三级检验员焊接检验基础知识 复习材料14

焊接工艺问答（强度及结构）

各种焊接接头都有不同程度的应力集中，当母材具有足够的塑性时，结构在静开车破坏之前

就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。

例如，侧血搭接接头在加载时，如果母材和焊缝金属都有较好的塑性，其切应力的分布是不

均匀的，见图29。继续加载，焊缝的两端点达到屈服点os,则该处应力停止上升，而焊缝

中段各点的应力因尚未达到os,故应力随加载继续上升，到达屈服点的区域逐渐扩大，应

力分布曲线变平，最后各点都达到。s。如再加载，直至使焊缝全长同时达到强度极限，最

后导致破坏。

图30

a）、b）工作惮缝c）、d）联系焊缝

36什么是工作焊缝？什么是联系焊缝？

焊接结构上的焊缝，根据其载荷的传递情况，可分为两种：一种焊缝与被连接的元件是串联

的，承担着传递全部载荷的作用，一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，见

图30a、图30b,其应力称为工作应力。另一种焊缝与被连接的元件是并联的，仅传递很小

的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称

为联系焊缝，见图30c、图30d,其应力称为联系应力。设计时，不需计算联系焊缝的强度,

只计算工作焊缝的强度。

37举例说明对接接头爱拉（压）时的静载强度计算。

全焊透对接接头的各种受力情况见图31。图中F为接头所受的拉（压）力，Q为切力，Ml

为平面内弯矩，M2为垂平面弯矩。

受拉时的强度计算公式为

F

ot=------W（o't）

L81

F

受压时的强度计算公式为。a=------W（。'a）

LSI

式中F——接头所受的拉力或压力（N）；

L——焊缝长度（cm）；

81——接头中较薄板的厚度（cm）；

。----接头受拉（。t）或受压（。。）时焊缝中所承受的应力（N/cm2）㈠

1。't）——焊缝受拉时的许用应力（N/cm2）

（。'a）——焊缝受压时的许用应力（N/cm2）

计算例题两块板厚为5mm、宽为500mm的钢板对接焊在一起，两端受28400N的拉力，材

料为Q235-A钢，试校核其焊缝强度。

解：查表得（。't）=14200N/cm2o

根据已知条件，在上述公式中，F=28400N,L=500mm=50cm,8l=5mm=0.5cm,代入计算

为

F28400

ot=------=----------=U36N/cm2<14200N/cm2

L6150X0.5

该对接接头焊缝强度满足要求，结构工作安全。

38举例说明对接接头受剪切时的静载强度计算。

受剪切时的强度计算公式为

Q

T=------<（T'）

L81

式中Q——接头所受的切力（N）；

L——焊缝长度（cm）；

51——接头中较薄板的厚度（cm）；

T——接头焊缝中所承受的切应力（N/cm2）；

（T，）——焊缝许用切应力（N/cm2）

计算例题两块板厚为10mm的钢板对接焊，焊缝受29300N的拉力，材料为Q235-A钢，试

设计焊缝的长度（钢板宽度）o

解：查表得（T，）=9800N/cm20

根据已知条件，在上述公式中，Q=29300N,6l=10mm=lcm,代入计算为

Q28400

L2------------=-------------=2.99cm=29.9mm

;

61（T）1X9800

取1=30mm。即当焊缝长度（板宽）为30mm时，该对接接头焊缝强度能满足要求。

39举例说明对接接头受弯矩时的静载强度计算。

受水平板面内弯矩的强度计算公式为

6M1

o=--------<（。't）

61L2

受垂直板面内弯矩的强度计算公式为

6M2

o=--------W(o't)

812L

式中Ml----水平板面内弯矩（N/cm2）；

M2——垂直板面弯矩（N/cm2）；

L——焊缝长度（cm）;

51——接头中较薄板的厚度（cm）；

。——接头受弯矩作用时焊缝中所承受的应力（N/cm2）；

（。，t）——焊缝受弯时的许用应力（N/cm2）,

计算例题两块厚度相同钢板的对接接头，材料为16MnR钢，钢板宽度为30丽，受垂直板

面弯矩300000N•cm,试计算焊缝所需的厚度（板厚）。

解：查表得（。't）=20100N/cm2»

