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1、第三章焊接接头 静载强度及焊缝代号 在焊件需连接的部位 用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头 一般简称接头 焊接接头本身的力学性能不均匀 焊接接头部位所受工作应力分布不均匀 是造成接头破坏的主要原因 第一节焊接接头的类型第二节电弧焊接头的工作应力第三节焊接接头的静载强度计算第四节焊缝代号及其表示方法 在焊件需连接部位 用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头 一般简称接头 接头是焊接结构的重要组成部分 通过对大量焊接结构失效事故的分析表明 接头部位往往是结构破坏的起点 造成这种情况的原因是多方面的 归纳起来主要有两点 焊接接头本身的力学性能不均匀 接头部位所受工作应力分布不均匀 因此 研究焊接接头
2、的性能特征和应力分布规律 对提高焊接结构的使用可靠性具有十分重要的意义 第一节焊接接头的类型 一 焊接接头的组成二 焊缝的基本形式三 焊接接头的基本形式 一 焊接接头的组成 焊接接头由焊缝金属 熔合区 热影响区 母材组成 图2 1熔焊焊接接头的组成对接接头的断面图搭接接头的断面图 影响焊接接头性能的主要因素 焊接接头是一个成分 组织和性能都不均匀的连接体 此外 焊接接头因焊缝的形状和布置的不同 将会产生不同程度的应力集中 所以 不均匀性和应力集中是焊接接头的两个基本属性 影响焊接接头性能的主要因素有以下两个方面 力学方面因素 接头形状的不连续性 余高 接头错边 焊接缺陷 未焊透 裂纹 残余应力
3、和残余变形等 材质方面因素 焊接热循环所引起的组织变化 焊接材料引起的焊缝化学成分的变化 焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等 二 焊接接头的不均匀性及其力学行为 热影响区的力学性能 1 强度和塑性 2 韧性 焊缝金属的力学性能 影响焊接接头性能的主要因素 残余应力 组织成分不同 焊趾及咬边 热影响区 焊缝金属 缺陷 裂纹 未焊透 气孔 夹渣 裂纹 脆化 应力集中 角变形 错边 错边 应力集中 二 焊缝的基本形式 对接焊缝角焊缝 焊缝的形式应根据焊件的厚度 工作条件 受力情况等因素进行选择 焊缝是构成焊接接头的主体部分 对接焊缝和角焊缝是焊缝的基本形式 对接焊缝 对接焊缝的
4、接头可采用卷边 平对接或加工成各种形式的坡口 对接焊缝开坡口的目的 是为了确保接头的质量 同时也从经济效益考虑 坡口形式的选择取决于板材厚度 焊接方法和工艺过程 通常必须考虑以下几个方面 1 可焊到性或便于施焊 2 降低焊接材料的消耗量 3 坡口易加工 4 减少或控制焊接变形 上面只是列举了选择坡口的一般规则 具体选择时 则需要根据具体情况综合考虑 例如 从节约焊接材料出发 U形坡口较V形坡口好 但加工费用高 双面坡口明显地优于单面坡口 同时焊接变形小 双面坡口焊接时需要翻转焊件 增加了辅助工时 所以在板厚小于25mm时 一般采用V形坡口 受力大而要求焊接变形小的部位应采用U形坡口 利用焊条电
5、弧焊焊接6mm以下钢板时 选用I形坡口就可得到优质焊缝 用埋弧自动焊焊接14mm以下的钢板 采用I形坡口也能焊透 对接焊缝 坡口角度的大小与板厚和焊接方法有关 其作用是使电弧能深入根部使根部焊透 坡口角度越大 焊缝金属量越多 焊接变形也会增大 一般坡口角度选60 左右 采用根部间隙是为了保证焊缝根部能焊透 一般情况下 坡口角度小 需要同时增加根部间隙 根部间隙较大时 又容易烧穿 为此 需要采用钝边防止烧穿 根部间隙过大时 还需要加垫板 对接焊缝的典型坡口形式 角焊缝 角焊缝按其截面形状可分为平角焊缝 凹角焊缝 凸角焊缝和不等焊脚角焊缝 各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关 静载时 如母材
