第三章角焊縫

（2）斜角角焊縫對(duì)于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外,不宜用作受力焊縫。2.直角角焊縫的受力分析（1）側(cè)面角焊縫（側(cè)焊縫）:外力與焊縫長(zhǎng)度方向平行NlwNA.破壞形式（通過實(shí)驗(yàn)）

試驗(yàn)表明側(cè)面角焊縫主要承受剪力，強(qiáng)度相對(duì)較低，塑性性能較好。因外力通過焊縫時(shí)發(fā)生彎折，故剪應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度分布不均勻，兩端大中間小，lw/hf越大剪應(yīng)力分布越不均勻。剪應(yīng)力τfB.

應(yīng)力分析NlwN（2）正面角焊縫：外力與焊縫長(zhǎng)度方向垂直A.正面角焊縫的破壞形式B.

應(yīng)力分析

正面角焊縫受力復(fù)雜，應(yīng)力集中嚴(yán)重，塑性較差，但強(qiáng)度較高，與側(cè)面角焊縫相比可高出35%--55%以上。（3）斜角焊縫（斜的直角角焊縫：外力與焊縫長(zhǎng)度方向傾斜）

斜焊縫的受力性能介于側(cè)面角焊縫和正側(cè)面角焊縫之間。hfhehh1h2deh---焊縫厚度、h1—熔深、h2—凸度、d—焊趾、e—焊根二、角焊縫的構(gòu)造

1、最大焊腳尺寸hf,max

為了避免焊縫處局部過熱，減小焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，hf,max應(yīng)滿足以下要求:

hf,max≤1.2t1（鋼管結(jié)構(gòu)除外）式中:t1---較薄焊件厚度。tt1hf

對(duì)于板件邊緣的角焊縫,尚應(yīng)滿足以下要求：

當(dāng)t≤6mm時(shí)，hf,max≤t；當(dāng)t>6mm時(shí)，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t2、最小焊腳尺寸hf,min

為了避免在焊縫金屬中由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

式中:t2----較厚焊件厚度

另:對(duì)于埋弧自動(dòng)焊hf,min可減去1mm;

對(duì)于T型連接單面角焊縫hf,min應(yīng)加上1mm;

當(dāng)t2≤4mm時(shí),hf,min=t23.側(cè)面角焊縫的最大計(jì)算長(zhǎng)度

側(cè)面角焊縫在彈性工作階段沿長(zhǎng)度方向受力不均，兩端大而中間小。焊縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，應(yīng)力集中系數(shù)越大。如果焊縫長(zhǎng)度不是太大，焊縫兩端達(dá)到屈服強(qiáng)度后，繼續(xù)加載，應(yīng)力會(huì)漸趨均勻；當(dāng)焊縫長(zhǎng)度達(dá)到一定的長(zhǎng)度后，可能破壞首先發(fā)生在焊縫兩端，故：注：

1、當(dāng)實(shí)際長(zhǎng)度大于以上值時(shí)，計(jì)算時(shí)不與考慮；

2、當(dāng)內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長(zhǎng)分布時(shí)，不受上式限制。4.側(cè)面角焊縫的最小計(jì)算長(zhǎng)度

對(duì)于焊腳尺寸大而長(zhǎng)度小的焊縫，焊件局部加熱嚴(yán)重且起落弧坑相距太近，以及可能產(chǎn)生缺陷，使焊縫不可靠。故為了使焊縫具有一定的承載力，規(guī)范規(guī)定：5.搭接連接的構(gòu)造要求

當(dāng)板件端部?jī)H采用兩條側(cè)面角焊縫連接時(shí)：

A、為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，規(guī)范規(guī)定：B、為了避免焊縫橫向收縮時(shí)引起板件的拱曲太大，規(guī)范規(guī)定：t1t2bD.在搭接連接中，搭接長(zhǎng)度不得小于焊件較小厚度

的5倍，且不得小于25mm。

C.當(dāng)角焊縫的端部位于構(gòu)件轉(zhuǎn)角處時(shí)，應(yīng)作2hf的繞角焊，且轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊。b2hft1t2三、直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算公式

1、試驗(yàn)表明，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，故通常將45o截面作為計(jì)算截面(不計(jì)凸度和溶深），作用在該截面上的應(yīng)力如下圖所示（假定軸心力作用下應(yīng)力分布均勻）：hfhehh1h2deσ┻τ┻τ∥helw2、實(shí)際上計(jì)算截面的各應(yīng)力分量的計(jì)算比較繁難，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，規(guī)范假定：焊縫在有效截面處破壞，且各應(yīng)力分量滿足以下折算應(yīng)力公式:

┻┻∥3、由于我國(guó)規(guī)范給定的角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，是根據(jù)抗剪條件確定的故上式又可表達(dá)為：式中：--焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度┻┻∥σ┻τ┻τ∥helw4、直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算公式：NNyNx┻┻∥σfσ┻τ┻τ∥=τfhelw45O45Ohf將3—3、3—4式，代入3—2式得：┻┻∥┻┻∥將3—3、3—4式，代入3—2式得：式3—5即為，規(guī)范給定的角焊縫強(qiáng)度計(jì)算通用公式βf—正面角焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)；靜載時(shí)取1.22，動(dòng)載時(shí)取1.0。對(duì)于正面角焊縫，τf=0，由3—5式得：對(duì)于正面角焊縫，τf=0，由3—5式得：對(duì)于側(cè)面角焊縫，σf=0，由3—5式得：

以上各式中：

he=0.7hf；

lw—角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度，考慮起滅弧缺陷時(shí)，每條焊縫取其實(shí)際長(zhǎng)度減去2hf。四、各種受力狀態(tài)下的直角角焊縫連接計(jì)算1、軸心力作用下(1)軸心力作用下的蓋板對(duì)接連接:A、僅采用側(cè)面角焊縫連接：B、采用三面圍焊連接：NNlwlw’(2)T形角焊縫連接NxNyNθN代入式3-5驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度，即:(3)角鋼角焊縫連接A、僅采用側(cè)面角焊縫連接由力及力矩平衡得:故:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2對(duì)于校核問題:對(duì)于設(shè)計(jì)問題:Ne1e2bN1N2xxlw1lw2B、采用三面圍焊由力及力矩平衡得:余下的問題同情況‘A’，即:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2對(duì)于校核問題:對(duì)于設(shè)計(jì)問題:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw2C、采用L形圍焊代入下式3-20，3-21得:Ne1e2bN1xxN3lw1C、采用L形圍焊代入下式3-20，3-21得:對(duì)于設(shè)計(jì)問題:Ne1e2bN1xxN3lw12、N、M、V共同作用下(1)偏心軸力作用下角焊縫強(qiáng)度計(jì)算NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet(2)V、M共同作用下焊縫強(qiáng)度計(jì)算h1σfAσfBτf對(duì)于A點(diǎn)：式中：Iw—全部焊縫有效截面對(duì)中和軸的慣性矩；

h1—兩翼緣焊縫最外側(cè)間的距離。xxhh2BB’Ah1MeFVM對(duì)于B點(diǎn)：強(qiáng)度驗(yàn)算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度；

he,2—腹板焊縫截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM假定:A、被連接件絕對(duì)剛性，焊縫為彈性，即：T作用下被連接件有繞焊縫形心旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；B、T作用下焊縫群上任意點(diǎn)的應(yīng)力方向垂直于該點(diǎn)與焊縫形心的連線，且大小與r成正比；C、在V作用下，焊縫群上的應(yīng)力均勻分布。3、T、V共同作用下將F向焊縫群形心簡(jiǎn)化得:V=FT=F(e1+e2)Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：該連接的設(shè)計(jì)控制點(diǎn)為A點(diǎn)和A’點(diǎn)xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A點(diǎn)應(yīng)力:將其沿x軸和y軸分解:e2x0l1l2xxyyAA’0TVr剪力V作用下,A點(diǎn)應(yīng)力:A點(diǎn)垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為:A點(diǎn)平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力為:強(qiáng)度驗(yàn)算公式：思考:以上計(jì)算方法為近似計(jì)算，為什么?τVxxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe注意：角焊縫的合理構(gòu)造

與對(duì)接焊縫相比，角焊縫應(yīng)力集中嚴(yán)重。但合理布置焊縫仍然可減小應(yīng)力集中程度。

傳軸力接頭從構(gòu)造優(yōu)劣上排序依次為

圍焊L焊（繞角焊）僅有側(cè)焊縫僅有端焊縫總體思路：使應(yīng)力流順暢，路徑短。

不同的搭接接頭角焊縫的計(jì)算

內(nèi)容上，角焊縫的計(jì)算包括3類問題：

（1）強(qiáng)度檢算：已知（連接需要傳遞的）內(nèi)力及焊縫尺寸（焊腳、焊縫形狀、計(jì)算長(zhǎng)度），驗(yàn)算連接的強(qiáng)度；（2）確定最大承載力：已知焊縫尺寸，確定焊縫連接的承載能力