根据已知条件，在上述公式中，M2=300000N•cm,L=300mm=30cni,代入计算为

/6M/6x300000

>21.72cm=17.2mm

气L30X20100

取8l=18mm,即当焊缝厚度（板厚）为18mm时，该对接接头焊缝强度能满足要求。

40举例说明搭接接头受拉（压）时的静载强度计算。

各种搭接接头的受力情况，见图32。

图32

a）正面搭接受拉（压）b）便面搭接受拉（压）c）联合搭接受拉（压）

三种焊缝的计算公式为

⑴正面搭接焊缝受拉（压）的计算公式为

F

T=------------W（1'）

1.4KL

⑵侧面搭接焊缝受拉（压）的计算公式为

F

T=-------------<（T'）

1.4KL

⑶联合搭接焊缝受拉（压）的计算公式为

F

T=-------------<（T'）

0.7K2L

式中F-搭接接头受的拉（压）力（N）；

K——焊脚尺寸（cm）；

L——焊缝长度（cm）；

EL——正、侧面焊缝总长（cm）；

T——搭接接头角焊缝受的切应力（N/cm2）；

（T，）——焊缝金属许用切应力（N/cm2）；

计算例题将lOOmmX10mm的角钢用角焊缝搭接在一块钢板上见图33。受拉伸时要求与角

钢等强度，试计算接头的合理尺寸K和L应该是多少？

解：从材料手册查得角钢断面积S=19.2cm2；许用应力=16000N/cni2,焊缝许用应

力（T'）=10000N/cm2o

角钢的允许载荷为

（F）=S]。）=19.2X16000=307200N

假定接头上各段焊缝中的切应力都达到焊缝许用切应力值，即P=[T'）。若取K=10mm,

采用手弧焊，则所需的焊缝总长为

（F）307200

ZL—--------------——--------------------=43.9cm

0.7K'）0.7X1X10000

角钢一端的正面角焊缝L3=100mm,则两侧焊缝总长度为339m瞑根据材料手册查得角钢的

拉力作用线位置e=28.2mm,按杠杆原理，则侧面角焊缝L2应承受全部侧面角焊缝载荷的

28.3%o

28.3

L2=339X=96mm

100

另外侧的侧面角焊缝长度L1应该为

100-28.3

LI=339X------------=243mm

100

取LI=250mm,L2=100mmo

41举例说明搭接接头受弯矩时的静载强度计算。

搭接接头受弯矩的情况，见图34a。计算公式为

r=-------------------------07KA2＜〔.J

O.1KL(A+K)+匹铲-

式中M——作用在接头上的外加弯矩(N/cm2)；

K——焊脚尺寸(cm)；

H——搭接板宽度(cm)；

(t，)——焊脚的许用切应力(N/cm2))o

计算例题由三面焊缝组成的悬臂搭接接头(图34),当焊缝总长为500IM,K=10mm时,

在梁的端头作用一弯矩M=2800000N•cm,试验计算接头是否安全？已知焊缝作用切应力

(T')=10000N/cm2„

解：计算公式为

M

0.7KL&+K),铲

2800000__=

0.7X(5：3)XIQ(30+1)+0'7X^X302

ZO

8696N/cm2

8696N/cm2<10000N/cm2,即〔r'〕，..・接头安全。

42举例说明搭接接头受偏心载荷时的静载强度计算。

如果搭接接头承受的载荷是垂直X轴方向的偏心载荷F见图35,此时焊缝中既有由弯矩M

=FL引起的切应力（由来1公式计算），又是有由切力Q=F引起的切应力TQ为

F

TQ~0.1KL

此时焊缝中所承受的合成切应力r为：

r=，吊+玷＜

计算例题一偏心受载的搭接接头（图35）,已知焊缝长h=400mm,10=100mm,焊脚尺

寸K=10nm,外加载荷F=30000N,梁长L=100cm,试校核焊缝强度。焊缝的许用切应力（TZ）

=10000N/cm2o

图35

解：分别计算TM、TQ：

______M______

Mr=

O.7K/o&+K)誓

由F力引起的弯矩M=F・L=30000xl00=3000000N・cm,

代人已知数据为

=____________3000000____________=

M0.7X1X10(40+1)+4Q2

o

6334N/cm2

F

g-0.7KEZ

£/为焊缝总长，即£2=40+10+10=60cm

••・TQ=0.除面=714N/cm2

计算合成切应力r:

2

r=〃点+/=/63342+7142=6374N/cm

由于6374N/cm2<10000N/cm2即〔r'〕

/.搭接接头安全。

43举例说明T形接头受平行于焊缝载荷时的静载强度计算。

T形接头及其受载荷的情况，见图36a0

图36a）・荷平行于饵餐的T形接头b）例屋

如果接头开坡口并焊透，其强度按对接接头计算，焊缝金属截面等于母材截面（S=3h）。

如果接头开I形坡口，此时产生最大切应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时作用有两个

切应力：一个是由M=FL引起的T.M；另一个是由Q=F引起的TQ。TM、TQ的

计算公式为

3FLF

加一0.7Kh2TQ-1.4Kh

合成切应力r的计算公式为

品+4

计笄例题一T形接头的尺寸和受力状况，见图8-

36bo已知焊缝金属的许用切应力〔/〕=10000N/cm2,试

设计角焊缝的焊脚尺寸K为多少？

解：将已知数据分别代入各计算公式为

=3FL=3X75000X20=5000

%一0.7KA2—0.7XKX302—0.7K

=F=75000=2500

rQ-1.4KA-1.4XKX3O_1.4K

r=e砧勰勰『

利用强度校核公式r＜〔/〕

即鹰齐牖5

解之，K>0.73cm则取K=8mm

44什么是焊接结构的疲劳断裂？

疲劳断裂的过程由三个阶段所组成：

1）在承受重复载荷的结构的应力集中部位产生疲劳裂纹（此时结构所受应力低于弹性极限）。

2）疲劳裂纹稳定扩展。

3）结构断裂。

据统计，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90机

焊接结构较其它结构（如抑接结构）更容易产生疲劳断裂，这是因为：1）抑接结构的疲劳

裂纹发展遇到钉孔或板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性，一旦产生裂纹，裂纹扩展不

受阻止，直至整个构件断裂。2）焊接连接不可避免地存在着产生应力集中的夹渣、气孔、

咬边等缺陷。3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。几个典型的焊接结构疲劳断裂事例见图

37o

图37

a）直升飞机起落架的疲劳断裂b）我重汽车纵梁的疲劳断裂

图37a为直升飞机起落架的疲劳断裂。裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着

陆2118交后发生破坏，属于低周疲劳。

图37b为载重汽车底架纵梁的疲劳断裂。该梁板厚5mm,承受反复的弯曲应力，在角钢和纵

梁的焊接处，因应力集中很高而产生疲劳裂纹而破坏，此时该车已运行30000km。

45试述焊接接头形式对疲劳极限的影响。

焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，将对接头的疲劳极限产生程度不同的不

利影响。

⑴对接接头对接接头从焊缝至母材的形状变化不大，应力集中比其它接头要小，所以在所

有的接头形式中具有最高的疲劳极限。但是过大的余高会增加应力集中，使疲劳极限下降。

⑵T形接头这种接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，应力集中系数比时

接接头的应力集中系数高，因此其疲劳极限远低于对接接头。

提高T形接头疲劳极限的根本措施是开坡口焊接和加工焊缝过渡区使之圆滑过渡。

⑶搭接接头这是,种疲劳极限最低的接头形式，特别是在原来对接接头的基础上，增加盖

板来进行“加强”，其结果适得其反，这种盖板非但没有起到“加强”作用，反而使原来疲

劳极限较高的对接接头被大大地削弱了。

46试述焊接缺陷对疲劳极限的影响。

焊接缺陷对焊接接头的疲劳极限产生重大的不利影响，这种不利影响与焊接缺陷的种类、尺

寸、方向和位置有关。

片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔、点状夹渣）影响大。表面

缺陷比内部缺陷影响大。与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向大。位于残余拉应

力区内的缺陷的影响比在残余应力区内的大；位于应力集中区内的缺陷（如焊趾裂纹）的影

响比在均匀应力区中同样缺陷影响大。咬边和未焊透在不同位置、不同载荷下对接头疲劳极

限的影响，见图38,其中A组的影响最大，B组的影响较小。

旗我用8母J

a)

於岫

8组L

b)

