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1、第三章 焊接结构强度的基本理论,3.1 电弧焊接头的工作应力 3.2 焊接结构的静载强度计算 3.3 焊接结构的疲劳破坏 3.4 焊接结构的脆性破坏,第一节 电弧焊接头的工作应力,一、应力集中 在焊接接头中，有时会存在变形和某种焊接缺陷，造成接头几何形状突变或不连续，从而在接头受外力作用时，导致接头中工作应力分布不均匀。在几何形状突变处或不连续处应力突然增大，高于平均应力的现象，称为应力集中。 引起应力集中的主要原因 ： 1）焊缝中有工艺缺陷 如气孔、夹杂、裂纹和未焊透等 。 2）焊缝外形不合理 如对接焊缝的余高过大，角焊缝为凸角焊缝等 。,3）焊接接头设计不合理。如接头截面的突变、加盖板的对
2、接接头等 。 二、电弧焊接头的工作应力分布 （1）对接接头 如图3-1所示。 （2）T形接头（十字接头） 如图3-2所示。 （3）搭接接头 1）正面角焊缝的工作应力分布 如图3-3所示。 2）侧面角焊缝的工作应力分布 如图3-4所示。 3）联合角焊缝的工作应力分布 如图3-5所示。,第二节 焊接结构的静载强度计算,一、工作焊缝和联系焊缝 工作焊缝：焊缝与被连接的元件串联，它承担着传递全部载荷的作用，即焊缝一旦断裂，结构就立即失效，见图3-7a、b； 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，见图3-7c、d 。 二
3、、焊接接头静载强度计算的假设 工程上为了计算方便常作如下假设： 1）残余应力对接头强度没有影响。 2）焊趾处和余高处的应力集中对接头强度没有影响。,3）接头的工作应力是均布的，以平均应力计算。 4）正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别。 5）焊脚尺寸K的大小对角焊缝的强度没有影响。 6）角焊缝都是在切应力的作用下破坏的，按切应力计算其强度。 7）角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面的最小高度上，其值等于内接三角形高a，见图3-8， a称为计算高度，直角等腰角焊缝的计算高度： 8）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，应予以考虑，见图3-8。其
4、角焊缝计算断面高度a为： a=（K+p）cos45 当K8mm时，可取a等于K；当K8mm时，可取p=3mm。,三、电弧焊对接接头的静载强度计算 静载强度计算方法，目前仍然采用许用应力法。而接头的强度计算实际上是计算焊缝的强度。因此，强度计算时的许用应力均为焊缝的许用应力。 电弧焊对接接头的静载强度计算的一般表达式为: 或 (3-1) 式中：、为平均工作应力；、为焊缝的许用应力。 计算对接接头的强度时，可不考虑焊缝余高，焊缝计算长度取实际长度，计算厚度取两板中较薄者。如果焊缝金属的许用应力与基本金属相等，则可不必进行强度计算。 全部焊透的对接接头的各种受力情况见图3-9。图中F为接头所受的拉（
5、或压）力，Fs为切力，M1为平面内弯矩，M2为垂直平面的弯矩。,第三节 焊接结构的疲劳破坏,一、疲劳的定义 疲劳定义为由重复应力所引起的裂纹起始和缓慢扩展而产生的结构部件的损伤。 二、影响焊接接头疲劳性能的因素 1应力集中和表面状态的影响 构件上缺口愈尖锐，应力集中愈严重（即应力集中系数K愈大），疲劳强度降低也愈大。 表面状态粗糙相当于存在很多微缺口，这些缺口的应力集中导致疲劳强度下降。表面越粗糙，疲劳极限降低就越严重。材料的强度水平越高，表面状态的影响也越大。焊缝表面波纹过于粗糙，对接头的疲劳强度是不利的。,2焊接残余应力的影响 焊接残余应力的存在，改变了平均应力 m的大小，而应力幅a却没有
