1、 第一章 緒論 第二章 焊接應(yīng)力與變形 第三章 焊接接頭 第四章 焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂 第五章 焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度 第六章 機(jī)器焊接結(jié)構(gòu) 第七章 焊接結(jié)構(gòu)評(píng)估 焊接技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用的歷史并年長(zhǎng)，但它的發(fā)展卻是非常迅。在很短時(shí)間里，許多工業(yè)部門(mén)的金屬結(jié)構(gòu)中，焊接結(jié)構(gòu)替代了鉚接結(jié)構(gòu)。不僅如此，在機(jī)器制造中，不少一直用的整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛坯改成了焊接結(jié)構(gòu)。 焊接的地位很是重要，世界主要工業(yè)國(guó)家每年生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)約占鋼產(chǎn)量的左右焊接結(jié)構(gòu)之所以有如此迅速的發(fā)展是因?yàn)樗哂幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)與鉚接結(jié)構(gòu)比它可以節(jié)省大量金屬材料；與鑄件相比焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不需要制作木模和砂型，也不需要專門(mén)熔煉、澆鑄，工序簡(jiǎn)單，

2、生產(chǎn)周期短，其次，焊接結(jié)構(gòu)比鑄件節(jié)省材料；焊接結(jié)構(gòu)還有一些用別的工藝方法難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)例如焊接結(jié)構(gòu)可以在同一個(gè)零件上，根據(jù)不同要求采用不同的材料或手段制造來(lái)簡(jiǎn)化工藝。 焊接結(jié)構(gòu)有自己的特點(diǎn)，主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn)： 一、焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中變化范圍比鉚接大 二、焊接結(jié)構(gòu)有較大的焊接應(yīng)力和變形 三、焊接結(jié)構(gòu)具有較大的性能不均勻性 四、焊接接頭的整體性 本書(shū)第一、二、三、四、五章將從幾個(gè)方面來(lái)論述焊接結(jié)構(gòu)的主要性明其規(guī)律和原理并介紹它們控制的途徑第六章介紹典型焊接結(jié)構(gòu)實(shí)例，為正確分析焊接結(jié)構(gòu)的工藝性和構(gòu)造合理性，為解決有關(guān)設(shè)計(jì)和工藝問(wèn)題打好基礎(chǔ)。 2-1 內(nèi)應(yīng)力及其變形的基本概念 一 內(nèi)應(yīng)力及其

3、產(chǎn)生原因 內(nèi)應(yīng)力是在沒(méi)有外力的條件下平衡與物體內(nèi)部的應(yīng)力。這種應(yīng)力存在與許多工程結(jié)構(gòu)中，如鉚接，鑄造，焊接結(jié)構(gòu)等。 內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生原因可分為溫度應(yīng)力，殘余應(yīng)力等幾種： （一）溫度應(yīng)力（熱應(yīng)力） 溫度應(yīng)力是由于構(gòu)件受熱不均勻而引起的。這種應(yīng)力是在沒(méi)有外力作用下出現(xiàn)的。熱應(yīng)力廣泛出現(xiàn)在各種溫度不均勻的工程結(jié)構(gòu)中，如化工反應(yīng)容器，熱交換器，飛行器等。 （二）殘余應(yīng)力 如果不均勻溫度場(chǎng)所造成的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，使局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始的均勻狀態(tài)后，就產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力是溫度均勻后殘存在物體中的，故稱之為殘余應(yīng)力。二、自由變形、外觀變形和內(nèi)部變形 自由變形：金屬物體的溫度有

4、了改變，或發(fā)生了相變，它的尺寸和形狀就要發(fā)生變化，如果這種變化沒(méi)有受到外界的任何阻礙而自由地進(jìn)行，這種變形稱之為自由變形。 外觀變形：金屬物體在溫度變化過(guò)程中受到阻礙，使它不能完全自由地變形，只能夠部分地表現(xiàn)出來(lái)的變形。 內(nèi)部變形：金屬物體在溫度變化過(guò)程中受到阻礙，使它不能完全自由地變形，其中未表現(xiàn)出來(lái)的那部分變形即為內(nèi)部變形。三、長(zhǎng)板條在不均勻溫度場(chǎng)作用下的變形和應(yīng)力 （一） 在長(zhǎng)板條中心加熱 圖2-4所示的長(zhǎng)板條在其中間沿長(zhǎng)度上用電阻絲進(jìn)行間接加熱，則在板條橫截面上將出現(xiàn)一個(gè)中間高兩邊低的不均勻溫度場(chǎng)，而沿板條長(zhǎng)度方向的溫度分布可視為均勻的。 從板條中切出一單位長(zhǎng)度的小段來(lái)進(jìn)行分析這個(gè)板條

5、的變形和應(yīng)力的情況。 假設(shè)金屬板條是由若干個(gè)不相連的小窄條組成，則每根小窄條可以按著自己被加熱到的溫度自由變形，其結(jié)果使單位長(zhǎng)度板條端面出現(xiàn)圖2-5a所示的曲面。 1。在板條中心對(duì)稱加熱時(shí)，板條中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，中心 受壓，兩邊受拉，平衡條件： 2。當(dāng)板條溫度恢復(fù)到原始溫度后，板條中心部分受拉， 兩側(cè)受拉，平衡條件： （二） 非對(duì)稱加熱 （一側(cè)加熱） 一側(cè)用電阻間接加熱，在長(zhǎng)板條中產(chǎn)生對(duì)截面中心不對(duì)稱的不均勻溫度場(chǎng)，使板條常識(shí)變形和應(yīng)力四 、焊接引起的內(nèi)應(yīng)力與變形 （一） 焊接應(yīng)力與變形的特殊性 焊接應(yīng)力和變形與上述不均勻溫度場(chǎng)引起的應(yīng)力和變形的基本規(guī)律是一致的，較前者稍復(fù)雜。 （二） 受拘束體

6、在熱循環(huán)中的英里與變形的演變過(guò)程 1.|S 2.|S，T max 500 3.T max 600 （三） 焊接應(yīng)力變形的演變過(guò)程 （四） 焊接熱應(yīng)變循環(huán) （五） 焊接瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變研究的新發(fā)展 2-2 焊 接 殘 余 變 形 一、焊接殘余變形的分類(lèi)和研究焊接殘余變形的意義 焊接殘余變形是焊接后殘余在結(jié)構(gòu)中的變形。大致可分為七類(lèi)： 縱向收縮變形 橫向收縮變形 撓曲變 角變形 波浪變形 錯(cuò)邊變形 螺旋形變形 上述幾種類(lèi)型的變形,往往同時(shí)出現(xiàn),互相影響 。焊接變形不但影響結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確和外形美觀 ，且有可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力，引發(fā)事故。 二、縱向收縮變形以及它所引起的撓曲變形 影響縱向變形的幾種因素：

7、 多層焊 所引起的縱向收縮變形比單層焊小，分的層數(shù)越多，每層所用的線能量就越小，變形也越小。 原始溫度 原始溫度下降，相當(dāng)于線能量減小，收縮變形降低；原始溫度升高，相當(dāng)于線能量增大。 間斷焊 縱向收縮比連續(xù)焊小。 單層焊的縱向收縮量： L=(k1 F h L)/F F h焊縫截面積 mm 2 ； F構(gòu)件截面積 mm2 L縱向收縮量 mm ； L構(gòu)件長(zhǎng)度 mm。 k1 為系數(shù)，與焊接方法和材料有關(guān)?？梢詮南卤碇胁榈?。 表 2-1 多層焊的縱向收縮量是將k1換成一層焊縫金屬的截面積，并將所計(jì)算得的縱向收縮量再乘以系數(shù)k2即可，其中 k2=1+85s n 式中s = s/E； n層數(shù)。 對(duì)于兩面有

8、丁字接頭的構(gòu)件，由收縮公式計(jì)算的收縮量再乘以115 1 . 40 即為該構(gòu)件的縱向收縮量。注意， F h 指一條角焊縫的截面積。 當(dāng)焊縫在構(gòu)件中的位置不對(duì)稱時(shí)，焊縫所引起的假想壓力是一個(gè)偏心力，它不但會(huì)使構(gòu)件縮短，還使構(gòu)件彎曲，其彎曲力矩為M=Pfe。 構(gòu)件的撓度撓度： 焊接方法Co2埋弧焊手工焊材料低碳鋼低碳鋼奧氏體鋼k1004300710076004800570076 L構(gòu)件長(zhǎng)度； I 構(gòu)件截面慣性矩； e 塑性區(qū)中心到斷面中性軸距離（偏心矩）。 三、 橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形 橫向收縮是不可避免的。橫向收縮變形系指垂直于焊縫方向的變形。現(xiàn)在分種情況來(lái)分析橫向收縮變形。 堆焊及角焊縫

