焊接強度計算知識

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

什么是工作焊縫？什么是聯(lián)系焊縫？焊接結構上的焊縫，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，承擔著傳遞全部載荷的作用，一旦斷裂，結構就立即失效，這種焊縫稱為工作焊縫，見圖30a、圖30b，其應力稱為工作應力。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，結構不會立即失效，這種焊縫稱為聯(lián)系焊縫，見圖30c、圖30d，其應力稱為聯(lián)系應力。設計時，不需計算聯(lián)系焊縫的強度，只計算工作焊縫的強度。37

舉例說明對接接頭愛拉（壓）時的靜載強度計算。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為平面內彎矩，M2為垂平面彎矩。受拉時的強度計算公式為

F

σt＝───

≤〔σ′t

〕

Lδ1

F受壓時的強度計算公式為

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——接頭受彎矩作用時焊縫中所承受的應力（N/cm2）；〔σ′t〕——焊縫受彎時的許用應力（N/cm2）。計算例題

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，代入計算為

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

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

Fτ=

────

≤〔τ′〕1.4KL

⑵側面搭接焊縫受拉(壓)的計算公式為

Fτ=

────

≤〔τ′〕1.4KL

⑶聯(lián)合搭接焊縫受拉(壓)的計算公式為

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、側面焊縫總長（cm）；

τ——搭接接頭角焊縫受的切應力（N/cm2）；

〔τ′〕——焊縫金屬許用切應力（N/cm2）；

計算例題

將100mm×10mm的角鋼用角焊縫搭接在一塊鋼板上見圖33。受拉伸時要求與角鋼等強度，試計算接頭的合理尺寸K和L應該是多少？解：從材料手冊查得角鋼斷面積S＝19.2cm2；許用應力〔σ〕＝16000N/cm2，焊縫許用應力〔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力都達到焊縫許用切應力值，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，則側面角焊縫L2應承受全部側面角焊縫載荷的28.3%。

28.3

∴

L2＝339×───＝96mm

100

另外一側的側面角焊縫長度L1應該為

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的靜載強度計算。搭接接頭受彎矩的情況，見圖34a。計算公式為式中

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′〕——焊腳的許用切應力（N/cm2））。計算例題

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

42

舉例說明搭接接頭受偏心載荷時的靜載強度計算。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，此時焊縫中既有由彎矩M＝FL引起的切應力τM(由來1公式計算),又是有由切力Q＝F引起的切應力τQ為計算例題

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，試校核焊縫強度。焊縫的許用切應力〔τ′〕＝10000N/cm2。解：分別計算τM、τQ：43

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

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

圖37a為直升飛機起落架的疲勞斷裂。裂紋從應力集中很高的角接板尖端開始，該機飛行著陸2118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，承受反復的彎曲應力，在角鋼和縱梁的焊接處，因應力集中很高而產生疲勞裂紋而破壞，此時該車已運行30000km。45

試述焊接接頭形式對疲勞極限的影響。焊接結構中，在接頭部位由于具有不同的應力集中，將對接頭的疲勞極限產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，應力集中系數(shù)比對接接頭的應力集中系數(shù)高，因此其疲勞極限遠低于對接接頭。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上，增加蓋板來進行“加強”，其結果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強”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。片狀缺陷（如裂紋、未熔合、未焊透）比帶圓角的缺陷（如氣孔、點狀夾渣）影響大。表面缺陷比內部缺陷影響大。與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向大。位于殘余拉應力區(qū)內的缺陷的影響比在殘余應力區(qū)內的大；位于應力集中區(qū)內的缺陷（如焊趾裂紋）的影響比在均勻應力區(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

如何選用合理的結構形式來提高接頭的疲勞極限？選用應力集中較小的結構形式是提高疲勞極限的重要措施，幾種設計方案的正誤比較，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，技術說明，適用范圍及優(yōu)點，缺

點，改善，幾何，形狀，方法，電弧氣刨后補焊法，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。

適用于有很大的內部缺陷

適用于對接焊縫余高，快速、容易

適用于側面節(jié)點板和個別有裂紋的細節(jié)

費用低，不要求特別的設備。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械部件和橫向焊縫

對高強鋼，當裂紋起始壽命較大時，改善效果更大

費用高，焊補可能產生新的缺陷

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，難于確保質量

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

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

對焊趾表面進行冷作加工

用直徑6～12mm球形錘頭對焊趾進行冷加工，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倍壓應力）用拉伸法預先加載使焊縫區(qū)局部屈服在爐內加熱至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，不需嚴格控制溫度

