《焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)》系列課件第三單元焊接接頭的強(qiáng)度計(jì)算及破壞方式1．熟悉電弧焊接頭的工作應(yīng)力分布情況2．掌握焊接結(jié)構(gòu)靜載強(qiáng)度的計(jì)算方法3．掌握焊接接頭的脆性斷裂及疲勞破壞方式模塊一電弧焊接頭的應(yīng)力分布一、應(yīng)力集中1．應(yīng)力集中的定義在焊接接頭的幾何形狀突變處或不連續(xù)處，應(yīng)力值突然增大，高于平均應(yīng)力的現(xiàn)象，稱(chēng)為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中程度的大小，常以應(yīng)力集中系數(shù)KT表示：KT越高，應(yīng)力集中程度越大。2．應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因在焊接接頭中引起應(yīng)力集中的主要原因有：1）焊縫中有工藝缺陷。如氣孔、夾雜、裂紋和未焊透等，在其周?chē)紩?huì)引起應(yīng)力集中，其中裂紋和未焊透引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重。2）焊縫外形不合理。如對(duì)接焊縫的余高過(guò)大，角焊縫為凸角焊縫等，在焊趾處都會(huì)形成較大的應(yīng)力集中。3）焊接接頭設(shè)計(jì)不合理。如接頭截面的突變、加蓋板的對(duì)接接頭等，均會(huì)造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中。焊縫布置不合理，如只有單側(cè)焊縫的T形接頭，也會(huì)引起應(yīng)力集中。二、電弧焊接頭的工作應(yīng)力分布1．對(duì)接接頭的工作應(yīng)力分布在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，對(duì)接接頭的焊縫中略高于母材金屬板面的部分稱(chēng)為余高。由于余高造成了構(gòu)件表面不平滑，在焊縫與母材金屬的過(guò)渡處引起應(yīng)力集中，如圖3-1所示。KT的大小與余高h(yuǎn)和焊縫向母材金屬過(guò)渡的半徑r有關(guān)。減小r和增大h，均使KT增加。當(dāng)余高h(yuǎn)為零時(shí)KT=1，應(yīng)力集中消失。由余高帶來(lái)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。對(duì)重要的動(dòng)載結(jié)構(gòu)，可采用削平余高或增大過(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)接接頭外形的變化不大，所以它的應(yīng)力集中較小，而且易于降低和消除。因此，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)度也較高。2．T形接頭（十字接頭）中的工作應(yīng)力分布

T形接頭（十字接頭）焊縫向母材金屬過(guò)渡較急劇，接頭中應(yīng)力分布極不均勻，在角焊縫的根部和過(guò)渡處，易產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，如圖3-2所示。未開(kāi)坡口T形（十字）接頭中，正面焊縫的應(yīng)力分布狀況如圖3-2a所示。由于整個(gè)厚度沒(méi)有焊透，焊縫根部應(yīng)力集中很大。在焊趾截面B-B上應(yīng)力分布也不均勻，B點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)KT值隨角焊縫的形狀而變。應(yīng)力集中KT隨θ角減小而減小，隨焊腳尺寸K增大而減小。開(kāi)K形坡口并焊透的T形（十字）接頭如圖3-2b所示。這種接頭使應(yīng)力集中程度大大降低。由此可見(jiàn)，保證焊透是降低T形（十字）接頭應(yīng)力集中的重要措施之一。因此，在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，對(duì)重要的T形（十字）接頭必須開(kāi)坡口焊透或采用深熔法進(jìn)行焊接。3．搭接接頭中的工作應(yīng)力分布根據(jù)搭接角焊縫受力的方向，可以將搭接角焊縫分為正面角焊縫、側(cè)面角焊縫和斜向角焊縫三種，如圖3-3所示。焊縫與力的作用方向相垂直的角焊縫稱(chēng)為正面角焊縫（L3段）；而相平行的稱(chēng)為側(cè)面角焊縫（L1、L5段）；介于兩者之間的稱(chēng)為斜向角焊縫（L2、L4段）。（1）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)力分布很不均勻，如圖3-4所示。在角焊縫的焊根A點(diǎn)和焊趾B點(diǎn)，都有較大的應(yīng)力集中。減小θ角和增大熔深，焊透根部，都可以降低應(yīng)力集中系數(shù)。（2）側(cè)面角焊縫的工作應(yīng)力分布應(yīng)力分布如圖3-5所示，其特點(diǎn)是最大應(yīng)力在兩端，中部應(yīng)力最小，而且焊縫較短時(shí)應(yīng)力分布較均勻，焊縫較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)力分布不均勻的程度就增加。因此，采用過(guò)長(zhǎng)的側(cè)面角焊縫是不合理的。通常規(guī)定側(cè)面角焊縫不得大于50K（K為焊腳尺寸）。（3）聯(lián)合角焊縫的工作應(yīng)力分布既有側(cè)面角焊縫又有正面角焊縫的搭接接頭稱(chēng)為聯(lián)合角焊縫搭接接頭。增加正面角焊縫后應(yīng)力分布較為均勻，a—a截面上兩端點(diǎn)上的應(yīng)力集中得到改善，見(jiàn)圖3-6。因此，在設(shè)計(jì)搭接接頭時(shí)，增加正面角焊縫，不但可以改善應(yīng)力分布，還可以縮短搭接長(zhǎng)度。模塊二焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度計(jì)算一、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，即焊縫一旦斷裂，結(jié)構(gòu)就立即失效，這種焊縫稱(chēng)為工作焊縫，見(jiàn)圖3-7a、b，其應(yīng)力稱(chēng)為工作應(yīng)力。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，這種焊縫稱(chēng)為聯(lián)系焊縫，見(jiàn)圖3-7c、d，其應(yīng)力稱(chēng)為聯(lián)系應(yīng)力。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)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。a、b)工作焊縫

