焊接工程學(xué)(第七章)

第七章焊接應(yīng)力變形與接頭強(qiáng)度一、內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部變形

第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程內(nèi)應(yīng)力是在沒(méi)有外力的條件下產(chǎn)生并平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力◎內(nèi)應(yīng)力在物體內(nèi)部構(gòu)成平衡，即內(nèi)力與內(nèi)力矩之和為零◎內(nèi)應(yīng)力不同于外載條件下產(chǎn)生的應(yīng)力◎不論是自由狀態(tài)下的焊接，還是拘束條件下（通過(guò)夾具緊固）的焊接，一般均有內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)

第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程1、內(nèi)應(yīng)力原因分析圖1內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的金屬框架模型只給右圖金屬框架的中心桿件加熱，兩邊的桿件溫度保持不變，中心桿件由于溫度升高而伸長(zhǎng)，由于其受到兩邊桿件的約束不能自由伸長(zhǎng)，中心桿件將受到壓力作用而產(chǎn)生壓應(yīng)力，兩邊桿件將受到中心桿件的拉應(yīng)力2、內(nèi)應(yīng)力的分類第一類內(nèi)應(yīng)力——宏觀內(nèi)應(yīng)力，與物體尺寸大小相當(dāng)，分布范圍較大第三類內(nèi)應(yīng)力——超微觀內(nèi)應(yīng)力，在金屬晶格的超微觀范圍內(nèi)平衡第二類內(nèi)應(yīng)力——微觀內(nèi)應(yīng)力，其范圍在一個(gè)或幾個(gè)晶粒的微觀區(qū)域內(nèi)平衡根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的存在方式，分為瞬時(shí)內(nèi)應(yīng)力和殘余內(nèi)應(yīng)力第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程3、內(nèi)部變形①自由變形：物體在某些因素（如溫度影響）作用下，無(wú)任何外界阻礙而自由進(jìn)行的變形。

△LT=a·L0(T1-T0)單位長(zhǎng)度上的自由變形，即自由變形率，用εT表示：εT=△LT/L0=a(T1-T0)=a△Ta、L0、T0、T1分別表示材料的熱膨脹系數(shù)、桿件的原始長(zhǎng)度、原始溫度及加熱后溫度圖2自由變形第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程②外觀變形：當(dāng)物體的自由變形受到外界阻礙時(shí)只能部分表現(xiàn)出來(lái)的變形部分，即△Le。單位長(zhǎng)度上的外觀變形，即為外觀變形率，用εe表示：εe

=△Le/L0③內(nèi)部變形：物體自由變形受到外界阻礙而沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)的變形部分，即△L。單位長(zhǎng)度上的內(nèi)部變形，即內(nèi)部變形率，用ε表示：ε=△L/L0圖3外觀變形和內(nèi)部變形第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程④自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形之間的關(guān)系一般而言，當(dāng)材料拉伸時(shí)，其變形為正值；當(dāng)受到壓縮時(shí)，其變形量為負(fù)值。△L=-(△LT—△Le)=△Le—△LT；

