焊接計(jì)算校核.doc

38第二章焊接接頭及其靜載強(qiáng)度在焊件需連接部位，用焊接方法制造而成的接頭稱為焊接接頭，一般簡(jiǎn)稱接頭。接頭是焊接結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通過對(duì)大量焊接結(jié)構(gòu)失效事故的分析表明，接頭部位往往是結(jié)構(gòu)破壞的起點(diǎn)。造成這種情況的原因是多方面的，歸納起來(lái)主要有兩點(diǎn)：焊接接頭本身的力學(xué)性能不均勻；接頭部位所受工作應(yīng)力分布不均勻。因此，研究焊接接頭的性能特征和應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)提高焊接結(jié)構(gòu)的使用可靠性具有十分重要的意義。第一節(jié)焊接接頭的類型一、焊接接頭的組成現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展迅速，新的焊接方法不斷出現(xiàn)，接頭類型更是繁多，但應(yīng)用最廣的焊接方法是熔焊。本章將以熔焊接頭為重點(diǎn)進(jìn)行分析。焊接接頭是由焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成，如圖2-1所示。圖2-1熔焊焊接接頭的組成a)對(duì)接接頭斷面圖b)搭接接頭斷面圖1焊縫金屬2熔合區(qū)3熱影響區(qū)4母材焊縫金屬是由焊接填充金屬及部分母材金屬熔化結(jié)晶后形成的，其組織和化學(xué)成分不同于母材金屬。熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)的影響，組織和性能都發(fā)生變化，特別是熔合區(qū)的組織和性能變化更為明顯。因此，焊接接頭是一個(gè)成分、組織和性能都不均勻的連接體。此外，焊接接頭因焊縫的形狀和布置的不同，將會(huì)產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中。所以，不均勻性和應(yīng)力集中是焊接接頭的兩個(gè)基本屬性。影響焊接接頭性能的主要因素見圖2-2。這些因素可歸納為力學(xué)的和材質(zhì)的兩個(gè)方面。圖2-2影響焊接接頭性能的主要因素力學(xué)方面影響焊接接頭性能的因素有接頭形狀不連續(xù)性、焊接缺陷（如未焊透和焊接裂紋）、殘余應(yīng)力和殘余變形等。接頭形狀的不連續(xù)性，如焊縫的余高和施焊過程中可能造成的接頭錯(cuò)位等，都是應(yīng)力集中的根源。材質(zhì)方面影響焊接接頭性能的因素主要有焊接熱循環(huán)所引起的組織變化、焊接材料引起的焊縫39化學(xué)成分的變化、焊后熱處理所引起的組織變化以及矯正變形引起的加工硬化等。焊接接頭是組成焊接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件，它的性能與焊接結(jié)構(gòu)的性能和安全有著直接的關(guān)系。因此，不斷提高焊接接頭的質(zhì)量，是保證焊接結(jié)構(gòu)安全可靠工作的重要方面。二、焊縫及焊接接頭的基本形式焊縫及接頭的形式較多，應(yīng)根據(jù)焊件的厚度、工作條件、受力情況等因素進(jìn)行選擇。1焊縫的基本形式焊縫是構(gòu)成焊接接頭的主體部分，對(duì)接焊縫和角焊縫是焊縫的基本形式。（1）對(duì)接焊縫對(duì)接焊縫的焊接接頭可采用卷邊、平對(duì)接或加工成V形、U形、X形、K形等坡口，如圖2-3所示。各種坡口尺寸可根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB985-98和GB986-98）或根據(jù)具體情況確定。圖2-3對(duì)接焊縫的典型坡口形式a)=13mmb)=38mmc)=326mmd)=2060mme)=1260mmf)12mm對(duì)接焊縫開坡口的根本目的，是為了確保接頭的質(zhì)量，同時(shí)也從經(jīng)濟(jì)效益考慮。坡口形式的選擇取決于板材厚度、焊接方法和工藝過程。通常必須考慮以下幾個(gè)方面：1）可焊到性或便于施焊。這是選擇坡口形式的重要依據(jù)之一，也是保證焊接質(zhì)量的前提。一般而言，要根據(jù)構(gòu)件能否翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)難易，或內(nèi)外兩側(cè)的焊接條件而定。對(duì)不能翻轉(zhuǎn)和內(nèi)徑較小的容器、轉(zhuǎn)子及軸類的對(duì)接焊縫，為了避免大量的仰焊或不便從內(nèi)側(cè)施焊，宜采用V形或U形坡口。2）降低焊接材料的消耗量。對(duì)于同樣厚度的焊接接頭，采用X形坡口比V形坡口能節(jié)省較多的焊接材料、電能和工時(shí)，構(gòu)件越厚，節(jié)省得越多，成本越低。3）坡口易加工。V形和X形坡口可用氧氣切割或等離子弧切割，亦可用機(jī)械切削加工。對(duì)于U形或雙U形坡口，一般需用刨邊機(jī)加工。在圓筒體上應(yīng)盡量少開U形坡口，因其加工困難。4）減少或控制焊接變形。采用不適當(dāng)?shù)钠驴谛螤钊菀桩a(chǎn)生較大的變形。