第4章焊接接頭

1、28焊接結(jié)構(gòu)講義第四章 焊接接頭§4-1 焊接接頭與焊縫的形式與特性本節(jié)主要講焊接接頭的作用、型式、焊縫種類和強度特征等問題。也就是說要把各種接頭的型式、特性等一系列基本問題給大家作一個全面的介紹。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，焊接產(chǎn)品遍布人們生活工作的各個領(lǐng)域，而任何一個焊接產(chǎn)品都包含了很多的焊接接頭，所以焊接接頭是組成焊接結(jié)構(gòu)的基本單元，也是焊接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元件，為了方便的研究這個基本單元，我們必須給它下一個準(zhǔn)確的定義，（板書：一、定義）為了回答這個問題，我們用一個簡單的對接接頭來說明這個問題。這就是一個對接接頭的斷面，中間打斜線的是焊縫金屬，緊貼著它的是熔合線，接下來是熱影響區(qū)，最后

2、是部分基本金屬，可見一個焊接接頭由四部分組成：一、 定義 焊接接頭 = 焊縫金屬 + 熔合線 + 熱影響區(qū) + 部分母材有的書上將熔合線劃到熱影響區(qū)里面，這樣接頭就由三部分組成。二、 作用由上圖我們可以看出，焊接接頭的作用就是把相互分離的兩部分基本金屬連成一體，相互傳遞載荷，參與結(jié)構(gòu)的受力，變形等一系列過程。所以一個合格的焊接接頭，必須具有足夠的強度和精度。所謂強度是指結(jié)構(gòu)在使用中不破壞，不斷裂；所謂精度是指焊接變形的大小和使用中的尺寸穩(wěn)定性。一個重要接頭的破壞往往直接或間接地導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的失效。所以焊接 接頭的性能直接影響了焊接結(jié)構(gòu)的性能、使用安全等重大方面。所以說焊接接頭是焊接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵元

3、件一點也不過分。由于焊接接頭是由焊縫金屬、熱影響區(qū)和部分母材3部分組成，焊縫是焊接接頭的主要部分，所以我們研究焊接接頭的性能就應(yīng)該先研究焊縫的性能、形式和特點。三、焊縫的形式和特點焊縫是組成焊接接頭的主體部分，對接焊縫和角焊縫是焊縫的兩種基本型式1、 對接焊縫1)、尺寸要素熔寬（B）、熔深（H）、加厚高（e）， 叫焊縫形狀系數(shù)（B/H）2)、坡口形式一個合格的焊接接頭必須具有足夠的強度，為了保證足夠的強度，一般要求焊縫熔透，而對于薄板結(jié)構(gòu)又要求不焊穿，為了滿足這些要求，就需要對焊接邊緣進行一些加工，通常叫做開坡口，對接焊縫的坡口常用的有卷邊坡口、平對坡口、V型坡口、X型坡口、K型坡口和U型坡口

4、等，如圖2-21所示。卷邊坡口：=13mm，不易燒穿平對坡口：=38mmV型坡口：=326mm，易加工，費材料U型坡口：=2060mm，難加工。X型坡口：=1260mm，易加工，省材料，要雙面焊。K型坡口：>123)、坡口要素在設(shè)計坡口時必須標(biāo)明坡口的某些具體尺寸，這些具體的尺寸就叫坡口要素。下面我們就以V型、U型坡口為例來說明：V型：坡口角度（）、鈍邊（P）、間隙（c）。U型：開角（）、根部圓弧半徑（R）。其他各種坡口型式的要素都包含在這里了，可以類推。4)、選擇坡口的原則在講各種坡口型式的時候有人可能注意到，一種板厚不僅僅只是單一的對應(yīng)一種坡口，而是有多種坡口可采用，這時我們到底用那

5、種坡口呢？這就牽涉到坡口的選取原則。我們開坡口，定坡口要素的目的就是為了保證焊縫能夠熔透，進而使接頭具有足夠的強度，保證質(zhì)量，所以我們在選擇坡口時也必須緊緊抓住這個目的，同時考慮經(jīng)濟性，一般說來，選擇坡口型式必須考慮下列因素： 、根據(jù)板厚和焊接方法選擇坡口，保證熔透。氣焊，手弧焊，自動焊的熔透深度逐步增加，則板厚及鈍邊高度也可相應(yīng)增加。 、焊接材料的消耗量：對于同樣厚度的焊接接頭，采用x型坡口比v型坡口能節(jié)省較多的焊接材料、電能和工時，構(gòu)件越厚節(jié)省越多。 、可焊到性：它是選擇坡口型式的重要條件之一，一般地說，要根據(jù)構(gòu)件能否翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)難易，或內(nèi)外兩側(cè)的焊接條件而定。對不能翻轉(zhuǎn)的和內(nèi)經(jīng)較小的容器，