ε=εe—εT在彈性范圍內(nèi)，內(nèi)應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)變滿足虎克定律：σ=E·ε=E·(εe—εT)圖4自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形的關(guān)系第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程二、熱循環(huán)中應(yīng)力與應(yīng)變的演變過(guò)程假設(shè)受拘束的金屬桿件為低碳鋼棒，其長(zhǎng)度為單位長(zhǎng)度，并固定在絕緣的剛性壁之間，對(duì)其進(jìn)行均勻加熱然后均勻冷卻至原始溫度，完成熱循環(huán)過(guò)程。假定熱循環(huán)過(guò)程中低碳鋼的熱膨脹系數(shù)為常數(shù)，其屈服應(yīng)變?cè)?00℃以下為常數(shù)，現(xiàn)分析當(dāng)桿件的內(nèi)部應(yīng)變小于屈服應(yīng)變時(shí)（ε＜εs），應(yīng)力和應(yīng)變的演變過(guò)程第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程由于金屬鋼棒在整個(gè)熱循環(huán)過(guò)程中被固定，故其外觀變形量εe=0；內(nèi)部變形量ε=εe—εT0—t1：隨溫度升高，壓縮的內(nèi)部變形量增加，壓應(yīng)力上升t1：溫度至最大值，內(nèi)部變形和壓應(yīng)力也為最大t1—t2：溫度逐漸降低，內(nèi)部變形及壓應(yīng)力減小t2：溫度降至原始值，內(nèi)部變形及壓應(yīng)力減至零圖5受拘束碳鋼棒熱循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)力與變形第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程經(jīng)過(guò)以上的熱循環(huán)過(guò)程后，在低碳鋼金屬棒內(nèi)沒(méi)有殘余應(yīng)力和殘余變形，應(yīng)力和變形的大小隨時(shí)間而變化，且變化是瞬時(shí)性的第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程三、焊接過(guò)程中應(yīng)力和變形的形成1、焊接熱過(guò)程的特點(diǎn)①加熱的局部性——熱源僅作用在焊件的接頭部位，焊件上的溫度分布很不均勻，溫差很大②熱源的移動(dòng)性——焊接過(guò)程中熱源沿一定方向移動(dòng)，在焊件上形成一種準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)③加熱速度和冷卻速度快——可在短時(shí)間內(nèi)升至很高溫度并降至很低溫度，如加熱速度可至1500℃/s以上第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程圖6低碳鋼力學(xué)性能與溫度的關(guān)系1-彈性模量E；2-抗拉強(qiáng)度點(diǎn)σb；3-屈服點(diǎn)σs；4-膨脹系數(shù)α；5-伸長(zhǎng)率δ焊接過(guò)程中應(yīng)力和變形的過(guò)程十分復(fù)雜，比一般的熱處理過(guò)程要復(fù)雜得多第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程2、焊接條件下應(yīng)力和變形的分布右圖為沿低碳鋼板條長(zhǎng)度方向焊一縱向焊縫，焊后溫度升高造成的膨脹使端面從A′A平移至A1A1′，則A′A1為外觀變形εe

。在D′D區(qū)域內(nèi)溫度超過(guò)熱塑性溫度600℃，可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)σs=0，不產(chǎn)生應(yīng)力圖7低碳鋼長(zhǎng)板條中心焊接的溫度及應(yīng)力分布第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程DC和D′C′區(qū)域的溫度從600℃的熱塑性溫度降至500℃的屈服應(yīng)變溫度，屈服應(yīng)變?chǔ)舠從零上升到室溫時(shí)的數(shù)值。這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力大小是隨屈服應(yīng)變?chǔ)舠的增加而增加。在CB和C′B′區(qū)域內(nèi)(εe-εT)＞εs，故內(nèi)應(yīng)變?yōu)槭覝貢r(shí)的εs并保持不變。AB和A′B′區(qū)域內(nèi)金屬完全處于彈性狀態(tài)，其內(nèi)應(yīng)力正比于內(nèi)部應(yīng)變值圖7低碳鋼長(zhǎng)板條中心焊接的溫度及應(yīng)力分布第一節(jié)焊接應(yīng)力和變形的形成過(guò)程第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力是焊接后殘留在焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力。薄板時(shí)視為二維分布，厚板時(shí)則為三維分布一般而言，將平行于焊縫方向的應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力，σx；將垂直于焊縫方向的應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力，σy；厚度方向的殘余應(yīng)力用σz表示一、焊接殘余應(yīng)力的分布1、縱向殘余應(yīng)力σx焊縫附近的縱向殘余應(yīng)力σx為拉應(yīng)力。離開(kāi)焊縫區(qū)，拉應(yīng)力迅速下降，隨后出現(xiàn)壓應(yīng)力圖8垂直焊縫截面的縱向殘余應(yīng)力σx第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力焊縫中縱向殘余應(yīng)力σx的分布并不完全相同，且與焊縫長(zhǎng)度有關(guān)。長(zhǎng)焊縫的中部區(qū)域σx基本保持一穩(wěn)定的常數(shù)，在焊縫的兩端σx逐漸降為零；隨焊縫長(zhǎng)度的縮小，焊縫中部的σx穩(wěn)定區(qū)域逐漸減小直至消失；且短焊縫比長(zhǎng)焊縫的σx應(yīng)力峰值小。若長(zhǎng)焊縫進(jìn)行分段焊接，可減少焊件的σx圖9不同長(zhǎng)度焊縫的縱向殘余應(yīng)力σx第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力2、橫向殘余應(yīng)力σy橫向殘余應(yīng)力σy由兩部分組成：焊縫及附近塑性區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力σy′以及焊縫及附近塑性區(qū)的橫向收縮不同時(shí)引起的橫向殘余應(yīng)力σy″①縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力σy′：沿焊縫方向截面上的上、下端部為壓應(yīng)力，中部為拉應(yīng)力圖10縱向應(yīng)力σx引起的橫向應(yīng)力σy′第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力在與焊縫距離不同的截面上，σy′的分布不同：離焊縫越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越?。划?dāng)焊縫長(zhǎng)寬比（L/B）增加時(shí)，σy′將隨之增加。但當(dāng)焊縫足夠長(zhǎng)時(shí)，中部區(qū)域的σy′將逐漸減小，甚至趨于零圖11不同長(zhǎng)度焊縫的σy′分布第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力②橫向收縮不同時(shí)引起的橫向殘余應(yīng)力σy″：焊接過(guò)程中由于焊接熱源對(duì)材料的加熱存在時(shí)間上的先后順序，因此其冷卻不完全同步，這種冷卻時(shí)的不同時(shí)性將引起材料的橫向殘余應(yīng)力σy″圖12焊縫橫向收縮不同時(shí)引起的橫向應(yīng)力σy″第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力當(dāng)焊接構(gòu)件的厚度超過(guò)25mm時(shí)，除了有縱向殘余應(yīng)力σx和橫向殘余應(yīng)力σy外，在厚度方向還有殘余應(yīng)力σz下圖為碳鋼焊接后焊接接頭在厚度方向上的應(yīng)力分布。由于焊縫正面和背面均有水冷銅塊，故凝固過(guò)程中，中心部位冷卻最慢，中心部位就有較高的拉應(yīng)力3、厚板中的殘余應(yīng)力σz圖13低碳鋼焊接接頭的應(yīng)力分布σz第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力右圖為低碳鋼板材中的殘余應(yīng)力分布，中間為殘余拉應(yīng)力，兩側(cè)為壓應(yīng)力。在外力的作用下，構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)是殘余應(yīng)力和外力共同作用的結(jié)果

