44角焊縫的構(gòu)造和計算一角焊縫的構(gòu)造02課件講解

(一）角焊縫的形式一、角焊縫的構(gòu)造角焊縫按其長度方向和外力作用方向可分為側(cè)面角焊縫、正面角焊縫和斜向角焊縫。NNNN4.4角焊縫的構(gòu)造和計算角焊縫按截面形式（兩焊腳邊的夾角）可分為直角角焊縫和斜角角焊縫。（1）直角角焊縫截面形式可分為普通型、平坦型和凹面型三種。

（a）普通型（b）平坦型（c）凹面型通常做成表面微凸的等腰直角三角形截面（a）。對承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，正面角焊縫的截面通常采用（b）的形式；側(cè)面角焊縫的截面則做成凹面式（c）。he

＝hfcos45°=0.7hf（2）斜角角焊縫兩焊邊的夾角a>90°或a<90°的焊縫。通常用于鋼漏斗和鋼管結(jié)構(gòu)中。（d）斜銳角焊縫（e）斜鈍角焊縫（f）斜凹面角焊縫hehehehf—焊腳尺寸；

—焊腳邊的夾角；

he—有效厚度（破壞面上焊縫厚度）并有，he

＝hfcos(/2)對于α>135o或α<60o斜角角焊縫,除鋼管結(jié)構(gòu)外,不宜用作受力焊縫。（二）角焊縫的構(gòu)造要求

角焊縫構(gòu)造包括三個方面：焊腳尺寸、焊縫長度和減小焊縫應(yīng)力集中的措施。角焊縫的焊腳尺寸是指焊縫根腳至焊縫外邊的尺寸--hf（1）焊腳尺寸為了保證焊縫的最小承載能力以及防止焊縫由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織，導(dǎo)致母材開裂，hf,min應(yīng)滿足以下要求:

a)最小焊腳尺寸(hf,min)自動焊（溫度高而均勻）：手工焊角焊縫：t—較厚焊件的厚度。焊件厚度t≤4mm時：取hfmin=tT形連接單面角焊縫（冷卻快）：hftt1t1＜t

取整mm數(shù)，小數(shù)點以后只進不舍。hfmax≤1.2t

t—較薄焊件的板厚。

b)最大焊腳尺寸(hfmax)為了避免焊縫局部過熱，燒穿較薄的焊件，減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形，hf,max應(yīng)滿足以下要求:hftt1t1＜t

b)最大焊腳尺寸(hfmax)

板端焊縫：對板件（厚度t

）邊緣的角焊縫（貼邊焊）

當(dāng)t≤6mm時，hfmax≤t

； 當(dāng)t＞6mm時，hfmax≤t-(1～2)mm

。焊腳尺寸的取值：hfmin≤hf

≤hfmax

若另一焊件厚度t1＜t時，還應(yīng)滿足hf,max≤1.2t1

tt1hf貼邊焊縫（2）角焊縫計算長度角焊縫計算長度（lw）取值lwmin≤lw

≤lwmax

最小計算長度（lwmin）

為了使焊縫能有一定的承載能力，側(cè)面角焊縫和正面角焊縫的計算長度均不得小于：lwmin≥8hf和40mm

考慮到焊縫兩端的缺陷，其實際長度應(yīng)較前述數(shù)值還要大2hflwmax≤60hf

若實際長度超過以上數(shù)值，則超過部分不納入計算長度中。若內(nèi)力沿側(cè)焊縫全長分布時，計算長度不受此限制。如工字形梁及柱的翼緣與腹板的連接焊縫

b)側(cè)焊縫最大計算長度（lwmax）（3）減小角焊縫應(yīng)力集中的措施tblw側(cè)焊縫引起焊件拱曲為了避免焊縫橫向收縮引起板件的拱曲太大，b≤16t（t>12mm）或190mm（t≤12mm）；a)構(gòu)件端部僅有兩邊側(cè)縫連接時：試驗結(jié)果表明，連接的承載力與b/lw有關(guān)。為了避免應(yīng)力傳遞的過分彎折而使構(gòu)件中應(yīng)力不均，每條側(cè)縫長度b