9、 橫向變形沿焊縫長(zhǎng)度上的分布并不均勻。是因?yàn)橄群傅暮缚p的橫向收縮對(duì)后焊的焊縫產(chǎn)生一個(gè)擠壓作用，使后者產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形。丁字接頭和搭接接頭角焊縫的橫向收縮，在實(shí)質(zhì)上和堆焊相似。它的大小與角焊縫的尺寸和板厚有關(guān)。（立板厚度也對(duì)變形有一定影響，因?yàn)榘逶诤附訒r(shí)吸收部分熱能，因而就減少輸入橫板的熱能。）板越厚，剛度越大，橫向收縮越小。 板厚 B 線能量B（ B為橫向收縮） 對(duì)接接頭 對(duì)接焊縫的橫向變形大小與焊接線能量、焊風(fēng)坡口形式、焊縫截面積以及焊接工藝有關(guān)。對(duì)于單道對(duì)接接頭，橫向變形取決于焊縫坡口形式。坡口角度越大間隙越大，則焊縫截面積也越大，所需焊接線能量也越大。對(duì)于多層多道焊，還需要考慮焊縫

10、的層數(shù)和道數(shù)，以及每層每道的焊接規(guī)范。埋弧自動(dòng)焊的收縮量比板厚相近的手工電弧焊的變形小，氣焊的變形比電弧焊的大。此外，橫向收縮的大小還與拼裝后的點(diǎn)固和裝夾的情況有關(guān)，點(diǎn)固焊越大，越密，裝夾的剛度越大，橫向變形也就越小。 Q B B Q n 對(duì)于對(duì)接接頭的橫向收縮量的估計(jì)，有許多經(jīng)驗(yàn)公式，先選其一作參考： B =018 F h / （mm）； 式中 B對(duì)接接頭橫向收縮量（mm）； F h 焊縫橫截面積(mm2)； 板厚（mm）。 如果橫向焊縫在結(jié)構(gòu)上分布不對(duì)稱，則它的橫向收縮也能引起結(jié)構(gòu)的撓曲變形。例如梁上的短焊縫的橫向收縮使梁產(chǎn)生下?lián)?。如果采用長(zhǎng)筋板，焊縫對(duì)稱 ，就可以避免這種撓曲變形。下面是

11、一個(gè)由焊接橫向收縮引起構(gòu)件的撓曲的例子工字鋼的上部焊接了許多筋板，筋板與翼緣之間和筋板與腹板之間的焊縫都在工字鋼重心上側(cè)，它們的收縮都將引起構(gòu)件的下?lián)稀?下?lián)蠑?shù)值可以根據(jù)每對(duì)角焊縫產(chǎn)生的收縮量來(lái)估算。每對(duì)筋板與翼緣之間的角焊縫的橫向收縮B將使梁彎曲一個(gè)角度： 2= （B 2S 2）/I S 2=F2（h/2/2）為翼緣對(duì)梁水平中心軸的靜矩。 F2 翼緣的截面積。 每對(duì)筋板與腹板之間的角焊縫的橫向收縮將使梁彎曲一個(gè)角度： 1= （B 1S 1）/I 1圖中梁的總撓度可以按下式計(jì)算： f=(5 1 +4 2 +3 3 +2 4+5 ) LL 為筋板的間距。 如果梁的中心有一筋板，則它所引起的撓曲可

12、由下式估算： f0=(/2)(L/2 ) 注意由于剛度不同，型鋼上橫向收縮B 1 和B2要比腹板和翼緣單獨(dú)在自由狀態(tài)時(shí)焊接的橫向收縮小。四 、角變形 在堆焊、對(duì)接、搭接和丁字接頭的焊接時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生角變形。這種變形發(fā)生的根本原因是橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻，焊縫正面的變形大，背面的變形小。這樣就造成了構(gòu)件平面的偏轉(zhuǎn)。 堆焊 由于焊接面的溫度高于背面，焊接面產(chǎn)生的塑性變形比背面大，有時(shí)背面在彎矩的作用下甚至可能產(chǎn)生拉伸變形，故在冷卻之后產(chǎn)生角變形。變形大小取決于壓縮塑性變形的大小和分布情況，同時(shí)也取決于板的剛度。 對(duì)接接頭 對(duì)接接頭的坡口角度坡口角度以及焊縫截面形狀焊縫截面形狀對(duì)于對(duì)接接頭

13、的角變形影響很大 ，坡口角度越大，則接頭上下部橫向收縮量差別就越大。另外，焊接角變形還和焊接方式有關(guān)。對(duì)于同樣板厚和坡口形式，多層焊比單層焊的角變形大，而且層數(shù)越多，變形越大，多道焊比多層焊角變形大。 特殊地，薄板焊接的角變形方向不一定，可能向上也可能向下。因?yàn)樵诤附訒r(shí)正反面的溫度差很小，薄板剛度也小，焊接過(guò)程中受壓縮時(shí)易失穩(wěn)，使角變形方向不定。 角焊縫所產(chǎn)生的角變形 丁字接頭的角變形包括兩個(gè)內(nèi)容：筋板與主板的角度變化和主板本身的角變形。角變形可以用反變形法來(lái)預(yù)防。 五、波浪變形 薄板在承受壓力時(shí)，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)，薄板將出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力，此現(xiàn)象即失穩(wěn)。 失穩(wěn)臨界應(yīng)力：

14、 e r =k(/B)2 板厚 B板寬 K與板的支撐情況有關(guān)的系數(shù)。 由此可以看出，板厚與板寬的比值越小，臨界應(yīng)力越小，平板也就越容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。 降低波浪變形的措施可以從降低壓應(yīng)力和提高臨界應(yīng)力兩方面著手。 六、 焊接錯(cuò)邊 錯(cuò)邊可能由于裝配不好造成，但是焊接過(guò)程本身也可能產(chǎn)生錯(cuò)邊。對(duì)接邊的熱不平衡是造成焊接錯(cuò)邊的主要原因之一。 七、 螺旋形變形 產(chǎn)生這種變形的原因與焊縫角變形沿長(zhǎng)度上的分布不均勻和工件的縱向錯(cuò)邊有關(guān)。改變焊接次序和方向，可以克服此種變形。 八、預(yù)防焊接變形的措施 焊接殘余變形可以從設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面來(lái)解決。 （一）設(shè)計(jì)措施 1.合理地選擇焊縫的尺寸和形式; 2.盡可能減少不

15、必要的焊縫; 3.合理地安排焊縫的位置. (二) 工藝措施 1.反變形法; 2.剛性固定法; 3.合理地選擇焊接方法和規(guī)范; 4.選擇合理的裝配焊接順序. 九、矯正焊接變形的方法 (一)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,使兩者互相抵消. (二)火焰加熱矯正法 利用火焰局部加熱時(shí)產(chǎn)生壓縮塑性變形，使較長(zhǎng)的金屬在冷卻后收縮，來(lái)達(dá)到矯正變形的目的。這種方法在生產(chǎn)上稱為水火彎板或火焰成形。 火焰局部加熱不但可以用來(lái)矯正變形，使構(gòu)件平直，也可以反過(guò)來(lái)利用它來(lái)把平直的鋼板彎曲成各種曲面，這種方法在生產(chǎn)上稱為水火彎板或火焰成形，用這種方法成形各種曲面（圖2-94），具有設(shè)備簡(jiǎn)單，生

16、產(chǎn)率高，成本低，質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)?；鹧娉尚位旧喜捎镁€狀加熱，按工藝方法分為三種： 不用水冷的火焰加熱法，簡(jiǎn)稱空冷； 采用正面跟蹤水冷的火焰加熱法，簡(jiǎn)稱正冷； 采用背面跟蹤水冷的火焰加熱法，簡(jiǎn)稱背冷。 三種線狀加熱方法具有不同的特點(diǎn)： 角變形效果以背冷最大，空冷次之，正冷最??； 橫向收縮效果以背冷最大，正冷次之，空冷最小。 2-3 焊 接 殘 余 應(yīng) 力一、焊接殘余應(yīng)力的分布 焊縫方向的應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力，用x表示；垂直于焊縫方向的應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力，用y表示；厚度方向上的應(yīng)力，用z表示。 縱向應(yīng)力x 如圖為中心有一條焊縫的長(zhǎng)板條，在板條中的的分布情況為：長(zhǎng)板條的兩端是自由邊界，它的表面沒(méi)有應(yīng)力，x