6、為了避免大量的仰焊及不能或不便從內(nèi)側(cè)施焊，都宜采用v型或u型坡口。 、坡口加工：v型和x型坡口可用氣割或等離子切割，亦可用機械切割加工。但u型和雙u型坡口，一般需要刨邊機加工。 、焊接變形：采用不適當(dāng)?shù)钠驴谛褪饺菀桩a(chǎn)生較大的焊接變形，如果坡口型式適宜工藝合理，則可有效的減少焊接變形。（第二節(jié)課結(jié)束）2、角焊縫角焊縫是一種應(yīng)用相當(dāng)廣泛的焊縫型式，在船體結(jié)構(gòu)中角焊縫的數(shù)量占全體焊縫總數(shù)的80%以上。角焊縫按其截面形狀可分為四種，如下圖所示，角焊縫的大小用焊角高度k來表示，通常稱k為焊角尺寸。承擔(dān)靜載荷時，如材料塑性良好，角焊縫的截面形狀對承載能力沒有顯著影響。承擔(dān)動載荷時，下圖中凹型比平型的承載能

7、力高，凸型的最低。不等邊的，當(dāng)長邊平行于載荷方向時，承受動載效果較好。角焊縫按熔透深度還可分為：填角焊縫、深熔焊縫、全熔透焊縫三種。角焊縫按焊縫長度還可分為：連續(xù)焊縫，間斷焊縫（鏈?zhǔn)介g斷、錯綜式間斷）（第三節(jié)課結(jié)束）四、焊接接頭的形式和特點在實際生產(chǎn)中，焊接結(jié)構(gòu)的型式是千變?nèi)f化的，被接頭聯(lián)結(jié)的基本金屬的結(jié)構(gòu)型式也是各不相同的，這就要求焊接接頭的型式也隨之變化。所以焊接接頭有多種型式。1、 對接接頭形式：如圖2-24 a特點：受力好，裝配要求高。對接接頭截面變化平緩，應(yīng)力集中小，受力狀態(tài)是各種接頭中最好的。但是它的裝配要求較高，如果兩邊母材上下錯動，或間隙過大、過小都不行。例如：船體外殼板都是對

8、接接頭，如果下料不準(zhǔn)確，大了一點，那怕是半公分，只擠去了間隙的位置，就不能保證焊接質(zhì)量，必須再切一刀。但是如果一下切多了，或者沒有考慮到焊后收縮變形，小了23公分，那么對不起，這快鋼板就只好報廢了，對國家，對人民，對你的工廠都將帶來一定的損失，對你個人嗎？一個月的獎金就別拿了。對接接頭造成的應(yīng)力集中的大小主要與下列因素有關(guān)：（1）焊縫輪廓：主要表現(xiàn)在焊趾和焊跟向母材過渡的平滑程度，越平滑應(yīng)力集中越??；其次是焊縫加厚高的大小，加厚高越大應(yīng)力集中越大。（2）焊接錯邊：錯邊量越大應(yīng)力集中越大。（3）接頭的角變形：角變形越大應(yīng)力集中越大。在實際生產(chǎn)中只要我們保證焊縫熔透；減小加厚高，使焊縫向母材過渡平

9、順；提高裝配質(zhì)量，減小焊接錯邊；選用合適的焊接規(guī)范和坡口形式，減小角變形就可以有效的控制對接接頭造成的應(yīng)力集中。2、 搭接接頭 形式：如圖2-24 b 特點：受力差，裝配要求簡單。搭接接頭的特點剛好和對接接頭相反，應(yīng)力分布很不均勻，疲勞強度低，但是它們的焊前準(zhǔn)備工作及裝配要求卻很簡單。你看它，下料時大一點，小一點，只要不過火對接頭性能就沒有太大的影響，正是因為這個優(yōu)點，搭接接頭在某些對強度要求不高的結(jié)構(gòu)上應(yīng)用比較廣泛，如：大型貯罐的底板。如圖225所示。搭接接頭也有不用角焊縫而用開槽焊和塞焊的。在搭接接頭中根據(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，如圖22

