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1、焊接结构讲义武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 1 页1第四章 焊接接头4-1 焊接接头与焊缝的形式与特性本节主要讲焊接接头的作用、型式、焊缝种类和强度特征等问题。也就是说要把各种接头的型式、特性等一系列基本问题给大家作一个全面的介绍。在科学技术高度发展的今天，焊接产品遍布人们生活工作的各个领域，而任何一个焊接产品都包含了很多的焊接接头，所以焊接接头是组成焊接结构的基本单元，也是焊接结构的关键元件，为了方便的研究这个基本单元，我们必须给它下一个准确的定义，（板书：一、定义）为了回答这个问题，我们用一个简单的对接接头来说明这个问题。这就是一个对接接头的断面，中间打斜线的
2、是焊缝金属，紧贴着它的是熔合线，接下来是热影响区，最后是部分基本金属，可见一个焊接接头由四部分组成：一、 定义 焊接接头 = 焊缝金属 + 熔合线 + 热影响区 + 部分母材有的书上将熔合线划到热影响区里面，这样接头就由三部分组成。二、 作用由上图我们可以看出，焊接接头的作用就是把相互分离的两部分基本金属连成一体，相互传递载荷，参与结构的受力，变形等一系列过程。所以一个合格的焊接接头，必须具有足够的强度和精度。所谓强度是指结构在使用中不破坏，不断裂；所谓精度是指焊接变形的大小和使用中的尺寸稳定性。一个重要接头的破坏往往直接或间接地导致整个结构的失效。所以焊接 接头的性能直接影响了焊接结构的性能
3、、使用安全等重大方面。所以说焊接接头是焊接结构的关键元件一点也不过分。由于焊接接头是由焊缝金属、热影响区和部分母材 3 部分组成，焊缝是焊接接头的主要部分，所以我们研究焊接接头的性能就应该先研究焊缝的性能、形式和特点。焊接结构讲义武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 2 页2三、焊缝的形式和特点焊缝是组成焊接接头的主体部分，对接焊缝和角焊缝是焊缝的两种基本型式1、 对接焊缝1)、尺寸要素熔宽（B）、熔深（H）、加厚高（e ）， 叫焊缝形状系数（B/H）2)、坡口形式一个合格的焊接接头必须具有足够的强度，为了保证足够的强度，一般要求焊缝熔透，而对于薄板结构又要求不焊穿，为
4、了满足这些要求，就需要对焊接边缘进行一些加工，通常叫做开坡口，对接焊缝的坡口常用的有卷边坡口、平对坡口、V 型坡口、 X 型坡口、K 型坡口和U 型坡口 等，如图 2-21 所示。卷边坡口：=13mm，不易烧穿平对坡口：=38mm焊接结构讲义武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 3 页3V 型坡口：=326mm，易加工，费材料U 型坡口：=2060mm，难加工。X 型坡口：=1260mm，易加工，省材料，要双面焊。K 型坡口：123)、坡口要素在设计坡口时必须标明坡口的某些具体尺寸，这些具体的尺寸就叫坡口要素。下面我们就以 V 型、U 型坡口为例来说明：V 型：坡口角度
5、（）、钝边（P）、间隙（c）。U 型：开角（）、根部圆弧半径（R）。其他各种坡口型式的要素都包含在这里了，可以类推。4)、选择坡口的原则在讲各种坡口型式的时候有人可能注意到，一种板厚不仅仅只是单一的对应一种坡口，而是有多种坡口可采用，这时我们到底用那种坡口呢？这就牵涉到坡口的选取原则。我们开坡口，定坡口要素的目的就是为了保证焊缝能够熔透，进而使接头具有足够的强度，保证质量，所以我们在选择坡口时也必须紧紧抓住这个目的，同时考虑经济性，一般说来，选择坡口型式必须考虑下列因素： 、根据板厚和焊接方法选择坡口，保证熔透。气焊，手弧焊，自动焊的熔透深度逐步增加，则板厚及钝边高度也可相应增加。 、焊接材料
6、的消耗量：对于同样厚度的焊接接头，采用 x 型坡口比 v型坡口能节省较多的焊接材料、电能和工时，构件越厚节省越多。 、可焊到性： 它是选择坡口型式的重要条件之一，一般地说，要根据构件能否翻转，翻转难易，或内外两侧的焊接条件而定。对不能翻转的和内经较小的容器，为了避免大量的仰焊及不能或不便从内侧施焊，都宜采用 v 型或 u 型坡口。 、坡口加工： v 型和 x 型坡口可用气割或等离子切割，亦可用机械切割加工。但 u 型和双 u 型坡口，一般需要刨边机加工。 、焊接变形： 采用不适当的坡口型式容易产生较大的焊接变形，如果坡口型式适宜工艺合理，则可有效的减少焊接变形。（第二节课结束）焊接结构讲义武汉
7、理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 4 页42、角焊缝角焊缝是一种应用相当广泛的焊缝型式，在船体结构中角焊缝的数量占全体焊缝总数的 80%以上。角焊缝按其截面形状可分为四种，如下图所示，角焊缝的大小用焊角高度 k 来表示，通常称 k 为焊角尺寸。承担静载荷时，如材料塑性良好，角焊缝的截面形状对承载能力没有显著影响。承担动载荷时，下图中凹型比平型的承载能力高，凸型的最低。不等边的，当长边平行于载荷方向时，承受动载效果较好。角焊缝按熔透深度还可分为：填角焊缝、深熔焊缝、全熔透焊缝三种。角焊缝按焊缝长度还可分为：连续焊缝，间断焊缝（链式间断、错综焊接结构讲义武汉理工大学 金属成