17、=0。在板條端部存在內(nèi)應(yīng)力的過(guò)渡區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)， x比較低，越接近端面x越低。在板條中間段有一個(gè)內(nèi)應(yīng)力的穩(wěn)定區(qū)。但當(dāng)板條比較短時(shí)，就不存在穩(wěn)定區(qū)，焊縫上的縱向應(yīng)力x小于s，板條越短， x就越低。 橫向應(yīng)力y y 可分為 y和 y 。 y 是由于焊縫及其附近的塑性變形區(qū)的縱向收縮所引起的；而 y是由焊縫及其附近塑性變形區(qū)的橫向收縮的不同時(shí)性所引起的。如下圖是一個(gè)由兩塊平板條對(duì)接起來(lái)的構(gòu)件，其縱向應(yīng)力的分布是焊縫及其附近的塑性變形區(qū)為拉應(yīng)力，兩側(cè)為壓應(yīng)力。焊縫長(zhǎng)度對(duì) y的 影響見(jiàn)下圖。對(duì)于長(zhǎng)焊縫，中心部分的拉應(yīng)力有所降低，逐漸趨近于零。 y的分布跟焊接方向 、分段方法以及焊接順序有關(guān)，下圖為不同焊

18、接方向時(shí)它的分布情況。橫向應(yīng)力在與焊縫平行的各截面上的分布大體與焊縫截面上相似，但離開(kāi)焊縫的距離越大，應(yīng)力越低，到邊緣上y=0。如下圖所示： 厚板中的殘余應(yīng)力 在厚板焊接結(jié)構(gòu)中除了存在著縱向應(yīng)力x和橫向應(yīng)力y外，還存在著較大的厚度方向的應(yīng)力z 。這三個(gè)方向的內(nèi)應(yīng)力在厚度方向上分布極不均勻。其分布規(guī)律，對(duì)于不同焊接工藝有較大的差別。例如在厚度為240的低碳鋼電渣焊縫中，內(nèi)應(yīng)力分布如下圖。在低碳鋼多層焊接時(shí)，在厚度上的內(nèi)應(yīng)力的 分布，表面為較高的拉應(yīng)力。數(shù)值較小，有可能為壓應(yīng)力，亦有可能為拉應(yīng)力。下圖為80厚，型坡口對(duì)接接頭多層焊在厚度方向上的內(nèi)應(yīng)力分布情況。 總之， x 、 y 、z在厚度中心部

19、位最大 ，向兩表面逐漸降低， 其中y在表面為壓應(yīng)力。應(yīng)該指出，橫向應(yīng)力y在厚度上的分布規(guī)律雖然對(duì)于同一接頭大致相似，但其數(shù)值與測(cè)點(diǎn)上y的平均值可能是正的也可能是負(fù)的。 在拘束狀態(tài)下焊接的內(nèi)應(yīng)力 在生產(chǎn)中往往會(huì)遇到這種情況，構(gòu)件是在受拘束的情況下焊接的。如圖2-110中的一個(gè)金屬框架，中心構(gòu)件上有一條對(duì)接焊縫，這條焊縫受到框架的限制，在框架中心部分引起拉應(yīng)力f。它并不在該截面平衡，而平衡與整個(gè)框架截面上。這種應(yīng)力稱為反作用內(nèi)應(yīng)力。此外，此焊縫還引起與自由狀態(tài)下焊接相似的橫向內(nèi)應(yīng)力y。如果框架中心構(gòu)件上的焊縫是縱向的，則由焊縫引起的縱向收縮受到限制，將產(chǎn)生縱向反作用內(nèi)應(yīng)力f。另外還有縱向應(yīng)力x。最

20、終的內(nèi)應(yīng)力是兩者的綜合，如圖2-111。 封閉焊縫所引起的內(nèi)應(yīng)力 封閉焊縫是在較大拘束下焊接的，內(nèi)應(yīng)力比自由狀態(tài)時(shí)大。在結(jié)構(gòu)中剛度越大，拘束度越大，內(nèi)應(yīng)力也越大。 相變應(yīng)力 當(dāng)金屬發(fā)生相變時(shí)，其比容將有一個(gè)突變。如果相變?cè)诮饘俚乃苄宰冃螠囟萒（即金屬已經(jīng)喪失彈性，屈服極限為零時(shí)的溫度）以上發(fā)生，則比容的改變并不影響焊后殘余應(yīng)力的分布。 其中縱向應(yīng)力（）的分布情況見(jiàn)下圖：可以看出，相變不但在區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力mx 、mz ，而且也可以引起拉應(yīng)力my，其數(shù)值也可以相當(dāng)大。這種拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生冷裂紋的原因之一。 二 焊接殘余應(yīng)力的影響 內(nèi)應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響 內(nèi)應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響 內(nèi)應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工精度的影

21、響 保證加工精度的最基本方法是先消除焊接應(yīng)力再進(jìn)行機(jī)械加工。但有時(shí)可以在機(jī)械加工工藝上做一些調(diào)整來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。 有一點(diǎn)必須注意：許多結(jié)構(gòu)鋼中的焊接應(yīng)力是不穩(wěn)定的，歲時(shí)間不停地變化著。對(duì)于精度要求高的零件應(yīng)先消除應(yīng)力再機(jī)械加工。 內(nèi)應(yīng)力對(duì)受壓桿件穩(wěn)定性的影響 以H形受壓桿件為例，見(jiàn)下圖： 縱向焊接應(yīng)力的分布如圖a所示，當(dāng)外力引起的壓應(yīng)力p2s時(shí),應(yīng)力的分布如b所示。有效面積將從F 縮小到F。有效面積的慣性矩從Ix減小到Ix。試驗(yàn)表明，焊接H形受壓桿件，焊后不處理比焊后高溫回火消除應(yīng)力的臨界應(yīng)力低20%30%。 內(nèi)應(yīng)力對(duì)剛度的影響 桿件在受拉時(shí)，如果應(yīng)力沒(méi)有達(dá)到屈服極限，則構(gòu)件的伸長(zhǎng)與作用力有下

22、面關(guān)系：(圖2-125中的OS線）： L=（PL）/（FE） =（PL）/（BE） 式中 P外力； L構(gòu)件長(zhǎng)度； E彈性模量； F構(gòu)件截面積（=B）。 構(gòu)件的伸長(zhǎng)為 L=（PL）/（Bb）E 有一個(gè)重要的結(jié)論：焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一次加載和卸載后，如再加載，只要其大小不超過(guò)前一次，內(nèi)應(yīng)力就不再起作用，外載也不影響內(nèi)應(yīng)力的分布。（此結(jié)論只適用于靜載） 對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，簡(jiǎn)稱應(yīng)力腐蝕，是拉應(yīng)力和腐蝕共同作用下產(chǎn)生裂紋的一種現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕分為三個(gè)階段：第一階段，局部腐蝕造成小腐蝕坑和其它形式的應(yīng)力集中，以后又逐漸發(fā)展成為微小裂紋。第二階段，在腐蝕作用下金屬?gòu)牧鸭y尖端面不斷被腐蝕掉，而在應(yīng)力

23、作用下又不斷產(chǎn)生新的表面，這些表面又進(jìn)一步被腐蝕。這樣裂紋逐漸擴(kuò)展。第三階段，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一臨界值時(shí)，裂紋就在應(yīng)力作用下以極快的速度擴(kuò)展造成脆斷。簡(jiǎn)言之，腐蝕開(kāi)裂過(guò)程即：形成小坑腐蝕與產(chǎn)生近表面交替（擴(kuò)展）脆斷。應(yīng)力越大，發(fā)生斷裂所需的時(shí)間也越短。應(yīng)力越小，發(fā)生斷裂所需時(shí)間也越長(zhǎng)。 三、 在焊接過(guò)程中調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力的措施 采取一些工藝措施，往往可以調(diào)節(jié)內(nèi)應(yīng)力 ，降低殘余內(nèi)應(yīng)力的峰值，避免在大面積內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，并使內(nèi)應(yīng)力分布更為合理。這些措施不但可以降低殘余應(yīng)力，也可以降低焊接過(guò)程中的內(nèi)應(yīng)力。因此有利于消除焊接裂紋。這些措施有： 采用合理的焊接順序和方向 盡量使焊縫能自由收縮，先焊收縮量比較大