/lw≤1；t為較薄焊件的厚度。

c)直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)中，角焊縫表面應(yīng)做成直線形或凹形，焊腳尺寸的比例：正面角焊縫宜為1:1.5，長邊與內(nèi)力方向一致；側(cè)面角焊縫可用凹形直角焊縫為1:1。

b)在搭接連接中，搭接長度不得小于焊件較小厚度的5倍或25mm。t1t2

（t1＜t2）搭接圖

d)當(dāng)焊縫端部在焊件轉(zhuǎn)角處時，應(yīng)將焊縫延續(xù)繞過轉(zhuǎn)角加焊2hf。避開起落弧發(fā)生在轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中。b)2hfa)2hf2hf繞角焊縫

e)在次要構(gòu)件或次要焊接連接中，可采用間斷角焊縫。間斷角焊縫的長度不得小于10hf或50mm，間斷角焊縫之間的凈距，不應(yīng)大于15t（對受壓構(gòu)件）或30t（對受拉構(gòu)件），t為較薄焊件的厚度。以防板件局部凸曲鼓起，而對受力不利或潮氣易于侵入而引起銹蝕。斷續(xù)角焊縫

教學(xué)目標(biāo)：1.掌握角焊縫的計算（部分）。2.理解焊接應(yīng)力和焊接變形。第三講（§4.4）

難點

重點

角焊縫的計算焊縫應(yīng)力和焊接變形的成因和影響1.側(cè)面角焊縫：焊縫長度方向與受力方向平行。主要承受剪應(yīng)力，強度低，彈性模量低，但塑性較好。彈性階段分布并不均勻，剪應(yīng)力兩端大，中間小。(一)角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)和強度側(cè)焊縫的應(yīng)力和破壞截面N剪切破壞面Nτf二、角焊縫的計算

2.正面角焊縫：焊縫垂直于受力方向，受力后應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜。焊縫截面各面都有正應(yīng)力和剪應(yīng)力，應(yīng)力集中嚴(yán)重，焊縫根部形成高峰應(yīng)力，易于開裂。破壞強度要高一些，但塑性差，彈性模量大。

caτxy端焊縫的應(yīng)力狀態(tài)NNcb2NacaobτxyσxτyxabτyxcaσxabσyN2N3.破壞截面的提出直角角焊縫破壞試驗結(jié)果表明：側(cè)焊縫破壞沿45°喉截面居多端焊縫破壞則多不在45°喉截面而直角角焊縫中：側(cè)焊縫破壞強度最低端焊縫破壞強度最高，是側(cè)焊縫的1.35～1.55倍斜焊縫居中

