焊接技師培訓(xùn)教材(靜載強度計算...)

1、張明錄 （焊接接頭的靜載強度計算）（焊接接頭的靜載強度計算）目目 錄錄一一. .焊接接頭的應(yīng)力分布焊接接頭的應(yīng)力分布二.焊接接頭的靜載強度焊接接頭的靜載強度三三. .焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂四四. .焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂 1.1.影響焊接接頭力學性能的因素影響焊接接頭力學性能的因素（1）影響因素：冶金因素和力學因素 1）組織性能的不均勻 2）焊接接頭幾何形狀尺寸的不連續(xù)性 3）焊接接頭中存在焊接殘余應(yīng)力 4）生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的焊接變形和各種缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)力集中一一. . 焊接接頭的應(yīng)力分布焊接接頭的應(yīng)力分布 5）焊接結(jié)構(gòu)工作時的工作溫度、環(huán)境介質(zhì)及載荷性質(zhì)（2

2、）焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的失效形式 1）焊接接頭強度不足或韌性不足引起的斷裂 2）剛性不足引起超標準的焊接變形 3）耐腐蝕性差引起的過度腐蝕以及焊縫微密性差引起泄露等 （1）應(yīng)力集中： 由于焊縫的形狀和焊縫布置不同，焊接接頭的工作應(yīng)力分布是不均勻的。當最大應(yīng)力值（max）平均應(yīng)力值（m）時，這種情況稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中常以應(yīng)力集中系數(shù)來表示：KT = max / m2.2.應(yīng)力集中的概念應(yīng)力集中的概念（2）在焊接接頭中產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因： 1）焊縫中的工藝缺陷 氣孔、夾渣、裂紋、未焊透等，都會在周圍引起應(yīng)力集中。裂紋、未焊透引起應(yīng)力集中最嚴重。 2）不合理的焊縫外形 如：對接焊縫余高過大、角焊縫為凸焊

3、縫 3）設(shè)計不合理的焊接接頭 如：接頭截面的突變 、焊縫布置不合理等 不同的焊接接頭在外力作用下，其工作應(yīng)力分布和工作性能是不一樣的。（1）對接接頭 由于焊縫余高造成構(gòu)件表面不平滑，在焊縫與母材交界處引起應(yīng)力集中。余高越高，應(yīng)力系數(shù)越大。3.3.焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能（2）丁字接頭（十字接頭） 由于丁字接頭（十字接頭）焊縫向母材過渡較急劇，造成應(yīng)力分布極不均勻，在角焊縫根部和過渡處產(chǎn)生很大應(yīng)力集中， 開坡口并焊透的丁字接頭（十字接頭），能有效地降低應(yīng)力集中。 焊接結(jié)構(gòu)上的焊縫，根據(jù)其載荷的傳遞情況，可分為工作焊縫和聯(lián)系焊縫。（1）工作焊縫 焊縫與被連接

4、件是串聯(lián)的，它承擔著傳遞全部載荷作用的稱工作焊縫，其應(yīng)力稱工作應(yīng)力。這種焊縫一旦斷裂，結(jié)構(gòu)就失效。二二. .焊接接頭靜載強度計算焊接接頭靜載強度計算1.1.工作焊縫和聯(lián)系焊縫工作焊縫和聯(lián)系焊縫（2）聯(lián)系焊縫 焊縫與被連接件是并聯(lián)的，它傳遞很小載荷，主要起工件之間相互聯(lián)系的作用稱聯(lián)系焊縫，其應(yīng)力為聯(lián)系應(yīng)力。這種焊縫一旦斷裂，結(jié)構(gòu)不會立即失效。 一般在設(shè)計時不需要計算聯(lián)系焊縫的強度。 對于具有雙重性的焊縫，它既是工作焊縫，又是聯(lián)系焊縫，則只計算工作應(yīng)力，不考慮聯(lián)系應(yīng)力。（1）殘余應(yīng)力對接頭強度沒有影響（2）焊趾和余高處的應(yīng)力集中對接頭強度沒有影響（3）接頭的工作應(yīng)力是相等的，以平均應(yīng)力計算（4）正

5、面角焊縫和側(cè)面角焊縫的強度沒有差別2.2.焊接接頭強度計算假設(shè)焊接接頭強度計算假設(shè)（5）焊腳尺寸的大小對于角焊縫的強度沒有影響（6）角焊縫都是在切應(yīng)力下破壞的，按切應(yīng)力計算（7）角焊縫的破斷面（計算截面），在角焊縫截面最小高度，其值等于內(nèi)接三角形高度a（a為計算高度） a = K / 2 = 0.7 K（8）余高和少量熔深對接頭強度沒有影響，但埋弧焊和CO2焊熔深大時，應(yīng)考慮： = （K+P）cos45 當當 K8 mm時，時， = K 當當 K8 mm時，時，P = 3 mm（1）對接接頭的靜載強度計算 計算對接接頭強度時，不必考慮焊縫余高 當兩塊板不等厚度時，按薄板計算 全焊透的對接接頭各