6、改变。在残余拉应力区使平均应力增大，其工作应力有可能达到或超出疲劳极限而破坏，故对疲劳强度有不利影响。反之，残余压应力对提高疲劳强度是有利的。 3焊接缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度影响的大小与缺陷的种类、尺寸、方向和位置有关。片状缺陷（如裂纹、未熔合、未焊透）比带圆角的缺陷（如气孔等）影响大；表面缺陷比内部缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其他方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷，其影响比在残余压应力场内的大；同样的缺陷，位于应力集中场内（如焊趾裂纹和根部裂纹）的影响比在均匀应力场中的影响大。,三、 提高焊接结构疲劳强度的措施 1降低应力集中 （1）采用合理的结构形式 优先选用对接接
7、头，尽量不用搭接接头；重要结构最好把T形接头或角接接头改成对接接头必须采用T形接头或角接接头时，希望采用全熔透的对接焊缝。 尽量避免偏心受载的设计，使构件内力的传递流畅、分布均匀。 减小断面突变，当板厚或板宽相差悬殊而需对接时，应设计平缓的过渡区；结构上的尖角或拐角处应作成圆弧状，其曲率半径越大越好。 避免三向焊缝空间汇交，焊缝尽量不设置在应力集中区，尽量不在主要受拉构件上设置横向焊缝；不可避免时，保证该焊缝的内外质量，减小焊趾处的应力集中。 只能单面施焊的对接焊缝，在重要结构上不允许在背面放置永久性垫板；避免采用断续焊缝，因为每段焊缝的始末端有较高的应力集中。,（2）正确的焊缝形状和良好的焊
8、缝内外质量 对接接头焊缝的余高应尽可能小，焊后最好能刨（或磨）平而不留余高； T形接头最好采用带凹度表面的角焊缝，不用有凸度的角焊缝； 焊缝与母材表面交界处的焊趾应平滑过渡，必要时对焊趾进行磨削或氩弧重熔，以降低该处的应力集中。 在结构设计上要保证每条焊缝易于施焊、以减少焊接缺陷，同时发现超标的缺陷必须清除。 2调整残余应力 残余压应力可提高疲劳强度，而拉应力降低疲劳强度。因此，若能调整构件表面或应力集中处存在残余压应力，就能提高疲劳强度。,3改善材料的组织和性能 1）提高母材金属和焊缝金属的疲劳抗力还应从材料内在质量考虑。 2）强度、塑性和韧性应合理配合。 4特殊保护措施 大气及介质侵蚀往往
9、对材料的疲劳强度有影响，因此采用一定的保护涂层是有利的。,第四节 焊接结构的脆性破坏,一、 焊接结构脆断的基本现象和特点 1）多数脆断是在环境温度或介质温度降低时发生，故称为低温脆断。 2）脆断的名义应力较低，通常低于材料的屈服点，往往还低于设计应力。故又称为低应力脆性破坏。 3）破坏总是从焊接缺陷处或几何形状突变、应力和应变集中处开始的。 4）破坏时没有或极少有宏观塑性变形产生，一般都有断裂片散落在事故周围。断口是脆性的平断口，宏观外貌呈人字纹和晶粒状，根据人字纹的尖端可以找到裂纹源。微观上多为晶界断裂和解理断裂。 5）脆断时，裂纹传播速度极高，一般是声速的1/3左右，在钢中可达120018
10、00m/s。当裂纹扩展进入更低的应力区或材料的高韧性区时，裂纹就停止扩展。,6）若模拟断裂时的温度对断口附近材料做韧性能试验，则发现其韧性均很差，对离断口较远材料进行力学性能复验，其强度和伸长率往往仍符合原规范要求。 二、焊接结构脆断的原因 焊接结构发生脆断是材料、结构设计和制造工艺三方面因素综合作用的结果。就材料而言，主要是在工作温度下韧性不足，就结构设计而言，主要是造成极为不利的应力状态，限制了材料塑性的发挥；就制造工艺而言，除了因焊接工艺缺陷造成严重应力集中外，还因为焊接热的作用改变了材质（如产生热影响区的脆化）和产生焊接残余应力与变形等。 影响金属材料脆断的主要因素 温度的影响 材料塑
11、性的断面收缩率却随着温度降低而降低；随着温度降低，其韧性和韧度都下降。,加载速度的影响 钢材的塑性变形抗力随加载速度提高而加强，促进了 材料脆性断裂。提高加载速度的作用相当于降低温度。 应力状态的影响 塑性变形主要是由于金属晶体内沿滑移面发生滑 移，引起滑移的力学因素是切应力。因此，金属内有切 应力存在，滑移可能发生。 材料状态的影响 1）厚度的影响 厚度增大，发生脆断可能性增大。 2）晶粒度的影响 对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒 度越细，转变温度越低，越不易发生脆断。 3）化学成分的影响 碳素结构钢，随着碳含量增加， 其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向 增大。其他如N、O、H、