10、6所示。焊縫方向與力的作用方向垂直的角焊縫稱為正面角焊縫，如圖226中的l3段；焊縫方向與力的作用方向相平行的稱為側(cè)面角焊縫，如圖226中l(wèi)1和l5段；介于兩者之間的稱為斜向角焊縫，如圖226 中l(wèi)2和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力線彎曲較為嚴(yán)重，應(yīng)力分布很不均勻，有人做了正面角焊縫的力學(xué)模型進行測試，根據(jù)測試結(jié)果可以看出，在角焊縫的根部A點和焊趾B點都有較大的應(yīng)力集中，如圖227所示，其數(shù)值與許多因素有關(guān)，如焊趾B點的應(yīng)力集中系數(shù)就是隨角焊縫的斜邊與水平邊的夾角而變化的，減小其夾角和增大熔深焊透根部，可以降低應(yīng)力集中系數(shù)。由于搭接接頭的正面角焊縫與作用力偏心

11、，所以承受拉力時接頭上產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，如圖228所示。為了減少彎曲應(yīng)力，兩條正面角焊縫之間的距離應(yīng)不小于其板厚的4倍。（2）側(cè)面角焊縫的搭接接頭中的工作應(yīng)力分布用側(cè)面角焊縫連接的搭接接頭中其應(yīng)力分布更為復(fù)雜。在焊縫中既有正應(yīng)力又有切應(yīng)力，切應(yīng)力沿焊縫長度上的分布是不均勻的，當(dāng)受拉力P作用時,沿側(cè)面角焊縫長度上切應(yīng)力分布如圖229 中qxa所示（qxa為單位長度焊縫承受的切力）。形成這種兩端應(yīng)力大，中間應(yīng)力小的主要原因，是因為搭接板材不是絕對剛體，在受力時本身產(chǎn)生彈性變形所至。當(dāng)側(cè)面角焊縫的搭接接頭焊縫較長時這種應(yīng)力分布的不均勻程度就更大，因此采用過長的側(cè)面焊縫將使應(yīng)力集中增加，是不合理的。一

12、般規(guī)范規(guī)定，側(cè)面焊縫長度不得大于50k。（第2節(jié)課結(jié)束，2015-3-2）（3）聯(lián)合角焊縫的搭接接頭中的工作應(yīng)力分布在只用側(cè)面角焊縫焊成的搭接接頭中，不但沿焊縫長度上應(yīng)力分布是不均勻的，而且在母材斷面上應(yīng)力分布也是不均勻的，如圖230（a）中的橫截面AA，在焊縫附近出現(xiàn)較大正應(yīng)力，其應(yīng)力集中非常嚴(yán)重。為了改善這一斷面上的應(yīng)力分布，常增添一條正面角焊縫，這樣就形成了聯(lián)合角焊縫的搭接接頭，如圖230（b）所示。增添正面角焊縫后AA斷面上的正應(yīng)力分布變得較為均勻，最大應(yīng)力降低，故此斷面上的應(yīng)力集中得到改善，由于正面角焊縫承擔(dān)了一部分外力，以及正面角焊縫比側(cè)面角焊縫剛度大、變形小，所以側(cè)面角焊縫的切應(yīng)

13、力分布也得到改善。設(shè)計搭接接頭時，采用聯(lián)合角焊縫的搭接接頭，不但可以改善應(yīng)力分布還可以縮短搭接長度。3、丁字（十字）接頭丁字接頭在船體上的應(yīng)用非常廣泛，比如船的縱橫骨架、扶強材等丁字（十字）接頭是將相互垂直的被連接件用角焊縫連接起來的接頭，它的種類也較多，常見的如圖231所示。丁字（十字）接頭的焊縫向母材過渡較劇烈，力線彎曲嚴(yán)重，應(yīng)力分布極不均勻，在焊縫跟部和趾部有較大的應(yīng)力集中。如圖232所示。圖2-32（a）是未開坡口的丁字（十字）接頭中正面焊縫的應(yīng)力分布狀況。由于整個厚度沒有焊透，所以焊縫跟部應(yīng)力集中很大。在焊趾截面B-B上應(yīng)力分布也是不均勻的，B點的應(yīng)力集中系數(shù)的值隨角焊縫形狀而變，角

14、減小應(yīng)力集中系數(shù)減小，焊角尺寸增大應(yīng)力集中系數(shù)也減小。圖232（b）是開坡口并焊透的丁字（十字）接頭，這種接頭的應(yīng)力集中大大降低?？梢姳ＷC焊透是降低丁字（十字）接頭應(yīng)力集中的重要措施之一。因此，對重要的丁字接頭必須開坡口焊透或采用深熔焊接方法進行焊接。丁字接頭還應(yīng)注意層壯撕裂，原因：板厚方向受力。措施：改變受力方向，將工作焊縫轉(zhuǎn)化為聯(lián)系焊縫。對于雙向受力的丁字接頭應(yīng)采用圓型或方型或特殊形狀的軋制、鍛制插入件。4、角接頭角接頭多用于箱型構(gòu)件上，常見的如圖233所示。其中：圖233（a）是最簡單的角接頭，但承載能力差；圖233（b）是采用雙面焊縫從內(nèi)部加強的角接頭，承載能力較大；圖233（c）和（

