焊接结构制造工艺及实施-教学课件-朱小兵-焊接接头及强度计算

焊接接头及静载强度

本章主要讨论电弧焊接头的工作应力分布、静载强度计算，重点：应力集中、工作应力分布。第一节焊接接头的类型一、焊接接头的组成图2-1熔焊焊接接头的组成1—焊缝金属2—熔合区3—热影响区4—母材对接接头断面图搭接接头断面图1.焊接接头的组成：由焊缝金属、熔合区、热影响区组成。2.焊接接头的两个基本特征：不均匀性和应力集中。3.影响焊接接头性能的主要因素主要有：接头形状不连续，焊接缺陷，残余应力、变形。材质方面影响焊接接头性能的因素有：焊缝组织，焊缝化学成分，加工硬化等。二、焊缝及焊接接头的基本形式1、焊缝的基本形式（1）对接焊缝（图2-3解释）δ=1~3mmδ=3~8mmδ=3~26mmδ=12~60mmδ>12mmδ=20~60mm

对接焊缝开坡口的目的：确保接头质量，提高经济效益，通常考虑以下几个方面：1）可焊到性或便于施焊；(实例解释)2）降低焊接材料的消耗量(X、V形坡口)；(用实例解释)3）坡口易加工；4）减小或控制焊接变形；(用实例解释)

坡口形式合理、工艺正确，可有效减小或控制变形。

按其截面形状可分为平角、凹角、凸角、不等腰角焊缝四种。（2）角焊缝平角凹角凸角不等腰角

以上各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关：静载时，母材塑性良好，角焊缝的截面形状对承载能力没有显著影响；动载时，凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高，凸角焊缝承载能力低。

角焊缝开坡口有以下优点：

1）提高焊接效率，节约焊材；(仅为普通角焊缝的60%)2）减小焊接变形。2、焊接接头的基本形式其基本形式有四种：对接接头、搭接接头、T形接头、角接接头，见图2-5。图2-5焊接接头的基本形式对接接头搭接接头T形接头角接接头（1）对接接头把同一平面上的两工件相对焊接起来而形成的接头称为对接接头；对接接头从强度角度看是比较理想的接头形式，故应用广泛。以下要熟悉各种接头的优缺点：（2）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。

搭接接头有以下优点：1）焊前准备，装配工作比对接接头简单；2）横向收缩量较小；缺点：应力分布不均匀，疲劳强度低；搭接接头一般用于受力较小的焊接结构；

搭接接头还有以下几种形式：

1）角焊缝组成的搭接接头2）开槽焊搭接接头图2-7开槽焊搭接接头

3）塞焊搭接接头图2-8塞焊接头

4）锯齿缝搭接接头图2-9锯齿缝搭接接头（3）T形(十字)接头；互相垂直的被焊焊件用角焊缝连接起来的接头称为T形接头；

图a根部没有焊透，其承载能力低；图b对较厚的钢板可开K形坡口；图c采用单边V形坡口，焊完一面在背后清焊根并焊满，效果好。

图2-10T形(十字)接头

图a接头简单，承载能力差；图b双面焊，承载能力较大；图c、d开坡口易焊透，有较高的强度，但注意层状撕裂；图e、f易装配；图g易装焊，刚度大；图h最差。（4）角接接头两板件端面构成30º~135º夹角的接头称为角接接头。图2-12角接接头形式第二节电弧焊接头的工作应力一、应力集中的概念应力集中——接头局部区域的最大应力值(σmax)较平均应力值（σav）高的现象。应力集中程度的大小，以应力集中系数KT表示：

KT＝σmax/σav

焊接接头中产生应力集中的原因有以下几点：

1）焊缝中的缺陷气孔、夹渣、裂纹、未焊透，其中未焊透、裂纹引起的应力集中较严重。残余应力组织成分不同焊趾及咬边焊缝金属热影响区缺陷裂纹未焊透气孔夹渣裂纹脆化应力集中角变形错边应力集中错边2）焊缝外形焊缝的余高、角焊缝凸出等。图2-13接头的应力分布凸角焊缝图2-4角焊缝截面形状及其计算断面3）焊接接头形式不合理；接头截面突变，加盖板的对接接头。图3-2低碳钢塔接接头的疲劳极限对比二、电弧焊接头的工作应力分布对接接头的工作应力分布图2-13接头的工作应力分布