c、d)聯(lián)系焊縫工作焊縫和聯(lián)系焊縫示意圖二、焊接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè)1）殘余應(yīng)力對(duì)接頭強(qiáng)度沒(méi)有影響。2）焊趾處和余高處的應(yīng)力集中對(duì)接頭強(qiáng)度沒(méi)有影響。3）接頭的工作應(yīng)力是均布的，以平均應(yīng)力計(jì)算。4）正面角焊縫與側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度沒(méi)有差別。5）焊腳尺寸K的大小對(duì)角焊縫的強(qiáng)度沒(méi)有影響。6）角焊縫都是在切應(yīng)力的作用下破壞的，按切應(yīng)力計(jì)算其強(qiáng)度。7）角焊縫的破斷面（計(jì)算斷面）在角焊縫截面的最小高度上。8）余高和少量的熔深對(duì)接頭的強(qiáng)度沒(méi)有影響。三、電弧焊對(duì)接接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算電弧焊對(duì)接接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算的一般表達(dá)式為:σ≤[σ′]或τ≤[τ′]（3-4）σ、τ為平均工作應(yīng)力；[σ′]、[τ′]為焊縫的許用應(yīng)力。計(jì)算對(duì)接接頭的強(qiáng)度時(shí)，可不考慮焊縫余高，焊縫計(jì)算長(zhǎng)度取實(shí)際長(zhǎng)度，計(jì)算厚度取兩板中較薄者。如果焊縫金屬的許用應(yīng)力與基本金屬相等，則可不必進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。全部焊透的對(duì)接接頭的各種受力情況見(jiàn)圖3-9。圖中F為接頭所受的拉（或壓）力，F(xiàn)s為切力，M1為平面內(nèi)彎矩，M2為垂直平面的彎矩。各種受力情況的強(qiáng)度計(jì)算公式如下：（1）受拉時(shí)

（3-5）（2）受壓時(shí)（3-6）

（3）受剪切時(shí)

（3-7）（4）受板平面內(nèi)彎矩（M1）（3-8）（5）受垂直板面彎矩（M2）（3-9）式中——焊縫所承受的工作應(yīng)力（MPa）

F、Fs——接頭所受的力（N）；

M1、M2——接頭所受的彎矩（N·mm）

L——焊縫長(zhǎng)度（mm）；

δ1——接頭中較薄板的板厚（mm）——焊縫許用應(yīng)力（MPa）。例題兩塊板厚為5mm、寬為500mm的鋼板對(duì)接在一起，兩端受284000N的拉力，材料為Q235-A鋼，