15、d）開坡口易焊透，有較高的強度，而且在外觀上具有良好的棱角，但要注意層狀撕裂問題；圖233（e）和（f）易裝配，省工時，是最經(jīng)濟的角接頭；圖233（g）是保證接頭具有準(zhǔn)確直角的角接頭，并且剛性大，但角鋼厚度應(yīng)大于板厚；圖233（h）是不合理的角接頭，焊縫多而且不易施焊。（第四節(jié)課結(jié)束）5、鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)與鉚焊聯(lián)合接頭現(xiàn)代的金屬結(jié)構(gòu) 絕大多數(shù)用焊接方法制造，然而在某些金屬結(jié)構(gòu)上的個別部位仍有用鉚釘連接的，象這樣既有焊接接頭，又有鉚接接頭的結(jié)構(gòu)稱為鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)。那么在焊接結(jié)構(gòu)中為什么要保留少量鉚接接頭呢？這是因為鉚接比焊接雖然有許多缺點，但也有焊接所不能代替的特點：（1）鉚接結(jié)構(gòu)有較高的止裂性。如果

16、在鉚接結(jié)構(gòu)上發(fā)生局部斷裂，裂紋擴展到鉚接接頭時，就不能再繼續(xù)擴展。而如果在焊接結(jié)構(gòu)上發(fā)生局部斷裂，裂紋可以穿過焊縫擴展到另外部分導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。（2）鉚接接頭比焊接接頭的剛度小，有較大的退讓性（或稱柔性）。在承受沖擊力時，能吸收一定的能量，有緩沖作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)在載荷的作用下發(fā)生變形時，可以減少因接頭剛度大而引起的局部應(yīng)力。（3）鉚接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)比某些焊接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)低，對疲勞強度有利。（4）鉚接接頭在結(jié)構(gòu)中形成的內(nèi)應(yīng)力比焊接結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力低，而焊接接頭的內(nèi)應(yīng)力往往達到材料的屈服極限。采用鉚焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)，可以吸取鉚接的上述優(yōu)點來彌補焊接的不足，充分發(fā)揮兩種技術(shù)各自的優(yōu)點，是一種比較合理的

17、結(jié)構(gòu)。例如，大型船舶的甲板邊板與舷頂列板的連接至今仍采用鉚接，現(xiàn)在有些梁類焊接結(jié)構(gòu)中有用高強度螺栓取代鉚釘?shù)?，這種結(jié)構(gòu)稱之為栓焊聯(lián)合結(jié)構(gòu)。但是，上述分析的原理如果運用在某一單個的接頭上就不成立了，在同一個接頭上既有鉚釘又有焊縫，這樣的接頭叫鉚焊聯(lián)合接頭，如圖235，這是一種不合理的接頭型式。由于鉚釘?shù)拇嬖?，使得焊接結(jié)構(gòu)的效率高、經(jīng)濟性好的特點不能得到充分發(fā)揮，而焊縫又使得接頭的止裂性下降。因此，鉚焊聯(lián)合接頭吸取的不是兩種技術(shù)的優(yōu)點，而是缺點，在新設(shè)計的結(jié)構(gòu)上不應(yīng)采用這種接頭。§4-2焊接接頭的性能焊接接頭是一個不均勻體，它內(nèi)部各個區(qū)域的力學(xué)性能都不相同，所以我們研究接頭的力學(xué)性能，應(yīng)

18、當(dāng)首先研究接頭內(nèi)部各個區(qū)域的力學(xué)性能。一、焊縫金屬的力學(xué)性能1、組織：焊縫金屬是由充填材料及部分母材經(jīng)過熔化、冷凝形成的鑄造組織。2、性能：焊縫金屬的力學(xué)性能與焊接方法及線能量有關(guān)，一般地說：（1）多層焊的力學(xué)性能好于單層焊；這是因為后層焊道對前層焊道有回火作用細(xì)化晶粒。（2）線能量小焊縫的強度、硬度都比較高；這是由于線能量小焊縫的冷卻速度大，晶粒細(xì)小，所以焊縫的強度、硬度都比較高。反之，線能量大的或焊前預(yù)熱的焊縫金屬的強度、硬度都比較低；這是由于線能量大冷卻速度慢，晶粒長的比較大，焊縫金屬的強度、硬度都比較低。總的來說，在整個焊接接頭中，焊縫金屬不存在大的問題，但是要注意單道焊焊縫中間的脆性

