅如此，在机器制造中，不少一直用的整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接结构。 焊接的地位很是重要，世界主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的左右焊接结构之所以有如此迅速的发展是因为它具有一系列优点与铆接结构比它可以节省大量金属材料；与铸件相比焊接结构生产不需要制作木模和砂型，也不需要专门熔炼、浇铸，工序简单，

2、生产周期短，其次，焊接结构比铸件节省材料；焊接结构还有一些用别的工艺方法难以达到的优点例如焊接结构可以在同一个零件上，根据不同要求采用不同的材料或手段制造来简化工艺。 焊接结构有自己的特点，主要特点可以归纳为以下几点： 一、焊接结构的应力集中变化范围比铆接大 二、焊接结构有较大的焊接应力和变形 三、焊接结构具有较大的性能不均匀性 四、焊接接头的整体性 本书第一、二、三、四、五章将从几个方面来论述焊接结构的主要性明其规律和原理并介绍它们控制的途径第六章介绍典型焊接结构实例，为正确分析焊接结构的工艺性和构造合理性，为解决有关设计和工艺问题打好基础。 2-1 内应力及其变形的基本概念 一 内应力及其

3、产生原因 内应力是在没有外力的条件下平衡与物体内部的应力。这种应力存在与许多工程结构中，如铆接，铸造，焊接结构等。 内应力按产生原因可分为温度应力，残余应力等几种： （一）温度应力（热应力） 温度应力是由于构件受热不均匀而引起的。这种应力是在没有外力作用下出现的。热应力广泛出现在各种温度不均匀的工程结构中，如化工反应容器，热交换器，飞行器等。 （二）残余应力 如果不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极限，使局部区域产生塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后，就产生新的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中的，故称之为残余应力。二、自由变形、外观变形和内部变形 自由变形：金属物体的温度有

4、了改变，或发生了相变，它的尺寸和形状就要发生变化，如果这种变化没有受到外界的任何阻碍而自由地进行，这种变形称之为自由变形。 外观变形：金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，只能够部分地表现出来的变形。 内部变形：金属物体在温度变化过程中受到阻碍，使它不能完全自由地变形，其中未表现出来的那部分变形即为内部变形。三、长板条在不均匀温度场作用下的变形和应力 （一） 在长板条中心加热 图2-4所示的长板条在其中间沿长度上用电阻丝进行间接加热，则在板条横截面上将出现一个中间高两边低的不均匀温度场，而沿板条长度方向的温度分布可视为均匀的。 从板条中切出一单位长度的小段来进行分析这个板条

5、的变形和应力的情况。 假设金属板条是由若干个不相连的小窄条组成，则每根小窄条可以按着自己被加热到的温度自由变形，其结果使单位长度板条端面出现图2-5a所示的曲面。 1。在板条中心对称加热时，板条中产生温度应力，中心 受压，两边受拉，平衡条件： 2。当板条温度恢复到原始温度后，板条中心部分受拉， 两侧受拉，平衡条件： （二） 非对称加热 （一侧加热） 一侧用电阻间接加热，在长板条中产生对截面中心不对称的不均匀温度场，使板条常识变形和应力四 、焊接引起的内应力与变形 （一） 焊接应力与变形的特殊性 焊接应力和变形与上述不均匀温度场引起的应力和变形的基本规律是一致的，较前者稍复杂。 （二） 受拘束体

6、在热循环中的英里与变形的演变过程 1.|S 2.|S，T max 500 3.T max 600 （三） 焊接应力变形的演变过程 （四） 焊接热应变循环 （五） 焊接瞬态应力应变研究的新发展 2-2 焊 接 残 余 变 形 一、焊接残余变形的分类和研究焊接残余变形的意义 焊接残余变形是焊接后残余在结构中的变形。大致可分为七类： 纵向收缩变形 横向收缩变形 挠曲变 角变形 波浪变形 错边变形 螺旋形变形 上述几种类型的变形,往往同时出现,互相影响 。焊接变形不但影响结构尺寸的准确和外形美观 ，且有可能降低结构的承载能力，引发事故。 二、纵向收缩变形以及它所引起的挠曲变形 影响纵向变形的几种因素：

7、 多层焊 所引起的纵向收缩变形比单层焊小，分的层数越多，每层所用的线能量就越小，变形也越小。 原始温度 原始温度下降，相当于线能量减小，收缩变形降低；原始温度升高，相当于线能量增大。 间断焊 纵向收缩比连续焊小。 单层焊的纵向收缩量： L=(k1 F h L)/F F h焊缝截面积 mm 2 ； F构件截面积 mm2 L纵向收缩量 mm ； L构件长度 mm。 k1 为系数，与焊接方法和材料有关。可以从下表中查到 。 表 2-1 多层焊的纵向收缩量是将k1换成一层焊缝金属的截面积，并将所计算得的纵向收缩量再乘以系数k2即可，其中 k2=1+85s n 式中s = s/E； n层数。 对于两面有

8、丁字接头的构件，由收缩公式计算的收缩量再乘以115 1 . 40 即为该构件的纵向收缩量。注意， F h 指一条角焊缝的截面积。 当焊缝在构件中的位置不对称时，焊缝所引起的假想压力是一个偏心力，它不但会使构件缩短，还使构件弯曲，其弯曲力矩为M=Pfe。 构件的挠度挠度： 焊接方法Co2埋弧焊手工焊材料低碳钢低碳钢奥氏体钢k1004300710076004800570076 L构件长度； I 构件截面惯性矩； e 塑性区中心到断面中性轴距离（偏心矩）。 三、 横向收缩变形及其产生的挠曲变形 横向收缩是不可避免的。横向收缩变形系指垂直于焊缝方向的变形。现在分种情况来分析横向收缩变形。 堆焊及角焊缝