24、的焊縫。按受力大小分時(shí)，先焊受力較大的焊縫，再焊受力較小的。拼板時(shí)應(yīng)先焊錯(cuò)開(kāi)的短焊縫，然后再焊直通的長(zhǎng)焊縫，見(jiàn)下圖，若焊接順序?yàn)?12，則會(huì)形成很大的拉應(yīng)力。在焊接交叉焊縫時(shí)，應(yīng)特別注意交叉處。 圖2-129 按受力大小確定焊接順序 圖2-120 按焊縫布置確定焊接次序 1、2對(duì)接焊縫 3角焊縫 在焊接封閉焊縫或其它剛性較大，自由度較小的焊縫時(shí)，可以采用反變形法來(lái)增加焊縫的自由度。見(jiàn)圖： 錘擊或碾壓焊縫每焊一道焊縫，就用帶小圓弧的風(fēng)槍或小手錘錘擊焊縫區(qū)，使焊縫得到延伸，從而降低內(nèi)應(yīng)力。注意，錘擊時(shí)保持均勻、適度，避免錘擊過(guò)分產(chǎn)生裂紋。 在結(jié)構(gòu)適當(dāng)部位加熱使之伸長(zhǎng) 加熱區(qū)的伸長(zhǎng)帶動(dòng)焊接部位，使之

25、產(chǎn)生一個(gè)與焊縫收縮相反的變形。在冷卻時(shí)，加熱區(qū)的收縮和焊縫的收縮方向相反，使焊縫可自由收縮，故降低內(nèi)應(yīng)力。其過(guò)程見(jiàn)下圖： 利用上述的原理可以焊接一些剛性較大的焊縫，獲得降低內(nèi)應(yīng)力的效果。如圖2-34 a所示的大皮帶輪或齒輪的某一輪幅需要焊修，為了減少內(nèi)應(yīng)力，則在需焊修的輪幅兩側(cè)輪緣上進(jìn)行加熱，使輪輻向外產(chǎn)生變形。而圖2-134b，焊縫在輪緣上，則應(yīng)在焊縫兩側(cè)輪緣上進(jìn)行加熱，使輪緣焊縫產(chǎn)生反變形，然后進(jìn)行焊接，都可取得良好的降低焊接應(yīng)力的效果。四、焊后消除焊接內(nèi)應(yīng)力的方法 其方法可分為：整體高溫回火、局部高溫回火、機(jī)械拉伸、溫差拉伸及振動(dòng)法等。 整體高溫回火此法是將整個(gè)焊接構(gòu)件加熱到一定溫度，然

26、后保溫一段時(shí)間，再冷卻。回火可以消除焊接應(yīng)力，但又產(chǎn)生由于不同膨脹系數(shù)而引起新的內(nèi)應(yīng)力。 回火保溫時(shí)間目前生產(chǎn)按厚度來(lái)確定，厚度越大，保溫時(shí)間越長(zhǎng)。若遇到結(jié)構(gòu)太大的構(gòu)件，無(wú)法爐內(nèi)進(jìn)行回火的，則可采用在容器外壁覆蓋絕熱層，而在容器內(nèi)部用電阻加熱器或火焰來(lái)進(jìn)行處理。 局部高溫回火處理 此種方法是把焊縫周?chē)囊粋€(gè)局部區(qū)域進(jìn)行加熱。消除應(yīng)力效果不是很理想，只能降低應(yīng)力峰值，而不能完全消除。但可改善接頭機(jī)械性能（一般用于簡(jiǎn)單接頭）。 必須指出，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中采用局部加熱處理時(shí)，存在產(chǎn)生較大反作用內(nèi)應(yīng)力的危險(xiǎn)。 機(jī)械拉伸法（過(guò)載法） 下圖為加載對(duì)構(gòu)件的影響： 溫度拉伸法（低溫消除應(yīng)力法） 此法是利用拉伸來(lái)抵

27、消焊接時(shí)所產(chǎn)生的壓縮塑性變形的。具體做法是：在焊縫兩側(cè)各用一個(gè)適當(dāng)?shù)难跻胰惭婕訜?，在焰矩后一定的距離用一個(gè)水管?chē)婎^冷卻。焰矩和噴水管以相同速度向前移動(dòng)，這樣造成兩側(cè)溫度高，焊縫區(qū)溫度低的溫度場(chǎng)。兩側(cè)金屬受熱膨脹對(duì)溫度較低的區(qū)域進(jìn)行拉伸。此法對(duì)消除應(yīng)力有較好的效果。 振動(dòng)法 這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單而廉價(jià)，處理成本低，時(shí)間比較短，沒(méi)有高溫回火的金屬氧化問(wèn)題。但也存在一些問(wèn)題有待研究。五、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定五、焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定 其方法按原理分有：應(yīng)力釋放法和X射線法。 應(yīng)力釋放法 切條法 這種方法對(duì)板狀構(gòu)件可以獲得較精確的結(jié)果，但破壞性大。 套孔法 本法采用套料鉆孔加工環(huán)行孔來(lái)釋放應(yīng)力。 小孔法 原理：

28、 在應(yīng)力場(chǎng)中鉆一小孔，應(yīng)力的平衡受到破壞，則鉆孔周?chē)膽?yīng)力將重新調(diào)整。測(cè)孔周?chē)膽?yīng)變變化，就可以用彈性力學(xué)來(lái)推算出小孔處的應(yīng)力。 逐層銑削法 具有內(nèi)應(yīng)力的物體被銑削一層后，物體將產(chǎn)生一定的變形。根據(jù)變形的大小，可以推算出被銑削層內(nèi)的應(yīng)力。這樣逐層銑削，每銑每測(cè)，根據(jù)變形差值就可以算出各層在銑削前的內(nèi)應(yīng)力。本法不是很好，主要是加工量大，計(jì)算量較大。 X射線衍射法 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是非破壞性，缺點(diǎn)是只能測(cè)表面應(yīng)力，而且對(duì)被測(cè)表面要求較高。 除了以上兩種方法，還有電磁法和硬度法。 3-1 焊接接頭的一般性能 一、焊接接頭的基本概念一、焊接接頭的基本概念 現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展迅速，新的焊接方法不斷出現(xiàn)，接頭

29、類(lèi)型更是繁多，但應(yīng)用最廣的焊接方法是熔化焊。本章將以熔化焊接接頭為重點(diǎn)進(jìn)行分析。焊接接頭是由焊縫金屬、熔合線、熱影響區(qū)和母材組成，如圖3-1所示。 影響焊接接頭的因素很多，如圖3-2所示。歸納起來(lái)，大體可分為兩個(gè)方面：一個(gè)是力學(xué)方面的影響因素，另一個(gè)是材質(zhì)方面的影響因素。 力學(xué)方面影響焊接接頭的因素是接頭形狀的不連續(xù)性、焊接缺陷、殘余應(yīng)力和焊接變形。 材質(zhì)方面影響焊接接頭的因素是熱循環(huán)引起的組織變化和焊接過(guò)程中的熱塑性變形循環(huán)所產(chǎn)生的材質(zhì)變化。 此外，焊后熱處理和矯正焊接變形等工序，都可能影響接頭性能。 二、焊接接頭的不均勻性及其力學(xué)行為 熱影響區(qū)的力學(xué)性能 熱影響區(qū)內(nèi)強(qiáng)度和塑性的變化 如圖所

30、示，在1200左右的粗晶區(qū)其硬度和強(qiáng)度都比母材高，但塑性比母材低，這種現(xiàn)象主要受冷卻速度影響。塑性的降低和鋼材的含碳量和熱循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的 馬氏體多少有關(guān)。 如右圖，熱影響區(qū)的韌性是不均勻的, 韌性低的部分有兩個(gè)：1200以上的粗晶區(qū)到熔合線部分， 焊縫附近的脆區(qū)。韌性最低位置在熔合線上。 熱影響區(qū)的熱塑變脆化區(qū)在400200內(nèi)發(fā)生的塑性變形所引起的塑性韌性下降，稱為熱應(yīng)變脆化。熱應(yīng)變脆化。硬化使塑性下降，所以變脆。這種現(xiàn)象與鋼中碳 、氮等溶質(zhì)原子的活動(dòng)狀態(tài)有關(guān) ，特別是自由氮原子較多的低碳鋼最容易發(fā)生熱塑性邊催化現(xiàn)象 。由于焊接熱循環(huán)的熱應(yīng)力作用在近縫區(qū)產(chǎn)生熱塑性變形 。則使其力學(xué)性能發(fā)生變化