19、面，單道焊的組織是柱狀晶，生長方向與等溫線垂直與散熱方向相反，如果焊縫形狀系數(shù)不適當(dāng)使焊縫過分深而狹窄，這樣焊縫結(jié)晶時柱狀晶便會垂直向中間生長，把渣滓和低熔共晶推向焊縫中心，形成一個脆性面，很容易開裂，這是不允許的。預(yù)防措施是調(diào)整焊縫形狀系數(shù)，使焊縫顯的寬胖一些，這樣柱狀晶就不再垂直地向中間生長了，而是偏向上方這樣就把渣滓推向焊道上部，消除了焊道中間的脆性面，對一些要求高的焊縫，把加厚高刨去剩下的就是好金屬了。二、熱影響區(qū)的力學(xué)性能這部分主要把握2個脆化區(qū)，所謂脆化區(qū)就是韌性低的區(qū)域，一般來說，這些區(qū)域的強度、硬度比較高，沖擊值較低。一個脆化區(qū)是熱影響區(qū)中1200度左右的粗晶區(qū)，這里強度和硬度

20、都比母材高，韌性比母材低，另一個脆化區(qū)是在熱影響區(qū)外側(cè)約200400度之間，也叫蘭脆區(qū)，它形成的原因主要是超顯微的x碳化物沿馬氏體晶界呈薄片狀析出造成的這種硬而脆的碳化物薄膜割裂了馬氏體因而脆性大增。造成這一區(qū)域的脆化還有一個原因，就是熱應(yīng)變脆化。什么是熱應(yīng)變脆化？我們知道塑性應(yīng)變總是使材料的變形能力和塑性下降，這種現(xiàn)象叫加工硬化，也叫應(yīng)變脆化。如果這個塑性變形出現(xiàn)在200400度溫度區(qū)間，對塑性的影響就更大，這一現(xiàn)象就叫熱應(yīng)變脆化。注意熱應(yīng)變脆化是由溫度和塑變2個因素同時作用引起的脆化，它要比其中單獨一個因素引起的脆化嚴(yán)重的多。對于焊接接頭來說，由于熱循環(huán)的作用，溫度因素總是存在的，還由于焊

21、接熱應(yīng)力的作用，在近縫區(qū)將產(chǎn)生熱塑變，這樣溫度、塑變2個因素都齊備了，所以焊接接頭總是存在熱應(yīng)變脆化。熱應(yīng)變脆化現(xiàn)象與鋼材中碳、氮等溶質(zhì)原子的作用特性有關(guān)，控制碳、氮含量或加入某些固定碳氮的元素可以減緩熱應(yīng)變脆化現(xiàn)象。三、低強焊縫的力學(xué)性能根據(jù)焊縫金屬的強度比母材的高低，焊接接頭分為2類：高組配接頭：（焊縫金屬強度大于母材強度）低組配接頭：（焊縫金屬強度低于母材強度也叫軟層接頭）。高組配接頭是以前設(shè)計焊接接頭的原則，也是現(xiàn)在大多數(shù)中低強度鋼的焊接接頭的設(shè)計原則，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新鋼種的不斷涌現(xiàn)特別是高強鋼和大型厚板結(jié)構(gòu)在工程上應(yīng)用的日益廣泛，要在高強鋼和大型厚板結(jié)構(gòu)上應(yīng)用高組配接頭就很

22、困難了，我們知道鋼的強度上升一般來說碳當(dāng)量也是上升的這樣裂紋敏感性增加，結(jié)構(gòu)厚度越大其拘束度也越大，拘束應(yīng)力增加，裂紋敏感性也增加，所以對高強鋼和大厚板結(jié)構(gòu)很難做到既保證焊縫金屬的強度大于母材又保證不出裂紋，這樣人們開始考慮，既然高組配接頭很難用在高強鋼和厚板結(jié)構(gòu)上，那么使用低組配接頭行不行呢？怎樣才能讓低組配接頭與母材等強呢？（1）增大焊縫斷面對于強度為b斷面為Fb的高強鋼焊件，若用普通的焊接方法采用高組配接頭則很難保證焊接區(qū)域不出裂紋，所以只能用強度遠(yuǎn)小于b的焊接材料來焊，以保證不出裂紋，但如果只是焊成普通的焊縫斷面形狀就不能保證接頭強度，因為母材能承受的載荷為bFb ，焊縫能承受的載荷為

