第二章焊接接頭及其靜載強(qiáng)度

1、第二章焊接接頭及其靜載強(qiáng)度,第一節(jié) 焊接接頭的類型第二節(jié) 電弧焊接頭的工作應(yīng)力第三節(jié) 焊接頭頭的靜載強(qiáng)度計算,在焊件需連接的部位，用焊接方法制造而成的接頭稱為焊接接頭，一般簡稱接頭。焊接接頭本身的力學(xué)性能不均勻、焊接接頭部位所受工作應(yīng)力分布不均勻，是造成接頭破壞的主要原因。,第一節(jié) 焊接接頭的類型,一、焊接接頭的組成二、焊縫的基本形式三、焊接接頭的基本形式,一、焊接接頭的組成,,,,,,,,焊接接頭由焊縫金屬、熔合區(qū)

2、、熱影響區(qū)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(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(xué)方面因素：接頭形狀的不連續(xù)

3、性(余高、接頭錯邊)、焊接缺陷（未焊透、裂紋）、殘余應(yīng)力和殘余變形等。 材質(zhì)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(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所引起的加工硬化等。,影響焊接接頭性能的主要因素,,,,,,,,,殘余應(yīng)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(yīng)力集中,角變形,,,,,,,,錯邊,,,,,,,,,,

4、,,錯邊,,,,,,,,應(yīng)力集中,二、焊縫的基本形式,對接焊縫角焊縫,焊縫的形式應(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。 焊縫是構(gòu)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,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(zhì)量，同時也從經(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方面：1）可焊到性或便

5、于施焊；2）降低焊接材料的消耗量；3）坡口易加工；4）減少或控制焊接變形。,對接焊縫,坡口角度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，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。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

6、形式,,,,,,,,,,,,,角焊縫,角焊縫按其截面形狀可分為平角焊縫、凹角焊縫、凸角焊縫和不等焊腳角焊縫。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，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。,,角焊縫截面形狀及其計算斷面,,,,,,,,K,K,a,,,,,,,,,,K,K,a,,,,,,,

7、K,K,a,,,,,,三、焊接接頭的基本形式,對接接頭：兩焊件表面構(gòu)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(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。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。,,,,,F,F,對接接頭 斜縫對接接頭,搭接接頭,兩板件部分重

8、疊起來進(jìn)行焊接所形成的接頭稱為搭接接頭。搭接接頭的應(yīng)力分布不均勻，疲勞強(qiáng)度較低，不是理想的接頭形式。但由于焊前準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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,,,,,,,,,F,F,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

9、度為被連接件厚度的二倍，開槽長度應(yīng)比搭接長度稍短一些。,,,,2δ,塞焊接頭,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(dāng)被連接板厚小于5mm時，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。,F,,,,,,,F,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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(yīng)避免采用單面角焊縫，因為這種接頭的根

10、部有很深的缺口，其承載能力低。,T形接頭的承載能力,,,Fy,Fx,M,Fy,Fz,Fx,M,角接接頭,,,,,,,,兩板件端面構(gòu)成30°~135°夾角的焊接接頭稱作角接接頭，角接接頭多用于箱形構(gòu)件。,第二節(jié) 電弧焊接頭的工作應(yīng)力,一、應(yīng)力集中的概念二、電弧焊接頭的工作應(yīng)力分布,應(yīng)力集中的概念,應(yīng)力集中，是指接頭局部區(qū)域的最大應(yīng)力值較平均應(yīng)力值高的現(xiàn)象。常以應(yīng)力集中系數(shù)KT表示。 KT=在焊接接頭中產(chǎn)生應(yīng)力集中

11、的原因是：1）焊縫中有工藝缺陷。2）焊縫外形不合理。3）焊接接頭設(shè)計不合理。,二、電弧焊接頭的工作應(yīng)力分布,1、對接接頭由于余高造成了構(gòu)件表面不平滑，在焊縫與母材金屬的過渡處引起應(yīng)力集中。焊趾處KT為1.6，焊根處KT為1.5。 KT的大小與余高h(yuǎn)和焊縫向母材金屬過渡的半徑r有關(guān)。減小r和增大h，均使KT增加。當(dāng)余高h(yuǎn)為零時， KT =1，應(yīng)力集中消失。如果余高太大，雖然使焊縫截面增厚，但卻使應(yīng)力集中程度增加，因此生產(chǎn)中應(yīng)適

12、當(dāng)控制余高。,對接接頭的應(yīng)力集中,余高對應(yīng)力集中的影響,由余高帶來的應(yīng)力集中，對動載結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度是十分不利的，所以此時要求它越小越好。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在承受動載荷情況下，焊接接頭的焊縫余高應(yīng)趨于零。因此，對重要的動載結(jié)構(gòu)，可采用削平余高或增大過渡圓弧的措施來降低應(yīng)力集中，以提高接頭的疲勞強(qiáng)度。,余高與過渡半徑與KT的關(guān)系,正面搭接角焊縫的應(yīng)力分布,側(cè)面角焊縫的工作應(yīng)力分布,聯(lián)合角焊縫的應(yīng)力分布,加蓋板的應(yīng)力集中,側(cè)面搭接接頭的工作應(yīng)

13、力均勻化,第三節(jié) 焊接接頭的靜載強(qiáng)度計算,一、工作焊縫和聯(lián)系焊縫二、焊接接頭的設(shè)計要點三、焊接接頭強(qiáng)度計算的假設(shè)四、電弧焊接頭的靜載強(qiáng)度計算五、焊縫許用應(yīng)力,一.工作焊縫和聯(lián)系焊縫,工作焊縫:焊縫與被連接的元件是串聯(lián)的,它承擔(dān)著傳遞全部載荷的作用,焊縫一旦斷裂,結(jié)構(gòu)就會立即失效.聯(lián)系焊縫: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(jié)構(gòu)不會立即失效.在結(jié)構(gòu)設(shè)計時無需計算聯(lián)系焊