图38a)咬边的影响b)未炸透的影响

47如何选用合理的结构形式来提高接头的疲劳极限？

选用应力集中较小的结构形式是提高疲劳极限的重要措施，几种设计方案的正误比较，见图

39o

中间夹板

a>iEakb)««

图39

48如何利用电弧整形的方法来提高接头的疲劳极限？

电弧整形的方法，是用鸨极筑弧在焊接接头焊缝与母材之间的过渡区重熔一次，使焊缝与基

本金属能平滑地过渡，同时减少该部位的微小非金属夹杂物，使接头部位的疲劳极限得以提

高，见图40。电弧整形提高接头疲劳极限的效果，见表10。

伍极方向

・气保护区

TIG处理的

热影响区

图40

表10电弧整形后焊接接头疲劳极限提高的效果

2X106次循环下

的

与基本材

钢种试件截面疲劳极限

接头形循环疲劳强度极限料

式特性

(MPa级)(1mm)(MPa)提高(%)

相比

原始状整形

态后

os=3408012050

对接os=45070X12-111515835—

os=6748015090

低碳钢521161200.96

对接7X2.50

低合金钢641812800.86

2X106次循环下

的

钢种

接头形试件截面循环疲劳强度极限疲劳极限提高与基本材

式(1mm)特性(%)料相比

(MPa级)(MPa)

原始状整形

态后

HT60

对接25X25——185250340.67

os=534

搭接并

具有加

低合金钢—08610130

长的端

面焊缝

周边焊os=31270X12-19515060——

的加强

os=34170X12-1509080

板横加

强肋板

的连接

横加强

肋板的

80X120.318821916—

连接纵

加强

80X120.313715815—

肋板的

连接

49提高焊接接头疲劳极限的常用方法有哪些?