9、 横向变形沿焊缝长度上的分布并不均匀。是因为先焊的焊缝的横向收缩对后焊的焊缝产生一个挤压作用，使后者产生更大的横向压缩变形。丁字接头和搭接接头角焊缝的横向收缩，在实质上和堆焊相似。它的大小与角焊缝的尺寸和板厚有关。（立板厚度也对变形有一定影响，因为板在焊接时吸收部分热能，因而就减少输入横板的热能。）板越厚，刚度越大，横向收缩越小。 板厚 B 线能量B（ B为横向收缩） 对接接头 对接焊缝的横向变形大小与焊接线能量、焊风坡口形式、焊缝截面积以及焊接工艺有关。对于单道对接接头，横向变形取决于焊缝坡口形式。坡口角度越大间隙越大，则焊缝截面积也越大，所需焊接线能量也越大。对于多层多道焊，还需要考虑焊缝

10、的层数和道数，以及每层每道的焊接规范。埋弧自动焊的收缩量比板厚相近的手工电弧焊的变形小，气焊的变形比电弧焊的大。此外，横向收缩的大小还与拼装后的点固和装夹的情况有关，点固焊越大，越密，装夹的刚度越大，横向变形也就越小。 Q B B Q n 对于对接接头的横向收缩量的估计，有许多经验公式，先选其一作参考： B =018 F h / （mm）； 式中 B对接接头横向收缩量（mm）； F h 焊缝横截面积(mm2)； 板厚（mm）。 如果横向焊缝在结构上分布不对称，则它的横向收缩也能引起结构的挠曲变形。例如梁上的短焊缝的横向收缩使梁产生下挠。如果采用长筋板，焊缝对称 ，就可以避免这种挠曲变形。下面是

11、一个由焊接横向收缩引起构件的挠曲的例子工字钢的上部焊接了许多筋板，筋板与翼缘之间和筋板与腹板之间的焊缝都在工字钢重心上侧，它们的收缩都将引起构件的下挠。 下挠数值可以根据每对角焊缝产生的收缩量来估算。每对筋板与翼缘之间的角焊缝的横向收缩B将使梁弯曲一个角度： 2= （B 2S 2）/I S 2=F2（h/2/2）为翼缘对梁水平中心轴的静矩。 F2 翼缘的截面积。 每对筋板与腹板之间的角焊缝的横向收缩将使梁弯曲一个角度： 1= （B 1S 1）/I 1图中梁的总挠度可以按下式计算： f=(5 1 +4 2 +3 3 +2 4+5 ) LL 为筋板的间距。 如果梁的中心有一筋板，则它所引起的挠曲可

12、由下式估算： f0=(/2)(L/2 ) 注意由于刚度不同，型钢上横向收缩B 1 和B2要比腹板和翼缘单独在自由状态时焊接的横向收缩小。四 、角变形 在堆焊、对接、搭接和丁字接头的焊接时，往往会产生角变形。这种变形发生的根本原因是横向收缩变形在厚度方向上的不均匀，焊缝正面的变形大，背面的变形小。这样就造成了构件平面的偏转。 堆焊 由于焊接面的温度高于背面，焊接面产生的塑性变形比背面大，有时背面在弯矩的作用下甚至可能产生拉伸变形，故在冷却之后产生角变形。变形大小取决于压缩塑性变形的大小和分布情况，同时也取决于板的刚度。 对接接头 对接接头的坡口角度坡口角度以及焊缝截面形状焊缝截面形状对于对接接头

13、的角变形影响很大 ，坡口角度越大，则接头上下部横向收缩量差别就越大。另外，焊接角变形还和焊接方式有关。对于同样板厚和坡口形式，多层焊比单层焊的角变形大，而且层数越多，变形越大，多道焊比多层焊角变形大。 特殊地，薄板焊接的角变形方向不一定，可能向上也可能向下。因为在焊接时正反面的温度差很小，薄板刚度也小，焊接过程中受压缩时易失稳，使角变形方向不定。 角焊缝所产生的角变形 丁字接头的角变形包括两个内容：筋板与主板的角度变化和主板本身的角变形。角变形可以用反变形法来预防。 五、波浪变形 薄板在承受压力时，当其中的压应力达到某一临界值时，薄板将出现波浪变形而丧失承载能力，此现象即失稳。 失稳临界应力：

14、 e r =k(/B)2 板厚 B板宽 K与板的支撑情况有关的系数。 由此可以看出，板厚与板宽的比值越小，临界应力越小，平板也就越容易出现失稳现象。 降低波浪变形的措施可以从降低压应力和提高临界应力两方面着手。 六、 焊接错边 错边可能由于装配不好造成，但是焊接过程本身也可能产生错边。对接边的热不平衡是造成焊接错边的主要原因之一。 七、 螺旋形变形 产生这种变形的原因与焊缝角变形沿长度上的分布不均匀和工件的纵向错边有关。改变焊接次序和方向，可以克服此种变形。 八、预防焊接变形的措施 焊接残余变形可以从设计和工艺两个方面来解决。 （一）设计措施 1.合理地选择焊缝的尺寸和形式; 2.尽可能减少不

15、必要的焊缝; 3.合理地安排焊缝的位置. (二) 工艺措施 1.反变形法; 2.刚性固定法; 3.合理地选择焊接方法和规范; 4.选择合理的装配焊接顺序. 九、矫正焊接变形的方法 (一)机械矫正法 利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形,使两者互相抵消. (二)火焰加热矫正法 利用火焰局部加热时产生压缩塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，来达到矫正变形的目的。这种方法在生产上称为水火弯板或火焰成形。 火焰局部加热不但可以用来矫正变形，使构件平直，也可以反过来利用它来把平直的钢板弯曲成各种曲面，这种方法在生产上称为水火弯板或火焰成形，用这种方法成形各种曲面（图2-94），具有设备简单，生

16、产率高，成本低，质量好的优点。火焰成形基本上采用线状加热，按工艺方法分为三种： 不用水冷的火焰加热法，简称空冷； 采用正面跟踪水冷的火焰加热法，简称正冷； 采用背面跟踪水冷的火焰加热法，简称背冷。 三种线状加热方法具有不同的特点： 角变形效果以背冷最大，空冷次之，正冷最小； 横向收缩效果以背冷最大，正冷次之，空冷最小。 2-3 焊 接 残 余 应 力一、焊接残余应力的分布 焊缝方向的应力称为纵向应力，用x表示；垂直于焊缝方向的应力称为横向应力，用y表示；厚度方向上的应力，用z表示。 纵向应力x 如图为中心有一条焊缝的长板条，在板条中的的分布情况为：长板条的两端是自由边界，它的表面没有应力，x

