第5章焊接接頭§5.1焊接接頭的一般性能§5.2焊接接頭的工作應(yīng)力分布和工作性能§5.3焊接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算

在焊件需連接的部位，用焊接方法制造而成的接頭稱為焊接接頭，一般簡(jiǎn)稱接頭。焊接接頭本身的力學(xué)性能不均勻、焊接接頭部位所受工作應(yīng)力分布不均勻，是造成接頭破壞的主要原因。焊接接頭由焊縫金屬、熔合區(qū)、熱影響區(qū)組成熔焊焊接接頭的組成對(duì)接接頭的斷面圖搭接接頭的斷面圖

5.1焊接接頭的一般性能一、

焊接接頭的基本概念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(cuò)邊錯(cuò)邊應(yīng)力集中二、

焊接接頭的不均勻性及其力學(xué)行為粗晶區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)硬度高的原因主要受冷卻速度的影響,延性的降低與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).T=1200℃-AC3,全部為奧氏體,加熱速度快,高溫停留短,晶粒細(xì)小.強(qiáng)度好,延性高.T=900℃-700℃,部分為奧氏體,冷卻后為粗細(xì)不勻的組織.

脆化區(qū)位置和范圍主要與母材組織成分和焊接熱輸入有關(guān).一般焊接熱輸入越大,高溫時(shí)間越長(zhǎng),則越容易因晶粒粗大而導(dǎo)致韌性降低.韌性最低是在熔合區(qū)上.

熱塑性脆化:在400℃-200℃內(nèi)發(fā)生的熱塑性變形所引起的延性、韌性下降.該區(qū)稱為藍(lán)脆區(qū)。藍(lán)脆區(qū)特點(diǎn)：強(qiáng)度稍有提高，而延性、韌性明顯降低。熱循環(huán)的熱應(yīng)力使近縫區(qū)產(chǎn)生熱塑性變形，則其力學(xué)性能發(fā)生變化。焊接接頭經(jīng)受一次熱循環(huán)，它的延性變形量不大，韌性下降不明顯，但多層焊或焊接帶有刻槽的焊件時(shí)，缺口附近要經(jīng)歷相當(dāng)大的塑性變形。

焊縫金屬的性能與焊接熱輸入有關(guān)，主要表現(xiàn)有二：

1）用較小的熱輸入進(jìn)行單層焊時(shí)，冷卻速度大，焊縫金屬組織細(xì)化，焊縫金屬變硬，強(qiáng)度升高。

2）增加焊接熱輸入、提高層間預(yù)熱溫度對(duì)高強(qiáng)度鋼施焊，焊縫強(qiáng)度與韌性有明顯下降，主要是因?yàn)楹盖霸黾宇A(yù)熱，冷速減慢，焊縫金屬組織粗大。

三、焊縫及焊接接頭的基本形式對(duì)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(duì)接焊縫和角焊縫是焊縫的基本形式。對(duì)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(huì)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(shí)增加根部間隙；根部間隙較大時(shí)，又容易燒穿，為此，需要采用鈍邊防止燒穿。根部間隙過大時(shí)，還需要加墊板。對(duì)接焊縫的典型坡口形式對(duì)接焊縫開坡口的根本目的，是為了確保接頭質(zhì)量，同時(shí)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(gè)方面。

1）可焊性和便于施焊。這是選擇坡口形式的重要依據(jù)之一，也是保證焊接質(zhì)量的前提。2）降低焊接材料的消耗量。

3）坡口易加工

V形和X形坡口可用氣割或等離子弧切割，亦可用機(jī)械切削加工。對(duì)于U形或雙U形坡口，一般需用刨邊機(jī)加工。在圓筒體上應(yīng)盡量少開坡口，因其加工困難。

