焊接接头的静载强度

第三章  焊接接头的静载强度

本章主要介绍焊接接头的作用和基本形式；焊接接头的工作应力分布状况及其静载强度计算；影响焊接接头的疲劳强度因素有提高疲劳强度的措施；焊接接头脆性断裂、影响脆性断裂的因素及防止措施。

*节  焊接接头的类型

一、焊接接头的基本形式

1．电弧焊接头的基本形式

（1）对接接头  把同一平面上的两被焊工件相对焊接起来而形成的接头。这是一种比较理想的接头形式，受力状况好，应力集中小，材料消耗小。

（2）角接接头  是两被焊工件端面间构成大于30º、小于150º夹角的接头。多用于箱形构件上。

（3）T形接头  是把互相垂直的被焊工件用角焊缝连接起来的接头，可承受各种方向的力和力矩。

（4）搭接接头  是把两被焊工件部分地重叠在一起，以角焊缝连接，或加上塞焊缝、槽焊缝连接起来的接头。

（5）端接接头  是两被焊工件重叠放置或两被焊工件之间夹角不大于30º在端面进行连接的接头。

2．电阻焊接头的基本类型

（1）对接接头

（2）点焊接头

（3）缝焊接头

二、电弧焊焊缝的类型

1．按工作特点分 

①承载焊缝   ②非承载焊缝   ③密封焊缝   ④定位焊缝

2．按接头的结构特点分

 ①对接焊缝 ②角焊缝 ③端接焊缝 ④塞焊缝 ⑤组合焊缝 

第二节  常用焊接接头的工作应力分布

一、应力集中

1．应力集中概念

在几何形状突变处或不连续处应力突然增大的现象称为应力集中。应力集中程度的大小，常以应力集中系数K_T表示：

K_T=б_max/б_m

2．焊接接头中产生应力集中的原因

（1）焊缝中的工艺缺陷  如气孔、夹渣、裂纹和未焊透等。

（2）焊接接头处几何形状的改变

（3）不合理的接头形式和不合理的焊缝外形

二、电弧焊接头的工作应力分布

1．对接接头的工作应力分布

对接接头的应力集中位于由焊缝向母材过渡的转角处，K_T的大小取决于焊缝宽度c、余高h、焊趾处的θ角及转角半径r。在其它因素不变的情况下，余高h增加、焊缝宽度c减少、θ角增加、r减小等都会使K_T增加。

2．搭接接头的工作应力分布

（1）正面角焊缝的工作应力分布

如图3-5所示，在角焊缝的根部A点和焊趾B点有较大的应力集中，B点的应力集中系数随角焊缝的斜边与水平边的夹角θ而变，减小θ、增大熔深及焊透根部等都可降低应力集中系数。

搭接接头的正面角焊缝受偏心载荷时，在焊缝上会产生附加弯曲应力，导致弯曲变形，见图3-6。为了减少弯曲应力，两条正面角焊缝之间的距离l应不小于其板厚的4倍。

（2）侧面角焊缝的工作应力分布    在用侧面角焊缝连接的搭接接头中，其应力分布更加复杂。切应力沿焊缝长度上分布是不均匀的，它与焊缝尺寸、断面尺寸和外力作用点的位置等因素有关。

外力作用如图3-7a所示时，其沿侧面焊缝长度上切力分布见图3-8，因为搭接板材不是绝对刚体，在受力时本身产生弹性变形，所以形成两端切力大，中间切力小的分布状态。

外力作用如图3-7 b所示时，两板各对应点的相对位移从左至右逐渐下降，因而焊缝传递的切力以左端为*，向右逐渐减小。当侧面角焊缝长度超过某一长度时，焊缝中间部分的切力就会接近零，因此，采用过长的侧面角焊缝是不合理的。一般工艺规定侧面角焊缝长度不得大于50K。

（3）联合角焊缝搭接接头工作应力分布    如图3-9b所示，在B—B截面上正应力的分布比较均匀，*切应力τ_max 降低，所以在B—B截面两端点的应力集中得到改善。

3．T形接头的工作应力分布

T形接头在角焊缝的过渡处和根部都有很大的应力集中，如图3-10所示。

（1）未开坡口的T形接头   如图3-10a所示，焊缝根部应力集中很大，在焊趾截面B—B上应力分布也不均匀，B点的应力集中系数随角焊缝θ角减小而减小，也随焊脚尺寸增大而减小；但非承载焊缝在B点的K_T随焊脚尺寸增大而增大。