二、焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)性能的影響1、殘余應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響圖14殘余應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的影響第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力構(gòu)件在外加拉力的作用下，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域?qū)⑴c外加拉力疊加而使拉力增大，直至屈服產(chǎn)生塑性變形；殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力的區(qū)域與外加拉力疊加后，壓應(yīng)力逐漸變小并轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。如果材料的塑性足夠好，使其全面屈服而不破壞，則殘余應(yīng)力的存在并不影響靜載強(qiáng)度第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力如果構(gòu)件是塑性較低的材料，在外加拉力的作用下，應(yīng)力峰值高的部位在發(fā)生塑性變形后應(yīng)力繼續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到材料的最大抗拉強(qiáng)度后，構(gòu)件就會(huì)發(fā)生破壞。此時(shí)，殘余應(yīng)力的存在會(huì)影響其靜載強(qiáng)度圖15殘余應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的影響第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力2、殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)加工精度的影響在機(jī)械加工時(shí)，如果構(gòu)件被切削部分的材料中有殘余應(yīng)力存在，機(jī)械加工后構(gòu)件中殘余應(yīng)力的平衡狀態(tài)將被破壞，殘余應(yīng)力將重新分布，并達(dá)到新的平衡。如，對(duì)T型焊件進(jìn)行平面加工后，工件將會(huì)出現(xiàn)翹曲變形；若在加工過(guò)程中用夾具將其夾緊，使之不發(fā)生變形，但松開(kāi)夾具后，變形就會(huì)逐漸表現(xiàn)出來(lái)

