第三章焊接接头

1、第三章第三章 焊接接头及其静载强度焊接接头及其静载强度第一节第一节 焊接接头的类型焊接接头的类型第二节第二节 电弧焊接头的工作应力电弧焊接头的工作应力第三节第三节 焊接头头的静载强度计算焊接头头的静载强度计算 在焊件需连接的部位，用焊接方法制造而在焊件需连接的部位，用焊接方法制造而成的接头称为成的接头称为焊接接头焊接接头，一般简称接头。焊接，一般简称接头。焊接接头本身的力学性能不均匀、焊接接头部位所接头本身的力学性能不均匀、焊接接头部位所受工作应力分布不均匀，是造成接头破坏的主受工作应力分布不均匀，是造成接头破坏的主要原因。要原因。第一节第一节 焊接接头的类型焊接接头的类型一、焊接接头的组成一

2、、焊接接头的组成焊接接头由焊接接头由焊缝金属焊缝金属、熔合区熔合区、热影响区热影响区组成组成熔焊焊接接头的组成熔焊焊接接头的组成对接接头的断面图对接接头的断面图 搭接接头的断面图搭接接头的断面图低合金结构钢焊接接头宏观形貌低合金结构钢焊接接头宏观形貌焊趾焊趾焊根焊根熔合区熔合区焊缝焊缝热影响区热影响区母材区母材区影响焊接接头性能的主要因素影响焊接接头性能的主要因素和和是焊接接头的两个基本属性。是焊接接头的两个基本属性。 影响焊接接头性能的主要因素有以下两个方面：影响焊接接头性能的主要因素有以下两个方面： ：接头形状的不连续性：接头形状的不连续性(余高、接头余高、接头错边错边)、焊接缺陷（未焊透

3、、裂纹）、残余应力和残、焊接缺陷（未焊透、裂纹）、残余应力和残余变形等。余变形等。 ：焊接热循环所引起的组织变化、：焊接热循环所引起的组织变化、焊接材料引起的焊缝化学成分的变化、焊后热处理所焊接材料引起的焊缝化学成分的变化、焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等。引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等。影响焊接接头性能的主要因素影响焊接接头性能的主要因素焊接接头的不均匀性及其力学行为焊接接头的不均匀性及其力学行为 焊缝金属力学性能（略）焊缝金属力学性能（略） 热影响区力学性能（略）热影响区力学性能（略） 低强度焊缝金属接头的力学性能（详）低强度焊缝金属接头的力学性能（详

4、）低组配：焊缝强度低组配：焊缝强度 母材强度母材强度三维拉伸应力二、焊缝的基本形式 焊缝的形式应根据焊件的厚度、工作条件、受力情况等因素进行选择。 焊缝是构成焊接接头的主体部分，是焊缝的基本形式。对接焊缝的典型坡口形式60202638331126012对接焊缝 对接焊缝的接头可采用卷边、平对接或加工成各种形式的坡口。对接焊缝开坡口的目的，是为了确保接头的质量，同时也从经济效益考虑。坡口形式的选择取决于板材厚度、焊接方法和工艺过程。通常必须考虑以下几个方面： 1）可焊到性或便于施焊； 2）降低焊接材料的消耗量； 3）坡口易加工； 4）减少或控制焊接变形。对接焊缝的大小与板厚和焊接方法有关，其作用

5、是使电弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，焊缝金属量越多，焊接变形也会增大，一般坡口角度选60左右。 采用是为了保证焊缝根部能焊透，一般情况下，坡口角度小，需要同时增加根部间隙；根部间隙较大时，又容易烧穿，为此，需要采用防止烧穿。根部间隙过大时，还需要加垫板。角焊缝截面形状及其计算断面KKaKKKaKKaKa角焊缝 角焊缝按其截面形状可分为平角焊缝、凹角焊缝、凸角焊缝和不等焊脚角焊缝。 各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关。静载时，如母材金属塑性良好，则角焊缝的截面形状对承载能力没有明显影响；动载时，凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高，凸角焊缝的承载能力最低。不等腰角焊缝，长边平行于载荷方

6、向时，承受动载效果好。三、焊接接头的基本形式两焊件表面构成大于或等于两焊件表面构成大于或等于135 、小、小于或等于于或等于180夹角，即两板件相对端面焊接而形成的夹角，即两板件相对端面焊接而形成的接头。接头。对接接头从强度角度看是比较理想的接头形式，也是对接接头从强度角度看是比较理想的接头形式，也是广泛应用的接头形式之一。常见的对接接头的焊缝轴广泛应用的接头形式之一。常见的对接接头的焊缝轴线与载荷方向相垂直，也有少数与载荷方向成斜角的线与载荷方向相垂直，也有少数与载荷方向成斜角的斜焊缝对接接头。斜焊缝对接接头。FF 对接接头对接接头 斜缝对接接头斜缝对接接头: :两板件部分重叠起来进行焊接所