6、種受力情況，圖中：F為接頭受到的拉力Q為剪切力M1為平面內(nèi)彎矩M2為垂直平面彎矩3.3.焊接接頭靜載強度計算焊接接頭靜載強度計算 1） 受拉或受壓受拉：t = F / L t 受壓： a = F / L aF接頭所受的拉力或壓力（N）L焊縫長度（cm）板的厚度（cm）接頭受拉或受壓時焊縫中所承受的應(yīng)力(N/cm2) t 焊縫受拉或受彎時的許用應(yīng)力(N/cm2) a焊縫受壓時的許用應(yīng)力(N/cm2)計算例題： 兩塊板厚為5mm，寬為50mm的鋼板對接在一起，兩端受28400N的拉力，材料為A3鋼，試校核其焊縫強度。已知： t =14200 N/cm2解： 5mm=0.5cm 50mm=5cm t

7、 = F / L =28400 /( 50.5) =11360 N/cm214200 N/cm2所以：該對接接頭焊縫能滿足要求，結(jié)構(gòu)工作時安全。 2）受剪切 = Q / LQ 接頭所受的剪切力（N）L焊縫長度（cm） 板的厚度（cm） 接頭焊縫中所承受的切應(yīng)力(N/cm2)焊縫許用切應(yīng)力(N/cm2) 計算例題： 兩塊板厚為10mm的鋼板對接，焊縫受29300N的剪切力，材料為A3鋼，試設(shè)計焊縫的長度。已知：A3鋼材料的許用應(yīng)力為9800 N/cm2解： = Q / L 10mm=1cm LQ / L29300 / (19800) = 2.99cm所以，焊縫長度取3cm，即當焊縫長度為3cm時

8、，該對接接頭的焊縫強度能滿足要求。3）受彎矩受板平面內(nèi)彎矩：= 6M1 / L2t受垂直板面彎矩： = 6M2 / 2LtM1板平面內(nèi)彎矩（Ncm） M2 垂直板面彎矩（Ncm）L焊縫長度（cm）；板的厚度（cm）接頭受彎矩作用時焊縫中所承受應(yīng)力（ N/cm2 ）t焊縫受拉或受彎時的許用應(yīng)力（ N/cm2 ）計算例題： 兩塊厚度相同鋼板的對接接頭，材料為16Mn，鋼板寬度為300mm，受垂直板面彎矩300000 Ncm，試計算焊縫所需的厚度（板厚）。 已知t=20100 N/cm2 ,300mm=30cm解：因為= 6M2 / 2Lt 所以 6M2 / L t = 6300000 / (302

9、0100) =1.73cm=17.3mm取板厚為18mm，該對接接頭焊縫強度能滿足要求。（2）丁字接頭靜載強度計算 1）載荷平行于焊縫的丁字接頭計算 如果焊縫開坡口并全焊透，按對接接頭計算。當不開坡口時，計算公式：M = 3FL / 0.7Kh2Q = F / 1.4KhFLKh 由于產(chǎn)生最大應(yīng)力的危險點在焊縫的最上端，該點同時有兩個切應(yīng)力起作用，一個是由M=PL引起的M ，另一個是由Q=F引起的Q 。 M 和Q 是互相垂直的，所以合成切應(yīng)力為：合合 = M2 + Q2計算例題： 一丁字接頭，已知焊縫金屬的許用切應(yīng)力=10000N/cm2，試設(shè)計焊腳尺寸。200mm=20cm,300mm=30

10、cm解： M = 3FL / 0.7Kh2 =37500020 /( 0.7K302) =5000 / 0.7K=7142.8KQ = F / 1.4Kh=2500 / (1.4K) =1785.7KKL = 2 0 0h=300F=75000N根據(jù)根據(jù)合合 = M2 + Q2 即: M2 + Q2 10000； (7142.8K)2 + (1785.7K) 2 10000(7142.8K)2 + (1785.7K) 2 100000000 K=0.73cm 取K=8mm2）彎矩垂直于板面的丁字接頭計算 如果焊縫開坡口并全焊透，按對接接頭計算。當不開坡口時，計算公式：= M / W W=L+1

11、.4K33/ 6（+1.4K） 1.1.金屬材料斷裂的分類金屬材料斷裂的分類 根據(jù)金屬材料斷裂前的塑性變形大小，斷裂可分為塑性斷裂（韌性斷裂）和脆性斷裂兩種。塑性斷裂在斷裂前有較大的塑性變形。脆性斷裂在斷裂前沒有或只有少量塑性變形， 而斷裂會突然發(fā)生并快速發(fā)展。 三三. . 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂 同一種材料在不同條件下會出現(xiàn)不同的斷同一種材料在不同條件下會出現(xiàn)不同的斷裂形式。裂形式。（1）塑性斷裂 塑性材料斷裂的步驟： 1）材料受到力的作用發(fā)生彈性變形 2）繼續(xù)加力，材料發(fā)生屈服3）再繼續(xù)加力，金屬進一步變化，繼而發(fā)生微裂口4）再加力，微裂形成宏觀裂紋5）最后斷裂塑性斷裂的裂口

