焊接接頭與靜載強度計算

1、焊接接頭與靜載強度計算nn第一節(jié) 焊接接頭的類型n第二節(jié) 電弧焊接頭的工作應力n第三節(jié) 焊接接頭的靜載強度計算n第四節(jié) 焊縫代號及其表示方法n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，一般簡稱接頭。n接頭是焊接結構的重要組成部分。通過對大量焊接結構失效事故的分析表明，接頭部位往往是結構破壞的起點。造成這種情況的原因是多方面的，歸納起來主要有兩點：焊接接頭本身的力學性能不均勻；接頭部位所受工作應力分布不均勻。因此，研究焊接接頭的性能特征和應力分布規(guī)律，對提高焊接結構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n一、焊接接頭的組成n二、焊縫的基本形式n三、焊接接頭的基本形式一

2、、焊接接頭的組成焊接接頭由焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材組成圖2-1 熔焊焊接接頭的組成對接接頭的斷面圖 搭接接頭的斷面圖影響焊接接頭性能的主要因素 焊接接頭是一個成分、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，將會產生不同程度的應力集中。所以，不均勻性和應力集中是焊接接頭的兩個基本屬性。 影響焊接接頭性能的主要因素有以下兩個方面： 力學方面因素：接頭形狀的不連續(xù)性(余高、接頭錯邊)、焊接缺陷（未焊透、裂紋）、殘余應力和殘余變形等。 材質方面因素：焊接熱循環(huán)所引起的組織變化、焊接材料引起的焊縫化學成分的變化、焊后熱處理所引起的組織變化以及矯正變形所引起的加工硬化等。

3、二、焊接接頭的不均勻性及其力學行為熱影響區(qū)的力學性能1.強度和塑性2.韌性焊縫金屬的力學性能影響焊接接頭性能的主要因素殘余應力組織成分不同焊趾及咬邊熱影響區(qū)焊縫金屬缺陷：裂紋、未焊透、氣孔、夾渣裂紋、脆化應力集中角變形錯邊錯邊應力集中二、焊縫的基本形式n對接焊縫n角焊縫 焊縫的形式應根據焊件的厚度、工作條件、受力情況等因素進行選擇。 焊縫是構成焊接接頭的主體部分，對接焊縫和角焊縫是焊縫的基本形式。對接焊縫n對接焊縫的接頭可采用卷邊、平對接或加工成各種形式的坡口。對接焊縫開坡口的目的，是為了確保接頭的質量，同時也從經濟效益考慮。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

4、個方面：n1）可焊到性或便于施焊；n2）降低焊接材料的消耗量；n3）坡口易加工；n4）減少或控制焊接變形。n上面只是列舉了選擇坡口的一般規(guī)則，具體選擇時，則需要根據具體情況綜合考慮。例如，從節(jié)約焊接材料出發(fā)，U形坡口較V形坡口好，但加工費用高；雙面坡口明顯地優(yōu)于單面坡口，同時焊接變形小。雙面坡口焊接時需要翻轉焊件，增加了輔助工時，所以在板厚小于25mm時，一般采用V形坡口。受力大而要求焊接變形小的部位應采用U形坡口。利用焊條電弧焊焊接6mm以下鋼板時，選用I形坡口就可得到優(yōu)質焊縫；用埋弧自動焊焊接14mm以下的鋼板，采用I形坡口也能焊透。對接焊縫n坡口角度的大小與板厚和焊接方法有關，其作用是使

5、電弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，焊縫金屬量越多，焊接變形也會增大，一般坡口角度選60左右。n采用根部間隙是為了保證焊縫根部能焊透，一般情況下，坡口角度小，需要同時增加根部間隙；根部間隙較大時，又容易燒穿，為此，需要采用鈍邊防止燒穿。根部間隙過大時，還需要加墊板。對接焊縫的典型坡口形式角焊縫n角焊縫按其截面形狀可分為平角焊縫、凹角焊縫、凸角焊縫和不等焊腳角焊縫。n各種截面形狀角焊縫的承載能力與載荷性質有關。靜載時，如母材金屬塑性良好，則角焊縫的截面形狀對承載能力沒有明顯影響；動載時，凹角焊縫比平角焊縫的承載能力高，凸角焊縫的承載能力最低。不等腰角焊縫，長邊平行于載荷方向時，承受動載效果好