17、=0。在板条端部存在内应力的过渡区，在此区域内， x比较低，越接近端面x越低。在板条中间段有一个内应力的稳定区。但当板条比较短时，就不存在稳定区，焊缝上的纵向应力x小于s，板条越短， x就越低。 横向应力y y 可分为 y和 y 。 y 是由于焊缝及其附近的塑性变形区的纵向收缩所引起的；而 y是由焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩的不同时性所引起的。如下图是一个由两块平板条对接起来的构件，其纵向应力的分布是焊缝及其附近的塑性变形区为拉应力，两侧为压应力。焊缝长度对 y的 影响见下图。对于长焊缝，中心部分的拉应力有所降低，逐渐趋近于零。 y的分布跟焊接方向 、分段方法以及焊接顺序有关，下图为不同焊

18、接方向时它的分布情况。横向应力在与焊缝平行的各截面上的分布大体与焊缝截面上相似，但离开焊缝的距离越大，应力越低，到边缘上y=0。如下图所示： 厚板中的残余应力 在厚板焊接结构中除了存在着纵向应力x和横向应力y外，还存在着较大的厚度方向的应力z 。这三个方向的内应力在厚度方向上分布极不均匀。其分布规律，对于不同焊接工艺有较大的差别。例如在厚度为240的低碳钢电渣焊缝中，内应力分布如下图。在低碳钢多层焊接时，在厚度上的内应力的 分布，表面为较高的拉应力。数值较小，有可能为压应力，亦有可能为拉应力。下图为80厚，型坡口对接接头多层焊在厚度方向上的内应力分布情况。 总之， x 、 y 、z在厚度中心部

19、位最大 ，向两表面逐渐降低， 其中y在表面为压应力。应该指出，横向应力y在厚度上的分布规律虽然对于同一接头大致相似，但其数值与测点上y的平均值可能是正的也可能是负的。 在拘束状态下焊接的内应力 在生产中往往会遇到这种情况，构件是在受拘束的情况下焊接的。如图2-110中的一个金属框架，中心构件上有一条对接焊缝，这条焊缝受到框架的限制，在框架中心部分引起拉应力f。它并不在该截面平衡，而平衡与整个框架截面上。这种应力称为反作用内应力。此外，此焊缝还引起与自由状态下焊接相似的横向内应力y。如果框架中心构件上的焊缝是纵向的，则由焊缝引起的纵向收缩受到限制，将产生纵向反作用内应力f。另外还有纵向应力x。最

20、终的内应力是两者的综合，如图2-111。 封闭焊缝所引起的内应力 封闭焊缝是在较大拘束下焊接的，内应力比自由状态时大。在结构中刚度越大，拘束度越大，内应力也越大。 相变应力 当金属发生相变时，其比容将有一个突变。如果相变在金属的塑性变形温度T（即金属已经丧失弹性，屈服极限为零时的温度）以上发生，则比容的改变并不影响焊后残余应力的分布。 其中纵向应力（）的分布情况见下图：可以看出，相变不但在区产生压应力mx 、mz ，而且也可以引起拉应力my，其数值也可以相当大。这种拉伸应力是产生冷裂纹的原因之一。 二 焊接残余应力的影响 内应力对静载强度的影响 内应力对疲劳强度的影响 内应力对机械加工精度的影

21、响 保证加工精度的最基本方法是先消除焊接应力再进行机械加工。但有时可以在机械加工工艺上做一些调整来达到这个目的。 有一点必须注意：许多结构钢中的焊接应力是不稳定的，岁时间不停地变化着。对于精度要求高的零件应先消除应力再机械加工。 内应力对受压杆件稳定性的影响 以H形受压杆件为例，见下图： 纵向焊接应力的分布如图a所示，当外力引起的压应力p2s时,应力的分布如b所示。有效面积将从F 缩小到F。有效面积的惯性矩从Ix减小到Ix。试验表明，焊接H形受压杆件，焊后不处理比焊后高温回火消除应力的临界应力低20%30%。 内应力对刚度的影响 杆件在受拉时，如果应力没有达到屈服极限，则构件的伸长与作用力有下

22、面关系：(图2-125中的OS线）： L=（PL）/（FE） =（PL）/（BE） 式中 P外力； L构件长度； E弹性模量； F构件截面积（=B）。 构件的伸长为 L=（PL）/（Bb）E 有一个重要的结论：焊接结构经过一次加载和卸载后，如再加载，只要其大小不超过前一次，内应力就不再起作用，外载也不影响内应力的分布。（此结论只适用于静载） 对应力腐蚀开裂的影响 应力腐蚀开裂，简称应力腐蚀，是拉应力和腐蚀共同作用下产生裂纹的一种现象。应力腐蚀分为三个阶段：第一阶段，局部腐蚀造成小腐蚀坑和其它形式的应力集中，以后又逐渐发展成为微小裂纹。第二阶段，在腐蚀作用下金属从裂纹尖端面不断被腐蚀掉，而在应力

23、作用下又不断产生新的表面，这些表面又进一步被腐蚀。这样裂纹逐渐扩展。第三阶段，当裂纹扩展到一临界值时，裂纹就在应力作用下以极快的速度扩展造成脆断。简言之，腐蚀开裂过程即：形成小坑腐蚀与产生近表面交替（扩展）脆断。应力越大，发生断裂所需的时间也越短。应力越小，发生断裂所需时间也越长。 三、 在焊接过程中调节内应力的措施 采取一些工艺措施，往往可以调节内应力 ，降低残余内应力的峰值，避免在大面积内产生较大的拉应力，并使内应力分布更为合理。这些措施不但可以降低残余应力，也可以降低焊接过程中的内应力。因此有利于消除焊接裂纹。这些措施有： 采用合理的焊接顺序和方向 尽量使焊缝能自由收缩，先焊收缩量比较大