（3）連接設(shè)計(jì)：已知內(nèi)力，要求設(shè)計(jì)連接焊縫。

傳力角度看，角焊縫計(jì)算分：軸力、彎矩、扭矩、組合力

連接計(jì)算方法看：角焊縫計(jì)算分等強(qiáng)度法：根據(jù)被連接構(gòu)件的承載能力計(jì)算連接的方法；內(nèi)力法：根據(jù)被連接構(gòu)件的最大內(nèi)力計(jì)算連接的方法。

（一）軸力（拉力、壓力、剪力）作用

例題1

設(shè)計(jì)一雙拼接板對(duì)接接頭，使之可發(fā)揮基材的最大強(qiáng)度潛力。已知條件：基材采用Q345(16Mn)，鋼板截面300×20mm2；設(shè)計(jì)強(qiáng)度：=300Mpa；手工焊，E50焊條，角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：=200Mpa?！窘狻繉儆诘葟?qiáng)度設(shè)計(jì)問題（連接的強(qiáng)度不小于被連接構(gòu)件的強(qiáng)度）

1）設(shè)計(jì)拼接板

拼接板寬為260mm；按等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，拼接板截面≥基材截面，取12mm。拼接板面積2×12×260=6240mm>20×300=6000mm。

2）焊腳尺寸對(duì)手工焊，焊腳mm，焊件邊緣取為8mm。3）側(cè)焊縫計(jì)算連接需要傳遞的內(nèi)力=1800000N端焊縫可傳遞內(nèi)力

=2.44×0.7×8×260×200=710528N側(cè)焊縫需傳遞內(nèi)力=1089472N

則：

=1089472/(4×5.6×200)=243mm<60=480mm實(shí)際側(cè)焊縫長(zhǎng)度=251mm，取為250mm。

例題2

圖為一受剪兼受彎接頭，鋼材采用Q235，Mpa；焊條采用E43，Mpa；偏距e=100mm，焊縫長(zhǎng)310mm。試按《鋼規(guī)》計(jì)算以下內(nèi)容：1．P=200kN，焊腳尺寸=8mm，試檢算焊縫強(qiáng)度

2．已知焊腳尺寸=8mm，試確定最大承載力3．已知P=150kN，試設(shè)計(jì)焊腳尺寸。

例題2

【解1】強(qiáng)度檢算問題

例題2

【解2】最大承載力問題

例題2

【解2】最大承載力問題

例題2

【解3】設(shè)計(jì)問題（=150kN，計(jì)焊腳尺寸）

例題2

【解3】設(shè)計(jì)問題（=150kN，設(shè)計(jì)焊腳尺寸）

例題2

【解3】設(shè)計(jì)問題（=150kN，設(shè)計(jì)焊腳尺寸）

五、斜角角焊縫的計(jì)算α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B1、由于斜角角焊縫的研究不夠充分，為簡(jiǎn)化計(jì)算，規(guī)范規(guī)定：對(duì)于兩焊腳邊夾角60o≤α≤135o的斜T形連接，其斜角角焊縫采用與直角角焊縫相同的計(jì)算公式，且統(tǒng)一取βf=1.0。2、斜角角焊縫的計(jì)算厚度hei由幾何關(guān)系得其通式為：式中：b、b1和b2≤5mm說(shuō)明：A.b1和b2≤1.5mm時(shí),

可取b1、b2=0B.b1和b2>5mm時(shí),

應(yīng)如圖“B”方式處理，且使b≤5mm。α1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b1b2圖Aα1α2hf1hf1hf2hf2he2he1b圖B§3－5焊接應(yīng)力和焊接變形一、焊接殘余應(yīng)力的分類及其產(chǎn)生的原因

1、焊接殘余應(yīng)力的分類

A、縱向焊接殘余應(yīng)力—沿焊縫長(zhǎng)度方向;B、橫向焊接殘余應(yīng)力—垂直于焊縫長(zhǎng)度方向;C、沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力。

§3－5焊接應(yīng)力和焊接變形2、焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

（1）縱向焊接殘余應(yīng)力

焊接過程是一個(gè)不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，焊縫處可達(dá)1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時(shí)被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力是無(wú)荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm-----++

（2）橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:1、焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢(shì)，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；2、焊接時(shí)已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為，橫向焊接殘余應(yīng)力。(a)焊縫縱向收縮時(shí)的變形趨勢(shì)-+-(b)焊縫縱向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時(shí)的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時(shí)產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力:-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊，焊接時(shí)沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時(shí)，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力σx,σy

外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力σz，這三種應(yīng)力形成同號(hào)(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。-+-321σxσyσz二、焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響1、對(duì)結(jié)構(gòu)靜力強(qiáng)度的影響f+--bfy+--bfyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即N=Ny時(shí)：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力強(qiáng)度沒有影響。+--fyfbBt2、對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的