6、。角焊縫截面形狀及其計算斷面KKaKKaKKaKKan為了提高焊接效率、節(jié)約焊接材料、減小焊接變形，當板厚大于13mm時，可以采用開坡口的角焊縫。在等強度條件下，坡口角焊縫的焊接材料消耗量僅為普通角焊縫的60% 。 三、焊接接頭的基本形式焊接接頭的基本形式有四種：對接接頭、搭接接頭、T形接頭和角接接頭 一。對接接頭：兩焊件表面構成大于或等于135 、小于或等于180夾角，即兩板件相對端面焊接而形成的接頭。對接接頭從強度角度看是比較理想的接頭形式，也是廣泛應用的接頭形式之一。常見的對接接頭的焊縫軸線與載荷方向相垂直，也有少數(shù)與載荷方向成斜角的斜焊縫對接接頭。FF 對接接頭 斜縫對接接頭搭接接頭兩

7、板件部分重疊起來進行焊接所形成的接頭稱為搭接接頭。搭接接頭的應力分布不均勻，疲勞強度較低，不是理想的接頭形式。但由于焊前準備及裝配工作較為簡單，故多用于受力較小且不要求密封性的結構中。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FF開槽焊搭接接頭，先將被連接件加工成槽形孔，然后用焊縫金屬填滿該槽，開槽焊焊縫斷面為矩形，其寬度為被連接件厚度的二倍，開槽長度應比搭接長度稍短一些。2塞焊接頭n塞焊接是在被連接的鋼板上鉆孔，用來代替開槽焊的槽形孔，用焊縫金屬將孔填滿使兩板連接起來。當被連接板厚小于5mm時

8、，可以采用大功率的埋弧焊或CO2氣體保護焊直接將鋼板熔透而不必鉆孔。FFn這種接頭施焊簡單，特別對于一薄一厚的兩焊件連接最為方便，生產效率較高。T形（十字）接頭T形接頭是典型的電弧焊接頭，能承受各種方向的力和力矩，這類接頭應避免采用單面角焊縫，因為這種接頭的根部有很深的缺口，其承載能力低。T形接頭的承載能力FyFxMFyFzFxM角接接頭兩板件端面構成30135夾角的焊接接頭稱作角接接頭，角接接頭多用于箱形構件。第二節(jié) 電弧焊接頭的工作應力n一、應力集中的概念n二、電弧焊接頭的工作應力分布應力集中的概念n由于焊接的形狀和焊縫布置的特點，焊接接頭工作應力的分布是不均勻的，其最大應力比平均應力值

9、高，這種情況稱應力集中。n應力集中，是指接頭局部區(qū)域的最大應力值較平均應力值高的現(xiàn)象。常以應力集中系數(shù)KT表示。 avTKmaxn在焊接接頭中產生應力集中的原因是： 焊接工藝缺陷、冶金缺陷、夾渣、氣孔、咬邊、未焊透均會引起應力集中、其中咬邊、未焊透較為嚴重。 不合理的焊縫外形。不同焊縫形狀會引起不同程度的應力集中。 接頭型式：不同接頭型式引起應力集中不同。 制造過程中的缺陷。 焊接殘余應力。二、電弧焊接頭的工作應力分布n1、對接接頭n由于余高造成了構件表面不平滑，在焊縫與母材金屬的過渡處引起應力集中。焊趾處KT為1.6，焊根處KT為1.5。n KT的大小與余高h和焊縫向母材金屬過渡的半徑r有關

10、。減小r和增大h，均使KT增加。當余高h為零時， KT =1，應力集中消失。n如果余高太大，雖然使焊縫截面增厚，但卻使應力集中程度增加，因此生產中應適當控制余高。n余高不得超過國家有關標準規(guī)定的03mm范圍。 n 對接接頭的焊縫形狀產生了結構不連續(xù)性，因而引起不同的應力分布，在焊縫與母材的過渡處引起應力集中，最大應力集中部位在焊趾。n應力集中系數(shù)：sin1krhT對接接頭的應力集中余高對應力集中的影響n由余高帶來的應力集中，對動載結構的疲勞強度是十分不利的，所以此時要求它越小越好。n國家標準規(guī)定：在承受動載荷情況下，焊接接頭的焊縫余高應趨于零。n因此，對重要的動載結構，可采用削平余高或增大過渡