24、的焊缝。按受力大小分时，先焊受力较大的焊缝，再焊受力较小的。拼板时应先焊错开的短焊缝，然后再焊直通的长焊缝，见下图，若焊接顺序为312，则会形成很大的拉应力。在焊接交叉焊缝时，应特别注意交叉处。 图2-129 按受力大小确定焊接顺序 图2-120 按焊缝布置确定焊接次序 1、2对接焊缝 3角焊缝 在焊接封闭焊缝或其它刚性较大，自由度较小的焊缝时，可以采用反变形法来增加焊缝的自由度。见图： 锤击或碾压焊缝每焊一道焊缝，就用带小圆弧的风枪或小手锤锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力。注意，锤击时保持均匀、适度，避免锤击过分产生裂纹。 在结构适当部位加热使之伸长 加热区的伸长带动焊接部位，使之

25、产生一个与焊缝收缩相反的变形。在冷却时，加热区的收缩和焊缝的收缩方向相反，使焊缝可自由收缩，故降低内应力。其过程见下图： 利用上述的原理可以焊接一些刚性较大的焊缝，获得降低内应力的效果。如图2-34 a所示的大皮带轮或齿轮的某一轮幅需要焊修，为了减少内应力，则在需焊修的轮幅两侧轮缘上进行加热，使轮辐向外产生变形。而图2-134b，焊缝在轮缘上，则应在焊缝两侧轮缘上进行加热，使轮缘焊缝产生反变形，然后进行焊接，都可取得良好的降低焊接应力的效果。四、焊后消除焊接内应力的方法 其方法可分为：整体高温回火、局部高温回火、机械拉伸、温差拉伸及振动法等。 整体高温回火此法是将整个焊接构件加热到一定温度，然

26、后保温一段时间，再冷却。回火可以消除焊接应力，但又产生由于不同膨胀系数而引起新的内应力。 回火保温时间目前生产按厚度来确定，厚度越大，保温时间越长。若遇到结构太大的构件，无法炉内进行回火的，则可采用在容器外壁覆盖绝热层，而在容器内部用电阻加热器或火焰来进行处理。 局部高温回火处理 此种方法是把焊缝周围的一个局部区域进行加热。消除应力效果不是很理想，只能降低应力峰值，而不能完全消除。但可改善接头机械性能（一般用于简单接头）。 必须指出，在复杂结构中采用局部加热处理时，存在产生较大反作用内应力的危险。 机械拉伸法（过载法） 下图为加载对构件的影响： 温度拉伸法（低温消除应力法） 此法是利用拉伸来抵

27、消焊接时所产生的压缩塑性变形的。具体做法是：在焊缝两侧各用一个适当的氧乙炔焰加热，在焰矩后一定的距离用一个水管喷头冷却。焰矩和喷水管以相同速度向前移动，这样造成两侧温度高，焊缝区温度低的温度场。两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸。此法对消除应力有较好的效果。 振动法 这种方法设备简单而廉价，处理成本低，时间比较短，没有高温回火的金属氧化问题。但也存在一些问题有待研究。五、焊接残余应力的测定五、焊接残余应力的测定 其方法按原理分有：应力释放法和X射线法。 应力释放法 切条法 这种方法对板状构件可以获得较精确的结果，但破坏性大。 套孔法 本法采用套料钻孔加工环行孔来释放应力。 小孔法 原理：

28、 在应力场中钻一小孔，应力的平衡受到破坏，则钻孔周围的应力将重新调整。测孔周围的应变变化，就可以用弹性力学来推算出小孔处的应力。 逐层铣削法 具有内应力的物体被铣削一层后，物体将产生一定的变形。根据变形的大小，可以推算出被铣削层内的应力。这样逐层铣削，每铣每测，根据变形差值就可以算出各层在铣削前的内应力。本法不是很好，主要是加工量大，计算量较大。 X射线衍射法 这种方法的优点是非破坏性，缺点是只能测表面应力，而且对被测表面要求较高。 除了以上两种方法，还有电磁法和硬度法。 3-1 焊接接头的一般性能 一、焊接接头的基本概念一、焊接接头的基本概念 现代焊接技术发展迅速，新的焊接方法不断出现，接头

29、类型更是繁多，但应用最广的焊接方法是熔化焊。本章将以熔化焊接接头为重点进行分析。焊接接头是由焊缝金属、熔合线、热影响区和母材组成，如图3-1所示。 影响焊接接头的因素很多，如图3-2所示。归纳起来，大体可分为两个方面：一个是力学方面的影响因素，另一个是材质方面的影响因素。 力学方面影响焊接接头的因素是接头形状的不连续性、焊接缺陷、残余应力和焊接变形。 材质方面影响焊接接头的因素是热循环引起的组织变化和焊接过程中的热塑性变形循环所产生的材质变化。 此外，焊后热处理和矫正焊接变形等工序，都可能影响接头性能。 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 热影响区内强度和塑性的变化 如图所

30、示，在1200左右的粗晶区其硬度和强度都比母材高，但塑性比母材低，这种现象主要受冷却速度影响。塑性的降低和钢材的含碳量和热循环时产生的 马氏体多少有关。 如右图，热影响区的韧性是不均匀的, 韧性低的部分有两个：1200以上的粗晶区到熔合线部分， 焊缝附近的脆区。韧性最低位置在熔合线上。 热影响区的热塑变脆化区在400200内发生的塑性变形所引起的塑性韧性下降，称为热应变脆化。热应变脆化。硬化使塑性下降，所以变脆。这种现象与钢中碳 、氮等溶质原子的活动状态有关 ，特别是自由氮原子较多的低碳钢最容易发生热塑性边催化现象 。由于焊接热循环的热应力作用在近缝区产生热塑性变形 。则使其力学性能发生变化