6、金属塑性良好 则角焊缝的截面形状对承载能力没有明显影响 动载时 凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高 凸角焊缝的承载能力最低 不等腰角焊缝 长边平行于载荷方向时 承受动载效果好 角焊缝截面形状及其计算断面 K K a K K a K K a 为了提高焊接效率 节约焊接材料 减小焊接变形 当板厚大于13mm时 可以采用开坡口的角焊缝 在等强度条件下 坡口角焊缝的焊接材料消耗量仅为普通角焊缝的60 三 焊接接头的基本形式 焊接接头的基本形式有四种 对接接头 搭接接头 T形接头和角接接头一 对接接头 两焊件表面构成大于或等于135 小于或等于180夹角 即两板件相对端面焊接而形成的接头 对接接头从强度角度
7、看是比较理想的接头形式 也是广泛应用的接头形式之一 常见的对接接头的焊缝轴线与载荷方向相垂直 也有少数与载荷方向成斜角的斜焊缝对接接头 F F 对接接头斜缝对接接头 搭接接头 两板件部分重叠起来进行焊接所形成的接头称为搭接接头 搭接接头的应力分布不均匀 疲劳强度较低 不是理想的接头形式 但由于焊前准备及装配工作较为简单 故多用于受力较小且不要求密封性的结构中 搭接接头中 最常见的是角焊缝组成的搭接接头 一般用于12mm以下的钢板焊接 除此之外 还有开槽焊 塞焊 锯齿状搭接等多种形式 开槽焊搭接接头 F F 开槽焊搭接接头 先将被连接件加工成槽形孔 然后用焊缝金属填满该槽 开槽焊焊缝断面为矩形
8、其宽度为被连接件厚度的二倍 开槽长度应比搭接长度稍短一些 2 塞焊接头 塞焊接是在被连接的钢板上钻孔 用来代替开槽焊的槽形孔 用焊缝金属将孔填满使两板连接起来 当被连接板厚小于5mm时 可以采用大功率的埋弧焊或CO2气体保护焊直接将钢板熔透而不必钻孔 F F 这种接头施焊简单 特别对于一薄一厚的两焊件连接最为方便 生产效率较高 T形 十字 接头 T形接头是典型的电弧焊接头 能承受各种方向的力和力矩 这类接头应避免采用单面角焊缝 因为这种接头的根部有很深的缺口 其承载能力低 T形接头的承载能力 Fy Fx M Fy Fz Fx M 角接接头 两板件端面构成30 135 夹角的焊接接头称作角接接头
9、 角接接头多用于箱形构件 第二节电弧焊接头的工作应力 一 应力集中的概念二 电弧焊接头的工作应力分布 应力集中的概念 由于焊接的形状和焊缝布置的特点 焊接接头工作应力的分布是不均匀的 其最大应力比平均应力值高 这种情况称应力集中 应力集中 是指接头局部区域的最大应力值较平均应力值高的现象 常以应力集中系数KT表示 在焊接接头中产生应力集中的原因是 焊接工艺缺陷 冶金缺陷 夹渣 气孔 咬边 未焊透均会引起应力集中 其中咬边 未焊透较为严重 不合理的焊缝外形 不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中 接头型式 不同接头型式引起应力集中不同 制造过程中的缺陷 焊接残余应力 二 电弧焊接头的工作应力分布
10、1 对接接头由于余高造成了构件表面不平滑 在焊缝与母材金属的过渡处引起应力集中 焊趾处KT为1 6 焊根处KT为1 5 KT的大小与余高h和焊缝向母材金属过渡的半径r有关 减小r和增大h 均使KT增加 当余高h为零时 KT 1 应力集中消失 如果余高太大 虽然使焊缝截面增厚 但却使应力集中程度增加 因此生产中应适当控制余高 余高不得超过国家有关标准规定的0 3mm范围 对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性 因而引起不同的应力分布 在焊缝与母材的过渡处引起应力集中 最大应力集中部位在焊趾 应力集中系数 对接接头的应力集中 余高对应力集中的影响 由余高带来的应力集中 对动载结构的疲劳强度是十分不利
11、的 所以此时要求它越小越好 国家标准规定 在承受动载荷情况下 焊接接头的焊缝余高应趋于零 因此 对重要的动载结构 可采用削平余高或增大过渡圆弧的措施来降低应力集中 以提高接头的疲劳强度 余高与过渡半径与KT的关系 丁字接头 十字接头 十字接头有熔透和未熔透两种 未熔透的十字接头 在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数 其中以焊根处为最大 熔透的十字接头有较小的应力集中系数 点焊接头的应力分布 单排点焊接头的应力分布 如图 多排点焊以两端焊点受力最大 如图 正面搭接焊缝的弯曲变形 3 联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布 接触焊接头的工作应力分布和工作性能 多排点焊接头排数多于三排是不合理的 因为不能