12、S、P等元素会增大钢材的脆性。,影响结构脆断的设计因素 （1）焊接连接是刚性连接 ； （2）结构的整体性 ； （3）构造设计上存在有不同程度的应力集中因素 ； （4）结构细部设计不合理 下面列举几种不妥的构造设计，它可能成为脆断的诱因。 断面突变处不作过渡处理； 造成三向拉应力状态的构造设计，如用过厚的板，焊缝密集，三向焊缝汇交，造成在拘束状态下施焊，复杂的残余应力分布等； 在高工作应力区布置焊缝； 在重要受力构件上焊接小附件又不注意焊接质量； 不便于施焊的构造设计，这样的设计最容易引起焊缝内外缺陷。,影响结构脆断的工艺因素 （1）应变时效对结构脆断的影响 研究表明，许多低强度钢应变时效引起局
13、部脆化非常严重，降低了材料延性，提高了材料的脆性转变温度，使材料的缺口韧性和断裂韧度值下降。 焊后热处理可消除这两类应变时效对碳钢和某些合金钢结构脆断的影响，可恢复其韧性。 （2）焊接接头非均质性的影响 焊接接头中焊缝金属与母材之间有强度匹配问题以及焊接的快速加热与冷却使焊缝和热影响区发生金相组织变化问题。这些非均质性对结构脆断有很大影响。 1）焊缝金属与母材不匹配。 焊缝强度高于母材的焊接接头（高匹配）对抗脆断较为有利。 要求焊缝和母材具有相同的塑性，而强度稍高于母材是最佳的匹配方案。,2）接头金相组织发生变化。 热影响区中的粗晶区和细晶区的缺口韧性相差很多，粗晶区是焊接接头的薄弱环节之一，
14、。 焊接残余应力的影响 在材料的开裂转变温度以下（材料已变脆）时，焊接拉伸残余应力有不利影响；而在转变温度以上时，焊接残余应力对脆性破坏无不利影响。 焊接工艺缺陷的影响 平面缺陷结构断裂影响最为严重，而平面缺陷中又以裂纹缺陷影响为甚。裂纹尖端应力应变集中严重，最易导致脆性断裂。 体积缺陷也同样削减工作截面而造成结构不连续。 试验表明，焊接角变形越大，破坏应力也越低；对接接头发生错边，就与搭接接头相似，会造成载荷与重心不同轴，产生附加弯曲应力。焊缝有余高，在焊趾处易产生高值的应力集中，导致在该处开裂。,三、防止焊接结构脆性破坏的措施 正确选用材料 所选钢材和焊接填充金属材料应保证在使用温度下具有
15、合格的缺口韧性。为此选材时应注意以下两点： 1）在结构工作条件下，焊缝、熔合区和热影响区的最脆部位应有足够的抗开裂性能，母材应具有一定的止裂性能力； 2）钢材的强度和韧度要兼顾，不能片面追求强度指标。 合理的结构设计 设计有脆断倾向的焊接结构时，应注意以下几个原则： 1）减少结构或焊接接头部位的应力集中： 应尽量采用应力集中系数小的对接接头，避免采用搭接接头。若有可能把T形接头或角接接头改成对接接头。 尽量避免断面有突变。 避免焊缝密集，焊缝之间应保持一定的距离。 焊缝应布置在便于施焊和检验的部位， 减少焊接缺陷。,2）在满足使用要求的前提下，尽量减小结构的刚度。刚度过大会引起对应力集中的敏感
16、性和大的拘束应力。 3）不采用过厚的截面，厚截面结构容易形成三向拉应力状态，约束塑性变形，而降低断裂韧性并提高脆性转变温度，从而增加脆断危险。此外，厚板的冶金质量也不如薄板。 4）对附件或不受力的焊缝设计给予足够重视。应和主要承力构件或焊缝一样对待，精心设计，因为脆性裂纹一旦从这些不受重视部位产生，就会扩展到主要受力的构件中，使结构破坏。 正确的制造过程 有脆断倾向的焊接结构制造时应注意： 1）对结构上任何焊缝都应看成是“工作焊缝”，焊缝内外质量同样重要。在选择焊接材料和制订工艺参数方面应同等看待。 2）在保证焊透的前提下减少焊接热输入，或选择热输入量小的焊接方法。,3）充分考虑应变时效引起局部脆性的不利影响。 4）减小或消除焊接残余内应力。 5）严格生产管理，加强工艺纪律，不能随意在构件上打火引弧，因为任何弧坑都是微裂纹源；减少造成应力集中的几何不连续性 。凡超标缺陷需返修，焊补工作须在热处理之