31、。通常焊接接頭經(jīng)受一次熱循環(huán)，它的塑性變形量是不大的，大約僅為百分之幾。 焊縫金屬的力學(xué)性能 焊縫金屬是由焊接材料與部分母材經(jīng)過(guò)熔化冷凝形成的鑄造組織，它是從母材開(kāi)始垂直于等溫線方向結(jié)晶長(zhǎng)大的。單層焊時(shí)典型的柱狀晶體，如圖3-6a所示。多層焊時(shí)，第一層焊道的柱狀晶受到受后焊層的熱作用而轉(zhuǎn)化為較細(xì)的晶粒，如圖3-6b所示，所以多層焊縫金屬的力學(xué)性能較單層焊的好。焊縫金屬的性能還與焊接方法及其參量有關(guān)。 低強(qiáng)焊縫金屬接頭的力學(xué)性能 焊接接頭力學(xué)性能與母材和焊縫二者之間的強(qiáng)度如何匹配有關(guān)。 高組配：焊縫金屬?gòu)?qiáng)度比母材強(qiáng)度高。 低組配：焊縫金屬?gòu)?qiáng)度比母材強(qiáng)度低。 高組配的接頭斷裂多發(fā)生在母材上，其對(duì)接

32、接頭的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以及焊縫金屬與母材金屬的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖 a所示。低組配的斷裂多發(fā)生在焊縫金屬上，但接頭強(qiáng)度并不等于焊縫金屬本身的強(qiáng)度，低組配對(duì)接接頭的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，以及焊縫金屬與母材金屬的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖b所示。 圖3-9 對(duì)接接頭不同組配的應(yīng)力與變形關(guān)系 W-焊縫金屬的曲線 B母材的曲線 J接頭的曲線 通常情況下概念是，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度比母材低，接頭的強(qiáng)度就等于焊縫金屬的強(qiáng)度。但有時(shí)例外。當(dāng)把低強(qiáng)焊縫金屬接頭的焊縫的寬度減少到一定程度，它的強(qiáng)度隨寬度的降低而提高，逐步接近母材的強(qiáng)度，形成一個(gè)超過(guò)焊縫金屬很多的接頭。相對(duì)厚度H/D0.8時(shí)，隨著H/D的降低，接頭強(qiáng)度即開(kāi)始上升。當(dāng)H/D0.2

33、時(shí)，接頭強(qiáng)度可達(dá)到母材的強(qiáng)度。 低組配接頭的強(qiáng)度隨相對(duì)厚度降低而上升的原因見(jiàn)圖3-11。這是因?yàn)榈蛷?qiáng)度焊縫的塑性變形受到高強(qiáng)母材的拘束，使焊縫金屬處于三軸受拉狀態(tài)而強(qiáng)化的結(jié)果。 從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)看，習(xí)慣上都是采用焊縫金屬與母材等強(qiáng)的原則。但是，通過(guò)低組配焊接接頭的力學(xué)性能的研究與實(shí)際應(yīng)用，說(shuō)明焊接高強(qiáng)鋼或厚度大的構(gòu)件時(shí)，有可能不用焊縫金屬與母材等強(qiáng)度的原則，而用接頭強(qiáng)度與母材等強(qiáng)原則接頭強(qiáng)度與母材等強(qiáng)原則即采用比母材強(qiáng)度低的焊接材料，選擇合適的相對(duì)厚度，獲得與母材等強(qiáng)的焊接接頭的原則。 采用低強(qiáng)焊縫有個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可適當(dāng)?shù)亟档透邚?qiáng)鋼焊接時(shí)的預(yù)熱溫度，改善勞動(dòng)條件。但這種接頭的焊縫受到三軸拉應(yīng)力，處于不

34、利的應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生脆斷的危險(xiǎn)性較大。因此要求焊縫金屬必須具有比一般同級(jí)焊縫金屬更高的韌性才能保證接頭安全可靠。 三、焊縫及接頭的基本形式三、焊縫及接頭的基本形式 焊縫基本形式 對(duì)接焊縫 對(duì)接焊縫的焊接邊緣可分為卷邊、平對(duì)、或加工成為V形、X形、K形、U形等坡口（圖3-13）。各種坡口尺寸可根據(jù)國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB-985-80和GB-986-80）或根據(jù)具體情況而定。 對(duì)接焊縫開(kāi)坡口的根本目的是為了確保接頭的質(zhì)量及其經(jīng)濟(jì)性。坡口形式的選擇依據(jù)是板材厚度、焊接方法和工藝過(guò)程。一般必須考慮以下幾點(diǎn)： a.焊接材料的消耗量；b.可焊到性； c.坡口加工；d.焊接變形 角焊縫 按截面形狀可分為四種，按承

35、載方向可分為三種：正面、側(cè)面、斜角焊縫。 角焊縫是一種應(yīng)用最為廣泛的焊縫，與對(duì)接焊縫比較，在力學(xué)性能方面有許多特點(diǎn)： 以角焊縫構(gòu)成的各種接頭其幾何形狀都有急劇的變化，力線的傳遞比對(duì)接焊縫復(fù)雜，焊縫的根部與趾部的應(yīng)力集中，一般都比對(duì)接焊縫大。例如圖3-15的十字接頭，其力線的傳遞就是撓區(qū)不直的，在A點(diǎn)和B點(diǎn)都有較大的應(yīng)力集中。正面角焊縫的破斷面往往與受力方向成2030角，但進(jìn)行計(jì)算時(shí)仍以與受力方向成45角的最小截面為計(jì)算斷面，按切應(yīng)力計(jì)算強(qiáng)度。實(shí)踐證明，正面角焊縫的強(qiáng)度比側(cè)面角焊縫高20%30%；側(cè)面角焊縫沿焊縫長(zhǎng)度上的應(yīng)力分布是不均勻的；正面角焊縫的單位長(zhǎng)度承載能力并不是隨焊角K的增加而成正比

36、增加的。單位面積的強(qiáng)度K20mm，比K10mm時(shí)約降低20%，但其屈服強(qiáng)度并不降低，如圖3-16所示。 接頭的基本形式 有四種基本形式：對(duì)接接頭、搭接接頭、丁字接頭、角接頭。選接頭形式時(shí)應(yīng)該熟悉其優(yōu)缺點(diǎn)。 對(duì)接接頭 對(duì)接接頭從力學(xué)角度來(lái)看是比較理想的接頭形式。 搭接接頭 搭接接頭應(yīng)力分布不均勻，疲勞強(qiáng)度較低，不是焊接結(jié)構(gòu)的理想接頭不是焊接結(jié)構(gòu)的理想接頭。但其焊前準(zhǔn)備和裝配比對(duì)接接頭簡(jiǎn)單的多，橫向收縮也比對(duì)接接頭小。搭接接頭有幾種形式如開(kāi)槽焊和塞焊以及鋸齒狀搭接等。 丁字接頭 是將相互垂直的被連接件用角焊縫連接起來(lái)的接頭（圖3-24）。這類(lèi)接頭應(yīng)該避免單面角焊縫，因?yàn)檫@種接頭的根部有很深的缺口（

37、圖3-25a)，其承載能力非常低。 對(duì)較厚的板，可采用K形坡口（圖3-24b），根據(jù)受力情況決定是否需要焊透。這樣做比不開(kāi)坡口（圖3-24a)用大尺寸的角焊縫經(jīng)濟(jì)，而且疲勞強(qiáng)度高。 對(duì)完全要求焊透的丁字接頭，采用半V形坡口（圖3-24c)從一面焊，焊后再清根焊滿，比采用K形坡口焊可靠。 角接頭 多用于箱體構(gòu)件上,如圖3-26所示.其中圖3-26a是最簡(jiǎn)單的角接頭,但承載能力差;圖3-26b采用雙面焊縫從內(nèi)部加強(qiáng)的角接頭，承載能力較大；圖3-26 c開(kāi)坡口易焊透，有較高的強(qiáng)度，而且在外觀上具有良好的棱角，但要注意層狀撕裂問(wèn)題；3-26 e和f易裝配，省工時(shí)，是最經(jīng)濟(jì)的角接頭；圖3-26g是保證接