如平板對(duì)接的V形坡口，其角變形就大于X形坡口。因此，如果坡口形式合理，工藝正確，可以有效地減少或控制焊接變形。上面只是列舉了選擇坡口的一般規(guī)則，具體選擇時(shí)，則需要根據(jù)具體情況綜合考慮。例如，從節(jié)約焊接材料出發(fā)，U形坡口較V形坡口好，但加工費(fèi)用高；雙面坡口明顯地優(yōu)于單面坡口，同時(shí)焊接變形小。雙面坡口焊接時(shí)需要翻轉(zhuǎn)焊件，增加了輔助工時(shí)，所以在板厚小于25mm時(shí)，一般采用V形坡口。受力大而要求焊接變形小的部位應(yīng)采用U形坡口。利用焊條電弧焊焊接6mm以下鋼板時(shí)，選用I形坡口就可得到優(yōu)質(zhì)焊縫；用埋弧自動(dòng)焊焊接14mm以下的鋼板，采用I形坡口也能焊透。坡口角的大小與板厚和焊接方法有關(guān)，其作用是使電弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，40焊縫金屬量越多，焊接變形也會(huì)增大，一般在60左右。兩連接件之間的距離稱為間隙，采用間隙是為了保證根部能焊透。一般情況下，坡口角度小，需要同時(shí)增加間隙；而間隙較大時(shí)，又容易燒穿，為此，需要采用鈍邊防止燒穿。間隙過大時(shí)，還需要加墊板。（2）角焊縫角焊縫按其截面形狀可分為平角焊縫、凹角焊縫、凸角焊縫和不等腰角焊縫四種，如圖2-4所示。角焊縫的大小用焊腳尺寸K表示，應(yīng)用最多的是截面為直角等腰的角焊縫。各種截面形狀角焊縫的承載能力與載荷性質(zhì)有關(guān)。靜載時(shí)，如母材金屬塑性良好，角焊縫的截面形狀對(duì)承載能力沒有顯著影響；動(dòng)載時(shí)，凹角焊縫比平角焊縫的承載能力高，凸角焊縫的最低。不等腰角焊縫，長(zhǎng)邊平行于載荷方向時(shí)，承受動(dòng)載效果較好。圖2-4角焊縫截面形狀及其計(jì)算斷面a)平角焊縫b)凹角焊縫c)凸角焊縫d)不等腰角焊縫為了提高焊接效率、節(jié)約焊接材料、減小焊接變形，當(dāng)板厚大于13mm時(shí)，可以采用開坡口的角焊縫。在等強(qiáng)度條件下，坡口角焊縫的焊接材料消耗量?jī)H為普通角焊縫的60%。2接頭的基本形式焊接接頭的基本形式有四種：對(duì)接接頭、搭接接頭、T形接頭和角接接頭，見圖2-5。選用接頭形式時(shí)，應(yīng)該熟悉各種接頭的優(yōu)缺點(diǎn)。圖2-5焊接接頭的基本形式a)對(duì)接接頭b)搭接接頭c)T形接頭d)角接接頭（1）對(duì)接接頭在同一平面內(nèi)，兩板件相對(duì)端面焊接而形成的接頭叫對(duì)接接頭。對(duì)接接頭從強(qiáng)度角度看是比較理想的接頭形式，也是廣泛應(yīng)用的接頭形式之一。在焊接結(jié)構(gòu)上和焊接生產(chǎn)中，常見的對(duì)接接頭的焊縫方向與載荷方向相垂直，也有少數(shù)與載荷方向成斜角的斜焊縫對(duì)接接頭，見圖2-6，這種接頭的焊縫承受較低的正應(yīng)力。過去由于焊接水平低，為了安全可靠，往往采用這種斜縫對(duì)接。但是，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，焊縫金屬具有優(yōu)良的性能，并不低于母材金屬的性能，而斜縫對(duì)接因浪費(fèi)材料和工時(shí)，所以一般不再采用。圖2-6斜縫對(duì)接接頭（2）搭接接頭兩板件部分重疊起來(lái)進(jìn)行焊接所形成的接頭稱為搭接接頭。41搭接接頭的應(yīng)力分布極不均勻，疲勞強(qiáng)度較低，不是理想的接頭形式。但是，搭接接頭的焊前準(zhǔn)備和裝配工作比對(duì)接接頭簡(jiǎn)單得多，其橫向收縮量也比對(duì)接接頭小，所以在受力較小的焊接結(jié)構(gòu)中仍能得到廣泛的應(yīng)用。搭接接頭中，最常見的是角焊縫組成的搭接接頭，一般用于12mm以下的鋼板焊接。除此之外，還有開槽焊、塞焊、鋸齒狀搭接等多種形式。開槽焊搭接接頭的結(jié)構(gòu)形式見圖2-7。先將被連接件沖壓切成槽，然后用焊縫金屬填滿該槽，槽焊焊縫斷面為矩形，其寬度為被連接件厚度的2倍，開槽長(zhǎng)度應(yīng)比搭接長(zhǎng)度稍短一些。當(dāng)被連接件的厚度不大時(shí)，可采用大功率的埋弧焊或CO2氣體保護(hù)焊，不開槽也有可能熔透，使兩個(gè)焊件連接起來(lái)。圖2-7開槽焊搭接接頭塞焊是在被連接的鋼板上鉆孔，用來(lái)代替槽焊的開槽，用焊縫金屬將孔填滿使兩板連接起來(lái)，有時(shí)也叫電鉚焊，見圖2-8。當(dāng)被連接板厚小于5mm時(shí)，可以采用大功率的埋弧焊或CO2氣體保護(hù)焊直接將鋼板熔透而不必鉆孔。這種接頭施焊簡(jiǎn)單，特別對(duì)于一薄一厚的兩焊件連接最為方便，生產(chǎn)效率較高。圖2-8塞焊接頭圖2-9鋸齒縫搭接接頭鋸齒縫搭接接頭形式見圖2-9，這是單面搭接接頭的一種形式。直縫單面搭接接頭的強(qiáng)度和剛度比雙面搭接接頭低得多，所以只能用在受力很小的次要部位。對(duì)背面不能施焊的接頭，可用鋸齒形焊縫搭接，這樣能提高焊接接頭的強(qiáng)度和剛度。若在背面施焊困難，用這種接頭形式比較合理。（3）T形（