焊接強(qiáng)度計(jì)算知識

焊接強(qiáng)度計(jì)算知識各種焊接接頭都有不同程度的應(yīng)力集中，當(dāng)母材具有足夠的塑性時(shí)，結(jié)構(gòu)在靜開車破壞之前就有顯著的塑性變形，應(yīng)力集中對其強(qiáng)度無影響。例如，側(cè)面搭接接頭在加載時(shí)，如果母材和焊縫金屬都有較好的塑性，其切應(yīng)力的分布是不均勻的，見圖29。繼續(xù)加載，焊縫的兩端點(diǎn)達(dá)到屈服點(diǎn)σs，則該處應(yīng)力停止上升，而焊縫中段各點(diǎn)的應(yīng)力因尚未達(dá)到σs，故應(yīng)力隨加載繼續(xù)上升，到達(dá)屈服點(diǎn)的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，應(yīng)力分布曲線變平，最后各點(diǎn)都達(dá)到σs。如再加載，直至使焊縫全長同時(shí)達(dá)到強(qiáng)度極限，最后導(dǎo)致破壞。36

什么是工作焊縫？什么是聯(lián)系焊縫？焊接結(jié)構(gòu)上的焊縫，根據(jù)其載荷的傳遞情況，可分為兩種：一種焊縫與被連接的元件是串聯(lián)的，承擔(dān)著傳遞全部載荷的作用，一旦斷裂，結(jié)構(gòu)就立即失效，這種焊縫稱為工作焊縫，見圖30a、圖30b，其應(yīng)力稱為工作應(yīng)力。另一種焊縫與被連接的元件是并聯(lián)的，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，這種焊縫稱為聯(lián)系焊縫，見圖30c、圖30d，其應(yīng)力稱為聯(lián)系應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)，不需計(jì)算聯(lián)系焊縫的強(qiáng)度，只計(jì)算工作焊縫的強(qiáng)度。37

舉例說明對接接頭愛拉（壓）時(shí)的靜載強(qiáng)度計(jì)算。全焊透對接接頭的各種受力情況

見圖31。圖中F為接頭所受的拉（壓）力，Q為切力，M1為平面內(nèi)彎矩，M2為垂平面彎矩。受拉時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算公式為

F

σt＝───

≤〔σ′t

〕

Lδ1

F受壓時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算公式為

σα＝───

≤〔σ′α〕

Lδ1

式中

F——接頭所受的拉力或壓力（N）；

L——焊縫長度（cm）；

δ1——接頭中較薄板的厚度（cm）；

6M2σ=

────

≤〔σ′t〕δ12L

式中

M1——水平板面內(nèi)彎矩（N/cm2）；

M2——垂直板面彎矩（N/cm2）；

L——焊縫長度（cm）；

δ1——接頭中較薄板的厚度（cm）；σ——接頭受彎矩作用時(shí)焊縫中所承受的應(yīng)力（N/cm2）；〔σ′t〕——焊縫受彎時(shí)的許用應(yīng)力（N/cm2）。計(jì)算例題

兩塊厚度相同鋼板的對接接頭，材料為16MnR鋼，鋼板寬度為30mm，受垂直板面彎矩300000N·cm，試計(jì)算焊縫所需的厚度（板厚）。解：查表得〔σ′t〕=20100N/cm2。根據(jù)已知條件，在上述公式中，M2=300000N·cm，L=300mm=30cm，代入計(jì)算為

取δ1=18mm，即當(dāng)焊縫厚度(板厚)為18mm時(shí)，該對接接頭焊縫強(qiáng)度能滿足要求。40

舉例說明搭接接頭受拉（壓）時(shí)的靜載強(qiáng)度計(jì)算。各種搭接接頭的受力情況，見圖32。三種焊縫的計(jì)算公式為⑴正面搭接焊縫受拉（壓）的計(jì)算公式為