常用提高焊接接头疲劳极限的方法，见表11。

表11常用提高焊接接头疲劳极限的方法

方法技术说明适用范围及优点缺点

电弧气适用于有很大的内

刨后补部缺陷

用碳弧气刨吹掉熔化金属

焊法费用高，焊补可能产生

后再补焊

改适用于对接焊缝余新的缺陷

用100cm直径砂轮，60~

善砂轮修高，快速、容易

150级硅砂

磨法适用于侧面节点板不能磨掉所有缺陷

凡孔径一般为12〜25mm

和个别有裂纹的细节

何

钻孔法费用低，不要求特仅用于穿透裂纹，延长

别的设备。其疲劳寿命

形用锥形砂轮打磨焊趾磨

适用于角焊缝

状去基材0.5mm,用30〜200

锥形砂这是打磨法中最有消耗多，耗用高，难于确

级硅砂轮分3次连续磨光。

方轮磨光效的方法保质量

用TIG焊不填充焊丝重熔

法法要求焊缝表面清洁，引

焊趾，能消除6mm深的缺

适用于在车间制造起焊缝表面硬化

陷。

的小机械部件和横向

TIG重熔焊缝

法对高强钢，当裂纹

起始寿命较大忖，改

善效果更大

射水冷

却法

将焊缝加热至500℃保持不需知道裂纹起始

3min,然后射水使表面快速位置，不需严格控制

高温(500℃),限制

冷却温度

冷却位置。不适用于大接

点加热头和小接头。

法过热可能引起冷却时的

在距焊缝一定位置加热适用于大板

马氏体变化

至280℃,引起局部屈服

多丝锤必须知道开裂位置，对横

用〜62钢丝组成束状锤适用于中等严重的缺

击法向焊缝无效

头，对焊趾表面进行冷作加口

残引起较小的缺口，未建立

工，压缩空气压力为500〜

余质量控制技术

lOOkMa

喷丸锤

应喷铁或玻璃对焊趾适用于平板和轻微

击法要求有操作经验，仅适于

力表面进行冷作加工缺口

水平位置

用直径6〜12mm球形锤

方单点锤要求有操作经验

头对焊趾进行冷加工，可用适用于较严重的缺

法击法

电锤或气压锤。口，无损耗

在距焊缝一定位置局部

加压至屈服(2〜3倍压应

局部加

力)适用于铝合金

压法不适用于很大结构

用拉伸法预先加载使焊缝

区局部屈服适用于薄板

初始超大构件常常不成功，冷却

在炉内加热至600℃,缓

载法速度慢

冷24h以上，加热速度为每适用于小构件的纵向

10mm板厚lh角焊缝

热应力

消除法

涂均分负易检查

表面清洁，易凝固开裂

装载层塑料、油漆、钎焊、逐层涂

油漆装适用于腐蚀环境

费用高

方镀锌适用于发生应力腐

费用高

法阴极防蚀裂纹和裂纹扩展速

护率大于10—5mm周的

严重腐蚀环境

50什么是延性断裂？什么是脆性断裂？

根据金属材料断裂前塑性变形的大小，断裂可分为延性断裂和脆性断裂两种形式。

⑴延性断裂断裂过程是：金属材料在载荷作用下，首先产生弹性变形。当载荷继续增加到

某一数值，材料即发生屈服，产生塑性变形。继续加大载荷，金属将进一步变形，继而发生

微裂口或微空隙，这些微裂口或微空隙一经形成，便在随后的加载过程中逐步汇合起来，形

成宏观裂纹。宏观裂纹发展到一定尺寸后，扩展而导致最后断裂。

⑵脆性断裂在应力低于材料的设计应力和没有显著的塑性变形情况下，金属结构发生瞬

时、突然破坏的断裂（裂纹扩展速度可高达1500〜200m/s）称为脆性断裂。

脆性断裂的裂口平整，与正应力垂直，没有可以觉察到的塑性变形，断口有金属光泽。

51试述应力状态对焊接结构产生脆性断裂的影响。

当物体受外载时，在主平面上作用有最大正应力omax（另■■个与之相垂直的平面上作用有

最小正应力omin）与主平面成45°的平面上作用有最大切应力tmax。如果在tmax达到

屈服点前，omax先达到抗拉强度，则结构发生脆性断裂；反之，如tmax先达到屈服点，

则发生塑性变形及形成延性断裂。

实验证明，当材料处于单向或双向拉应力作用下，呈现塑性；在三向拉应力作用下，呈现脆

性。三向拉应力可能由三向载荷产生，但更多的情况下是由于几何不连续性所引起。虽然此

时整个结构处于单向、双向拉应力状态下，但其局部地区由于设计不佳、工艺不当或产生焊

接缺陷（如裂纹），往往会出现形成局部三向应力状态的缺U效应，见图41。在三向拉应

力的作用下，材料的屈服点较单向应力时提高，结果在缺口根部形成很高的局部应力而材料

尚不发生屈服，使材料的塑性下降，脆性增加，成为脆断的发源地。因此，焊接结构的脆断

事故一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。

52试述温度对焊接结构产生脆性断裂的影响？什么是脆性转变温度？

如果把一组开有相同缺口的试样在不同温度下进行试验，则随着温度的降低，其破坏方式会

发生变化，即从塑性破坏变为脆性破坏，见图42。当温度降到某一临界值时，将出现塑性

到脆性断裂的转变，这个温度称之为脆性转变温度。脆性转变温度高，材料的脆性倾向严重。

应当注意，同一材料采用不同试验方法，将会得到不同的脆性转变温度值。

温度降任

图42

53试述加载速度对焊接结构产生脆性断裂的影响。

随着加载速度的增加，材料的屈服点提高，因而促使材料向脆性转变，其作用相当于降低温

度，使材料的脆性转变温度升高，见图43。

图43

应当指出，在同样加载速率下，当结构中有缺口时，应变速率可呈现出加倍的不利影响。因

为此时有应力集中的影响，应变速率比无缺口高得多，从而大大地降低了材料的局部塑性。

因此，结构钢一旦开始脆性断裂，就很容易产生扩展现象。当缺口根部小范围金属材料发生

断裂时，在新裂纹前端的材料立即突然受到高应力和高应变载荷，即一旦缺口根部开裂，就

有高的应变速率，而不管其原始加载条件是动我还是静载，此时随着裂纹加速扩展，应变速

率更急剧增加，致使结构最后破坏。

54试述材料状态对焊接结构产生脆性断裂的影响。

⑴厚度的影响厚板在缺ri处容易形成三向拉应力，因此容易使材料变脆。曾经把厚度为

45mm的钢板，通过加工制成板厚分别为10、20、30、40mm的试件，研究不同板厚所造成不

同应力状态对脆性破坏的影响，发现在预制40mm长的裂纹和施加应力等于1/2屈服点的条

件下，当厚度小于30mm时，发生脆断的脆性转变