图2-13解释：余高——对接接头的焊缝略高于母材板面，超出母材表面连线上的那部分焊缝金属的最大高度。（1）余高引起应力集中；由图2-13分析：对接接头的工作应力集中主要是余高引起的，焊缝正面KT＝1.6，背面KT＝1.5；（2）应力集中的大小取决于h、γ；由图2-14分析：γ↗，h↘，KT↘，反之KT↗；当h＝0时，K＝1，此时应力集中消失。图2-14余高和过渡半径与应力集中系数的关系（3）应力集中与疲劳强度

应力集中KT↗，疲劳强度下降越明显，因此承受动载的结构，必须削平余高。以上分析，从强度看，对接接头是很好的接头，因此国标规定承受动载的结构，h＝0—3mm。图1-15a

T形（十字）接头的工作应力分布2、T形（十字）接头的工作应力分布（1）未开坡口的T形（十字）接头的工作应力分布；由图1-15a解释：焊趾、焊根应力集中很明显，B截面应力分布不均匀，B截面的应力集中系数随角焊缝θ角减小而下降，这一点说明了图2-4b。图1-15b

T形（十字）接头的工作应力分布（2）开坡口的T形（十字）接头的工作应力分布图1-15b了解到应力集中明显下降，因此重要坡口并焊透。3、搭接接头的工作应力分布图2-16是常见的搭接接头，该搭接角焊缝按受力方向可分为正面角焊缝、侧面角焊缝、斜向角焊缝。正面角焊缝——焊缝与力的作用方向垂直的角焊缝；侧面角焊缝——焊缝民力的作用方向相平行的角焊缝；斜向角焊缝——介于两者之间的角焊缝称为斜向角焊缝。图2-16搭接接头角焊缝由图2-17可看到：该焊缝的应力分布很不均匀，焊趾B、焊根A有较大的应力集中；若要减小应力集中系数，可通过减小其夹角θ或增大熔深，焊透根部。（1）正面角焊缝的工作应力分布图2-17正面搭接角焊缝的应力分布（2）侧面角焊缝的工作应力分布由图2-18可看到：最大应力在两端，中部应力最小，焊缝越长，应力分布越不均匀；因此侧面角焊缝的长度不得大于50K（K―焊脚尺寸）。图2-18侧面角焊缝的工作应力分布F1F2AAA—AτmaxF1>F2既有侧面角焊缝又有正面角焊缝的搭接接头为联合角焊缝。图2-19联合角焊缝的应力分布图2-18的侧面角焊缝的应力集中相当严重，当施焊正面的角焊缝后，其应力分布见图2-19，可看到应力集中得到改善，同时侧面的最大切应力有所降低，因此设计上多采用联合角焊缝。（3）联合角焊缝的工作应力分布（4）盖板接头中的工作应力分布1）盖板侧面角焊缝的工作应力分布；由图2-20a可看到盖板侧面的横截面正应力分布不均匀；2）盖板侧、正面角焊缝的工作应力分布；由图2-20b可看到增焊正面角焊缝后，其应力分布得到改善，应力集中明显降低，但在承受动载时结构的疲劳强度较低，因此盖板接头不能用于动载。图2-20加盖板接头应力分布以上讨论的各种电弧焊接头都有不同程度的应力集中，但不是在所有情况下应力集中都会影响强度。

当材料具有足够的塑性，应力集中对静载强度没有影响。原因由图2-21分析可知：主要是接头在塑性变形过程中能发生应力均匀化。图2-21侧面搭接接头的工作应力均匀变化第三节焊接接头的静载强度计算一、工作焊缝和联系焊缝

1、工作焊缝:指焊件上用于承受载荷的焊缝称为工作焊缝；图2-22a、b。a)承载焊缝b)非承载焊缝2、联系焊缝:

指焊件上不直接承受载荷，只起到连接作用的焊缝称为联系焊缝；图2-22c、d。二、焊接接头强度计算的假设焊接接头的应力分布非常复杂，难以精确计算，一般采用假设简化计算，目前焊接接头静载强度计算常作如下的假设：1）残余应力对接头强度没有影响；