故為簡化計算，偏于安全地假定破壞發(fā)生于45°喉截面上。

焊角尺寸：hfd

c

b

a

dcbahehfhf1）焊縫的破壞面（二）

角焊縫強度條件的基本表達(dá)式假定：直角角焊縫破壞發(fā)生于45°截面上，既有效厚度方向發(fā)生。直角角焊縫截面

有效厚度：he＝0.7hf

焊縫厚度：有效厚度+熔深+凸度

有效截面：有效厚度×計算長度計算時假定有效截面上應(yīng)力均勻分布。2）有效截面上的應(yīng)力狀態(tài)角焊縫有效截面上的應(yīng)力d

a

dacc

he

∥

在外力作用下，直角角焊縫有效截面上有三個應(yīng)力：

—正應(yīng)力，與焊縫長度方向（面外垂直）

∥—剪應(yīng)力，與焊縫長度方向（面內(nèi)平行）

—剪應(yīng)力，與焊縫長度方向（面內(nèi)垂直）

直角角焊縫的計算

如圖所示承受互相垂直的Ny、Nx兩個軸心力作用的直角角焊縫，Ny垂直于焊縫長度方向產(chǎn)生平均應(yīng)力

f，其在有效截面上引起的應(yīng)力值為：（4-7）

f

對于有效截面既不是正應(yīng)力也不是剪應(yīng)力，但可分解為

和

。對直角角焊縫：3）實用計算方法直角角焊縫的計算沿焊縫長度方向的力Nx，在有效截面上引起平行于焊縫長度方向的剪應(yīng)力

f。（4-8）則直角角焊縫在各種應(yīng)力綜合作用下的計算公式為：（4-9）（4-10）

f

——正面角焊縫的強度設(shè)計值增大系數(shù)。靜載或間接承受動荷載時

f

＝1.22，對直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，

f

＝1.0

。

實用計算公式第四強度理論：正面角焊縫

f＝0，力N與焊縫長度方向垂直。側(cè)面角焊縫

f＝0，力N與焊縫長度方向平行。以上各式中：

he=0.7hf；lw—角焊縫計算長度，考慮起滅弧缺陷時，每條焊縫取其實際長度減去2hf。（三）軸心力作用時角焊縫的計算

當(dāng)焊件受軸心力，且軸心力通過連接焊縫群的中心，焊縫的應(yīng)力可認(rèn)為是均勻分布的。1.當(dāng)作用力垂直于焊縫長度方向時NNlwSlw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和相當(dāng)于正面角焊縫受力，

f＝02.當(dāng)作用力平行于焊縫長度方向時NNlwSlw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和相當(dāng)于側(cè)面角焊縫受力，

f＝0

3.采用三面圍焊連接NNlwlw’先計算正面角焊縫承擔(dān)的內(nèi)力Slw′－連接一側(cè)的正面角焊縫計算長度的總和再計算側(cè)面角焊縫的強度Slw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和4.當(dāng)焊縫方向較復(fù)雜時可均按側(cè)面角焊縫對待Slw－連接一側(cè)的側(cè)面角焊縫計算長度的總和5.當(dāng)角鋼用角焊縫連接時

在鋼桁架中，角鋼腹桿與節(jié)點板的連接焊縫常用兩面?zhèn)群福蛉鎳?，特殊情況也允許采用L形圍焊（如圖所示）。腹桿受軸心力作用，為了避免焊縫偏心受力，焊縫所傳遞的合力的作用線應(yīng)與角鋼桿件的軸線重合。桁架腹桿節(jié)點板的連接NN1N2z0b角鋼的側(cè)縫連接（1）當(dāng)采用兩面?zhèn)葧r解上式得肢背和肢尖的受力為：（4-15）（4-16）（4-22）在N1、N2作用下，假定肢尖、肢背hf1、hf2，側(cè)縫的計算長度為：（4-23）由平衡條件得：肢背肢尖η1—角鋼肢背焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)η2—角鋼肢尖焊縫的內(nèi)力分配系數(shù)，查表4-3P52表4-3角鋼角焊縫內(nèi)力分配系數(shù)η

b)角鋼用三面圍焊時，可減小角鋼的搭接長度?？上燃俣ㄕ娼呛缚p的焊腳尺寸hf3

，并算出它所能承受的內(nèi)力N3

：（4-17）（4-18）通過平衡關(guān)系得肢背和肢尖側(cè)焊縫受力為:（4-19）

角鋼角焊縫圍焊的計算NN1N2ebN3lw2lw1在N1、N2作用下，側(cè)焊縫的長度用公式（4-22、4-23）。（3）當(dāng)采用L形圍焊時，令4-19式中N2＝0，得：L形圍焊角焊縫計算公式為：（4-21）若求出得hf3大于hfmax