適用于大板

適用于中等嚴重的缺口

適用于平板和輕微缺口

適用于較嚴重的缺口，無損耗

適用于鋁合金

適用于薄板

適用于小構件的縱向角焊縫

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，未建立質量控制技術

要求有操作經驗，僅適于水平位置要求有操作經驗不適用于很大結構大構件常常不成功，冷卻速度慢涂裝方法,均分負載層,油漆,鍍鋅,陰極防護塑料、油漆、釬焊、逐層涂裝,易檢查適用于腐蝕環(huán)境適用于發(fā)生應力腐蝕裂紋和裂紋擴展速率大于10－5mm周的嚴重腐蝕環(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，首先產生彈性變形。當載荷繼續(xù)增加到某一數(shù)值，材料即發(fā)生屈服，產生塑性變形。繼續(xù)加大載荷，金屬將進一步變形，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，擴展而導致最后斷裂。⑵脆性斷裂

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

試述應力狀態(tài)對焊接結構產生脆性斷裂的影響。當物體受外載時，在主平面上作用有最大正應力σmax（另一個與之相垂直的平面上作用有最小正應力σmin）與主平面成45°的平面上作用有最大切應力てmax。如果在てmax達到屈服點前，σmax先達到抗拉強度，則結構發(fā)生脆性斷裂；反之，如てmax先達到屈服點，則發(fā)生塑性變形及形成延性斷裂。實驗證明，當材料處于單向或雙向拉應力作用下，呈現(xiàn)塑性；在三向拉應力作用下，呈現(xiàn)脆性。三向拉應力可能由三向載荷產生，但更多的情況下是由于幾何不連續(xù)性所引起。雖然此時整個結構處于單向、雙向拉應力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設計不佳、工藝不當或產生焊接缺陷（如裂紋），往往會出現(xiàn)形成局部三向應力狀態(tài)的缺口效應，見圖41。在三向拉應力的作用下，材料的屈服點較單向應力時提高，結果在缺口根部形成很高的局部應力而材料尚不發(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，焊接結構的脆斷事故一般都起源于具有嚴重應力集中效應的缺口處。52

試述溫度對焊接結構產生脆性斷裂的影響？什么是脆性轉變溫度？如果把一組開有相同缺口的試樣在不同溫度下進行試驗，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。當溫度降到某一臨界值時，將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉變，這個溫度稱之為脆性轉變溫度。脆性轉變溫度高，材料的脆性傾向嚴重。應當注意，同一材料采用不同試驗方法，將會得到不同的脆性轉變溫度值。53

試述加載速度對焊接結構產生脆性斷裂的影響。隨著加載速度的增加，材料的屈服點提高，因而促使材料向脆性轉變，其作用相當于降低溫度，使材料的脆性轉變溫度升高，見圖43。應當指出，在同樣加載速率下，當結構中有缺口時，應變速率可呈現(xiàn)出加倍的不利影響。因為此時有應力集中的影響，應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，結構鋼一旦開始脆性斷裂，就很容易產生擴展現(xiàn)象。當缺口根部小范圍金屬材料發(fā)生斷裂時，在新裂紋前端的材料立即突然受到高應力和高應變載荷，即一旦缺口根部開裂，就有高的應變速率，而不管其原始加載條件是動載還是靜載，此時隨著裂紋加速擴展，應變速率更急劇增加，致使結構最后破壞。54

試述材料狀態(tài)對焊接結構產生脆性斷裂的影響。⑴厚度的影響

厚板在缺口處容易形成三向拉應力，因此容易使材料變脆。曾經把厚度為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力狀態(tài)對脆性破壞的影響，發(fā)現(xiàn)在預制40mm長的裂紋和施加應力等于1/2屈服點的條件下，當厚度小于30mm時，發(fā)生脆斷的脆性轉變溫度隨板厚增加面直線上升；當板厚超過30mm時，脆性轉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，其脆性轉變溫度越低。⑶化學成分的影響

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，有助于減少鋼的脆性。55、如何正確地測定材料的脆性轉變溫度？材料的脆性轉變溫度通常用沖擊試驗進行測定，試驗方法是在不同溫度下對一系列試件進行沖擊試驗，試件采用V形缺口。實踐證明，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)間內逐漸變化，并沒有一個確定的脆性溫度值，通常是取某一固定沖擊韌度、例如20J/cm2、41J/cm2時的溫度作為脆性轉變溫度，有的標準取對應最大沖擊韌