44角焊缝的构造和计算一角焊缝的构造02课件讲解

(一）角焊缝的形式一、角焊缝的构造角焊缝按其长度方向和外力作用方向可分为侧面角焊缝、正面角焊缝和斜向角焊缝。NNNN4.4角焊缝的构造和计算角焊缝按截面形式（两焊脚边的夹角）可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。（1）直角角焊缝截面形式可分为普通型、平坦型和凹面型三种。

（a）普通型（b）平坦型（c）凹面型通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。对承受动力荷载的结构中，正面角焊缝的截面通常采用（b）的形式；侧面角焊缝的截面则做成凹面式（c）。he

＝hfcos45°=0.7hf（2）斜角角焊缝两焊边的夹角a>90°或a<90°的焊缝。通常用于钢漏斗和钢管结构中。（d）斜锐角焊缝（e）斜钝角焊缝（f）斜凹面角焊缝hehehehf—焊脚尺寸；

—焊脚边的夹角；

he—有效厚度（破坏面上焊缝厚度）并有，he

＝hfcos(/2)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。（二）角焊缝的构造要求

角焊缝构造包括三个方面：焊脚尺寸、焊缝长度和减小焊缝应力集中的措施。角焊缝的焊脚尺寸是指焊缝根脚至焊缝外边的尺寸--hf（1）焊脚尺寸为了保证焊缝的最小承载能力以及防止焊缝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:

a)最小焊脚尺寸(hf,min)自动焊（温度高而均匀）：手工焊角焊缝：t—较厚焊件的厚度。焊件厚度t≤4mm时：取hfmin=tT形连接单面角焊缝（冷却快）：hftt1t1＜t

取整mm数，小数点以后只进不舍。hfmax≤1.2t

t—较薄焊件的板厚。

b)最大焊脚尺寸(hfmax)为了避免焊缝局部过热，烧穿较薄的焊件，减小焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:hftt1t1＜t

b)最大焊脚尺寸(hfmax)

板端焊缝：对板件（厚度t

）边缘的角焊缝（贴边焊）

当t≤6mm时，hfmax≤t

； 当t＞6mm时，hfmax≤t-(1～2)mm

。焊脚尺寸的取值：hfmin≤hf

≤hfmax

若另一焊件厚度t1＜t时，还应满足hf,max≤1.2t1

tt1hf贴边焊缝（2）角焊缝计算长度角焊缝计算长度（lw）取值lwmin≤lw

≤lwmax

最小计算长度（lwmin）

为了使焊缝能有一定的承载能力，侧面角焊缝和正面角焊缝的计算长度均不得小于：lwmin≥8hf和40mm

考虑到焊缝两端的缺陷，其实际长度应较前述数值还要大2hflwmax≤60hf

若实际长度超过以上数值，则超过部分不纳入计算长度中。若内力沿侧焊缝全长分布时，计算长度不受此限制。如工字形梁及柱的翼缘与腹板的连接焊缝

b)侧焊缝最大计算长度（lwmax）（3）减小角焊缝应力集中的措施tblw侧焊缝引起焊件拱曲为了避免焊缝横向收缩引起板件的拱曲太大，b≤16t（t>12mm）或190mm（t≤12mm）；a)构件端部仅有两边侧缝连接时：试验结果表明，连接的承载力与b/lw有关。为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，每条侧缝长度b

/lw≤1；t为较薄焊件的厚度。

c)直接承受动力荷载的结构中，角焊缝表面应做成直线形或凹形，焊脚尺寸的比例：正面角焊缝宜为1:1.5，长边与内力方向一致；侧面角焊缝可用凹形直角焊缝为1:1。

b)在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍或25mm。t1t2

（t1＜t2）搭接图

d)当焊缝端部在焊件转角处时，应将焊缝延续绕过转角加焊2hf。避开起落弧发生在转角处的应力集中。b)2hfa)2hf2hf绕角焊缝

e)在次要构件或次要焊接连接中，可采用间断角焊缝。间断角焊缝的长度不得小于10hf或50mm，间断角焊缝之间的净距，不应大于15t（对受压构件）或30t（对受拉构件），t为较薄焊件的厚度。以防板件局部凸曲鼓起，而对受力不利或潮气易于侵入而引起锈蚀。断续角焊缝

教学目标：1.掌握角焊缝的计算（部分）。2.理解焊接应力和焊接变形。第三讲（§4.4）

难点

重点

角焊缝的计算焊缝应力和焊接变形的成因和影响1.侧面角焊缝：焊缝长度方向与受力方向平行。主要承受剪应力，强度低，弹性模量低，但塑性较好。弹性阶段分布并不均匀，剪应力两端大，中间小。(一)角焊缝的应力状态和强度侧焊缝的应力和破坏截面N剪切破坏面Nτf二、角焊缝的计算