31、。通常焊接接头经受一次热循环，它的塑性变形量是不大的，大约仅为百分之几。 焊缝金属的力学性能 焊缝金属是由焊接材料与部分母材经过熔化冷凝形成的铸造组织，它是从母材开始垂直于等温线方向结晶长大的。单层焊时典型的柱状晶体，如图3-6a所示。多层焊时，第一层焊道的柱状晶受到受后焊层的热作用而转化为较细的晶粒，如图3-6b所示，所以多层焊缝金属的力学性能较单层焊的好。焊缝金属的性能还与焊接方法及其参量有关。 低强焊缝金属接头的力学性能 焊接接头力学性能与母材和焊缝二者之间的强度如何匹配有关。 高组配：焊缝金属强度比母材强度高。 低组配：焊缝金属强度比母材强度低。 高组配的接头断裂多发生在母材上，其对接

32、接头的应力应变关系，以及焊缝金属与母材金属的应力应变关系如图 a所示。低组配的断裂多发生在焊缝金属上，但接头强度并不等于焊缝金属本身的强度，低组配对接接头的应力应变关系，以及焊缝金属与母材金属的应力应变关系如图b所示。 图3-9 对接接头不同组配的应力与变形关系 W-焊缝金属的曲线 B母材的曲线 J接头的曲线 通常情况下概念是，焊缝金属强度比母材低，接头的强度就等于焊缝金属的强度。但有时例外。当把低强焊缝金属接头的焊缝的宽度减少到一定程度，它的强度随宽度的降低而提高，逐步接近母材的强度，形成一个超过焊缝金属很多的接头。相对厚度H/D0.8时，随着H/D的降低，接头强度即开始上升。当H/D0.2

33、时，接头强度可达到母材的强度。 低组配接头的强度随相对厚度降低而上升的原因见图3-11。这是因为低强度焊缝的塑性变形受到高强母材的拘束，使焊缝金属处于三轴受拉状态而强化的结果。 从设计的观点看，习惯上都是采用焊缝金属与母材等强的原则。但是，通过低组配焊接接头的力学性能的研究与实际应用，说明焊接高强钢或厚度大的构件时，有可能不用焊缝金属与母材等强度的原则，而用接头强度与母材等强原则接头强度与母材等强原则即采用比母材强度低的焊接材料，选择合适的相对厚度，获得与母材等强的焊接接头的原则。 采用低强焊缝有个优点就是可适当地降低高强钢焊接时的预热温度，改善劳动条件。但这种接头的焊缝受到三轴拉应力，处于不

34、利的应力状态，发生脆断的危险性较大。因此要求焊缝金属必须具有比一般同级焊缝金属更高的韧性才能保证接头安全可靠。 三、焊缝及接头的基本形式三、焊缝及接头的基本形式 焊缝基本形式 对接焊缝 对接焊缝的焊接边缘可分为卷边、平对、或加工成为V形、X形、K形、U形等坡口（图3-13）。各种坡口尺寸可根据国家统一标准（GB-985-80和GB-986-80）或根据具体情况而定。 对接焊缝开坡口的根本目的是为了确保接头的质量及其经济性。坡口形式的选择依据是板材厚度、焊接方法和工艺过程。一般必须考虑以下几点： a.焊接材料的消耗量；b.可焊到性； c.坡口加工；d.焊接变形 角焊缝 按截面形状可分为四种，按承

35、载方向可分为三种：正面、侧面、斜角焊缝。 角焊缝是一种应用最为广泛的焊缝，与对接焊缝比较，在力学性能方面有许多特点： 以角焊缝构成的各种接头其几何形状都有急剧的变化，力线的传递比对接焊缝复杂，焊缝的根部与趾部的应力集中，一般都比对接焊缝大。例如图3-15的十字接头，其力线的传递就是挠区不直的，在A点和B点都有较大的应力集中。正面角焊缝的破断面往往与受力方向成2030角，但进行计算时仍以与受力方向成45角的最小截面为计算断面，按切应力计算强度。实践证明，正面角焊缝的强度比侧面角焊缝高20%30%；侧面角焊缝沿焊缝长度上的应力分布是不均匀的；正面角焊缝的单位长度承载能力并不是随焊角K的增加而成正比

36、增加的。单位面积的强度K20mm，比K10mm时约降低20%，但其屈服强度并不降低，如图3-16所示。 接头的基本形式 有四种基本形式：对接接头、搭接接头、丁字接头、角接头。选接头形式时应该熟悉其优缺点。 对接接头 对接接头从力学角度来看是比较理想的接头形式。 搭接接头 搭接接头应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是焊接结构的理想接头不是焊接结构的理想接头。但其焊前准备和装配比对接接头简单的多，横向收缩也比对接接头小。搭接接头有几种形式如开槽焊和塞焊以及锯齿状搭接等。 丁字接头 是将相互垂直的被连接件用角焊缝连接起来的接头（图3-24）。这类接头应该避免单面角焊缝，因为这种接头的根部有很深的缺口（

37、图3-25a)，其承载能力非常低。 对较厚的板，可采用K形坡口（图3-24b），根据受力情况决定是否需要焊透。这样做比不开坡口（图3-24a)用大尺寸的角焊缝经济，而且疲劳强度高。 对完全要求焊透的丁字接头，采用半V形坡口（图3-24c)从一面焊，焊后再清根焊满，比采用K形坡口焊可靠。 角接头 多用于箱体构件上,如图3-26所示.其中图3-26a是最简单的角接头,但承载能力差;图3-26b采用双面焊缝从内部加强的角接头，承载能力较大；图3-26 c开坡口易焊透，有较高的强度，而且在外观上具有良好的棱角，但要注意层状撕裂问题；3-26 e和f易装配，省工时，是最经济的角接头；图3-26g是保证接

38、头具有准确直角的角接头，并且刚性大，但角钢厚度应大于板厚；图3-26 h是不合理的角接头，焊缝多而且不易施焊。 一、应力集中的概念一、应力集中的概念 由于焊缝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，这种情况称为应力集中应力集中。 在焊接结构中产生应力集中的原因： （一）焊缝中的工艺缺陷 如气孔、夹渣、裂纹和未焊透等，其中裂纹和未焊透引起的应力集中严重。 （二）不合理的焊缝外形 如对接焊缝加厚高过大（图3-27），可形成较大的应力集中。 3-2 焊接接头的工作应力分布和工作性能焊接接头的工作应力分布和工作性能 （三）设计不合理的焊接接头 如接头截面的突