11、圓弧的措施來降低應力集中，以提高接頭的疲勞強度。余高與過渡半徑與KT的關系丁字接頭、十字接頭十字接頭有熔透和未熔透兩種十字接頭有熔透和未熔透兩種 未熔透的十字接頭，在焊趾和焊根處有較大的應力集中系數(shù)，其中以焊根處為最大。 熔透的十字接頭有較小的應力集中系數(shù)點焊接頭的應力分布n單排點焊接頭的應力分布（如圖）單排點焊接頭的應力分布（如圖）n多排點焊以兩端焊點受力最大（如圖）多排點焊以兩端焊點受力最大（如圖）正面搭接焊縫的彎曲變形3.聯(lián)合角焊縫搭接接頭中的工作應力分布接觸焊接頭的工作應力分布和工作性能多排點焊接頭排數(shù)多于三排是不合理的，因為不能增加承載能力。單排點焊縫焊點間距小，對降低應力集中有利；

12、但會使接頭強度降低n綜合上述，各種電弧焊接頭，都有不同程度的應力集中。實踐證明，并不是在所有情況下應力集中都將影響強度。當材料具有足夠的塑性時，結構在靜載破壞之前就有顯著的塑性變形，應力集中對其強度無影響。n這說明接頭在塑性變形的過程中能發(fā)生應力均勻化，只要接頭材料具有足夠的塑性，應力集中對靜載強度就沒有影響。第三節(jié) 焊接接頭的靜載強度計算n一、工作焊縫和聯(lián)系焊縫n二、焊接接頭的設計要點n三、焊接接頭強度計算的假設n四、電弧焊接頭的靜載強度計算n五、焊縫許用應力一.工作焊縫和聯(lián)系焊縫n工作焊縫:焊縫與被連接的元件是串聯(lián)的,它承擔著傳遞全部載荷的作用,焊縫一旦斷裂,結構就會立即失效.n聯(lián)系焊縫:

13、焊縫與被連接的元件是并聯(lián)的,它僅傳遞很小的載荷,主要起元件之間相互聯(lián)系的作用,焊縫一旦斷裂,結構不會立即失效.n在結構設計時無需計算聯(lián)系焊縫的強度,只需計算工作焊縫的強度.工作焊縫和聯(lián)系焊縫焊接接頭的設計要點n應盡量使接頭形式簡單,結構連續(xù),且不設在最大應力作用截面上.n要特別重視角焊縫的設計,不宜選擇過大的焊腳.n盡量避免在厚度(Z向)方向傳遞力.n接頭的設計要便于制造和檢驗.n一般不考慮殘余應力對接頭強度的影響.焊接接頭的許用應力設計法n（1 ）強度條件n許用應力設計法又稱傳統(tǒng)設計法或安全系數(shù)設計法。它是以滿足工作能力為基本n要求的一種設計方法，對于一般用途的構件，設計時應滿足的強度條件為

14、：工作應力 小于 許用應力n這里的失效應力，如果為屈服準則，則為材料的屈服點，如按斷裂準則，則為強度極限；在疲勞強度設計中為疲勞極限。n許用應力和許用安全系數(shù)一般由國家工程主管部門根據安全和經濟原則，按材料的強度、載荷、環(huán)境條件、加工質量、計算精確度和構件的重要性等加以確定。我國鍋爐和壓力容器、起重機、橋梁、鐵路車輛等行業(yè)都在各自設計規(guī)范中確定了各種材料的許用應力和許用安全系數(shù)。n工作應力一般是采用工程力學的理論和方法進行分析計算；對重要構件可采用有限n元法等進行分析與計算，以獲得更為精確的結果。n許用應力設計法所用的參量，如載荷、強度、幾何尺寸等都看成為確定量，所以又稱為定值設計法。設計表達