（2）开坡口并焊透的T形接头  如图3-10b所示，这种接头的应力集中大大降低。可见，保证焊透是降低T形接头应力集中的重要措施之一。 

第三节  焊接接头的设计与静载强度计算

一、焊接接头的设计

1．焊接接头设计要点

（1）应尽量使接头形式简单、结构连续，且不设在*应力作用截面上。

（2）要特别重视角焊缝的设计。

（3）尽量避免在厚度方向传递力。

（4）接头的设计要便于制造和检验。

（5）一般不考虑残余应力对接头强度的影响。

2．常见不合理的接头设计及改进

见表3-3

二、电弧焊接头静载强度计算

1．焊接接头静载强度计算的几个假设

2．电弧焊接头的静载强度计算

静载强度计算方法，目前仍采用许用应力法，强度计算时许用应力均为焊缝的许用应力。

焊缝的强度计算一般表达为：

                 б≤[б′]或τ≤[τ′]

(1)对接接头的静载强度计算  对接接头强度计算时，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。

全部焊透的对接接头如图3-17所示。其各种受力情况的计算公式如下：

1）受拉时

2）受压时

3）受剪切时

4）受板平面内弯矩

5）受垂直板面弯矩

（2）搭接接头静载强度计算

受拉、压的搭接接头计算公式如下：

正面焊缝

侧面焊缝

联合焊缝

第四节  焊接接头的疲劳破坏与脆性断裂

一、疲劳破坏

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。焊接结构在交变应力或应变作用下，也会由于裂纹引发扩展而发生疲劳破坏。疲劳破坏一般从应力集中处开始，而焊接结构的疲劳破坏又往往从焊接接头处产生。

1．影响焊接接头疲劳强度的因素

（1）应力集中的影响

（2）残余应力的影响

（3）缺陷的影响

2．提高焊接接头疲劳强度的措施

（1）降低应力集中

1）采用合理的结构形式，减少应力集中，以提高疲劳强度。

2）尽量采用应力集中系数小的焊接接头，如对接接头。

3）当采用角焊缝时，应采取综合措施来提高接头的疲劳强度。

4）用表面机械加工方法消除焊缝及其附近的各种刻槽，通过降低应力集中程度来提高接头的疲劳强度。

（2）调整残余应力场  消除焊接接头应力集中处的残余拉应力或使该处产生残余压应力，都可以提高疲劳强度。

1）整体处理。包括整体退火或超载预拉伸法。

2）局部处理。采用局部加热或挤压可以调节残余应力场，在应力集中处产生残余压应力。

（3）改善材料的力学性能。

（4）特殊保护措施

二、焊接结构的脆性断裂

在应力不高于结构的设计应力和没有明显塑性变形的情况下发生，并瞬时扩展到结构整体的破坏方式。

1．影响金属脆断的主要因素

（1）应力状态的影响  实验证明，许多材料处于单轴或双轴拉伸应力下，可呈塑性状态。当处于三轴拉伸应力时，因不易发生塑性变形而呈脆性。

（2）温度的影响  对于一定的加载方式，当温度降至某一临界值时，将出现塑性到脆性断裂的转变，这个温度称为脆性转变温度。脆性断裂通常发生在体心立方和密排六方点阵的金属和合金中，只有在特殊情况下，如应力腐蚀条件下才在面心立方点阵金属中发生。

（3）加载速度的影响  提高加载速度能促使材料脆性破坏，其作用相当于降低温度。

（4）材料状态的影响 

1）厚度的影响 

①厚板在缺口处容易形成三轴应力，因为沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制，产生三轴应力使材料变脆。

②冶金因素。厚板轧制次数少、终轧温度高，组织疏松，内外层均匀性差。

2）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度越细，其转变温度越低。

3）化学成分的影响。钢中C、N、O、H、S、P均增加钢的脆性。Mn、Ni、Cr、V加入适量，有助于减少钢的脆性。

2．预防焊接结构脆性断裂的措施

（1）正确选用材料

①在结构工作条件下，焊缝、热影响区、熔合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。

②材料的选择可通过缺口韧性试验或断裂韧性评定试验来确定。

（2）采用合理的焊接结构设计

1）尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中。

2）在满足结构的使用条件下尽量减少结构的刚度，以降低应力集中和附加应力。

3）不应通过降低许用应力值来减少脆性的危险性。

4）对于附件或不受力焊缝的设计，应与主要承力焊缝一样给予足够重视。

5）减少和消除焊接残余拉伸应力的不利影响。在制订工艺过程中，应当考虑尽量减少焊接残余应力值，在必要时应考虑消除应力热处理。