對(duì)一些精度要求較高的構(gòu)件，保證加工精度最好的辦法是先消除焊接應(yīng)力，再進(jìn)行加工第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力對(duì)于某些細(xì)長(zhǎng)的構(gòu)件（如豎立的柱），當(dāng)其長(zhǎng)細(xì)比達(dá)到一定程度時(shí)（λ＞150），外載引起的壓應(yīng)力與構(gòu)件中的殘余壓應(yīng)力疊加，使該區(qū)域的應(yīng)力值達(dá)到屈服點(diǎn)以后時(shí)，可能會(huì)使構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象3、殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定性的影響圖16工字梁焊接后受壓時(shí)的應(yīng)力分析第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力4、焊接殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響焊件在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，如低碳鋼在NaOH溶液中的腐蝕應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因和步驟：①在腐蝕介質(zhì)中，構(gòu)件表面出現(xiàn)的局部腐蝕將形成微小蝕坑造成應(yīng)力集中，并產(chǎn)生微小裂紋②在腐蝕介質(zhì)的作用下，裂紋尖端將被不斷腐蝕，并在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生新的表面③新表面又將被腐蝕介質(zhì)腐蝕掉，并使裂紋擴(kuò)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界值時(shí)，在應(yīng)力的作用下裂紋將快速擴(kuò)展造成脆斷第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的時(shí)間與應(yīng)力大小有關(guān)。應(yīng)力越大，發(fā)生斷裂的時(shí)間越短圖17不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂○—Cr18Ni9Ti△—Cr25Ni20第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力三、焊接殘余應(yīng)力的控制和消除措施1、焊接殘余應(yīng)力的控制①采用合理的焊接順序——先焊收縮量大和工作應(yīng)力大的焊縫圖18焊接過(guò)程中焊接順序的選擇第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力②采用局部加熱法——通過(guò)局部加熱既減少溫度梯度降低內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)局部加熱產(chǎn)生的膨脹使焊接區(qū)產(chǎn)生與焊縫收縮時(shí)相反的變形，冷卻時(shí)加熱區(qū)的收縮和焊縫收縮一致，通過(guò)焊縫自由收縮降低內(nèi)應(yīng)力圖19通過(guò)局部加熱降低內(nèi)應(yīng)力第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力2、焊接后消除應(yīng)力的措施①機(jī)械拉伸法——通過(guò)施加外載對(duì)焊件進(jìn)行拉伸，焊件的拉應(yīng)力區(qū)在外力的作用下總體拉力變大，甚至產(chǎn)生塑性變形；構(gòu)件的壓應(yīng)力區(qū)將與外載的拉力相互抵消，甚至壓應(yīng)力完全消除圖20通過(guò)加載降低內(nèi)應(yīng)力第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力②焊后熱處理——焊后熱處理是將焊接構(gòu)件整體或局部加熱到某一溫度，并保持一定時(shí)間，然后使其均勻冷卻到室溫，從而降低或消除應(yīng)力的方法A、局部高溫回火——在焊縫周圍的局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加熱。該方法可改善焊接接頭的力學(xué)性能，降低應(yīng)力的峰值，但不能完全消除應(yīng)力第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力沖擊斷口剪切唇B、整體高溫回火——將整個(gè)焊接構(gòu)件在高溫下進(jìn)行回火。一般而言，回火溫度越高，回火時(shí)間越長(zhǎng)，應(yīng)力消除就越徹底圖21消除應(yīng)力與高溫回火溫度和時(shí)間的關(guān)系第二節(jié)焊接殘余應(yīng)力焊接殘余變形是焊接熱循環(huán)過(guò)程中的壓縮塑性變形導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)縮短的現(xiàn)象一、焊接殘余變形的基本形式焊接構(gòu)件的收縮主要是由沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向收縮和垂直于長(zhǎng)度方向的橫向收縮綜合作用形成第三節(jié)殘余應(yīng)力變形焊接殘余變形的部分實(shí)例圖22沿焊縫縱向和橫向的收縮變形第三節(jié)殘余應(yīng)力變形圖23翹曲變形第三節(jié)殘余應(yīng)力變形圖25薄板焊件承受外力后的波浪變形圖24焊件平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角變形第三節(jié)殘余應(yīng)力變形圖26兩焊件的熱膨脹不一致出現(xiàn)的錯(cuò)邊第三節(jié)殘余應(yīng)力變形圖27焊接后發(fā)生扭曲變形第三節(jié)殘余應(yīng)力變形二、焊接殘余變形的計(jì)算1、縱向收縮變形對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的鋼質(zhì)焊件（如梁、柱），單層焊時(shí)其縱向收縮率可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：△L=k1·AH·L/AA——焊縫截面積（mm2）AH——塑性變形區(qū)面積（mm2）L——構(gòu)件長(zhǎng)度（mm）第三節(jié)殘余應(yīng)力變形2、橫向收縮變形