Fτ=

────

≤〔τ′〕1.4KL

⑵側(cè)面搭接焊縫受拉(壓)的計(jì)算公式為

Fτ=

────

≤〔τ′〕1.4KL

⑶聯(lián)合搭接焊縫受拉(壓)的計(jì)算公式為

Fτ=

────

≤〔τ′〕0.7KΣL

式中

F——搭接接頭受的拉（壓）力（N）；

K——焊腳尺寸（cm）；

L——焊縫長度（cm）；

ΣL——正、側(cè)面焊縫總長（cm）；

τ——搭接接頭角焊縫受的切應(yīng)力（N/cm2）；

〔τ′〕——焊縫金屬許用切應(yīng)力（N/cm2）；

計(jì)算例題

將100mm×10mm的角鋼用角焊縫搭接在一塊鋼板上見圖33。受拉伸時(shí)要求與角鋼等強(qiáng)度，試計(jì)算接頭的合理尺寸K和L應(yīng)該是多少？解：從材料手冊查得角鋼斷面積S＝19.2cm2；許用應(yīng)力〔σ〕＝16000N/cm2，焊縫許用應(yīng)力〔τ′〕＝10000N/cm2。角鋼的允許載荷為〔F〕＝S〔σ〕＝19.2×16000＝307200N假定接頭上各段焊縫中的切應(yīng)力都達(dá)到焊縫許用切應(yīng)力值，即て＝〔τ′〕。若取K＝10mm，采用手弧焊，則所需的焊縫總長為

〔F〕

307200

ΣL＝───────＝─────────

＝43.9cm0.7K〔て′〕

0.7×1×10000

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＝28.2mm，按杠桿原理，則側(cè)面角焊縫L2應(yīng)承受全部側(cè)面角焊縫載荷的28.3%。

28.3

∴

L2＝339×───＝96mm

100

另外一側(cè)的側(cè)面角焊縫長度L1應(yīng)該為

100-28.3

L1＝339×──────＝243mm

100

取L1＝250mm，L2＝100mm。41

舉例說明搭接接頭受彎矩時(shí)的靜載強(qiáng)度計(jì)算。搭接接頭受彎矩的情況，見圖34a。計(jì)算公式為式中

M——作用在接頭上的外加彎矩（N/cm2）；

K——焊腳尺寸（cm）；

H——搭接板寬度（cm）；

〔τ′〕——焊腳的許用切應(yīng)力（N/cm2））。計(jì)算例題

由三面焊縫組成的懸臂搭接接頭（圖34），當(dāng)焊縫總長為500mm，K＝10mm時(shí)，在梁的端頭作用一彎矩M＝2800000N·cm，試驗(yàn)計(jì)算接頭是否安全？已知焊縫作用切應(yīng)力〔τ′〕＝10000N/cm2。

42

舉例說明搭接接頭受偏心載荷時(shí)的靜載強(qiáng)度計(jì)算。如果搭接接頭承受的載荷是垂直X軸方向的偏心載荷F見圖35，此時(shí)焊縫中既有由彎矩M＝FL引起的切應(yīng)力τM(由來1公式計(jì)算),又是有由切力Q＝F引起的切應(yīng)力τQ為計(jì)算例題

一偏心受載的搭接接頭（圖35），已知焊縫長h＝400mm，l0＝100mm，焊腳尺寸K＝10mm，外加載荷F＝30000N，梁長L＝100cm，試校核焊縫強(qiáng)度。焊縫的許用切應(yīng)力〔τ′〕＝10000N/cm2。解：分別計(jì)算τM、τQ：43

舉例說明T形接頭受平行于焊縫載荷時(shí)的靜載強(qiáng)度計(jì)算。接頭及其受載荷的情況，見圖36a。如果接頭開坡口并焊透，其強(qiáng)度按對接接頭計(jì)算，焊縫金屬截面等于母材截面（S＝δh）。如果接頭開I形坡口，此時(shí)產(chǎn)生最大切應(yīng)力的危險(xiǎn)點(diǎn)在焊縫的最上端，該點(diǎn)同時(shí)作用有兩個(gè)切應(yīng)力：一個(gè)是由M＝FL引起的τM；另一個(gè)是由Q＝F引起的τQ。τM、τQ的44

什么是焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂？疲勞斷裂的過程由三個(gè)階段所組成：1）在承受重復(fù)載荷的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋（此時(shí)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力低于彈性極限）。2）疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展。3）結(jié)構(gòu)斷裂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90%。焊接結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)（如鉚接結(jié)構(gòu)）更容易產(chǎn)生疲勞斷裂，這是因?yàn)椋?）鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋發(fā)展遇到釘孔或板層間隔會受阻，焊接結(jié)構(gòu)由于其整體性，一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展不受阻止，直至整個(gè)構(gòu)件斷裂。2）焊接連接不可避免地存在著產(chǎn)生應(yīng)力集中的夾渣、氣孔、咬邊等缺陷。3）焊縫區(qū)存在著很大的殘余拉應(yīng)力。幾個(gè)典型的焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事例見圖37。