12、增加承载能力 单排点焊缝焊点间距小 对降低应力集中有利 但会使接头强度降低 综合上述 各种电弧焊接头 都有不同程度的应力集中 实践证明 并不是在所有情况下应力集中都将影响强度 当材料具有足够的塑性时 结构在静载破坏之前就有显著的塑性变形 应力集中对其强度无影响 这说明接头在塑性变形的过程中能发生应力均匀化 只要接头材料具有足够的塑性 应力集中对静载强度就没有影响 第三节焊接接头的静载强度计算 一 工作焊缝和联系焊缝二 焊接接头的设计要点三 焊接接头强度计算的假设四 电弧焊接头的静载强度计算五 焊缝许用应力 一 工作焊缝和联系焊缝 工作焊缝 焊缝与被连接的元件是串联的 它承担着传递全部载荷的作用
13、 焊缝一旦断裂 结构就会立即失效 联系焊缝 焊缝与被连接的元件是并联的 它仅传递很小的载荷 主要起元件之间相互联系的作用 焊缝一旦断裂 结构不会立即失效 在结构设计时无需计算联系焊缝的强度 只需计算工作焊缝的强度 工作焊缝和联系焊缝 焊接接头的设计要点 应尽量使接头形式简单 结构连续 且不设在最大应力作用截面上 要特别重视角焊缝的设计 不宜选择过大的焊脚 尽量避免在厚度 Z向 方向传递力 接头的设计要便于制造和检验 一般不考虑残余应力对接头强度的影响 焊接接头的许用应力设计法 1 强度条件许用应力设计法又称传统设计法或安全系数设计法 它是以满足工作能力为基本要求的一种设计方法 对于一般用途的构
14、件 设计时应满足的强度条件为 工作应力小于许用应力这里的失效应力 如果为屈服准则 则为材料的屈服点 如按断裂准则 则为强度极限 在疲劳强度设计中为疲劳极限 许用应力和许用安全系数一般由国家工程主管部门根据安全和经济原则 按材料的强度 载荷 环境条件 加工质量 计算精确度和构件的重要性等加以确定 我国锅炉和压力容器 起重机 桥梁 铁路车辆等行业都在各自设计规范中确定了各种材料的许用应力和许用安全系数 工作应力一般是采用工程力学的理论和方法进行分析计算 对重要构件可采用有限元法等进行分析与计算 以获得更为精确的结果 许用应力设计法所用的参量 如载荷 强度 几何尺寸等都看成为确定量 所以又称为定值设
15、计法 设计表达式简单明了 使用方便 至今仍然是许多工程设计部门采用的设计方法 二 焊接接头强度计算的假设 残余应力对接头强度没有影响 焊趾处和余高处的应力集中对接头强度无影响 接头的工作应力是均布的 以平均应力计算 正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别 焊脚尺寸的大小对角焊缝的强度没有影响 角焊缝都是在切应力的作用下破坏 按切应力计算其强度 在静载条件下为了计算方便常作如下假设 角焊缝的破断面在角焊缝截面的最小高度上 其值等于内接三角形高 余高和少量的熔深对接头的强度没有影响 但是 在采用熔深较大的埋弧焊和CO2气体保护焊时 应给予考虑 角焊缝计算断面高度a为 a K p cos45 当K 8
16、mm时 可取a等于K 当K 8mm时 可取p 3mm 三 电弧焊接头的静载强度计算 电弧焊接头静载强度计算的一般表达式为 或 式中 为平均工作应力 为焊缝的许用应力 1 对接接头的静载强度计算 不考虑焊缝余高焊缝长度取实际长度计算厚度取两板中较薄者如果焊缝的许用应力与基本金属的相等 则不必进行强度计算 对接接头进行强度计算时 对接接头受力情况 Fs为切力M1为平面内弯矩M2为垂直平面的弯矩 1 受拉或受压对接接头 受拉时 受压时 式中F 接头所受的拉力或压力 N L 焊缝长度 mm 1 接头中较薄板的厚度 mm t p 接头受拉或受压时焊缝中所承受的工作应力 MPa t 焊缝受拉或受弯时的许用应力 MPa p 焊缝受压时的许用应力 MPa 2 焊缝的许用应力前已述及强度设计用的许用应力通常由国家工程主管部门根据安全和经济原则 根据材料性质 载荷 环境 加工质量 计算和检测精确度和构件的重要性等综合后确定 下表列出一般机器焊接结构中焊缝的许用应力 我国起重机行业和钢制压力容器行业中采用的焊缝许用应力分别列于下表中 例题 例1两块板厚为5mm 宽为500mm的钢板对接 两端受28400N的