14、縫的強(qiáng)度,只需計算工作焊縫的強(qiáng)度.,工作焊縫和聯(lián)系焊縫,焊接接頭的設(shè)計要點,應(yīng)盡量使接頭形式簡單,結(jié)構(gòu)連續(xù),且不設(shè)在最大應(yīng)力作用截面上.要特別重視角焊縫的設(shè)計,不宜選擇過大的焊腳.盡量避免在厚度(Z向)方向傳遞力.接頭的設(shè)計要便于制造和檢驗.一般不考慮殘余應(yīng)力對接頭強(qiáng)度的影響.,二.焊接接頭強(qiáng)度計算的假設(shè),殘余應(yīng)力對接頭強(qiáng)度沒有影響.焊趾處和余高處的應(yīng)力集中對接頭強(qiáng)度無影響.接頭的工作應(yīng)力是均布的,以平均應(yīng)力計算.正面角焊

15、縫與側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度沒有差別.焊腳尺寸的大小對角焊縫的強(qiáng)度沒有影響.角焊縫都是在切應(yīng)力的作用下破壞,按切應(yīng)力計算其強(qiáng)度.,在靜載條件下為了計算方便常作如下假設(shè):,角焊縫的破斷面在角焊縫截面的最小高度上,其值等于內(nèi)接三角形高.余高和少量的熔深對接頭的強(qiáng)度沒有影響,但是,在采用熔深較大的埋弧焊和CO2氣體保護(hù)焊時,應(yīng)給予考慮,角焊縫計算斷面高度a為:,a=(K+p)cos45° 當(dāng)K≤8mm時,可取a等于K; 當(dāng)

16、K>8mm時,可取p=3mm.,三.電弧焊接頭的靜載強(qiáng)度計算,電弧焊接頭靜載強(qiáng)度計算的一般表達(dá)式為:,б≤[бˊ]或τ≤[τˊ],式中б,τ為平均工作應(yīng)力;[бˊ] [τˊ]為焊縫的許用應(yīng)力.,1.對接接頭的靜載強(qiáng)度計算,不考慮焊縫余高焊縫長度取實際長度計算厚度取兩板中較薄者如果焊縫的許用應(yīng)力與基本金屬的相等,則不必進(jìn)行強(qiáng)度計算,對接接頭進(jìn)行強(qiáng)度計算時,對接接頭受力情況,Fs為切力M1為平面內(nèi)彎矩M2為垂直平面的彎矩,

17、(1)受拉或受壓對接接頭,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）；δ1——接頭中較薄板的厚度（mm）；бt бp——接頭受拉或受壓時焊縫中所承受的工作應(yīng)力（MPa）；[бˊt]——焊縫受拉或受彎時的許用應(yīng)力（MPa）；[бˊp]——焊縫受壓時的許用應(yīng)力（MPa）；,例題,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Q235—A鋼，[бˊt]＝14

18、2MPa，試校核其焊縫強(qiáng)度。解: 已知F=28400N，L=500mm， δ=5mm，[бˊt]＝142MPa，代入式（2-1）得,所以該對接接頭焊縫強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)工作時是安全的。,(2)受剪切對接接頭,式中 Q——接頭所受的切力（N）；L——焊縫長度（mm）；δ1——接頭中較薄板的厚度（mm）；τ ——接頭焊縫中所承受的切應(yīng)力（MPa）；[τˊ]——焊縫許用切應(yīng)力（MPa）；,例題,例2 兩塊板厚為10mm的鋼板對接

19、，焊縫受29300N的切力，材料為Q235—A鋼，試設(shè)計焊縫的長度（鋼板寬度）。解 由公式(3-2)可得由已知條件知Q=29300N，δ=10mm；由表2-3中查得[τˊ]＝98MPa，代入上式得,,取L=32mm, 即當(dāng)焊縫長度為32mm時,強(qiáng)度滿足要求.,正面搭接受拉或壓,側(cè)面搭接受拉或壓,聯(lián)合搭接受拉或壓,例題,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

20、拉伸時要求與角鋼等強(qiáng)度，試計算接頭的合理尺寸K和L應(yīng)該是多少？,解答,解 從材料手冊查得角鋼斷面面積A=19.2cm2；許用拉應(yīng)力[бˊt ]＝160MPa＝160N/mm2，焊縫許用切應(yīng)力[τˊ]=100MPa＝100N/mm2角鋼的允許載荷[F]=A[бˊt ]=19200mm×160 N/mm2=307200N。假定接頭上各段焊縫中切應(yīng)力都達(dá)到焊縫許用切應(yīng)力值，即τ＝[τˊ]。若取K＝10mm，用焊條電弧焊，則所需

21、的焊縫總長度為,角鋼一端的正面角焊縫L3=100mm，則兩側(cè)焊縫總長度為339mm。根據(jù)材料手冊查得角鋼的拉力作用線位置e＝28.3mm，按杠桿原理，則側(cè)面角焊縫L2應(yīng)承受全部側(cè)面角焊縫應(yīng)該承受載荷的28.3%。故,另外一側(cè)的側(cè)面角焊縫長度應(yīng)該是：,取L1＝250mm，L2＝100mm .,四.焊縫許用應(yīng)力,第一種方法,按基本金屬的許用應(yīng)力乘以一個系數(shù),確定焊縫的許用應(yīng)力.這個系數(shù)主要是根據(jù)所用焊接方法和焊接材料而確定.見表2-2.第