8、型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 5 页5式间断）（第三节课结束）四、焊接接头的形式和特点在实际生产中，焊接结构的型式是千变万化的，被接头联结的基本金属的结构型式也是各不相同的，这就要求焊接接头的型式也随之变化。所以焊接接头有多种型式。1、 对接接头形式：如图 2-24 a特点：受力好，装配要求高。对接接头截面变化平缓，应力集中小，受力状态是各种接头中最好的。但是它的装配要求较高，如果两边母材上下错动，或间隙过大、过小都不行。例如：船体外壳板都是对接接头，如果下料不准确，大了一点，那怕是半公分，只挤去了间隙的位置，就不能保证焊接质量，必须再切一刀。但是如果一下切多了，或者没有考虑到焊后
9、收缩变形，小了 23 公分，那么对不起，这快钢板就只好报废了，对国家，对人民，对你的工厂都将带来一定的损失，对你个人吗？一个月的奖金就别拿了。对接接头造成的应力集中的大小主要与下列因素有关：焊接结构讲义武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 6 页6（1）焊缝轮廓：主要表现在焊趾和焊跟向母材过渡的平滑程度，越平滑应力集中越小；其次是焊缝加厚高的大小，加厚高越大应力集中越大。（2）焊接错边：错边量越大应力集中越大。（3）接头的角变形：角变形越大应力集中越大。在实际生产中只要我们保证焊缝熔透；减小加厚高，使焊缝向母材过渡平顺；提高装配质量，减小焊接错边；选用合适的焊接规范和坡
10、口形式，减小角变形就可以有效的控制对接接头造成的应力集中。2、 搭接接头 形式：如图 2-24 b 特点：受力差，装配要求简单。搭接接头的特点刚好和对接接头相反，应力分布很不均匀，疲劳强度低，但是它们的焊前准备工作及装配要求却很简单。你看它，下料时大一点，小一点，只要不过火对接头性能就没有太大的影响，正是因为这个优点，搭接接头在某些对强度要求不高的结构上应用比较广泛，如：大型贮罐的底板。如图 225 所示。搭接接头也有不用角焊缝而用开槽焊和塞焊的。在搭接接头中根据搭接角焊缝受力的方向可以将搭接角焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝，如图 226 所示。焊缝方向与力的作用方向垂直的角焊缝称
11、为正面角焊缝，如图226 中的 l3 段；焊缝方向与力的作用方向相平槽 焊 接 头 塞 焊 接焊接结构讲义武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 7 页7行的称为侧面角焊缝，如图 226 中 l1 和 l5 段；介于两者之间的称为斜向角焊缝，如图 226 中 l2 和 l4 段。（1）正面角焊缝的工作应力分布在正面角焊缝的搭接接头中力线弯曲较为严重，应力分布很不均匀，有人做了正面角焊缝的力学模型进行测试，根据测试结果可以看出，在角焊缝的根部 A 点和焊趾 B 点都有较大的应力集中，如图 227 所示，其数值与许多因素有关，如焊趾 B 点的应力集中系数就是随角焊缝的斜边与水
12、平边的夹角 而变化的，减小其夹角 和增大熔深焊透根部，可以降低应力集中系数。由于搭接接头的正面角焊缝与作用力偏心，所以承受拉力时接头上产生附加弯曲应力，如图 228 所示。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离应不小于其板厚的 4 倍。（2）侧面角焊缝的搭接接头中的工作应力分布用侧面角焊缝连接的搭接接头中其应力分布更为复杂。在焊缝中既有正应力又有切应力，切应力沿焊缝长度上的分布是不均匀的，当受拉力 P 作用时,沿侧面角焊缝长度上切应力分布如图 229 中 qxa 所示（q xa 为单位长度焊缝承受的切力）。形成这种两端应力大，中间应力小的主要原因，是因为搭接板材不是绝对刚体，在受力时本身产
13、生弹性变形所至。当侧面角焊缝的搭接接头焊缝较长时这种应力分布的不均匀程度就更大，因此采用过长的侧面焊缝将使应力集中增加，是不合理的。一般规范规定，侧面焊缝长度不得大于 50k。（第 2 节课结束，2015-3-2）（3）联合角焊缝的搭接接头中的工作应力分布在只用侧面角焊缝焊成的搭接接头中，不但沿焊缝长度上应力分布是焊接结构讲义武汉理工大学 金属成型加工系 姜剑宁 2017/7/18 第 8 页8不均匀的，而且在母材断面上应力分布也是不均匀的，如图 230（a）中的横截面 AA，在焊缝附近出现较大正应力，其应力集中非常严重。为了改善这一断面上的应力分布，常增添一条正面角焊缝，这样就形成了联合角焊缝的搭接接头，如图 230（b）所示。增添正面角焊缝后