圖37a為直升飛機(jī)起落架的疲勞斷裂。裂紋從應(yīng)力集中很高的角接板尖端開始，該機(jī)飛行著陸2118交后發(fā)生破壞，屬于低周疲勞。圖37b為載重汽車底架縱梁的疲勞斷裂。該梁板厚5mm，承受反復(fù)的彎曲應(yīng)力，在角鋼和縱梁的焊接處，因應(yīng)力集中很高而產(chǎn)生疲勞裂紋而破壞，此時(shí)該車已運(yùn)行30000km。45

試述焊接接頭形式對疲勞極限的影響。焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，將對接頭的疲勞極限產(chǎn)生程度不同的不利影響。⑴對接接頭

對接接頭從焊縫至母材的形狀變化不大，應(yīng)力集中比其它接頭要小，所以在所有的接頭形式中具有最高的疲勞極限。但是過大的余高會增加應(yīng)力集中，使疲勞極限下降。⑵T形接頭

這種接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，應(yīng)力集中系數(shù)比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此其疲勞極限遠(yuǎn)低于對接接頭。提高T形接頭疲勞極限的根本措施是開坡口焊接和加工焊縫過渡區(qū)使之圓滑過渡。⑶搭接接頭

這是一種疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的基礎(chǔ)上，增加蓋板來進(jìn)行“加強(qiáng)”，其結(jié)果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強(qiáng)”作用，反而使原來疲勞極限較高的對接接頭被大大地削弱了。46

試述焊接缺陷對疲勞極限的影響。焊接缺陷對焊接接頭的疲勞極限產(chǎn)生重大的不利影響，這種不利影響與焊接缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔、點(diǎn)狀夾渣）影響大。表面缺陷比內(nèi)部缺陷影響大。與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向大。位于殘余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余應(yīng)力區(qū)內(nèi)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的缺陷（如焊趾裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力區(qū)中同樣缺陷影響大。咬邊和未焊透在不同位置、不同載荷下對接頭疲勞極限的影響，見圖38，其中A組的影響最大，B組的影響較小。47

如何選用合理的結(jié)構(gòu)形式來提高接頭的疲勞極限？選用應(yīng)力集中較小的結(jié)構(gòu)形式是提高疲勞極限的重要措施，幾種設(shè)計(jì)方案的正誤比較，見圖3948

如何利用電弧整形的方法來提高接頭的疲勞極限？電弧整形的方法，是用鎢極氬弧在焊接接頭焊縫與母材之間的過渡區(qū)重熔一次，使焊縫與基本金屬能平滑地過渡，同時(shí)減少該部位的微小非金屬夾雜物，使接頭部位的疲勞極限得以提高，見圖40。電弧整形提高接頭疲勞極限的效果，見表10。表11

常用提高焊接接頭疲勞極限的方法方

法，技術(shù)說明，適用范圍及優(yōu)點(diǎn)，缺

點(diǎn)，改善，幾何，形狀，方法，電弧氣刨后補(bǔ)焊法，砂輪修磨法，鉆孔法，錐形砂輪磨光法，

TIG重熔法用碳弧氣刨吹掉熔化金屬后再補(bǔ)焊用100cm直徑砂輪，60～150級硅砂

孔徑一般為12～25mm

用錐形砂輪打磨焊趾磨去基材0.5mm。用30～200級硅砂輪分3次連續(xù)磨光。用TIG焊不填充焊絲重熔焊趾，能消除6mm深的缺陷。

適用于有很大的內(nèi)部缺陷

適用于對接焊縫余高，快速、容易

適用于側(cè)面節(jié)點(diǎn)板和個(gè)別有裂紋的細(xì)節(jié)