2）焊趾处和余高处的应力集中对接头强度没有影响；残余应力组织成分不同焊趾及咬边焊缝金属热影响区缺陷裂纹未焊透气孔夹渣裂纹脆化应力集中应力集中角变形错边错边3）接头的工作应力是均匀的以平均应力计算；4）正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别；图2-16搭接接头角焊缝5）焊脚尺寸的大小对角焊缝的强度没有影响；凸角不等腰角6）角焊缝按切应力计算强度；7）角焊缝以焊缝中最小断面为计算断面，见图2-23。直角等腰角焊缝的计算高度：a≈0.7Ka为计算高度。图2-23深熔焊的角焊缝8）埋弧焊、CO2焊时，角焊缝计算断面，见图2-23

。角焊缝计算断面高度a为：a=(K+P)cos45º

当K≤8mm时，可取a=K；当K>8mm时，可取P=3mm；图2-23深熔焊的角焊缝接头强度计算时的许用应力值均为焊缝的许用应力；电弧焊接头静载强度计算的一般表达式：

σ≤［σˊ］或τ≤［τˊ］

式中σ、τ——平均工作应力；［σˊ］、［τˊ］——焊缝许用应力；三、电弧焊接头的静载强度计算1、对接接头的静载强度计算计算时要注意以下几点：

1）可不考虑焊缝余高；

2）计算焊缝长度取实际长度；

3）计算厚度取两板中较薄者；

4）若焊缝的许用应力与基本金属相同，可不必强度计算。

以下是全焊透的对接接头的各种受力情况及计算公式。（1）受拉、压对接接头的静载强度计算；受拉时，Fσt＝———≤[σtˊ]Lδ1受压时，Fσp＝———≤[σpˊ]Lδ1M1图2-24对接接头受力情况M1M2M1M2FFsFsδ1<δ2δ1δ2（2）受剪切对接接关的静载强度计算：

FSτ＝———[τˊ]Lδ1

（3）受弯矩对接接关的静载强度计算：

Fsτ＝--------[τˊ]Lδ11)受板平面内弯矩M1

6M1σ＝-------≤[σtˊ]δ1L22)受垂直板面弯矩M2

6M2σ＝-------≤[σtˊ]δ1L22、搭接接头的静载强度计算（1）受拉、压的搭接接头静载强度计算：1)正面搭接受拉、压：

Fτ＝————≤［τˊ］

1.4KL2)侧面搭接受拉、压：

Fτ＝————≤［τˊ］

1.4KL3)联合搭接受拉、压：

Fτ＝————≤［τˊ］

0.7KΣL正面搭接受拉、压侧面搭接受拉、压联合搭接受拉、压（2）受弯矩的搭接接头静载强度计算：

1)分段计算法图2-27分段计算法示意图

在外力矩M作用下，焊缝两个平面内产生两个内力矩(MV、MH)，根据内外力矩平衡关系：即：M=MV+MH

式中：MV——垂直焊缝产生的内力矩；

MH——水平焊缝产生的内力矩。

当焊缝不是深熔焊缝，若应力值达到τ时，水平焊缝中的力矩：

MH＝τ×0.7KL(h+K)

垂直焊缝中的力矩：

MV＝τ×0.7Kh2/6M＝τ［0.7KL(h+K)＋0.7Kh2/6］

Mτ=----------------------0.7KL(h＋K)＋0.7Kh2/6

该式为分段计算公式。

2）轴惯性矩计算法

图2-28：设焊缝中某点的应力值与中性轴的距离成正比，因此，最大应力值将是离中性轴最远的ymax

处，计算公式：式中：M—作用在接头上的外加弯矩(N·mm)ymax—

焊缝至X轴的最大距离(mm)Ix--焊缝对X轴的计算惯性矩(mm2)

τmax

—

焊缝受到的最大切应力（MPa）

[τˊ]—焊缝的许用切应力(MPa)Mτmax=———ymax≤［τˊ］

IX图2-28轴惯性矩计算法示意图

例题5：分别用分段计算法、轴惯性计算法计算。分段：τ=86.96MPa86.96MPa≤100MP