39、变，加盖板的对接接头等，会造成严重的应力集中。 二、电弧焊接接头的工作应力分布和工作性能 对接接头 在焊接生产中，通常使焊缝略高于母材板面，高于部分称为加厚高。易在焊缝和母材的过渡处引起应力集中。加厚高越小越好，有时用削平加厚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。 对接接头是最好的接头形式，不但静载可靠，而且疲劳强度也高。 丁字接头（十字接头） 由于丁字接头焊缝向母材过渡较急剧，接头在外力作用下力线扭曲很大，造成应力分布极不均匀，在角焊缝的根部和过渡处都有很大的应力集中，如图3-29所示。 图3-29 a是未开坡口丁字接头中正面焊缝的应力分布状况。由于整个厚度没有焊透，所

40、以焊缝根部应力集中很大。图3-29 b 是开坡口并焊透的丁字接头，这种接头的应力集中大大降低。 丁字（十字）接头当其焊缝不承受工作应力时，在其焊缝根部的A点处和焊趾B点处也有应力集中，如图3-31所示。 丁字接头应尽量避免在其板厚方向承受高拉应力，因轧制板材常有夹层缺陷，尤其厚板更易出现层状撕裂，所以应将其工作焊缝转化为联系焊缝，如图3-33 所示，以 b 图代图代 a 图。图。则宜采用圆形、方形或特殊形状的轧制、锻件插入件，如图所示。 搭接接头 搭接接头使构件形状发生较大的变化，所以应力集中比对接接头的情况复杂得多。在搭接接头中，根据搭接角焊缝受力的方向，可以将搭接角焊分为正面角焊缝、侧面角

41、焊缝和斜向角焊缝，如图3-35所示。与力的作用方向相垂直的角焊缝称为正面角焊缝，如图中L3段，相平行的称为侧面角焊缝，如图中L1和L5段，介于两者之间的称为斜向角焊缝，如图L2和L4段。 正面角焊缝的工作应力分布 在正面角焊缝的搭接接头中，应力分布是很不均匀的。根据测试结果（图3-36）可以看出，在角焊缝的根部A点和焊趾B点都有较大的应力集中。 由于搭接接头的正面角焊缝与作用力偏心，所以承受拉力时接头上长产生附加弯曲应力，如图3-37所示。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离应不小于其板厚的4倍。 侧面角焊缝的工作应力分布 侧面角焊缝连接的搭接接头中，应力分布十分复杂，既有正应力又有切应

42、力，切应力沿焊缝长度方向上的分布是不均匀的，它与焊缝尺寸、断面尺寸和外力作用点的位置等因素有关。 侧面角焊缝的最大应力分布是在两端，中部应力最小，且焊缝较短时，应力分布比较均匀，较长时应力分布就很不均匀。一般规范规定：侧面焊缝长度不得大于50K（K为焊角尺寸）。 联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布 联合角焊缝是既有侧面角焊缝又有正面角焊缝。正面角焊缝比侧面角焊缝刚度大、变形小，设计搭接接头时，增添正面角焊缝，可以改善应力分布，缩短搭接长度。 盖板接头中的工作应力分布 右图3-43a为用侧面角焊缝连接的盖板接头。图3-43b为增添正面角焊缝连接的盖板接头，其各横截面正应力的分布得到改善。但不宜采

43、用，尤其在承受动载的结构中其疲劳强度极低。角焊缝的强度与载荷方向有关。当焊角尺寸一定时，斜向角焊缝的单位长度强度随焊缝方向与载荷方向的夹角而变，此角越大其强度越小三、接触焊接头的工作应力分布和工作性能 点焊接头 最常用的点焊接头有搭接的和加盖板的接头上的焊点主要承受切应力。 在焊点区域沿板厚的应力分布也是不均匀的，如右边图3-47所示。多排点焊接头中，各点承受载荷是不同，它与搭接接头侧面角焊缝中应力分布相似。 图3-50是多排点焊接头沿外力作用方向各点的受力情况。两端焊点受力最大，中间焊点最小。点数越多，它的分布不均匀，故接头的焊点排数不宜大于3。因为多于3排并不能再增加承载能力。 采用单排点

44、焊接头，很难达到接头与母材等强度，所以通常用多排点焊。再采用交错的排法，效果更好。 缝焊接头 缝焊的焊缝实质上是由点焊的许多焊点局部重叠构成的。多用于薄板容器的焊接。其接头的应力分布比点焊均匀。其静载强度和动载强度都比点焊接头高。 四、铆焊联合结构与铆焊联合接头四、铆焊联合结构与铆焊联合接头 铆焊联合结构 铆接接头比焊接接头虽有许多缺点，但铆接也有焊接所不能替代的特点： 铆接接头比焊接接头的刚度小 铆接接头的应力集中系数比某些焊接接头的小，对疲劳强度有利 铆接接头在结构中形成的内应力比焊接结构的低 铆接结构有较高的止裂性 铆接可减少工地条件下的焊接，从而保证生产质量。 铆焊联合接头 铆焊联合接

45、头是指在同一接头上既有铆钉又有焊缝。铆焊联合接头在承受载荷时，铆钉只能承担很小一部分，大部分由焊缝承担。要求铆钉和焊缝同时按照其承载能力来工作是不可能的。因此，这是一种不合理的接头形式。 一、工作焊缝和联系焊缝一、工作焊缝和联系焊缝 工作焊缝：焊缝与被连接的元件是串联的，承担传递全部载荷的作用。（图3-57a、b) 联系焊缝：焊缝与被连接件是并联的，传递很小载荷。主要起元件之间的相互之间的联系。(图3-57c、d) 二、焊接接头强度计算的假设二、焊接接头强度计算的假设 在静载条件下为了计算方便做如下假设： 残余应力对于接头强度没有影响 焊趾处和加厚高等处的应力集中，对于接头强度没有影响 接头的