,則不能采用L形圍焊。（4-20）（4-24）角焊縫的實際長度和計算長度關(guān)系：角焊縫：實際長度=計算長度+2hf三面圍焊或L型焊縫，因在轉(zhuǎn)角處必須連續(xù)施焊，可視為一條焊縫注：焊縫的實際長度取5mm的倍數(shù)。便于焊條下料NθeNxNyMAσNxσMτNyhehet由軸心拉力Nx產(chǎn)生的應(yīng)力：由彎矩M產(chǎn)生的最大應(yīng)力：（四）彎矩、剪力和軸心力共同作用時T形接頭的角焊縫計算（1）M，V，N共同作用下焊縫強度計算Ny產(chǎn)生的剪應(yīng)力：A點控制應(yīng)力最大為控制設(shè)計點，應(yīng)滿足角焊縫實用計算公式：代入得：（2）V、M共同作用下焊縫強度計算h1σf1σf2τfxxhh222’1h1MeFVM對于1點：式中：Iw—全部焊縫有效截面對中性軸的慣性矩；

h1—兩翼緣焊縫有效截面最外纖維間的距離假設(shè)：腹板焊縫承受全部剪力，全部焊縫承受彎矩彎曲應(yīng)力沿焊縫截面呈三角形分布剪應(yīng)力沿腹板焊縫截面均勻分布如圖（2）V、M共同作用下焊縫強度計算h1σf1σf2τfxxhh222’1h1MeFVM對于2點：假設(shè)：腹板焊縫承受全部剪力，全部焊縫承受彎矩彎曲應(yīng)力沿焊縫截面呈三角形分布剪應(yīng)力沿腹板焊縫截面均勻分布如圖Fe1rxahl2xxyyAA’0TVre將F向焊縫群形心簡化得:

軸心力V＝F扭矩

T=Fe故：該連接的設(shè)計控制點為A點和A’點計算時按彈性理論假定:①被連接件絕對剛性，它有繞焊縫形心O旋轉(zhuǎn)的趨勢，而焊縫本身為彈性。②扭距在角焊縫群上產(chǎn)生的任一點的應(yīng)力方向垂直于該點與形心的連線，且應(yīng)力大小與連線長度r成正比。③在軸心力V作用下，焊縫群上的應(yīng)力均勻分布。（五）扭矩、剪力和軸心力共同作用時搭接接頭的角焊縫計算角焊縫小結(jié)焊腳尺寸應(yīng)與焊件的厚度相適應(yīng)。對手工焊，hf應(yīng)不小于，t為較厚焊件的厚度（mm），對自動焊，可減小1mm；hf應(yīng)不大于較薄焊件厚度的1.2倍。1

角焊縫的構(gòu)造焊腳尺寸取值：圖：角焊縫焊腳尺寸對于板件邊緣的焊縫，當(dāng)t≤6mm時，hf≤t；當(dāng)t

>6mm時，hf

≤t－(1~2)mm。焊腳尺寸取值：圖：角焊縫最大hf焊縫長度取值：焊縫長度lw也不應(yīng)太長或太短，其計算長度不宜小于8hf或40mm，且不宜大于60hf。其他構(gòu)造要求僅有平行于焊縫長度方向的軸心力時僅有垂直于焊縫長度方向的軸心力時同時有平行與垂直于焊縫長度方向的軸心力時2.角焊縫計算的基本公式1.受軸心力焊件的拼接板連接僅側(cè)面角焊縫：僅正面角焊縫：3.常用連接方式的角焊縫計算斜向焊縫：三面圍焊時：先計算正面角焊縫N1，

剩余的N-N1由側(cè)面角焊縫承擔(dān)。2.受軸心力角鋼的連接當(dāng)采用側(cè)面角焊縫連接時肢背：肢尖：當(dāng)采用三面圍焊連接時正面角焊縫承擔(dān)的力：側(cè)面角焊縫承擔(dān)的力：

肢背

肢尖當(dāng)采用L形焊連接時正面角焊縫承擔(dān)的力：側(cè)面角焊縫承擔(dān)的力：

一、焊接（殘余）應(yīng)力和焊接（殘余）變形的成因鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程是在焊件局部區(qū)域加熱融化后又冷卻凝固的熱過程。由于焊接時熱量分布不均勻，導(dǎo)致焊件不均勻的膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部殘存應(yīng)力并引起變形，此即為焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形。