4）減少或控制焊接變形采用不適當(dāng)?shù)钠驴谛螤钊菀桩a(chǎn)生較大的變形。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(shí)，如母材金屬塑性良好，則角焊縫的截面形狀對(duì)承載能力沒有明顯影響；動(dòng)載時(shí)，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(zhǎng)邊平行于載荷方向時(shí)，承受動(dòng)載效果好。角焊縫截面形狀及其計(jì)算斷面KKaKKaKKaKKa四、焊接接頭的基本形式對(duì)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(duì)端面焊接而形成的接頭。對(duì)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(duì)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(duì)接接頭。FF對(duì)接接頭斜縫對(duì)接接頭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(jiǎn)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。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(zhǎng)度應(yīng)比搭接長(zhǎng)度稍短一些。2δ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(shí)，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。FFT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。T形接頭的承載能力FyFxMFyFzFxM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。五、焊縫及接頭形式的表示方法（3）焊接接頭在圖樣上的表示方法1）焊縫的表示方法2）焊縫符號(hào)和焊接方法代號(hào)的標(biāo)注方法3）焊接接頭的簡(jiǎn)化標(biāo)注方法α＋＋Ｆｅ３Ｃ返回

5.2焊接接頭工作應(yīng)力分布和工作性能一、

應(yīng)力集中的概念返回對(duì)接接頭的應(yīng)力集中主要由余高引起的，且主要出現(xiàn)在焊趾處。應(yīng)力集中系數(shù)的大小取決于中系數(shù)增大。余高與過渡半徑與KT的關(guān)系余高對(duì)應(yīng)力集中的影響由余高帶來的應(yīng)力集中，對(duì)動(dòng)載結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度是十分不利的，所以此時(shí)要求它越小越好。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在承受動(dòng)載荷情況下，焊接接頭的焊縫余高應(yīng)趨于零。因此，對(duì)重要的動(dòng)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。返回

5.3焊接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算返回一.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(huì)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(huì)立即失效.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)無需計(jì)算聯(lián)系焊縫的強(qiáng)度,只需計(jì)算工作焊縫的強(qiáng)度.工作焊縫和聯(lián)系焊縫焊接接頭的設(shè)計(jì)要點(diǎn)應(yīng)盡量使接頭形式簡(jiǎn)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(jì),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(jì)要便于制造和檢驗(yàn).一般不考慮殘余應(yīng)力對(duì)接頭強(qiáng)度的影響.二.焊接接頭強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè)殘余應(yīng)力對(duì)接頭強(qiáng)度沒有影響.焊趾處和余高處的應(yīng)力集中對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)算其強(qiáng)度.在靜載條件下為了計(jì)算方便常作如下假設(shè):7)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.8)余高和少量的熔深對(duì)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(shí),應(yīng)給予考慮,角焊縫計(jì)算斷面高度a為:a=(K+p)cos45°

當(dāng)K≤8mm時(shí),可取a等于K;當(dāng)K>8mm時(shí),可取p=3mm.三.電弧焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算電弧焊接頭靜載強(qiáng)度計(jì)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.1.對(duì)接接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算不考慮焊縫余高焊縫長(zhǎng)度取實(shí)際長(zhǎng)度計(jì)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(jì)算對(duì)接接頭進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)對(duì)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(1)受拉或受壓對(duì)接接頭受拉時(shí)受壓時(shí)式中F——接頭所受的拉力或壓力（N）；L——焊縫長(zhǎng)度（mm）；δ1——接頭中較薄板的厚度（mm）；бt

бp——接頭受拉或受壓時(shí)焊縫中所承受的工作應(yīng)力（MPa）；[бˊt]——焊縫受拉或受彎時(shí)的許用應(yīng)力（MPa）；[бˊp]——焊縫受壓時(shí)的許用應(yīng)力（MPa）；例題例1兩塊板厚為5mm、寬為500mm的鋼板對(duì)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(duì)接接頭焊縫強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)工作時(shí)是安全的。

(2)受剪切對(duì)接接頭式中

Q——接頭所受的切力（N）；L——焊縫長(zhǎng)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）；例題例2兩塊板厚為10mm的鋼板對(duì)接，焊縫受29300N的切力，材料為Q235—A鋼，試設(shè)計(jì)焊縫的長(zhǎng)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(zhǎng)度為32mm時(shí),強(qiáng)度滿足要求.四、

焊縫許用應(yīng)力確定焊縫的許用應(yīng)力有兩種方法。

第一種方法，按基本金屬的許用應(yīng)力乘以一個(gè)系數(shù)，確定焊