=142MPa，試校核其焊縫強(qiáng)度。解：已知F＝284000N，L＝500mm，

＝5mm，=142MPa，代入式（3-5）得結(jié)論：所以這個(gè)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。模塊三焊接結(jié)構(gòu)的破壞一、疲勞斷裂疲勞斷裂是金屬結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式。1．疲勞的基本概念由重復(fù)應(yīng)力引起的裂紋起始和緩慢擴(kuò)展而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的損傷，稱(chēng)為疲勞。承受重復(fù)載荷的結(jié)構(gòu)，當(dāng)構(gòu)件所受的標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力低于彈性極限時(shí)，在應(yīng)力集中的部位，就可能產(chǎn)生疲勞裂紋，由于疲勞裂紋發(fā)展的最后階段——失穩(wěn)擴(kuò)展（斷裂）是突然發(fā)生的，沒(méi)有預(yù)兆，沒(méi)有明顯的塑性變形，難以采取預(yù)防措施，所以疲勞裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性有很大威脅。焊接結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，也會(huì)由于裂紋引發(fā)（或）擴(kuò)展而發(fā)生疲勞破壞。2．影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素（1）應(yīng)力集中和表面狀態(tài)的影響在焊接結(jié)構(gòu)中，由于在接頭部位產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力集中，所以對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。對(duì)接接頭的應(yīng)力集中比其它接頭形式小，疲勞強(qiáng)度較高；T形（十字）接頭存在較大的應(yīng)力集中，因此其疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)接接頭；在搭接接頭中，應(yīng)力集中很?chē)?yán)重，所以疲勞強(qiáng)度也很低。表面狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度也有影響。表面粗糙相當(dāng)于存在很多微缺口，金屬材料表面的缺口也可能造成應(yīng)力集中，且缺口越尖銳應(yīng)力集中越嚴(yán)重，所以這些缺口處的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。（2）焊接殘余應(yīng)力的影響焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響取決于殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。在工作應(yīng)力較高的區(qū)域，如應(yīng)力集中處、受彎曲構(gòu)件的邊緣，殘余應(yīng)力是拉伸的，則它降低疲勞強(qiáng)度；反之，若該處存在壓縮殘余應(yīng)力，則提高疲勞強(qiáng)度。焊接殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)上是拉應(yīng)力與壓應(yīng)力同時(shí)存在，如果將殘余壓應(yīng)力調(diào)整到材料表面或應(yīng)力集中區(qū)則是十分有利的，如果材料表面或應(yīng)力集中區(qū)存在的是殘余拉應(yīng)力，則極為不利，應(yīng)設(shè)法消除。（3）焊接缺陷的影響焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響與缺陷的種類(lèi)、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（如氣孔等）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他方向的大；位于殘余拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的缺陷，其影響比在殘余壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)的大；同樣的缺陷，位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)（如焊趾裂紋和根部裂紋）的影響比在均勻應(yīng)力場(chǎng)中的影響大。3．提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施（1）降低應(yīng)力集中和危險(xiǎn)部位的實(shí)際應(yīng)力設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用合理的結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭。如避免復(fù)雜的形面、注意截面的圓滑過(guò)渡（如圖3-10所示）；盡量采用對(duì)接接頭，并保證母材金屬與焊縫之間平滑過(guò)渡；對(duì)抗疲勞強(qiáng)度要求較高的零件采用拋光處理、提高表面光潔程度、防止表面劃傷以及避免表面缺陷等；制造工藝要確保缺口質(zhì)量，有缺口的零件應(yīng)避免選用對(duì)缺口敏感的材料。結(jié)構(gòu)中的殘余拉應(yīng)力會(huì)疊加在工作應(yīng)力上，增加總的應(yīng)力水平。