15、式簡單明了，使用方便，至今仍然是許多工程設計部門采用的設計方法。二.焊接接頭強度計算的假設n殘余應力對接頭強度沒有影響.n焊趾處和余高處的應力集中對接頭強度無影響.n接頭的工作應力是均布的,以平均應力計算.n正面角焊縫與側面角焊縫的強度沒有差別.n焊腳尺寸的大小對角焊縫的強度沒有影響.n角焊縫都是在切應力的作用下破壞,按切應力計算其強度.在靜載條件下為了計算方便常作如下假設:角焊縫的破斷面在角焊縫截面的最小高度上,其值等于內接三角形高.余高和少量的熔深對接頭的強度沒有影響,但是,在采用熔深較大的埋弧焊和CO2氣體保護焊時,應給予考慮,角焊縫計算斷面高度a為: a=(K+p)cos45 當K8m

16、m時,可取a等于K; 當 K8mm時,可取p=3mm.三.電弧焊接頭的靜載強度計算n電弧焊接頭靜載強度計算的一般表達式為:或式中,為平均工作應力; 為焊縫的許用應力.1.對接接頭的靜載強度計算n不考慮焊縫余高n焊縫長度取實際長度n計算厚度取兩板中較薄者n如果焊縫的許用應力與基本金屬的相等,則不必進行強度計算對接接頭進行強度計算時對接接頭受力情況Fs為切力M1為平面內彎矩M2為垂直平面的彎矩(1)受拉或受壓對接接頭 1ttLF1ppLF受拉時受壓時式中 F接頭所受的拉力或壓力（N）；L焊縫長度（mm）；1接頭中較薄板的厚度（mm）；t p接頭受拉或受壓時焊縫中所承受的工作應力（MPa）；t焊縫受

17、拉或受彎時的許用應力（MPa）；p焊縫受壓時的許用應力（MPa）；n（2 ）焊縫的許用應力n前已述及強度設計用的許用應力通常由國家工程主管部門根據安全和經濟原則，根n據材料性質，載荷、環(huán)境、加工質量、計算和檢測精確度和構件的重要性等綜合后確定。n下表 列出一般機器焊接結構中焊縫的許用應力。我國起重機行業(yè)和鋼制壓力容器行業(yè)中采用的焊縫許用應力分別列于下表中。例題n例例1 兩塊板厚為5mm、寬為500mm的鋼板對接，兩端受28400N的拉力，材料為Q235A鋼，t142MPa，試校核其焊縫強度。n解解: 已知F=28400N，L=500mm， =5mm，t142MPa，代入式（2-1）得 MPaM

18、PammmmNLFtt1426 .1135500284001所以該對接接頭焊縫強度滿足要求，結構工作時是安全的。 (2)受剪切對接接頭 1LQ式中 Q接頭所受的切力（N）；L焊縫長度（mm）；1接頭中較薄板的厚度（mm）； 接頭焊縫中所承受的切應力（MPa）；焊縫許用切應力（MPa）；例題n例例2 兩塊板厚為10mm的鋼板對接，焊縫受29300N的切力，材料為Q235A鋼，試設計焊縫的長度（鋼板寬度）。n解解 由公由公式(3-2)可得n由已知條件知Q=29300N，=10mm；由表中查得98MPa，代入上式得mmMPaNL9 .29981029300 1QL 取L=32mm, 即當焊縫長度為3

19、2mm時,強度滿足要求.正面搭接受拉或壓 4 . 1KLF側面搭接受拉或壓 4 . 1KLF聯(lián)合搭接受拉或壓 7 . 0LKF例題n例例4 將100mm 100mm 10mm的角鋼用角焊縫搭接在一塊鋼板上，見圖2-26。受拉伸時要求與角鋼等強度，試計算接頭的合理尺寸K和L應該是多少？ 解答n解解 從材料手冊查得角鋼斷面面積A=19.2cm2；許用拉應力t 160MPa160N/mm2，焊縫許用切應力=100MPa100N/mm2n角鋼的允許載荷F=At =19200mm160 N/mm2=307200N。n假定接頭上各段焊縫中切應力都達到焊縫許用切應力值，即。若取K10mm，用焊條電弧焊，則所需的焊縫總長度為