12、：呈纖維狀，色澤灰暗，邊緣有剪切唇， 唇口附近有宏觀塑性變形。（2）脆性斷裂 脆性斷裂一般都在沒有顯著的塑性變形情況下發(fā)生，并瞬時擴展到結(jié)構(gòu)整體，裂口平整有光澤。（1）材料的韌性不足 缺口尖端處材料的微觀塑性變形能力差。（2）存在著裂紋等缺陷， 裂紋總是從缺陷處開始的，缺陷中則以裂紋為最危險。（3）一定的應(yīng)力水平 不正確的設(shè)計和不良的制造工藝是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的主要原因。2.2.產(chǎn)生脆性斷裂的原因產(chǎn)生脆性斷裂的原因（1）應(yīng)力狀態(tài)的影響 脆性斷裂一般都起源于具有嚴重應(yīng)力集中效應(yīng)的缺口處。（2）溫度的影響 當溫度降至某一臨界值時，材料將出現(xiàn)塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?，這個溫度稱之為脆性轉(zhuǎn)變溫度。（3）加載速度

13、 加載速度的提高，會促使材料脆性破壞。（4）材料狀態(tài)的影響3.3.影響脆性斷裂的主要因素影響脆性斷裂的主要因素（1）沖擊試驗 （2）爆炸膨脹試驗 （3）落錘試驗4.4.材料斷裂的評定方法材料斷裂的評定方法（1）剛性強 焊接是剛性聯(lián)結(jié)，聯(lián)結(jié)構(gòu)件不易產(chǎn)生相對位移，往往引起較大的附加應(yīng)力。（2）整體性 焊接結(jié)構(gòu)的整體性較強，一旦有不穩(wěn)定的脆性裂紋出現(xiàn)，就有可能穿越接頭，擴展至整個結(jié)構(gòu)。5.5.焊接結(jié)構(gòu)的特點對脆性斷裂的影響焊接結(jié)構(gòu)的特點對脆性斷裂的影響（1）應(yīng)變時效引起的局部脆性 焊接時，金屬受到熱循環(huán)的作用，特別是在熱影響區(qū)，將產(chǎn)生較大應(yīng)力應(yīng)變的集中，從而引起較大塑性變形。 這種塑性變形在焊接熱循

14、環(huán)作用下，會引起應(yīng)變時效，通常稱熱應(yīng)變脆化，結(jié)果使接頭局部引起脆化。6.6.焊接結(jié)構(gòu)制造工藝特點焊接結(jié)構(gòu)制造工藝特點（2）金相組織改變對脆性的影響 焊接過程快速加熱冷卻，使焊縫和熱影響區(qū)發(fā)生一系列金相組織的變化，從而改變了接頭的韌性。 熱影響區(qū)的金相組織變化很大程度取決于焊接線能量。 線能量過小，造成淬硬組織并易產(chǎn)生裂紋。 線能量過大，造成晶粒粗大和脆化。 （3）焊接缺陷 大約有40%的脆性斷裂是從焊縫缺陷處開始的。 在所有缺陷中，裂紋是最危險的，其他焊接缺陷 會產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起脆性破壞。 （4）角變形和錯邊的影響 角變形和錯邊都會引起附加應(yīng)力。（5）焊接殘余應(yīng)力的影響 由于接頭中存在大量殘

15、余應(yīng)力，在外力載荷作用下，殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力迭加共同起作用。7.7.預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施（1）正確選用材料母材具有一定的止裂性選擇材料的基本原則：既要保證結(jié)構(gòu)的使用安全又要考慮經(jīng)濟效果 不宜采用比實際需要強度更高的材料。（2）采用合理的焊接結(jié)構(gòu)不 允 許不 允 許允 許允 許1）盡量減少結(jié)構(gòu)或焊接接頭應(yīng)力集中2）盡量采用對接接頭不要選用搭接接頭不 合 理合 理3）不等厚度構(gòu)件對接應(yīng)采用圓滑過渡4）避免和減少焊縫缺陷5）避免焊縫的密集3）減少焊接殘余應(yīng)力（1）疲勞斷裂和脆性斷裂從性質(zhì)到形式都不一樣，雖然斷裂時，二者變形都很小。 但是：疲勞斷裂需要多次加載。 脆性斷

16、裂一般不需要多次加載。四四. . 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂1.1.焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的特征焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂的特征 疲勞斷裂的擴展是緩慢的。 脆性斷裂是瞬時完成。 疲勞斷裂受溫度影響比較小。 脆性斷裂受溫度影響特別顯著。 疲勞斷裂一般從應(yīng)力集中開始， 又往往從焊接接頭處產(chǎn)生。（2）疲勞斷裂的過程 1）在應(yīng)力集中處產(chǎn)生初始疲勞裂紋 2）裂紋穩(wěn)定擴展 3）斷裂（1）應(yīng)力集中的影響 焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，將對接頭的疲勞強度產(chǎn)生不同程度的不利影響。 對接接頭：由于焊縫的變化不大，因此它的應(yīng)力集中比其他接頭形式小。2.2.影響焊接接頭疲勞強度的因素影響焊接接頭疲勞強度的因素 丁字接頭： （十字接頭） 焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，其應(yīng)力集中系數(shù)比較大。（2）熱影響區(qū)金屬性能變化的