對(duì)于對(duì)接接頭，其橫向收縮量可用如下的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：△B=0.18·AH/δ△B——對(duì)接接頭的橫向收縮量（mm）AH——焊縫截面積（mm2）δ——板厚（mm）第三節(jié)殘余應(yīng)力變形三、焊接殘余變形的控制與矯正1、控制焊接變形的措施①設(shè)計(jì)措施A、合理選擇焊件尺寸——焊件的長(zhǎng)度、寬度和高度對(duì)焊接變形有明顯影響。如，當(dāng)鋼件和鋁件的厚度分別為9mm和7mm時(shí)，角變形最大；細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件焊接時(shí)易產(chǎn)生彎曲變形；薄板焊接時(shí)易出現(xiàn)波浪變形，故對(duì)焊件的尺寸參數(shù)應(yīng)精心設(shè)計(jì)第三節(jié)殘余應(yīng)力變形B、合理選擇焊縫尺寸和坡口形式——一般而言，焊縫尺寸越大，填充金屬就越多，焊接變形就越大，因此，應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)承載能力的情況下，盡量采用較小的焊縫尺寸；但是，若焊縫尺寸過(guò)小，冷卻速度就會(huì)很大，又容易產(chǎn)生焊接缺陷如焊接裂紋、熱影響區(qū)硬度過(guò)高等合理設(shè)計(jì)坡口也可控制焊接變形。如：雙Y型坡口對(duì)接接頭的角變形明顯比V型坡口的??；對(duì)于受力較大的丁字接頭和十字接頭，開(kāi)坡口的焊縫比不開(kāi)坡口的角焊縫更能有效地減少焊接變形第三節(jié)殘余應(yīng)力變形C、合理進(jìn)行焊接安排——焊接規(guī)劃時(shí)，應(yīng)盡量減少不必要的焊縫，減少焊縫數(shù)量就可減少焊接變形量應(yīng)力求使焊縫位置對(duì)稱于焊接結(jié)構(gòu)的中性軸，或接近中性軸。當(dāng)焊縫對(duì)稱于中性軸時(shí)，有可能使焊縫引起的彎曲變形相互抵消；當(dāng)焊縫接近中性軸時(shí)，可以減少由焊縫收縮引起的彎曲力矩，使彎曲變形減少第三節(jié)殘余應(yīng)力變形②工藝措施圖28減少焊接變形的反變形法A、反變形法——焊接前通過(guò)估算構(gòu)件在焊接后出現(xiàn)變形的大小和方向，在裝配時(shí)給予一相反的變形量，使之與焊后構(gòu)件的焊接變形量相抵消，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求第三節(jié)殘余應(yīng)力變形B、剛性固定方法——焊前將焊件固定再進(jìn)行焊接。此法可在一定程度上減小焊接變形量，尤其適用于防止角變形和波浪變形的焊件圖29剛性固定法焊接法蘭盤第三節(jié)殘余應(yīng)力變形C、合理選擇焊接規(guī)范——選擇熱輸入較小的焊接法，可有效防止焊接變形。也可采用水冷或銅冷卻塊的方法限制和縮小焊接熱場(chǎng)的分布，減少焊接變形第三節(jié)殘余應(yīng)力變形

