焊接接頭及靜載強(qiáng)度計算

關(guān)于焊接接頭及靜載強(qiáng)度計算第一節(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第2頁,共49頁，2024年2月25日，星期天一、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)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第3頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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)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。第4頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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)力集中角變形錯邊錯邊應(yīng)力集中第5頁,共49頁，2024年2月25日，星期天二、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。第6頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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。第7頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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。第8頁,共49頁，2024年2月25日，星期天對接焊縫的典型坡口形式第9頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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。第10頁,共49頁，2024年2月25日，星期天角焊縫截面形狀及其計算斷面KKaKKaKKaKKa第11頁,共49頁，2024年2月25日，星期天三、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。FF

對接接頭斜縫對接接頭第12頁,共49頁，2024年2月25日，星期天搭接接頭兩板件部分重疊起來進(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。第13頁,共49頁，2024年2月25日，星期天開槽焊搭接接頭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(yīng)比搭接長度稍短一些。2δ第14頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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。FF第15頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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?yàn)檫@種接頭的根部有很深的缺口，其承載能力低。第16頁,共49頁，2024年2月25日，星期天T形接頭的承載能力FyFxMFyFzFxM第17頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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18頁,共49頁，2024年2月25日，星期天第二節(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)力分布第19頁,共49頁，2024年2月25日，星期天應(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。第20頁,共49頁，2024年2月25日，星期天二、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)適當(dāng)控制余高。第21頁,共49頁，2024年2月25日，星期天對接接頭的應(yīng)力集中第22頁,共49頁，2024年2月25日，星期天余高對應(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。第23頁,共49頁，2024年2月25日，星期天余高與過渡半徑與KT的關(guān)系第24頁,共49頁，2024年2月25日，星期天正面搭接角焊縫的應(yīng)力分布第25頁,共49頁，2024年2月25日，星期天側(cè)面角焊縫的工作應(yīng)力分布第26頁,共49頁，2024年2月25日，星期天聯(lián)合角焊縫的應(yīng)力分布第27頁,共49頁，2024年2月25日，星期天加蓋板的應(yīng)力集中第28頁,共49頁，2024年2月25日，星期天側(cè)面搭接接頭的工作應(yīng)力均勻化第29頁,共49頁，2024年2月25日，星期天第三節(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(diǎn)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)力第30頁,共49頁，2024年2月25日，星期天一.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)系焊縫的強(qiáng)度,只需計算工作焊縫的強(qiáng)度.第31頁,共49頁，2024年2月25日，星期天工作焊縫和聯(lián)系焊縫第32頁,共49頁，2024年2月25日，星期天焊接接頭的設(shè)計要點(diǎn)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(yàn).一般不考慮殘余應(yīng)力對接頭強(qiáng)度的影響.第33頁,共49頁，2024年2月25日，星期天二.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):第34頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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)K>8mm時,可取p=3mm.第35頁,共49頁，2024年2月25日，星期天三.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.第36頁,共49頁，2024年2月25日，星期天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(shí)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)度計算時第37頁,共49頁，2024年2月25日，星期天對接接頭受力情況Fs為切力M1為平面內(nèi)彎矩M2為垂直平面的彎矩第38頁,共49頁，2024年2月25日，星期天(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）；第39頁,共49頁，2024年2月25日，星期天例題例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]＝142MPa，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。

第40頁,共49頁，2024年2月25日，星期天(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）；第41頁,共49頁，2024年2月25日，星期天例題例2兩塊板厚為10mm的鋼板對接，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.第42頁,共49頁，2024年2月25日，星期天正面搭接受拉或壓第43頁,共49頁，2024年2月25日，星期天側(cè)面搭接受拉或壓第44頁,共49頁，2024年2月25日，星期天聯(lián)合搭接受拉或壓第45頁,共49頁，2024年2月25日，星期天例題例