46、工作应力是均匀的，以平均应力计算 正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别 焊角尺寸的大小对于角焊缝的强度没有影响 角焊缝都是在切应力作用力下破坏的，按切应力计算 角焊缝的破断面在角焊缝截面的最小高度上，计算高度a=0.7K 加厚高和少量的熔深对于接头的强度没有影响，但埋弧自动焊和C0气体保护焊的熔深较大应该考虑 三、电弧焊接头的静载强度计算三、电弧焊接头的静载强度计算 对接接头静载强度计算 计算对接接头时不考虑加厚高。计算金属强度的公式也适用于此。计算长度取实际长度，计算厚度取两板中的较薄者。若焊缝金属的许用应力与基本金属的相等，则不必进行强度计算。 搭接接头静载强度计算 受拉、压的搭接接头的计

47、算 受弯矩的搭接接头的计算 分段计算法 轴惯性矩法 极惯性矩法 双缝搭接接头计算 开槽焊接头及塞焊接头的静载强度计算 丁字接头强度计算 载荷平行于焊缝的丁字接头计算 弯矩垂直于板面的丁字接头计算 复杂截面构件接头计算计算这种接头除考虑前面提到的假设外，还得考虑以下几点： . 进行计算时，弄清接头受载情况，计算出各载荷引起的应力，再计算其合成应力。 . 计算合成应力时，常以最大正应力和平均切应力计算其合成应力。这样有利于安全。 . 在粗略计算时，有时把正应力当作切应力考虑，这也是偏向安全的简化计算方法。 受弯矩连接接头的强度计算 受扭矩的接头强度计算 角焊缝计算研究 一般角焊缝 角焊缝的承载能力

48、与外载荷的作用方向有关 角焊缝承受压力的能力比承受拉力大很多（1.7倍） 角焊缝承受切应力的能力最小，为承受拉力的75% 角焊缝的强度计算按切力虽然比较简捷也比较安全，但不够精确 正面角焊缝的破断面上有只有和的作用 ,折合应力: 折 = 2 +1.82 在破断面上与焊缝相垂直的正应力 在破断面上与焊缝相垂直的切应力 1964年国际焊接学会公布的角焊缝折合应力的一般公式和1976年他们又修改过后的公式如下： 折 = 2 +1.8（2+2 ） （1964） 折 = 2 +3（2+2 ） l （1976） 带坡口角焊缝的研究 当板材较厚时，焊接丁字接头或角接头，可采用在板端开坡口和角焊缝同时并用的方

49、法进行连接，抗拉强度取决于坡口深度p，焊角尺寸K和角度或p。这种焊缝在焊根处和焊趾处有较大得应力集中。 带坡口的角焊缝，当而受拉力时，其接头强度极限可按下式计算： 当为任意值， J b =w b（3sin2 p+1）/3 当=45时，J b =w b(4p 2+K2)/3(p 2+K2) 见下图3-81。式中wb焊缝金属强度极限。 受压角焊缝的研究 一般认为：角焊缝受压时强度不成问题。受拉时则比较危险。 为装配间隙，在焊接塑性较好的前提下有： 当 0.5mm时，设计上可以不考虑焊接承受压力，而且由母材直接传递压力。 当0.5 2mm时，若焊缝经压缩后间隙闭合并不影响接头的功能或不影响构件的稳定

50、性，也可不考虑焊缝承受载荷。 当 2mm时，应考虑焊缝承受压力，进行强度计算。 若在第一和第二的情况下，焊脚尺寸K值还应遵守一般惯例，不应低于最小值。 当角焊缝必须承受拉伸载荷时，进行压载计算时应考虑承受全部载荷。 对于重要的受压角焊缝，最好保证装配间隙 2mm，并使焊缝根部有足够的熔深。 四、接触焊接头的静载强度计算四、接触焊接头的静载强度计算 点焊接头承受拉力强度计算 点焊接头承受弯矩的强度计算 缝焊接头的静载强度计算焊缝许用应力的大小于许多因素有关，它不但与焊缝工艺和材料有关，而且也与焊接检验方法的精确程度密切相关。 确定焊缝的许用应力有两种办法： 按基本金属的许用应力乘以一个系数，确定

51、焊缝的许用应力。此系数主要是根据所用焊接方法和焊接材料确定的。用一般焊条手工焊成的焊缝采用较低的系数，用低氢型焊条或自动焊的焊缝采用较高的系数。 见表3-6 采用已经规定的具体数值。多为某类产品行业所用，为了本行业的方便和技术上的统一，常根据产品的特点、工作条件、所用材料、工艺过程和质量检验方法等，制定吃相应的焊接许用应力具体数值，如下页表3-7所示。焊缝种类应力状态 焊 缝 许 用 应 力一般42kg及50kg级焊条手工焊接低氢焊条手工焊、自动焊和半自动焊对接缝拉应力压应力切应力 0.9 0.6 0.65角焊缝切应力 0.6 0.65 钢 结 构 焊 缝 许 用 应 力 （N/cm）焊接种类

52、 应 力 种 类 符号自动焊、半自动焊和结42型焊条的手工焊接低氢焊条手工焊、自动焊和半自动焊 构 件 的 钢 号 2 号 钢3号钢16锰钢和16锰桥钢第一组第二三组第一组第二三组第一 组 第二组第三组对接焊缝 抗 压15200136001665015200235002260021000抗拉自动焊、精确方法检查质量的手工焊和半自动焊15200136001665015200235002260021000用普通方法检查质量的手工焊和半自动焊12700117501420012700201001910018100 抗 剪9300830098009300142001360012700角焊缝抗拉 抗压 抗

53、剪10700107001175011750166501665016650关对接焊缝，如经射线或超声波检验符合设计要求的，许用应于力可以采用与母材相等，不必进行强度计算。关于高强钢、高强铝合金和其它特殊材料制成的焊接结构，或在特殊条件下使用的焊接结构，其焊缝的许用应力，应按有关规定或经过专门试验来确定。 3-5 焊 缝 代 号 焊缝代号是一种工程语言，可以统一焊接结构图纸上的符号。我国的焊缝代号是由国家标准GB-324-80规定的。 焊缝代号有一些组成如下： 焊接方法的代号以简明的符号或字头代表焊接方法； 基本符号表示焊缝剖面形状的符号； 辅助符号表示对焊缝有辅助要求的符号； 引出线表示指引焊缝