38、頭具有準(zhǔn)確直角的角接頭，并且剛性大，但角鋼厚度應(yīng)大于板厚；圖3-26 h是不合理的角接頭，焊縫多而且不易施焊。 一、應(yīng)力集中的概念一、應(yīng)力集中的概念 由于焊縫的形狀和焊縫布置的特點(diǎn)，焊接接頭工作應(yīng)力的分布是不均勻的。其最大應(yīng)力比平均應(yīng)力值高，這種情況稱為應(yīng)力集中應(yīng)力集中。 在焊接結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因： （一）焊縫中的工藝缺陷 如氣孔、夾渣、裂紋和未焊透等，其中裂紋和未焊透引起的應(yīng)力集中嚴(yán)重。 （二）不合理的焊縫外形 如對(duì)接焊縫加厚高過(guò)大（圖3-27），可形成較大的應(yīng)力集中。 3-2 焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能 （三）設(shè)計(jì)不合理的焊接接頭 如接頭截面的突

39、變，加蓋板的對(duì)接接頭等，會(huì)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中。 二、電弧焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能 對(duì)接接頭 在焊接生產(chǎn)中，通常使焊縫略高于母材板面，高于部分稱為加厚高。易在焊縫和母材的過(guò)渡處引起應(yīng)力集中。加厚高越小越好，有時(shí)用削平加厚高或增大過(guò)渡圓弧的措施來(lái)降低應(yīng)力集中，以提高接頭的疲勞強(qiáng)度。 對(duì)接接頭是最好的接頭形式，不但靜載可靠，而且疲勞強(qiáng)度也高。 丁字接頭（十字接頭） 由于丁字接頭焊縫向母材過(guò)渡較急劇，接頭在外力作用下力線扭曲很大，造成應(yīng)力分布極不均勻，在角焊縫的根部和過(guò)渡處都有很大的應(yīng)力集中，如圖3-29所示。 圖3-29 a是未開(kāi)坡口丁字接頭中正面焊縫的應(yīng)力分布狀況。由于整個(gè)厚度沒(méi)有焊透，所

40、以焊縫根部應(yīng)力集中很大。圖3-29 b 是開(kāi)坡口并焊透的丁字接頭，這種接頭的應(yīng)力集中大大降低。 丁字（十字）接頭當(dāng)其焊縫不承受工作應(yīng)力時(shí)，在其焊縫根部的A點(diǎn)處和焊趾B點(diǎn)處也有應(yīng)力集中，如圖3-31所示。 丁字接頭應(yīng)盡量避免在其板厚方向承受高拉應(yīng)力，因軋制板材常有夾層缺陷，尤其厚板更易出現(xiàn)層狀撕裂，所以應(yīng)將其工作焊縫轉(zhuǎn)化為聯(lián)系焊縫，如圖3-33 所示，以 b 圖代圖代 a 圖。圖。則宜采用圓形、方形或特殊形狀的軋制、鍛件插入件，如圖所示。 搭接接頭 搭接接頭使構(gòu)件形狀發(fā)生較大的變化，所以應(yīng)力集中比對(duì)接接頭的情況復(fù)雜得多。在搭接接頭中，根據(jù)搭接角焊縫受力的方向，可以將搭接角焊分為正面角焊縫、側(cè)面角

41、焊縫和斜向角焊縫，如圖3-35所示。與力的作用方向相垂直的角焊縫稱為正面角焊縫，如圖中L3段，相平行的稱為側(cè)面角焊縫，如圖中L1和L5段，介于兩者之間的稱為斜向角焊縫，如圖L2和L4段。 正面角焊縫的工作應(yīng)力分布 在正面角焊縫的搭接接頭中，應(yīng)力分布是很不均勻的。根據(jù)測(cè)試結(jié)果（圖3-36）可以看出，在角焊縫的根部A點(diǎn)和焊趾B點(diǎn)都有較大的應(yīng)力集中。 由于搭接接頭的正面角焊縫與作用力偏心，所以承受拉力時(shí)接頭上長(zhǎng)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，如圖3-37所示。為了減少?gòu)澢鷳?yīng)力，兩條正面角焊縫之間的距離應(yīng)不小于其板厚的4倍。 側(cè)面角焊縫的工作應(yīng)力分布 側(cè)面角焊縫連接的搭接接頭中，應(yīng)力分布十分復(fù)雜，既有正應(yīng)力又有切應(yīng)

42、力，切應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向上的分布是不均勻的，它與焊縫尺寸、斷面尺寸和外力作用點(diǎn)的位置等因素有關(guān)。 側(cè)面角焊縫的最大應(yīng)力分布是在兩端，中部應(yīng)力最小，且焊縫較短時(shí)，應(yīng)力分布比較均勻，較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)力分布就很不均勻。一般規(guī)范規(guī)定：側(cè)面焊縫長(zhǎng)度不得大于50K（K為焊角尺寸）。 聯(lián)合角焊縫搭接接頭中的工作應(yīng)力分布 聯(lián)合角焊縫是既有側(cè)面角焊縫又有正面角焊縫。正面角焊縫比側(cè)面角焊縫剛度大、變形小，設(shè)計(jì)搭接接頭時(shí)，增添正面角焊縫，可以改善應(yīng)力分布，縮短搭接長(zhǎng)度。 蓋板接頭中的工作應(yīng)力分布 右圖3-43a為用側(cè)面角焊縫連接的蓋板接頭。圖3-43b為增添正面角焊縫連接的蓋板接頭，其各橫截面正應(yīng)力的分布得到改善。但不宜采

43、用，尤其在承受動(dòng)載的結(jié)構(gòu)中其疲勞強(qiáng)度極低。角焊縫的強(qiáng)度與載荷方向有關(guān)。當(dāng)焊角尺寸一定時(shí)，斜向角焊縫的單位長(zhǎng)度強(qiáng)度隨焊縫方向與載荷方向的夾角而變，此角越大其強(qiáng)度越小三、接觸焊接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能 點(diǎn)焊接頭 最常用的點(diǎn)焊接頭有搭接的和加蓋板的接頭上的焊點(diǎn)主要承受切應(yīng)力。 在焊點(diǎn)區(qū)域沿板厚的應(yīng)力分布也是不均勻的，如右邊圖3-47所示。多排點(diǎn)焊接頭中，各點(diǎn)承受載荷是不同，它與搭接接頭側(cè)面角焊縫中應(yīng)力分布相似。 圖3-50是多排點(diǎn)焊接頭沿外力作用方向各點(diǎn)的受力情況。兩端焊點(diǎn)受力最大，中間焊點(diǎn)最小。點(diǎn)數(shù)越多，它的分布不均勻，故接頭的焊點(diǎn)排數(shù)不宜大于3。因?yàn)槎嘤?排并不能再增加承載能力。 采用單排點(diǎn)

44、焊接頭，很難達(dá)到接頭與母材等強(qiáng)度，所以通常用多排點(diǎn)焊。再采用交錯(cuò)的排法，效果更好。 縫焊接頭 縫焊的焊縫實(shí)質(zhì)上是由點(diǎn)焊的許多焊點(diǎn)局部重疊構(gòu)成的。多用于薄板容器的焊接。其接頭的應(yīng)力分布比點(diǎn)焊均勻。其靜載強(qiáng)度和動(dòng)載強(qiáng)度都比點(diǎn)焊接頭高。 四、鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)與鉚焊聯(lián)合接頭四、鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)與鉚焊聯(lián)合接頭 鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu) 鉚接接頭比焊接接頭雖有許多缺點(diǎn)，但鉚接也有焊接所不能替代的特點(diǎn)： 鉚接接頭比焊接接頭的剛度小 鉚接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)比某些焊接接頭的小，對(duì)疲勞強(qiáng)度有利 鉚接接頭在結(jié)構(gòu)中形成的內(nèi)應(yīng)力比焊接結(jié)構(gòu)的低 鉚接結(jié)構(gòu)有較高的止裂性 鉚接可減少工地條件下的焊接，從而保證生產(chǎn)質(zhì)量。 鉚焊聯(lián)合接頭 鉚焊聯(lián)合接

45、頭是指在同一接頭上既有鉚釘又有焊縫。鉚焊聯(lián)合接頭在承受載荷時(shí)，鉚釘只能承擔(dān)很小一部分，大部分由焊縫承擔(dān)。要求鉚釘和焊縫同時(shí)按照其承載能力來(lái)工作是不可能的。因此，這是一種不合理的接頭形式。 一、工作焊縫和聯(lián)系焊縫一、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，承擔(dān)傳遞全部載荷的作用。（圖3-57a、b) 聯(lián)系焊縫：焊縫與被連接件是并聯(lián)的，傳遞很小載荷。主要起元件之間的相互之間的聯(lián)系。(圖3-57c、d) 二、焊接接頭強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè)二、焊接接頭強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè) 在靜載條件下為了計(jì)算方便做如下假設(shè)： 殘余應(yīng)力對(duì)于接頭強(qiáng)度沒(méi)有影響 焊趾處和加厚高等處的應(yīng)力集中，對(duì)于接頭強(qiáng)度沒(méi)有影響 接頭的