4.5焊接（殘余）應(yīng)力和焊接（殘余）變形二、焊接應(yīng)力的種類1.焊接殘余應(yīng)力的分類

▲縱向焊接應(yīng)力：長度方向的應(yīng)力▲橫向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且平行于構(gòu)件表面的應(yīng)力；▲厚度方向焊接應(yīng)力：垂直于焊縫長度方向且垂直于構(gòu)件表面的應(yīng)力。

2.焊接殘余應(yīng)力的成因a)焊接過程是一個不均勻的加熱和冷卻過程，焊件上產(chǎn)生不均勻的溫度場，焊縫處可達(dá)1600oC，而鄰近區(qū)域溫度驟降。（1）縱向焊接殘余應(yīng)力b)高溫鋼材膨脹大，但受到兩側(cè)溫度低、膨脹小的鋼材限制，產(chǎn)生熱態(tài)塑性壓縮，焊縫冷卻時被塑性壓縮的焊縫區(qū)趨向收縮，但受到兩側(cè)鋼材的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力。對于低碳鋼和低合金鋼，該拉應(yīng)力可以使鋼材達(dá)到屈服強度。c)焊接殘余應(yīng)力是無荷載的內(nèi)應(yīng)力，故在焊件內(nèi)自相平衡，這必然在焊縫稍遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力。+--500oC800oC300oC300oC500oC800oC施焊方向8cm64202468cm（2）橫向焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因:a)

焊縫的縱向收縮，使焊件有反向彎曲變形的趨勢，導(dǎo)致兩焊件在焊縫處中部受拉，兩端受壓；b)焊接時已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的橫向膨脹，產(chǎn)生橫向塑性壓縮變形。焊接冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力；應(yīng)力分布與施焊方向有關(guān)。

以上兩種應(yīng)力的組合即為橫向焊接應(yīng)力(a)焊縫縱向收縮時的變形趨勢-+-(b)焊縫縱向收縮時的橫向應(yīng)力xy+-+施焊方向(c)焊縫橫向收縮時的橫向應(yīng)力xy-+-+(d)焊縫橫向殘余應(yīng)力yx-++施焊方向(e)-+-施焊方向(f)xyyx不同施焊方向下,焊縫橫向收縮時產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力（3）沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力a)在厚鋼板的焊接連接中，焊縫需要多層施焊。-+-321σxσyσzb)焊接時沿厚度方向已凝固的先焊焊縫，阻止后焊焊縫的膨脹，產(chǎn)生塑性壓縮變形。焊縫冷卻時，后焊焊縫的收縮受先焊焊縫的限制而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而先焊焊縫產(chǎn)生壓應(yīng)力，因應(yīng)力自相平衡，更遠(yuǎn)處焊縫則產(chǎn)生拉應(yīng)力。c)因此，除了橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力

x

，

y外，還存在沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力

z

，這三種應(yīng)力形成同號(受拉)三向應(yīng)力，大大降低連接的塑性。三、焊接殘余變形

在施焊時，由于不均勻的加熱和冷卻，焊區(qū)的縱向和橫向受到熱態(tài)塑性壓縮，使構(gòu)件產(chǎn)生變形。表現(xiàn)主要有：縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形、角變形、波浪變形、扭曲變形等。焊接變形1.對結(jié)構(gòu)靜力強度的影響σ+--afy+--afyNyNy因焊接殘余應(yīng)力自相平衡，故：當(dāng)板件全截面達(dá)到fy，即N=Ny時：結(jié)論：焊接殘余應(yīng)力不會影響結(jié)構(gòu)的靜力強度+--fyσabt四、焊接應(yīng)力和焊接變形的影響（一）焊接應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響2.對結(jié)構(gòu)剛度的影響當(dāng)焊接殘余應(yīng)力存在時，因截面的bt部分拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到fy

，故該部分剛度為零（屈服），這時在N作