因此，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，焊后應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火以消除殘余應(yīng)力。（2）表面強(qiáng)化表面強(qiáng)化可以在零件表面產(chǎn)生很高的殘余壓應(yīng)力，從而延緩或控制疲勞裂紋在表面的萌生，即使表面有小的微裂紋，裂紋也不易擴(kuò)展。所以可采用滾壓、噴丸強(qiáng)化等工藝使零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力以提高其疲勞強(qiáng)度。表面淬火及表面化學(xué)熱處理，既能獲得表硬心韌的綜合力學(xué)性能，又能在零件表層獲得殘余壓應(yīng)力，從而能有效地提高零件抗疲勞能力。（3）減少焊縫中的缺陷盡量減少焊縫中的夾渣、裂紋、氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，同時(shí)控制其數(shù)量、尺寸和形狀，能有效地提高疲勞強(qiáng)度。二、焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用以來(lái)，焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂（簡(jiǎn)稱(chēng)脆斷）事故時(shí)有發(fā)生。這些事故具有突然性、不易預(yù)防的特點(diǎn)，一般都有災(zāi)難性的后果，必須高度重視。研究表明，造成焊接結(jié)構(gòu)脆斷的原因是多方面的，主要是材料（包括母材和焊材）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝三方面因素綜合作用的結(jié)果。1．脆性斷裂的特點(diǎn)1）脆性斷裂一般都在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒(méi)有明顯塑性變形的情況下發(fā)生，并擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體，損失嚴(yán)重。2）脆性斷裂往往從應(yīng)力集中處開(kāi)始，如構(gòu)件內(nèi)存在缺陷和焊縫處。3）在低溫下，厚截面和動(dòng)載荷作用下，極易引起脆性斷裂。4）脆斷時(shí)，裂紋傳播速度極高，當(dāng)裂紋進(jìn)入更低的應(yīng)力區(qū)或材料的高韌性區(qū)時(shí)，裂紋就停止擴(kuò)展。2．影響金屬脆斷的主要因素1）溫度的影響溫度對(duì)材料斷裂性質(zhì)影響很大，如果把一組開(kāi)有同樣缺口的試樣在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，就會(huì)看到，隨著溫度降低，它們的破壞方式從塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐?。材料從塑性向脆性轉(zhuǎn)變的溫度稱(chēng)為脆性轉(zhuǎn)變溫度，又稱(chēng)臨界溫度。各種鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度高低不同，因此，可以用來(lái)衡量材料抗脆性斷裂的指標(biāo)。（2）加載速度的影響實(shí)驗(yàn)證明，鋼的屈服點(diǎn)σs隨著加載速度提高而提高。這說(shuō)明了鋼材的塑性變形抗力隨加載速度提高而加強(qiáng)，促進(jìn)了材料脆性斷裂。提高加載速度的作用相當(dāng)于降低溫度。（3）拉應(yīng)力的影響金屬材料受外力作用時(shí)，在不同的截面上會(huì)產(chǎn)生不同的拉應(yīng)力和切應(yīng)力。切應(yīng)力促進(jìn)塑性變形，而拉應(yīng)力促進(jìn)脆性裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)零件中存在缺陷、應(yīng)力集中，同時(shí)又在拉伸應(yīng)力的作用下，就會(huì)在缺陷根部產(chǎn)生三軸拉應(yīng)力。在三軸拉伸時(shí)，最大應(yīng)力超出單軸拉伸時(shí)的屈服應(yīng)力，極易導(dǎo)致脆性斷裂。因此，應(yīng)力集中的作用以及除載荷作用方向以外的拉應(yīng)力分量是造成金屬零件在靜態(tài)低負(fù)荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要原因。材料的應(yīng)力狀態(tài)越復(fù)雜，則發(fā)生脆性斷裂的傾向性越大。（4）材料狀態(tài)的影響前述三個(gè)因素均屬引起材料脆斷的外因，材料本身的質(zhì)量則是引起脆斷的內(nèi)因。1）厚度的影響。厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，且厚板相對(duì)于薄板受軋制次數(shù)少，終軋溫度高，組織較疏松，內(nèi)外層均勻性差。因此板厚增大，發(fā)生脆斷可能性增大。2）晶粒度的影響。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，晶粒度對(duì)鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度影響很大，晶粒度越細(xì)，轉(zhuǎn)變溫度越低，越不易發(fā)生脆斷。3）化學(xué)成分的影響。碳素結(jié)構(gòu)鋼，隨著碳含量增加，其強(qiáng)度也隨之提高，而塑性和韌性卻下降，即脆斷傾向增大。其他如N、O、H、S、P等元素會(huì)增大鋼材的脆性。而適量加入Ni、Cr、V、Mn等元素則有助減小鋼的脆性。3．預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施（1）零件的設(shè)計(jì)與制造設(shè)計(jì)者必須考慮使零件的工作溫度高于材料的臨界脆性轉(zhuǎn)