23、wFw ，顯然wFw <bFb。要想使上述2數(shù)相等，就只能增大焊縫斷面Fw。我國的09工程，核潛艇的耐壓殼用的就是這樣的焊縫。為了減少焊縫斷面變化引起的應(yīng)力集中，要求 L/C>=6 以減緩母材向焊縫金屬過渡的劇烈程度。（2）控制相對寬度焊接接頭是一個不均勻體，焊接接頭的強度不是簡單的等于焊縫金屬的強度，他們之間有一定的關(guān)系，這個關(guān)系與焊縫的相對厚度有關(guān)，所謂相對厚度：對于圓桿型試件是指焊縫寬度與桿件直徑之比。即：H/D 對于板狀試件是指焊縫寬度與焊件厚度之比，即：H/。有人做了這樣一個試驗，做一批直徑為10毫米的圓柱型軟層接頭的試驗?zāi)Ｐ停顾麄兊南鄬穸雀鞑幌嗤?，然后做拉伸試驗，測

24、他們各自的強度，作出強度隨相對厚度變化的曲線，曲線的形狀是這樣的，由該曲線可以看出：當(dāng)相對厚度大于0.8時接頭強度很低，基本等于焊縫強度；當(dāng)相對厚度小于0.8時，接頭強度開始上升；當(dāng)相對厚度小于0.2時，接頭強度達到母材的強度，斷裂也在母材上。為什么減少焊縫相對厚度能提高接頭強度呢？它強化的原因又是什么呢？經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)原因是：高強的母材阻礙焊縫金屬的變形，使之受三向應(yīng)力狀態(tài)而強化。我們舉一個厚板對接的軟層接頭的例子來說明這個問題：一個厚板對接的軟層接頭受垂直于焊縫方向的拉應(yīng)力，當(dāng)接頭受力達到焊縫的屈服極限時，焊縫金屬開始屈服，出現(xiàn)收縮趨勢，此時我們從焊縫中取出一小塊單元體來分析他的受力：上

25、面是外載荷引起的拉應(yīng)力，厚度方向上是仍處于彈性階段的基本金屬阻礙焊縫在該方向上的收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，同樣在寬度方向上也存在母材對焊縫的拘束拉應(yīng)力，可見軟層接頭的焊縫金屬受的是三向應(yīng)力，而三向應(yīng)力狀態(tài)總是使材料變形困難，強度增加，焊縫寬度越小徑向拉應(yīng)力就越大，三向應(yīng)力狀態(tài)就越嚴(yán)重，強度提高的就越大，所以減少焊縫相對厚度提高接頭強度的原因就是：高強的母材阻礙焊縫金屬的變形，使之受三向應(yīng)力狀態(tài)而強化。應(yīng)用控制相對寬度的方法還必須注意的一點是：由于軟層金屬受三向應(yīng)力狀態(tài)，所以脆性大大提高，這就需要焊縫金屬必須具有更高的韌性，才能保證接頭安全可靠。通過以上對兩種軟層接頭的分析得出了現(xiàn)代設(shè)計焊接接頭新的強

26、度原則，即：接頭與母材的等強原則，從而打破了傳統(tǒng)的焊縫金屬與母材等強原則。§4-3 焊接接頭的靜載強度計算一、工作焊逢和聯(lián)系焊縫1、聯(lián)系焊縫：只傳遞部分載荷，使被聯(lián)結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生協(xié)調(diào)變形的焊縫2、工作焊縫：傳遞全部載荷，一旦斷裂，結(jié)構(gòu)立即失效的焊縫。二、焊接接頭強度計算的假設(shè)1、 焊趾處和加厚高等處的應(yīng)力集中，對接頭強度沒有影響。2、殘余應(yīng)力對于接頭強度沒有影響3、 接頭的工作應(yīng)力是均布的，以平均應(yīng)力計算。4、 正面角焊縫與側(cè)面角焊縫的強度沒有差別。5、 焊腳尺寸的大小對于角焊縫的強度沒有影響。6、 角焊縫是在切應(yīng)力的作用下破壞的，按切應(yīng)力計算強度。7、 角焊縫的破斷面（計算斷面）在角焊