2.正面角焊缝：焊缝垂直于受力方向，受力后应力状态较复杂。焊缝截面各面都有正应力和剪应力，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，弹性模量大。

caτxy端焊缝的应力状态NNcb2NacaobτxyσxτyxabτyxcaσxabσyN2N3.破坏截面的提出直角角焊缝破坏试验结果表明：侧焊缝破坏沿45°喉截面居多端焊缝破坏则多不在45°喉截面而直角角焊缝中：侧焊缝破坏强度最低端焊缝破坏强度最高，是侧焊缝的1.35～1.55倍斜焊缝居中

故为简化计算，偏于安全地假定破坏发生于45°喉截面上。

焊角尺寸：hfd

c

b

a

dcbahehfhf1）焊缝的破坏面（二）

角焊缝强度条件的基本表达式假定：直角角焊缝破坏发生于45°截面上，既有效厚度方向发生。直角角焊缝截面

有效厚度：he＝0.7hf

焊缝厚度：有效厚度+熔深+凸度

有效截面：有效厚度×计算长度计算时假定有效截面上应力均匀分布。2）有效截面上的应力状态角焊缝有效截面上的应力d

a

dacc

he

∥

在外力作用下，直角角焊缝有效截面上有三个应力：

—正应力，与焊缝长度方向（面外垂直）

∥—剪应力，与焊缝长度方向（面内平行）

—剪应力，与焊缝长度方向（面内垂直）

直角角焊缝的计算

如图所示承受互相垂直的Ny、Nx两个轴心力作用的直角角焊缝，Ny垂直于焊缝长度方向产生平均应力

f，其在有效截面上引起的应力值为：（4-7）

f

对于有效截面既不是正应力也不是剪应力，但可分解为

和

。对直角角焊缝：3）实用计算方法直角角焊缝的计算沿焊缝长度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊缝长度方向的剪应力

f。（4-8）则直角角焊缝在各种应力综合作用下的计算公式为：（4-9）（4-10）

f

——正面角焊缝的强度设计值增大系数。静载或间接承受动荷载时

f

＝1.22，对直接承受动力荷载的结构，

f

＝1.0

。

实用计算公式第四强度理论：正面角焊缝

f＝0，力N与焊缝长度方向垂直。侧面角焊缝

f＝0，力N与焊缝长度方向平行。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。（三）轴心力作用时角焊缝的计算

当焊件受轴心力，且轴心力通过连接焊缝群的中心，焊缝的应力可认为是均匀分布的。1.当作用力垂直于焊缝长度方向时NNlwSlw－连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和相当于正面角焊缝受力，

f＝02.当作用力平行于焊缝长度方向时NNlwSlw－连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和相当于侧面角焊缝受力，

f＝0

3.采用三面围焊连接NNlwlw’先计算正面角焊缝承担的内力Slw′－连接一侧的正面角焊缝计算长度的总和再计算侧面角焊缝的强度Slw－连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和4.当焊缝方向较复杂时可均按侧面角焊缝对待Slw－连接一侧的侧面角焊缝计算长度的总和5.当角钢用角焊缝连接时

在钢桁架中，角钢腹杆与节点板的连接焊缝常用两面侧焊，或三面围焊，特殊情况也允许采用L形围焊（如图所示）。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。桁架腹杆节点板的连接NN1N2z0b角钢的侧缝连接（1）当采用两面侧时解上式得肢背和肢尖的受力为：（4-15）（4-16）（4-22）在N1、N2作用下，假定肢尖、肢背hf1、hf2，侧缝的计算长度为：（4-23）由平衡条件得：肢背肢尖η1—角钢肢背焊缝的内力分配系数η2—角钢肢尖焊缝的内力分配系数，查表4-3P52表4-3角钢角焊缝内力分配系数η

b)角钢用三面围焊时，可减小角钢的搭接长度。可先假定正面角焊缝的焊脚尺寸hf3

，并算出它所能承受的内力N3

：（4-17）（4-18）通过平衡关系得肢背和肢尖侧焊缝受力为:（4-19）

角钢角焊缝围焊的计算NN1N2ebN3lw2lw1在N1、N2作用下，侧焊缝的长度用公式（4-22、4-23）。（3）当采用L形围焊时，令4-19式中N2＝0，得：L形围焊角焊缝计算公式为：（4-21）若求出得hf3大于hfmax