2、矯正焊接變形的方法①、機(jī)械矯正法——利用外力使構(gòu)件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，使之相互抵消。在薄板結(jié)構(gòu)中，若焊縫為比較規(guī)則的直焊縫或圓焊縫，可用圓盤形輥輪碾壓焊縫及兩側(cè)，使之伸長(zhǎng)來(lái)消除焊接殘余變形。該法尤其適用于塑性較好的材料，其效率高，質(zhì)量好對(duì)于不太厚的板材，可用錘擊法來(lái)延展焊縫及周圍壓縮塑性變形區(qū)域，以消除焊接變形。該法簡(jiǎn)單，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，錘擊力不易控制第三節(jié)殘余應(yīng)力變形②火焰加熱矯正法——利用火焰局部加熱時(shí)產(chǎn)生的壓縮塑性變形，使焊件在冷卻后產(chǎn)生收縮，以矯正焊件的變形第三節(jié)殘余應(yīng)力變形第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論一、焊接接頭的概念及特點(diǎn)焊接接頭是由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)及鄰近母材組成的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能不均勻的焊接體。其特點(diǎn)為：幾何形狀不連續(xù)；化學(xué)成分不連續(xù)；金相組織不連續(xù)；力學(xué)性能不連續(xù)第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論圖30焊接接頭的構(gòu)成1-焊縫金屬；2-熔合線；3-熱影響區(qū)；4-母材二、焊縫及焊縫接頭的基本形式1、焊縫的基本形式——對(duì)接焊縫和角焊縫①對(duì)接焊縫：對(duì)接接頭實(shí)施的焊縫，是沿焊件的厚度方向進(jìn)行連接，其力學(xué)性能較好第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論圖31角焊縫截面形狀及計(jì)算截面②角焊縫：沿焊件的兩個(gè)表面進(jìn)行的截面為三角形的連接。一般用三角形的腰長(zhǎng)，即焊角尺寸K表示角焊縫的大小，斜邊上的高a所在的截面為計(jì)算截面第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論2、焊接接頭的基本形式A、對(duì)接接頭——根據(jù)焊件的厚度，可分為卷邊對(duì)接、平對(duì)接和坡口對(duì)接等圖32對(duì)接接頭的形式第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論B、搭接接頭——用（角）焊縫將兩個(gè)工件相互重疊連接而成的接頭圖33搭接接頭的形式a-直焊搭接；b-鉆孔塞焊；c-電阻點(diǎn)焊；d-開(kāi)槽塞焊第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論C、T型接頭——亦稱十字接頭，是將相互垂直的工件用（角）焊縫連接起來(lái)的接頭圖34T型接頭的基本形式第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論D、角接接頭——a-角接頭最簡(jiǎn)單，但承載能力差；b-雙面角焊縫，承載能力增強(qiáng)；c、d-開(kāi)坡口后易焊透，使用強(qiáng)度提高；e、f-簡(jiǎn)單實(shí)用的接頭；g-有最準(zhǔn)確直角的接頭；h-不易施焊的不合理接頭圖35角接頭的基本形式第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論三、焊接接頭工作應(yīng)力分布特點(diǎn)在焊接接頭中，工作應(yīng)力的分布是不均勻的，存在著局部應(yīng)力峰值（σmax）比平均應(yīng)力（σm）高的現(xiàn)象，稱為應(yīng)力集中應(yīng)力集中系數(shù)為：KT=σmax/σm應(yīng)力集中主要是由焊縫中的工藝缺陷如氣孔、夾雜、裂紋引起。其中，裂紋和未焊透引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論1、對(duì)接接頭的工作應(yīng)力分布對(duì)接接頭的工作應(yīng)力分布比較均勻，其應(yīng)力主要集中在焊縫的加厚高及焊縫與母材的過(guò)渡區(qū)對(duì)于承受沖擊載荷的構(gòu)件，應(yīng)將加厚高用砂輪等工具打磨掉，以降低應(yīng)力集中系數(shù)四、焊接接頭的工作應(yīng)力分布第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論圖36電弧焊對(duì)接接頭的應(yīng)力分布第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論2、搭接接頭的工作應(yīng)力分布根據(jù)搭接接頭中角焊縫的受力方向可分為：正面角焊縫——與受力方向垂直的角焊縫側(cè)面角焊縫——與受力方向平行的角焊縫斜向角焊縫——與受力方向成一定角度的角焊縫圖37電弧焊搭接接頭的角焊縫第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論A、正面角焊縫——應(yīng)力主要集中在角焊縫的根部（A）和焊趾（B）。其中，焊趾部位的應(yīng)力集中系數(shù)隨角焊縫的斜邊與直角邊的夾角而變化。當(dāng)夾角θ減小和增大根部的焊透性時(shí)，可以大大降低應(yīng)力集中系數(shù)圖38電弧焊正面搭接角焊縫的應(yīng)力分布第四節(jié)焊接接頭強(qiáng)度基本理論由于搭接接頭的正面角焊縫常常不在板的中心，此時(shí)角焊縫將會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。為減少?gòu)澢鷳?yīng)力，防止較大的變形，兩條角焊縫之間的距離應(yīng)大于板厚的4倍，即l≥4δ圖39電弧焊