27、縫截面的最小高度上。8、 加厚高和少量的熔深對接頭的強度沒有影響。（第六節(jié)課結(jié)束），（第4節(jié)課結(jié)束）三、各種焊接接頭的靜載強度計算按照表4-7 焊接接頭計算基本公式進行計算。P1581、對接接頭的靜載強度計算（圖4-55）受拉： 受壓受剪切受平面內(nèi)的彎矩：（思路：外力矩必須與焊縫產(chǎn)生的內(nèi)力矩相平衡。）2、搭接接頭的靜載強度計算（1）搭接接頭受拉，壓正面或側(cè)面搭接受拉壓：聯(lián)合角焊縫搭接受拉壓： 例4-2 將100mm×100mm×10mm的角鋼用角焊縫搭接在一塊鋼板上，受拉伸時要求與角鋼等強度，試計算接頭的焊角尺寸k 和焊縫長度 l 應(yīng)該是多少？解 ： 由材料手冊查得：角鋼截

28、面面積A= 19.2 cm2 ；許用拉應(yīng)力 焊縫許用切應(yīng)力：則：角鋼的許用載荷為：若取 K=10mm 則所需的焊縫總長度為：角鋼一端的正面角焊縫 L3 =100mm ，倆側(cè)焊縫總長為339mm。查得角鋼的拉力作用線的位置 e =28.3 mm ，按杠桿原理： 注意 ：求得焊腳尺寸和焊縫總長后還必須合理的布置焊縫。（2）搭接接頭受彎矩搭接接頭在搭接平面內(nèi)受彎曲力矩時計算方法有3種：分段計算法（表3-2中公式9）（圖4-58）外加力矩M必須和水平焊縫產(chǎn)生的內(nèi)力矩MH和垂直焊縫產(chǎn)生的內(nèi)力矩MV之和相平衡，即：M=MH+MV水平焊縫中的力矩：MH=應(yīng)力×面積×力臂=t·0

29、.7KL·（h+K）垂直焊縫中的力矩：式中：為平均應(yīng)力；為受力面積；為力臂；軸慣性矩計算法（圖4-59）假定應(yīng)力與變形成正比，變形與其至中性軸的距離成正比，所以焊縫中的應(yīng)力亦與其至中性軸的距離成正比，據(jù)此設(shè)與中性軸相距單位長度處的應(yīng)力值為t1，則與中性軸相距y處的應(yīng)力ty為ty=t1y設(shè)：t1 則 ： ty=t1y ； 取 dF 則 ： 在焊縫的計算斷面上距中性軸y處取一微面積dF，則dF上的反作用力為：。它對中性軸的反作用力矩為：如果接頭承受的不是單純的彎矩,而是垂直于X軸方向的偏心載荷P（圖3-65）,則焊縫中既有由彎矩M=PL引起的切應(yīng)力tM又有由切力Q=P引起的切應(yīng)力tQ。應(yīng)

30、分別計算出tM，tQ，可采用分段法或軸慣性矩法計算tM，然后按下式計算合成應(yīng)力 （第七節(jié)課結(jié)束）（3）雙縫搭接接頭的計算分長焊縫小間距（圖4-62）及短焊縫大間距（圖4-63）兩種情況： 長焊縫小間距（圖4-62）：此時焊縫受兩個切應(yīng)力作用，一個是由切力引起的Q ，一個是由彎距引起的M 。 它們的合應(yīng)力為：短焊縫大間距（圖4-63）此時焊縫也受兩個切應(yīng)力作用，一個是由切力引起的Q 一個是由彎距引起的M 。它們的合應(yīng)力為：3、丁字接頭強度計算（1）載荷平行于焊縫的丁字接頭強度計算（圖464）有倆個互相垂直的切應(yīng)力，一個是切力Q （=P）引起的tQ，一個是彎矩M（=PL）引起的tM。例4-4 一T

31、型接頭如圖4-65所示。已知焊縫金屬的許用切應(yīng)力 ，試計算角焊縫的焊角尺寸K。解 ： 計算彎矩產(chǎn)生的切力： 計算載荷產(chǎn)生的切力 ：計算合力 ：取K=8mm。4、復(fù)雜截面構(gòu)件接頭的計算所謂復(fù)雜截面通常是指箱形、環(huán)形、工字形、丁字形等截面。這類截面常出現(xiàn)在梁柱之類的連接中，構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)。計算這類結(jié)構(gòu)的接頭除需要考慮以前那些假設(shè)外，還要考慮以下幾個問題：1） 首先弄清接頭的受載情況，分別算出各載荷引起的應(yīng)力，并注意應(yīng)力的方向，性質(zhì)，位置，然后計算危險點上的合成應(yīng)力。如果危險點難以確定，應(yīng)選幾個高應(yīng)力計算合成應(yīng)力。2） 計算合成應(yīng)力時，最高正應(yīng)力和最高切應(yīng)力雖不在同一點上，但計算時常以最大正應(yīng)力和平均