46、工作應(yīng)力是均勻的，以平均應(yīng)力計(jì)算 正面角焊縫與側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度沒(méi)有差別 焊角尺寸的大小對(duì)于角焊縫的強(qiáng)度沒(méi)有影響 角焊縫都是在切應(yīng)力作用力下破壞的，按切應(yīng)力計(jì)算 角焊縫的破斷面在角焊縫截面的最小高度上，計(jì)算高度a=0.7K 加厚高和少量的熔深對(duì)于接頭的強(qiáng)度沒(méi)有影響，但埋弧自動(dòng)焊和C0氣體保護(hù)焊的熔深較大應(yīng)該考慮 三、電弧焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算三、電弧焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算 對(duì)接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算 計(jì)算對(duì)接接頭時(shí)不考慮加厚高。計(jì)算金屬?gòu)?qiáng)度的公式也適用于此。計(jì)算長(zhǎng)度取實(shí)際長(zhǎng)度，計(jì)算厚度取兩板中的較薄者。若焊縫金屬的許用應(yīng)力與基本金屬的相等，則不必進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 搭接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算 受拉、壓的搭接接頭的計(jì)

47、算 受彎矩的搭接接頭的計(jì)算 分段計(jì)算法 軸慣性矩法 極慣性矩法 雙縫搭接接頭計(jì)算 開(kāi)槽焊接頭及塞焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算 丁字接頭強(qiáng)度計(jì)算 載荷平行于焊縫的丁字接頭計(jì)算 彎矩垂直于板面的丁字接頭計(jì)算 復(fù)雜截面構(gòu)件接頭計(jì)算計(jì)算這種接頭除考慮前面提到的假設(shè)外，還得考慮以下幾點(diǎn)： . 進(jìn)行計(jì)算時(shí)，弄清接頭受載情況，計(jì)算出各載荷引起的應(yīng)力，再計(jì)算其合成應(yīng)力。 . 計(jì)算合成應(yīng)力時(shí)，常以最大正應(yīng)力和平均切應(yīng)力計(jì)算其合成應(yīng)力。這樣有利于安全。 . 在粗略計(jì)算時(shí)，有時(shí)把正應(yīng)力當(dāng)作切應(yīng)力考慮，這也是偏向安全的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。 受彎矩連接接頭的強(qiáng)度計(jì)算 受扭矩的接頭強(qiáng)度計(jì)算 角焊縫計(jì)算研究 一般角焊縫 角焊縫的承載能力

48、與外載荷的作用方向有關(guān) 角焊縫承受壓力的能力比承受拉力大很多（1.7倍） 角焊縫承受切應(yīng)力的能力最小，為承受拉力的75% 角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算按切力雖然比較簡(jiǎn)捷也比較安全，但不夠精確 正面角焊縫的破斷面上有只有和的作用 ,折合應(yīng)力: 折 = 2 +1.82 在破斷面上與焊縫相垂直的正應(yīng)力 在破斷面上與焊縫相垂直的切應(yīng)力 1964年國(guó)際焊接學(xué)會(huì)公布的角焊縫折合應(yīng)力的一般公式和1976年他們又修改過(guò)后的公式如下： 折 = 2 +1.8（2+2 ） （1964） 折 = 2 +3（2+2 ） l （1976） 帶坡口角焊縫的研究 當(dāng)板材較厚時(shí)，焊接丁字接頭或角接頭，可采用在板端開(kāi)坡口和角焊縫同時(shí)并用的方

49、法進(jìn)行連接，抗拉強(qiáng)度取決于坡口深度p，焊角尺寸K和角度或p。這種焊縫在焊根處和焊趾處有較大得應(yīng)力集中。 帶坡口的角焊縫，當(dāng)而受拉力時(shí)，其接頭強(qiáng)度極限可按下式計(jì)算： 當(dāng)為任意值， J b =w b（3sin2 p+1）/3 當(dāng)=45時(shí)，J b =w b(4p 2+K2)/3(p 2+K2) 見(jiàn)下圖3-81。式中wb焊縫金屬?gòu)?qiáng)度極限。 受壓角焊縫的研究 一般認(rèn)為：角焊縫受壓時(shí)強(qiáng)度不成問(wèn)題。受拉時(shí)則比較危險(xiǎn)。 為裝配間隙，在焊接塑性較好的前提下有： 當(dāng) 0.5mm時(shí)，設(shè)計(jì)上可以不考慮焊接承受壓力，而且由母材直接傳遞壓力。 當(dāng)0.5 2mm時(shí)，若焊縫經(jīng)壓縮后間隙閉合并不影響接頭的功能或不影響構(gòu)件的穩(wěn)定

50、性，也可不考慮焊縫承受載荷。 當(dāng) 2mm時(shí)，應(yīng)考慮焊縫承受壓力，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 若在第一和第二的情況下，焊腳尺寸K值還應(yīng)遵守一般慣例，不應(yīng)低于最小值。 當(dāng)角焊縫必須承受拉伸載荷時(shí)，進(jìn)行壓載計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮承受全部載荷。 對(duì)于重要的受壓角焊縫，最好保證裝配間隙 2mm，并使焊縫根部有足夠的熔深。 四、接觸焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算四、接觸焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算 點(diǎn)焊接頭承受拉力強(qiáng)度計(jì)算 點(diǎn)焊接頭承受彎矩的強(qiáng)度計(jì)算 縫焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算焊縫許用應(yīng)力的大小于許多因素有關(guān)，它不但與焊縫工藝和材料有關(guān)，而且也與焊接檢驗(yàn)方法的精確程度密切相關(guān)。 確定焊縫的許用應(yīng)力有兩種辦法： 按基本金屬的許用應(yīng)力乘以一個(gè)系數(shù)，確定

51、焊縫的許用應(yīng)力。此系數(shù)主要是根據(jù)所用焊接方法和焊接材料確定的。用一般焊條手工焊成的焊縫采用較低的系數(shù)，用低氫型焊條或自動(dòng)焊的焊縫采用較高的系數(shù)。 見(jiàn)表3-6 采用已經(jīng)規(guī)定的具體數(shù)值。多為某類(lèi)產(chǎn)品行業(yè)所用，為了本行業(yè)的方便和技術(shù)上的統(tǒng)一，常根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)、工作條件、所用材料、工藝過(guò)程和質(zhì)量檢驗(yàn)方法等，制定吃相應(yīng)的焊接許用應(yīng)力具體數(shù)值，如下頁(yè)表3-7所示。焊縫種類(lèi)應(yīng)力狀態(tài) 焊 縫 許 用 應(yīng) 力一般42kg及50kg級(jí)焊條手工焊接低氫焊條手工焊、自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊對(duì)接縫拉應(yīng)力壓應(yīng)力切應(yīng)力 0.9 0.6 0.65角焊縫切應(yīng)力 0.6 0.65 鋼 結(jié) 構(gòu) 焊 縫 許 用 應(yīng) 力 （N/cm）焊接種類(lèi)

52、 應(yīng) 力 種 類(lèi) 符號(hào)自動(dòng)焊、半自動(dòng)焊和結(jié)42型焊條的手工焊接低氫焊條手工焊、自動(dòng)焊和半自動(dòng)焊 構(gòu) 件 的 鋼 號(hào) 2 號(hào) 鋼3號(hào)鋼16錳鋼和16錳橋鋼第一組第二三組第一組第二三組第一 組 第二組第三組對(duì)接焊縫 抗 壓15200136001665015200235002260021000抗拉自動(dòng)焊、精確方法檢查質(zhì)量的手工焊和半自動(dòng)焊15200136001665015200235002260021000用普通方法檢查質(zhì)量的手工焊和半自動(dòng)焊12700117501420012700201001910018100 抗 剪9300830098009300142001360012700角焊縫抗拉 抗壓 抗