費(fèi)用低，不要求特別的設(shè)備。適用于角焊縫

這是打磨法中最有效的方法

適用于在車間制造的小機(jī)械部件和橫向焊縫

對高強(qiáng)鋼，當(dāng)裂紋起始壽命較大時(shí)，改善效果更大

費(fèi)用高，焊補(bǔ)可能產(chǎn)生新的缺陷

不能磨掉所有缺陷

僅用于穿透裂紋，延長其疲勞壽命

消耗多，耗用高，難于確保質(zhì)量

要求焊縫表面清潔，引起焊縫表面硬化殘余應(yīng)力方法射水冷卻法，點(diǎn)加熱法，多絲錘擊法，噴丸錘擊法，單點(diǎn)錘擊法，局部加壓法，初始超載法，熱應(yīng)力消除法

將焊縫加熱至500℃保持3min，然后射水使表面快速冷卻

在距焊縫一定位置加熱至280℃，引起局部屈服

用～ф2鋼絲組成束狀錘頭，對焊趾表面進(jìn)行冷作加工，壓縮空氣壓力為500～100kMa

噴鐵

或玻璃

對焊趾表面進(jìn)行冷作加工

用直徑6～12mm球形錘頭對焊趾進(jìn)行冷加工，可用電錘或氣壓錘。

在距焊縫一定位置局部加壓至屈服（2～3倍壓應(yīng)力）用拉伸法預(yù)先加載使焊縫區(qū)局部屈服在爐內(nèi)加熱至600℃，緩冷24h以上，加熱速度為每10mm板厚1h

不需知道裂紋起始位置，不需嚴(yán)格控制溫度

適用于大板

適用于中等嚴(yán)重的缺口

適用于平板和輕微缺口

適用于較嚴(yán)重的缺口，無損耗

適用于鋁合金

適用于薄板

適用于小構(gòu)件的縱向角焊縫

高溫（500℃），限制冷卻位置。不適用于大接頭和小接頭。過熱可能引起冷卻時(shí)的馬氏體變化必須知道開裂位置，對橫向焊縫無效引起較小的缺口，未建立質(zhì)量控制技術(shù)

要求有操作經(jīng)驗(yàn)，僅適于水平位置要求有操作經(jīng)驗(yàn)不適用于很大結(jié)構(gòu)大構(gòu)件常常不成功，冷卻速度慢涂裝方法,均分負(fù)載層,油漆,鍍鋅,陰極防護(hù)塑料、油漆、釬焊、逐層涂裝,易檢查適用于腐蝕環(huán)境適用于發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋和裂紋擴(kuò)展速率大于10－5mm周的嚴(yán)重腐蝕環(huán)境

表面清潔，易凝固開裂50

什么是延性斷裂？什么是脆性斷裂？根據(jù)金屬材料斷裂前塑性變形的大小，斷裂可分為延性斷裂和脆性斷裂兩種形式。⑴延性斷裂

斷裂過程是：金屬材料在載荷作用下，首先產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一數(shù)值，材料即發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形。繼續(xù)加大載荷，金屬將進(jìn)一步變形，繼而發(fā)生微裂口或微空隙，這些微裂口或微空隙一經(jīng)形成，便在隨后的加載過程中逐步匯合起來，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋發(fā)展到一定尺寸后，擴(kuò)展而導(dǎo)致最后斷裂。⑵脆性斷裂

在應(yīng)力低于材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形情況下，金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生瞬時(shí)、突然破壞的斷裂（裂紋擴(kuò)展速度可高達(dá)1500～200m/s）稱為脆性斷裂。脆性斷裂的裂口平整，與正應(yīng)力垂直，沒有可以覺察到的塑性變形，斷口有金屬光澤。51

試述應(yīng)力狀態(tài)對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響。當(dāng)物體受外載時(shí)，在主平面上作用有最大正應(yīng)力σmax（另一個(gè)與之相垂直的平面上作用有最小正應(yīng)力σmin）與主平面成45°的平面上作用有最大切應(yīng)力てmax。如果在てmax達(dá)到屈服點(diǎn)前，σmax先達(dá)到抗拉強(qiáng)度，則結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂；反之，如てmax先達(dá)到屈服點(diǎn)，則發(fā)生塑性變形及形成延性斷裂。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)材料處于單向或雙向拉應(yīng)力作用下，呈現(xiàn)塑性；在三向拉應(yīng)力作用下，呈現(xiàn)脆性。三向拉應(yīng)力可能由三向載荷產(chǎn)生，但更多的情況下是由于幾何不連續(xù)性所引起。雖然此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)處于單向、雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計(jì)不佳、工藝不當(dāng)或產(chǎn)生焊接缺陷（如裂紋），往往會出現(xiàn)形成局部三向應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)，見圖41。在三向拉應(yīng)力的作用下，材料的屈服點(diǎn)較單向應(yīng)力時(shí)提高，結(jié)果在缺口根部形成很高的局部應(yīng)力而材料尚不發(fā)生屈服，使材料的塑性下降，脆性增加，成為脆斷的發(fā)源地。因此，焊接結(jié)構(gòu)的脆斷事故一般都起源于具有嚴(yán)重應(yīng)力集中效應(yīng)的缺口處。52