,则不能采用L形围焊。（4-20）（4-24）角焊缝的实际长度和计算长度关系：角焊缝：实际长度=计算长度+2hf三面围焊或L型焊缝，因在转角处必须连续施焊，可视为一条焊缝注：焊缝的实际长度取5mm的倍数。便于焊条下料NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet由轴心拉力Nx产生的应力：由弯矩M产生的最大应力：（四）弯矩、剪力和轴心力共同作用时T形接头的角焊缝计算（1）M，V，N共同作用下焊缝强度计算Ny产生的剪应力：A点控制应力最大为控制设计点，应满足角焊缝实用计算公式：代入得：（2）V、M共同作用下焊缝强度计算h1σf1σf2τfxxhh222’1h1MeFVM对于1点：式中：Iw—全部焊缝有效截面对中性轴的惯性矩；

h1—两翼缘焊缝有效截面最外纤维间的距离假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩弯曲应力沿焊缝截面呈三角形分布剪应力沿腹板焊缝截面均匀分布如图（2）V、M共同作用下焊缝强度计算h1σf1σf2τfxxhh222’1h1MeFVM对于2点：假设：腹板焊缝承受全部剪力，全部焊缝承受弯矩弯曲应力沿焊缝截面呈三角形分布剪应力沿腹板焊缝截面均匀分布如图Fe1rxahl2xxyyAA’0TVre将F向焊缝群形心简化得:

轴心力V＝F扭矩

T=Fe故：该连接的设计控制点为A点和A’点计算时按弹性理论假定:①被连接件绝对刚性，它有绕焊缝形心O旋转的趋势，而焊缝本身为弹性。②扭距在角焊缝群上产生的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。③在轴心力V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。（五）扭矩、剪力和轴心力共同作用时搭接接头的角焊缝计算角焊缝小结焊脚尺寸应与焊件的厚度相适应。对手工焊，hf应不小于，t为较厚焊件的厚度（mm），对自动焊，可减小1mm；hf应不大于较薄焊件厚度的1.2倍。1

角焊缝的构造焊脚尺寸取值：图：角焊缝焊脚尺寸对于板件边缘的焊缝，当t≤6mm时，hf≤t；当t

>6mm时，hf

≤t－(1~2)mm。焊脚尺寸取值：图：角焊缝最大hf焊缝长度取值：焊缝长度lw也不应太长或太短，其计算长度不宜小于8hf或40mm，且不宜大于60hf。其他构造要求仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时同时有平行与垂直于焊缝长度方向的轴心力时2.角焊缝计算的基本公式1.受轴心力焊件的拼接板连接仅侧面角焊缝：仅正面角焊缝：3.常用连接方式的角焊缝计算斜向焊缝：三面围焊时：先计算正面角焊缝N1，

剩余的N-N1由侧面角焊缝承担。2.受轴心力角钢的连接当采用侧面角焊缝连接时肢背：肢尖：当采用三面围焊连接时正面角焊缝承担的力：侧面角焊缝承担的力：

肢背

肢尖当采用L形焊连接时正面角焊缝承担的力：侧面角焊缝承担的力：

一、焊接（残余）应力和焊接（残余）变形的成因钢结构的焊接过程是在焊件局部区域加热融化后又冷却凝固的热过程。由于焊接时热量分布不均匀，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部残存应力并引起变形，此即为焊接残余应力和焊接残余变形。

4.5焊接（残余）应力和焊接（残余）变形二、焊接应力的种类1.焊接残余应力的分类

▲纵向焊接应力：长度方向的应力▲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；▲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。

2.焊接残余应力的成因a)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。（1）纵向焊接残余应力b)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。c)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:a)

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；b)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。焊接冷却时，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-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横向残余应力（3）沿厚度方向的焊接残余应力a)在厚钢板的焊接连接中，焊缝需要多层施焊。-+-321σxσyσzb)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。c)因此，除了横向和纵向焊接残余应力

x

，

y外，还存在沿厚度方向的焊接残余应力

z

，这三种应力形成同号(受拉)三向应力，大大降低连接的塑性。三、焊接残余变形

在施焊时，由于不均匀的加热和冷却，焊区的纵向和横向受到热态塑性压缩，使构件产生变形。表现主要有：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形、波浪变形、扭曲变形等。焊接变形1.对结构静力强度的影响σ+--afy+--afyNyNy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：焊接残余应力不会影响结构的静力强度+--fyσabt四、焊接应力和焊接变形的影响（一）焊接应力对结构性能的影响2.对结构刚度的影响当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应力已经达到fy

，故该部分刚度为零（屈服），这时在N作