53、剪10700107001175011750166501665016650關(guān)對(duì)接焊縫，如經(jīng)射線或超聲波檢驗(yàn)符合設(shè)計(jì)要求的，許用應(yīng)于力可以采用與母材相等，不必進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。關(guān)于高強(qiáng)鋼、高強(qiáng)鋁合金和其它特殊材料制成的焊接結(jié)構(gòu)，或在特殊條件下使用的焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫的許用應(yīng)力，應(yīng)按有關(guān)規(guī)定或經(jīng)過(guò)專門(mén)試驗(yàn)來(lái)確定。 3-5 焊 縫 代 號(hào) 焊縫代號(hào)是一種工程語(yǔ)言，可以統(tǒng)一焊接結(jié)構(gòu)圖紙上的符號(hào)。我國(guó)的焊縫代號(hào)是由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-324-80規(guī)定的。 焊縫代號(hào)有一些組成如下： 焊接方法的代號(hào)以簡(jiǎn)明的符號(hào)或字頭代表焊接方法； 基本符號(hào)表示焊縫剖面形狀的符號(hào)； 輔助符號(hào)表示對(duì)焊縫有輔助要求的符號(hào)； 引出線表示指引焊縫

54、位置的符號(hào)； 焊縫尺寸符號(hào)。 4-1 脆性斷裂事故和研究脆斷的意義 自焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來(lái)，就出現(xiàn)了不少焊接結(jié)構(gòu)的脆斷事故。由于這種事故具有突然發(fā)生和不可預(yù)料性，其后果往往十分嚴(yán)重，故引起世人關(guān)注，研究脆斷意義非同小可。 舉例來(lái)說(shuō)，就如19421946年間，美國(guó)建造的EC2貨船就發(fā)生了好多事故，究其因是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)，材料性能差所致。 脆斷一般都在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒(méi)有顯著的塑性變形的情況下發(fā)生，并瞬間擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體，具有突然破壞的性質(zhì)，不易事先發(fā)現(xiàn)及預(yù)防，因此往往造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。 造成焊接結(jié)構(gòu)的脆斷原因是多方面的：主要有材料的選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)不合理和制造工藝及檢驗(yàn)技術(shù)不完善

55、等。 4-2 金屬材料的斷裂及其影響因素 按照斷裂前塑性變形大小可將斷裂分為延性斷裂和脆性斷裂兩種。延性斷裂在斷裂前有較大的塑性變形；脆性斷裂前沒(méi)有或只有很小的塑性變形，斷裂突然發(fā)生并迅速擴(kuò)展。一、金屬材料斷裂的形態(tài)特征 延性斷裂 延性斷裂的斷口一般為纖維狀，色澤暗淡，邊緣有剪切唇，斷口附近有宏觀的塑性變形。杯錐狀斷口是一種常見(jiàn)的延性斷口。延性斷裂的微觀特征形態(tài)是韌窩（圓形或橢圓形凹坑）。 韌窩的實(shí)質(zhì)是材料微區(qū)塑性變形形成空洞聚集和長(zhǎng)大導(dǎo)致材料斷裂所留下的圓形或橢圓形凹坑，如圖 4-1 所示。脆性斷裂 通常指沿一定結(jié)晶面的劈裂的解理斷裂及晶界斷裂。解理斷裂的宏觀斷口平整，一般與主應(yīng)力垂直，沒(méi)有

56、可以覺(jué)察到的塑性變形，斷口有金屬光澤。解理斷裂裂紋急速擴(kuò)展，其宏觀斷口常為放射狀撕裂棱形人字紋花樣，微觀特征形態(tài)常出現(xiàn)河流花樣、舌狀花樣、扇形花樣等。 脆性斷裂的斷口宏觀形態(tài)特征為顆粒狀或粗瓷狀，色澤較暗。斷裂前也沒(méi)有可以覺(jué)察的塑性變形，斷口一般與主應(yīng)力垂直，表面平整，邊緣有剪切唇。微觀形態(tài)特征是明顯的多面體，沒(méi)有明顯塑性變形，呈現(xiàn)不同程度的晶粒多面體，外形如巖石狀花樣或冰糖塊狀花樣。二、影響金屬脆性斷裂的因素二、影響金屬脆性斷裂的因素 最主要的影響因素是溫度、應(yīng)力狀態(tài)和加載速度。 應(yīng)力狀態(tài)的影響 物體在受外載時(shí)，不同的截面上產(chǎn)生不同的正應(yīng)力和切應(yīng)力。當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到

57、剪斷抗力時(shí)，產(chǎn)生剪斷。當(dāng)正應(yīng)力達(dá)到正斷抗力時(shí)，產(chǎn)生正斷，斷口與max垂直。如果在max未達(dá)到正斷抗力前， max先達(dá)到屈服極限,則產(chǎn)生塑性變形，形成塑性斷裂。如果max達(dá)到屈服極限前， max首先達(dá)到正斷抗力則發(fā)生脆性斷裂。因此斷裂的形式與加載形式即應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。溫度的影響 隨著溫度的降低，焊件的破壞方式會(huì)發(fā)生變化，即從塑性破壞到脆性破壞。對(duì)于一定的加載方式（應(yīng)力狀態(tài)），當(dāng)溫度降到某一臨界值時(shí)，將出現(xiàn)延性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變。這個(gè)溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度。 加載速度 提高加載速度對(duì)材料的破壞作用相當(dāng)于降低溫度。應(yīng)當(dāng)指出，在相同的加在速度下，當(dāng)結(jié)構(gòu)中有缺口時(shí)，應(yīng)變速率可呈加倍的不利影響。材料狀態(tài)的影

58、響 厚度的影響 厚板在缺口處形成三軸拉應(yīng)力 冶金因素 晶粒度影響 化學(xué)成分的影響 4-3 金屬材料的脆性斷裂的能量理論 研究和實(shí)驗(yàn)表明，固體材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度只有理論斷裂強(qiáng)度的1/101/1000。葛里菲斯認(rèn)為，在任何固體材料里本來(lái)就有一定數(shù)量和大小的裂紋和缺陷，從而導(dǎo)致固體材料在低應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生脆斷。葛里菲斯能量方程： 裂紋擴(kuò)展臨界條件： 由裂紋擴(kuò)展臨界條件可以得出塑性變形是阻止裂紋擴(kuò)展的主要因素。 4-4 材料斷裂的評(píng)定方法 一、一、 轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度 這種方法是用轉(zhuǎn)變溫度作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定鋼材的脆性韌性行為的。采用以下幾種方法均可達(dá)到確定材料脆性韌性轉(zhuǎn)變溫度特點(diǎn)的目的：靜彎試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、落錘

59、試驗(yàn)和部分大型試驗(yàn)。 沖擊試驗(yàn) 目前有卻貝V形缺口沖擊試驗(yàn)與梅氏U形缺口沖擊試驗(yàn)。 在一定溫度下，鋼材的韌性常用以下幾種方式來(lái)評(píng)定： 能量標(biāo)準(zhǔn) 斷口標(biāo)準(zhǔn) 延性標(biāo)準(zhǔn) 爆炸膨脹實(shí)驗(yàn)和落錘實(shí)驗(yàn) 爆炸試驗(yàn)是用全厚度的355355mm正方形鋼板做試件，在試件中央堆焊一小段脆性焊道，并鋸一缺口為起裂點(diǎn)，然后將其安置在環(huán)行支座上，再?gòu)纳戏绞┘颖▔毫Α１ㄅ蛎浽囼?yàn)中，同一種材料在不同的溫度下，可以出現(xiàn)四種不同的情況： 1. 平裂情況 2. 凹裂情況 3. 凹陷和局部斷裂情況 4. 膨脹撕裂情況 NDT無(wú)延性轉(zhuǎn)變溫度 溫度低于NDT時(shí)，材料斷裂沒(méi)有延性，斷裂是脆性的。 FTE彈性斷裂轉(zhuǎn)變溫度 在此溫度之下，裂

60、紋能夠向低應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展；高于這個(gè)溫度，裂紋只能在應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)范圍內(nèi)擴(kuò)展，而不向低應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展。 FTP延性斷裂轉(zhuǎn)變溫度 在此溫度之上，斷裂完全是塑性撕裂。 落錘試驗(yàn)是動(dòng)載簡(jiǎn)支試驗(yàn), 這種試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)條件比較符合焊接結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，且方法簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)單。 靜載試驗(yàn) 靜彎試驗(yàn)在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。二、斷裂力學(xué)方法二、斷裂力學(xué)方法 斷裂力學(xué)方法是應(yīng)轉(zhuǎn)變溫度方法得不足而發(fā)展起來(lái)的。斷裂力學(xué)在承認(rèn)材料中存在缺陷，在分析裂紋體的基礎(chǔ)上，建立了材料中工作應(yīng)力和裂紋尺寸及斷裂韌度之間的關(guān)系。 4-5 焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其對(duì)脆斷的影響 焊接結(jié)構(gòu)的脆斷事故發(fā)生，除了材料選用不當(dāng)外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造不合理也是重要原因。