第三章角焊缝

（2）斜角角焊缝对于α>135o或α<60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。2.直角角焊缝的受力分析（1）侧面角焊缝（侧焊缝）:外力与焊缝长度方向平行NlwNA.破坏形式（通过实验）

试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。剪应力τfB.

应力分析NlwN（2）正面角焊缝：外力与焊缝长度方向垂直A.正面角焊缝的破坏形式B.

应力分析

正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%--55%以上。（3）斜角焊缝（斜的直角角焊缝：外力与焊缝长度方向倾斜）

斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。hfhehh1h2deh---焊缝厚度、h1—熔深、h2—凸度、d—焊趾、e—焊根二、角焊缝的构造

1、最大焊脚尺寸hf,max

为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:

hf,max≤1.2t1（钢管结构除外）式中:t1---较薄焊件厚度。tt1hf

对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：

当t≤6mm时，hf,max≤t；当t>6mm时，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t2、最小焊脚尺寸hf,min

为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:

式中:t2----较厚焊件厚度

另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm;

对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;

当t2≤4mm时,hf,min=t23.侧面角焊缝的最大计算长度

侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：注：

1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；

2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。4.侧面角焊缝的最小计算长度

对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：5.搭接连接的构造要求

当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：

A、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范规定：B、为了避免焊缝横向收缩时引起板件的拱曲太大，规范规定：t1t2bD.在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度

的5倍，且不得小于25mm。

C.当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊。b2hft1t2三、直角角焊缝的强度计算公式

1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为计算截面(不计凸度和溶深），作用在该截面上的应力如下图所示（假定轴心力作用下应力分布均匀）：hfhehh1h2deσ┻τ┻τ∥helw2、实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难，为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截面处破坏，且各应力分量满足以下折算应力公式:

┻┻∥3、由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的故上式又可表达为：式中：--焊缝金属的抗拉强度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw4、直角角焊缝的强度计算公式：NNyNx┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf将3—3、3—4式，代入3—2式得：┻┻∥┻┻∥将3—3、3—4式，代入3—2式得：式3—5即为，规范给定的角焊缝强度计算通用公式βf—正面角焊缝强度增大系数；静载时取1.22，动载时取1.0。对于正面角焊缝，τf=0，由3—5式得：对于正面角焊缝，τf=0，由3—5式得：对于侧面角焊缝，σf=0，由3—5式得：

以上各式中：

he=0.7hf；

lw—角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。四、各种受力状态下的直角角焊缝连接计算1、轴心力作用下(1)轴心力作用下的盖板对接连接:A、仅采用侧面角焊缝连接：B、采用三面围焊连接：NNlwlw’(2)T形角焊缝连接NxNyNθN代入式3-5验算焊缝强度，即:(3)角钢角焊缝连接A、仅采用侧面角焊缝连接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面围焊由力及力矩平衡得:余下的问题同情况‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2对于校核问题:对于设计问题:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形围焊代入下式3-20，3-21得:Ne1e2bN1xxN3lw1C、采用L形围焊代入下式3-20，3-21得:对于设计问题:Ne1e2bN1xxN3lw12、N、M、V共同作用下(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用下焊缝强度计算h1σfAσfBτf对于A点：式中：Iw—全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；

h1—两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxhh2BB’Ah1MeFVM对于B点：强度验算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊缝的计算长度；

he,2—腹板焊缝截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。3、T、V共同作用下将F向焊缝群形心简化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：该连接的设计控制点为A点和A’点xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A点应力:将其沿x轴和y轴分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下,A点应力:A点垂直于焊缝长度方向的应力为:A点平行于焊缝长度方向的应力为:强度验算公式：思考:以上计算方法为近似计算，为什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe注意：角焊缝的合理构造