32、切應(yīng)力計算其合成應(yīng)力，這樣偏于安全。3） 粗略計算時，有時把正應(yīng)力當(dāng)切應(yīng)力考慮。是偏向安全的簡化計算方法。（1）、受彎矩連接接頭的強度計算；僅受彎矩M作用：（第6節(jié)課結(jié)束、2015.3.12）復(fù)雜截面的聯(lián)結(jié)多承受彎矩作用，如圖4-70所示；計算時先計算接頭上各焊縫對OO軸的慣性矩IF ；然后按式 計算最高應(yīng)力。式中常見復(fù)雜截面的IF和ymax值見表4-8（教材P166）彎矩M和軸向力N同時作用：如果構(gòu)件同時承受彎矩M和軸向力N時，焊縫中將產(chǎn)生方向相同的兩個切應(yīng)力分量N和M,。tM ：彎矩引起的切應(yīng)力tM按式計算，tN ：軸向力引起的切應(yīng)力tN按下式計算， ，因為應(yīng)力方向相同，所以合成應(yīng)力t合=

33、tM +tN 。橫向力F和軸向力N同時作用：如果構(gòu)件同時承受橫向力F和軸向力N時，則該接頭同時承受由橫向力F所產(chǎn)生的彎矩M=FL和切力Q=F以及軸向力N的作用。由于構(gòu)件承受切力Q 時是只由腹板承受的，所以切力只能由聯(lián)結(jié)腹板的焊縫承受，并假定切應(yīng)力是沿焊縫均勻分布的。因此此時接頭上有兩個危險點;一個是翼板外側(cè)，根據(jù)材料力學(xué)的觀點，切力由腹板承受，所以此處不考慮橫向力F所產(chǎn)生的切力的作用.另一個危險點是腹板上端點。要驗算兩個危險點。一個是翼板外側(cè)受拉的焊縫的合成應(yīng)力：另一個是腹板立縫端點的合成應(yīng)力：計算例題： 例4-5 一懸臂梁如圖4-70所示，焊縫許用切應(yīng)力t=10000N/cm2 =100MP

34、a ，試計算焊縫強度。解：工字梁截面周邊角焊縫的慣性矩：（按表4-8中3式計算）P166危險點一：翼板外側(cè)受拉邊的最大合成應(yīng)力：危險點二：腹板立焊縫端點的合成應(yīng)力：所以焊縫強度滿足要求！ （第八節(jié)課結(jié)束）（2）、受扭矩的接頭強度計算；矩形截面構(gòu)件的接頭 開坡口四周全焊 四周填角焊圓形截面構(gòu)件的接頭 Wn為接頭的抗扭截面系數(shù)5、角焊縫計算的研究1953年提出以實驗為基礎(chǔ)的焊縫計算方法。1954年發(fā)表了有關(guān)這方面研究的大量實驗數(shù)據(jù)，（圖4-73）這些數(shù)據(jù)說明：1.角焊縫承載能力與外載荷的作用方向有關(guān)，2.受壓力的能力比承受拉力大很多，約1.7倍，3.承受切力的能力最小，僅為承受拉力的75%左右，4

35、.所以按切力計算角焊縫強度比較安全但不夠精確。5.正面角焊縫的破斷面上只有s，（破斷面上與焊縫垂直的正應(yīng)力）和t（破斷面上與焊縫垂直的切應(yīng)力）的作用，它們的折合應(yīng)力可按下式計算： s，破斷面上與焊縫垂直的正應(yīng)力t 破斷面上與焊縫垂直的切應(yīng)力1964年國際焊接學(xué)會公布了計算角焊縫折合應(yīng)力的一般公式， t/ 破斷面上與焊縫平行的切應(yīng)力。1976年明確提出不考慮平行于焊縫的正應(yīng)力s/，只考慮三種應(yīng)力s，t，t/。（圖4-74）上式修改為：式中：b是因母材屈服限ss而變的系數(shù)，ss=240N/mm2 , b=0.7 ;ss=360N/mm2 , b=0.85 ;其他鋼種按ss值用插值法確定b值。例4-7 ： 教材P170T型接頭沿角焊縫方向作用偏心力的靜載強度計算。如圖：最大應(yīng)力在受拉邊焊縫的端點，該最大應(yīng)力按表4-2式18計算： 即： 角焊縫計算斷面上的最大正應(yīng)力和切應(yīng)力為：由切力引起的平均切應(yīng)力為