試述溫度對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響？什么是脆性轉(zhuǎn)變溫度？如果把一組開有相同缺口的試樣在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，則隨著溫度的降低，其破壞方式會發(fā)生變化，即從塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐?，見圖42。當(dāng)溫度降到某一臨界值時(shí)，將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變，這個(gè)溫度稱之為脆性轉(zhuǎn)變溫度。脆性轉(zhuǎn)變溫度高，材料的脆性傾向嚴(yán)重。應(yīng)當(dāng)注意，同一材料采用不同試驗(yàn)方法，將會得到不同的脆性轉(zhuǎn)變溫度值。53

試述加載速度對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響。隨著加載速度的增加，材料的屈服點(diǎn)提高，因而促使材料向脆性轉(zhuǎn)變，其作用相當(dāng)于降低溫度，使材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，見圖43。應(yīng)當(dāng)指出，在同樣加載速率下，當(dāng)結(jié)構(gòu)中有缺口時(shí)，應(yīng)變速率可呈現(xiàn)出加倍的不利影響。因?yàn)榇藭r(shí)有應(yīng)力集中的影響，應(yīng)變速率比無缺口高得多，從而大大地降低了材料的局部塑性。因此，結(jié)構(gòu)鋼一旦開始脆性斷裂，就很容易產(chǎn)生擴(kuò)展現(xiàn)象。當(dāng)缺口根部小范圍金屬材料發(fā)生斷裂時(shí)，在新裂紋前端的材料立即突然受到高應(yīng)力和高應(yīng)變載荷，即一旦缺口根部開裂，就有高的應(yīng)變速率，而不管其原始加載條件是動載還是靜載，此時(shí)隨著裂紋加速擴(kuò)展，應(yīng)變速率更急劇增加，致使結(jié)構(gòu)最后破壞。54

試述材料狀態(tài)對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響。⑴厚度的影響

厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，因此容易使材料變脆。曾經(jīng)把厚度為45mm的鋼板，通過加工制成板厚分別為10、20、30、40mm的試件，研究不同板厚所造成不同應(yīng)力狀態(tài)對脆性破壞的影響，發(fā)現(xiàn)在預(yù)制40mm長的裂紋和施加應(yīng)力等于1/2屈服點(diǎn)的條件下，當(dāng)厚度小于30mm時(shí)，發(fā)生脆斷的脆性轉(zhuǎn)變溫度隨板厚增加面直線上升；當(dāng)板厚超過30mm時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度的增加較為緩慢。⑵晶粒度的影響

低碳鋼和低合金鋼的晶粒越細(xì)，其脆性轉(zhuǎn)變溫度越低。⑶化學(xué)成分的影響

鋼中的C、N、O、H、S、P等元素會增加鋼的脆性；另一些元素如Mn、Ni、Cr、V，如果加入量適當(dāng)，有助于減少鋼的脆性。55、如何正確地測定材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度？材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度通常用沖擊試驗(yàn)進(jìn)行測定，試驗(yàn)方法是在不同溫度下對一系列試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試件采用V形缺口。實(shí)踐證明，隨著溫度上升，打斷試件所需的沖擊吸收功也顯著上升，材料沖擊韌度和溫度的關(guān)系見圖44。圖中鎖眼V形的缺口根部為圓形孔。從圖44可知，沖擊韌度只是在一定溫度區(qū)間內(nèi)逐漸變化，并沒有一個(gè)確定的脆性溫度值，通常是取某一固定沖擊韌度、例如20J/cm2、41J/cm2時(shí)的溫度作為脆性轉(zhuǎn)變溫度，有的標(biāo)準(zhǔn)取對應(yīng)最大沖擊韌