与对接焊缝相比，角焊缝应力集中严重。但合理布置焊缝仍然可减小应力集中程度。

传轴力接头从构造优劣上排序依次为

围焊L焊（绕角焊）仅有侧焊缝仅有端焊缝总体思路：使应力流顺畅，路径短。

不同的搭接接头角焊缝的计算

内容上，角焊缝的计算包括3类问题：

（1）强度检算：已知（连接需要传递的）内力及焊缝尺寸（焊脚、焊缝形状、计算长度），验算连接的强度；（2）确定最大承载力：已知焊缝尺寸，确定焊缝连接的承载能力

（3）连接设计：已知内力，要求设计连接焊缝。

传力角度看，角焊缝计算分：轴力、弯矩、扭矩、组合力

连接计算方法看：角焊缝计算分等强度法：根据被连接构件的承载能力计算连接的方法；内力法：根据被连接构件的最大内力计算连接的方法。

（一）轴力（拉力、压力、剪力）作用

例题1

设计一双拼接板对接接头，使之可发挥基材的最大强度潜力。已知条件：基材采用Q345(16Mn)，钢板截面300×20mm2；设计强度：=300Mpa；手工焊，E50焊条，角焊缝强度设计值：=200Mpa。【解】属于等强度设计问题（连接的强度不小于被连接构件的强度）

1）设计拼接板

拼接板宽为260mm；按等强度设计原则，拼接板截面≥基材截面，取12mm。拼接板面积2×12×260=6240mm>20×300=6000mm。

2）焊脚尺寸对手工焊，焊脚mm，焊件边缘取为8mm。3）侧焊缝计算连接需要传递的内力=1800000N端焊缝可传递内力

=2.44×0.7×8×260×200=710528N侧焊缝需传递内力=1089472N

则：

=1089472/(4×5.6×200)=243mm<60=480mm实际侧焊缝长度=251mm，取为250mm。

例题2

图为一受剪兼受弯接头，钢材采用Q235，Mpa；焊条采用E43，Mpa；偏距e=100mm，焊缝长310mm。试按《钢规》计算以下内容：1．P=200kN，焊脚尺寸=8mm，试检算焊缝强度

2．已知焊脚尺寸=8mm，试确定最大承载力3．已知P=150kN，试设计焊脚尺寸。

例题2

【解1】强度检算问题

例题2

【解2】最大承载力问题

例题2

【解2】最大承载力问题

例题2

【解3】设计问题（=150kN，计焊脚尺寸）

例题2

【解3】设计问题（=150kN，设计焊脚尺寸）

例题2

【解3】设计问题（=150kN，设计焊脚尺寸）

五、斜角角焊缝的计算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b图B1、由于斜角角焊缝的研究不够充分，为简化计算，规范规定：对于两焊脚边夹角60o≤α≤135o的斜T形连接，其斜角角焊缝采用与直角角焊缝相同的计算公式，且统一取βf=1.0。2、斜角角焊缝的计算厚度hei由几何关系得其通式为：式中：b、b1和b2≤5mm说明：A.b1和b2≤1.5mm时,

可取b1、b2=0B.b1和b2>5mm时,

应如图“B”方式处理，且使b≤5mm。α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2图Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b图B§3－5焊接应力和焊接变形一、焊接残余应力的分类及其产生的原因

1、焊接残余应力的分类

A、纵向焊接残余应力—沿焊缝长度方向;B、横向焊接残余应力—垂直于焊缝长度方向;C、沿厚度方向的焊接残余应力。

§3－5焊接应力和焊接变形2、焊接残余应力产生的原因

（1）纵向焊接残余应力

焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达1600oC，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生热态塑性压缩，焊缝冷却时被塑性压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到屈服强度。焊接残余应力是无荷载的内应力，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++

（2）横向焊接残余应力产生的原因:1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形的趋势，导致两焊件在焊缝处中部受拉，两端受压；2、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向有关。

以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。(a)焊缝纵向收缩时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩时的横向应力xy+-+施焊方向(c)焊缝横向收缩时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向残余应力yx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接残余应力

在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊，焊接时沿厚度方向已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的膨胀，产生塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力。因此，除了横向和纵向焊接残余应力σx,σy

外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力σz，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接残余应力对结构性能的影响1、对结构静力强度的影响f+--bfy+--bfyNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到fy，即N=Ny时：结论：焊接残余应力对结构的静力强度没有影响。+--fyfbBt2、对结构刚度的