54、位置的符号； 焊缝尺寸符号。 4-1 脆性断裂事故和研究脆断的意义 自焊接结构广泛应用以来，就出现了不少焊接结构的脆断事故。由于这种事故具有突然发生和不可预料性，其后果往往十分严重，故引起世人关注，研究脆断意义非同小可。 举例来说，就如19421946年间，美国建造的EC2货船就发生了好多事故，究其因是由于设计不当，材料性能差所致。 脆断一般都在应力不高于结构的设计应力和没有显著的塑性变形的情况下发生，并瞬间扩展到结构整体，具有突然破坏的性质，不易事先发现及预防，因此往往造成人身伤亡和财产的巨大损失。 造成焊接结构的脆断原因是多方面的：主要有材料的选用不当，设计不合理和制造工艺及检验技术不完善

55、等。 4-2 金属材料的断裂及其影响因素 按照断裂前塑性变形大小可将断裂分为延性断裂和脆性断裂两种。延性断裂在断裂前有较大的塑性变形；脆性断裂前没有或只有很小的塑性变形，断裂突然发生并迅速扩展。一、金属材料断裂的形态特征 延性断裂 延性断裂的断口一般为纤维状，色泽暗淡，边缘有剪切唇，断口附近有宏观的塑性变形。杯锥状断口是一种常见的延性断口。延性断裂的微观特征形态是韧窝（圆形或椭圆形凹坑）。 韧窝的实质是材料微区塑性变形形成空洞聚集和长大导致材料断裂所留下的圆形或椭圆形凹坑，如图 4-1 所示。脆性断裂 通常指沿一定结晶面的劈裂的解理断裂及晶界断裂。解理断裂的宏观断口平整，一般与主应力垂直，没有

56、可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽。解理断裂裂纹急速扩展，其宏观断口常为放射状撕裂棱形人字纹花样，微观特征形态常出现河流花样、舌状花样、扇形花样等。 脆性断裂的断口宏观形态特征为颗粒状或粗瓷状，色泽较暗。断裂前也没有可以觉察的塑性变形，断口一般与主应力垂直，表面平整，边缘有剪切唇。微观形态特征是明显的多面体，没有明显塑性变形，呈现不同程度的晶粒多面体，外形如岩石状花样或冰糖块状花样。二、影响金属脆性断裂的因素二、影响金属脆性断裂的因素 最主要的影响因素是温度、应力状态和加载速度。 应力状态的影响 物体在受外载时，不同的截面上产生不同的正应力和切应力。当剪应力达到屈服极限时，产生塑性变形，达到

57、剪断抗力时，产生剪断。当正应力达到正断抗力时，产生正断，断口与max垂直。如果在max未达到正断抗力前， max先达到屈服极限,则产生塑性变形，形成塑性断裂。如果max达到屈服极限前， max首先达到正断抗力则发生脆性断裂。因此断裂的形式与加载形式即应力状态有关。温度的影响 随着温度的降低，焊件的破坏方式会发生变化，即从塑性破坏到脆性破坏。对于一定的加载方式（应力状态），当温度降到某一临界值时，将出现延性到脆性断裂的转变。这个温度称为转变温度转变温度。 加载速度 提高加载速度对材料的破坏作用相当于降低温度。应当指出，在相同的加在速度下，当结构中有缺口时，应变速率可呈加倍的不利影响。材料状态的影

58、响 厚度的影响 厚板在缺口处形成三轴拉应力 冶金因素 晶粒度影响 化学成分的影响 4-3 金属材料的脆性断裂的能量理论 研究和实验表明，固体材料的实际断裂强度只有理论断裂强度的1/101/1000。葛里菲斯认为，在任何固体材料里本来就有一定数量和大小的裂纹和缺陷，从而导致固体材料在低应力状态发生脆断。葛里菲斯能量方程： 裂纹扩展临界条件： 由裂纹扩展临界条件可以得出塑性变形是阻止裂纹扩展的主要因素。 4-4 材料断裂的评定方法 一、一、 转变温度转变温度 这种方法是用转变温度作为标准来评定钢材的脆性韧性行为的。采用以下几种方法均可达到确定材料脆性韧性转变温度特点的目的：静弯试验、冲击试验、落锤

59、试验和部分大型试验。 冲击试验 目前有却贝V形缺口冲击试验与梅氏U形缺口冲击试验。 在一定温度下，钢材的韧性常用以下几种方式来评定： 能量标准 断口标准 延性标准 爆炸膨胀实验和落锤实验 爆炸试验是用全厚度的355355mm正方形钢板做试件，在试件中央堆焊一小段脆性焊道，并锯一缺口为起裂点，然后将其安置在环行支座上，再从上方施加爆炸压力。爆炸膨胀试验中，同一种材料在不同的温度下，可以出现四种不同的情况： 1. 平裂情况 2. 凹裂情况 3. 凹陷和局部断裂情况 4. 膨胀撕裂情况 NDT无延性转变温度 温度低于NDT时，材料断裂没有延性，断裂是脆性的。 FTE弹性断裂转变温度 在此温度之下，裂

60、纹能够向低应力区扩展；高于这个温度，裂纹只能在应力达到屈服点范围内扩展，而不向低应力区扩展。 FTP延性断裂转变温度 在此温度之上，断裂完全是塑性撕裂。 落锤试验是动载简支试验, 这种试验的优点是试验条件比较符合焊接结构的实际情况，且方法简便，设备简单。 静载试验 静弯试验在万能试验机上进行。二、断裂力学方法二、断裂力学方法 断裂力学方法是应转变温度方法得不足而发展起来的。断裂力学在承认材料中存在缺陷，在分析裂纹体的基础上，建立了材料中工作应力和裂纹尺寸及断裂韧度之间的关系。 4-5 焊接结构的特点及其对脆断的影响 焊接结构的脆断事故发生，除了材料选用不当外，结构设计和制造不合理也是重要原因。