7、形成的接两板件部分重叠起来进行焊接所形成的接头称为搭接接头。头称为搭接接头。搭接接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是理搭接接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是理想的接头形式。但由于焊前准备及装配工作较为简单，想的接头形式。但由于焊前准备及装配工作较为简单，故多用于受力较小且不要求密封性的结构中。故多用于受力较小且不要求密封性的结构中。搭接接头中，最常见的是角焊缝组成的搭接接头，一搭接接头中，最常见的是角焊缝组成的搭接接头，一般用于般用于12mm 以下的钢板焊接。除此之外，还有开槽以下的钢板焊接。除此之外，还有开槽焊、塞焊、锯齿状搭接等多种形式。焊、塞焊、锯齿状搭接等多种形式。角焊缝搭接

8、接头开槽焊搭接接头FF开槽焊搭接接头，先将被开槽焊搭接接头，先将被连接件加工成槽形孔，然连接件加工成槽形孔，然后用焊缝金属填满该槽，后用焊缝金属填满该槽，开槽焊焊缝断面为矩形，开槽焊焊缝断面为矩形，其宽度为被连接件厚度的其宽度为被连接件厚度的二倍，开槽长度应比搭接二倍，开槽长度应比搭接长度稍短一些。长度稍短一些。2塞焊接头 塞焊接是在被连接的塞焊接是在被连接的钢板上钻孔，用来代钢板上钻孔，用来代替开槽焊的槽形孔，替开槽焊的槽形孔，用焊缝金属将孔填满用焊缝金属将孔填满使两板连接起来。当使两板连接起来。当被连接板厚小于被连接板厚小于5mm时，可以采用大功率时，可以采用大功率的埋弧焊或的埋弧焊或CO

9、2气体气体保护焊直接将钢板熔保护焊直接将钢板熔透而不必钻孔。透而不必钻孔。FFT形（十字）接头形（十字）接头T形接头的承载能力FyFxMFyFzFxMT形接头是典型的电弧焊接头，能承受各种方向的力和形接头是典型的电弧焊接头，能承受各种方向的力和力矩，这类接头应避免采用单面角焊缝，因为这种接力矩，这类接头应避免采用单面角焊缝，因为这种接头的根部有很深的缺口，其承载能力低。头的根部有很深的缺口，其承载能力低。角接接头角接接头两板件端面构成两板件端面构成30135夹角的焊接接夹角的焊接接头称作角接接头，角接接头多用于箱形构件。头称作角接接头，角接接头多用于箱形构件。ihgfa轴测图中焊缝的画法、剖视

10、图中焊缝的画法视图中焊缝的画法四、焊缝及接头形式的表示方法四、焊缝及接头形式的表示方法焊缝符号焊缝符号焊缝符号焊缝符号焊缝符号是一种工程语言，其组成包括：焊缝符号是一种工程语言，其组成包括：1）各种焊接方法的符号（参见焊接手册）各种焊接方法的符号（参见焊接手册）2）基本符号：焊缝剖面形状符号）基本符号：焊缝剖面形状符号3）辅助符号：对焊缝有辅助要求的符号）辅助符号：对焊缝有辅助要求的符号4）引出线：指引焊缝位置的符号）引出线：指引焊缝位置的符号5）焊缝尺寸符号）焊缝尺寸符号焊缝符号：基本符号焊缝符号：基本符号焊缝符号：辅助符号焊缝符号：辅助符号焊缝符号：尺寸符号焊缝符号：尺寸符号焊缝符号：引出

11、线焊缝符号：引出线第二节 电弧焊接头的工作应力 一、应力集中的概念 二、电弧焊接头的工作应力分布一、应力集中的概念 应力集中，是指接头局部区域的最大应力值较平均应力值高的现象。常以应力集中系数KT表示。 在焊接接头中产生应力集中的原因是： 1）焊缝中有工艺缺陷。 2）焊缝外形不合理。 3）焊接接头设计不合理。avTKmax二、电弧焊接头的工作应力分布 1、对接接头 由于余高造成了构件表面不平滑，在焊缝与母材金属的过渡处引起应力集中。焊趾处KT为1.6，焊根处KT为1.5。 KT的大小与余高h和焊缝向母材金属过渡的半径r有关。减小r和增大h，均使KT增加。当余高h为零时， KT =1，应力集中消

12、失。 如果余高太大，虽然使焊缝截面增厚，但却使应力集中程度增加，因此生产中应适当控制余高。对接接头的应力集中5 . 16 . 1TTKK焊根：焊趾：余高对应力集中的影响 由余高带来的应力集中，对动载结构的疲劳强度是十分不利的，所以此时要求它越小越好。 国家标准规定：在承受动载荷情况下，焊接接头的焊缝余高应趋于零。 因此，对重要的动载结构，可采用削平余高或增大过渡圆弧的措施来降低应力集中，以提高接头的疲劳强度。余高与过渡半径与KT的关系正面搭接角焊缝的应力分布侧面角焊缝的工作应力分布联合角焊缝的应力分布加盖板的应力集中侧面搭接接头的工作应力均匀化第三节 焊接接头的静载强度计算 一、工作焊缝和联系

13、焊缝 二、焊接接头强度计算的假设 三、电弧焊接头的静载强度计算一.工作焊缝和联系焊缝 工作焊缝:焊缝与被连接的元件是串联的,它承担着传递全部载荷的作用,焊缝一旦断裂,结构就会立即失效. 联系焊缝:焊缝与被连接的元件是并联的,它仅传递很小的载荷,主要起元件之间相互联系的作用,焊缝一旦断裂,结构不会立即失效. 在结构设计时无需计算联系焊缝的强度,只需计算工作焊缝的强度.工作焊缝和联系焊缝二.焊接接头强度计算的假设n 残余应力对接头强度没有影响.n 焊趾处和余高处的应力集中对接头强度无影响.n 接头的工作应力是均布的,以平均应力计算.n 正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别.n 焊脚尺寸的大小对角焊

14、缝的强度没有影响.n 角焊缝都是在切应力的作用下破坏,按切应力计算其强度.在静载条件下为了计算方便常作如下假设:n角焊缝的破断面角焊缝的破断面在角焊缝截面的在角焊缝截面的最小高度上最小高度上,其值其值等于内接三角形等于内接三角形高高.n余高和少量的熔余高和少量的熔深对接头的强度深对接头的强度没有影响没有影响,但是但是,在在采用熔深较大的采用熔深较大的埋弧焊和埋弧焊和CO2气气体保护焊时体保护焊时,应给应给予考虑予考虑,角焊缝计角焊缝计算断面高度算断面高度a为为: a=(K+p)cos45 当K8mm时,可取a等于K; 当 K8mm时,可取p=3mm.三.电弧焊接头的静载强度计算 电弧焊接头静载

15、强度计算的一般表达式为:或式中,为平均工作应力; 为焊缝的许用应力.焊缝许用应力 第一种方法,按基本金属的许用应力乘以一个系数,确定焊缝的许用应力.这个系数主要是根据所用焊接方法和焊接材料而确定.见表2-2. 第二种方法,采用已经规定的具体数值,这种方法多为某类产品行业所用.见表2-3.1.对接接头的静载强度计算 不考虑焊缝余高 焊缝长度取实际长度 计算厚度取两板中较薄者 如果焊缝的许用应力与基本金属的相等,则不必进行强度计算对接接头进行强度计算时对接接头受力情况Q为切力M1为平面内弯矩M2为垂直平面的弯矩(1)受拉或受压对接接头 1ttLF1ppLF受拉时受拉时受压时受压时式中式中 F接头所

16、受的拉力或压力（接头所受的拉力或压力（N）；）；L焊缝长度（焊缝长度（mm）；）；1接头中较薄板的厚度（接头中较薄板的厚度（mm）；）；t p接头受拉或受压时焊缝中所承受的工作应力（接头受拉或受压时焊缝中所承受的工作应力（MPa）；）；t焊缝受拉或受弯时的许用应力（焊缝受拉或受弯时的许用应力（MPa）；）；p焊缝受压时的许用应力（焊缝受压时的许用应力（MPa）；）；例题 例例1 两块板厚为5mm、宽为500mm的钢板对接，两端受28400N的拉力，材料为Q235A钢，t142MPa，试校核其焊缝强度。 解解: 已知F=28400N，L=500mm， =5mm，t142MPa，代入式（1）得 M

17、PaMPammmmNLFtt1426 .1135500284001所以该对接接头焊缝强度满足要求，结构工作时是安全的。 (2)受剪切对接接头 1LQ式中式中 Q接头所受的切力（接头所受的切力（N）；）；L 焊缝长度（焊缝长度（mm）；）；1 接头中较薄板的厚度（接头中较薄板的厚度（mm）；）； 接头焊缝中所承受的切应力（接头焊缝中所承受的切应力（MPa）；）；焊缝许用切应力（焊缝许用切应力（MPa）；）；例题 例2 两块板厚为10mm的钢板对接，焊缝受29300N的切力，材料为Q235A钢，试设计焊缝的长度（钢板宽度）。 解 由公式(3)可得 由已知条件知Q=29300N，=10mm；由表2-

18、3中查得98MPa，代入上式得mmMPaNL9 .29981029300 1QL 取L=32mm, 即当焊缝长度为32mm时,强度满足要求. 4 . 1KLF例题 例例4 将将100mm 100mm 10mm的角钢用角焊的角钢用角焊缝搭接在一块钢板上，见图缝搭接在一块钢板上，见图2-26。受拉伸时要。受拉伸时要求与角钢等强度，试计算接头的合理尺寸求与角钢等强度，试计算接头的合理尺寸K和和L应该是多少？应该是多少？ 解答 解 从材料手册查得角钢断面面积A=19.2cm2；许用拉应力t 160MPa160N/mm2，焊缝许用切应力=100MPa100N/mm2 角钢的允许载荷F=At =19200mm160 N/mm2=307200N。 假定接头上各段焊缝中切应力都达到焊缝许用切应力值，即。若取K10m