焊接技师培训教材(静载强度计算...)

1、张明录 （焊接接头的静载强度计算）（焊接接头的静载强度计算）目目 录录一一. .焊接接头的应力分布焊接接头的应力分布二.焊接接头的静载强度焊接接头的静载强度三三. .焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂四四. .焊接结构的疲劳断裂焊接结构的疲劳断裂 1.1.影响焊接接头力学性能的因素影响焊接接头力学性能的因素（1）影响因素：冶金因素和力学因素 1）组织性能的不均匀 2）焊接接头几何形状尺寸的不连续性 3）焊接接头中存在焊接残余应力 4）生产过程中产生的焊接变形和各种缺陷，导致产生应力和应力集中一一. . 焊接接头的应力分布焊接接头的应力分布 5）焊接结构工作时的工作温度、环境介质及载荷性质（2

2、）焊接结构产品的失效形式 1）焊接接头强度不足或韧性不足引起的断裂 2）刚性不足引起超标准的焊接变形 3）耐腐蚀性差引起的过度腐蚀以及焊缝微密性差引起泄露等 （1）应力集中： 由于焊缝的形状和焊缝布置不同，焊接接头的工作应力分布是不均匀的。当最大应力值（max）平均应力值（m）时，这种情况称为应力集中。应力集中常以应力集中系数来表示：KT = max / m2.2.应力集中的概念应力集中的概念（2）在焊接接头中产生应力集中的原因： 1）焊缝中的工艺缺陷 气孔、夹渣、裂纹、未焊透等，都会在周围引起应力集中。裂纹、未焊透引起应力集中最严重。 2）不合理的焊缝外形 如：对接焊缝余高过大、角焊缝为凸焊

3、缝 3）设计不合理的焊接接头 如：接头截面的突变 、焊缝布置不合理等 不同的焊接接头在外力作用下，其工作应力分布和工作性能是不一样的。（1）对接接头 由于焊缝余高造成构件表面不平滑，在焊缝与母材交界处引起应力集中。余高越高，应力系数越大。3.3.焊接接头的工作应力分布和工作性能焊接接头的工作应力分布和工作性能（2）丁字接头（十字接头） 由于丁字接头（十字接头）焊缝向母材过渡较急剧，造成应力分布极不均匀，在角焊缝根部和过渡处产生很大应力集中， 开坡口并焊透的丁字接头（十字接头），能有效地降低应力集中。 焊接结构上的焊缝，根据其载荷的传递情况，可分为工作焊缝和联系焊缝。（1）工作焊缝 焊缝与被连接

4、件是串联的，它承担着传递全部载荷作用的称工作焊缝，其应力称工作应力。这种焊缝一旦断裂，结构就失效。二二. .焊接接头静载强度计算焊接接头静载强度计算1.1.工作焊缝和联系焊缝工作焊缝和联系焊缝（2）联系焊缝 焊缝与被连接件是并联的，它传递很小载荷，主要起工件之间相互联系的作用称联系焊缝，其应力为联系应力。这种焊缝一旦断裂，结构不会立即失效。 一般在设计时不需要计算联系焊缝的强度。 对于具有双重性的焊缝，它既是工作焊缝，又是联系焊缝，则只计算工作应力，不考虑联系应力。（1）残余应力对接头强度没有影响（2）焊趾和余高处的应力集中对接头强度没有影响（3）接头的工作应力是相等的，以平均应力计算（4）正

5、面角焊缝和侧面角焊缝的强度没有差别2.2.焊接接头强度计算假设焊接接头强度计算假设（5）焊脚尺寸的大小对于角焊缝的强度没有影响（6）角焊缝都是在切应力下破坏的，按切应力计算（7）角焊缝的破断面（计算截面），在角焊缝截面最小高度，其值等于内接三角形高度a（a为计算高度） a = K / 2 = 0.7 K（8）余高和少量熔深对接头强度没有影响，但埋弧焊和CO2焊熔深大时，应考虑： = （K+P）cos45 当当 K8 mm时，时， = K 当当 K8 mm时，时，P = 3 mm（1）对接接头的静载强度计算 计算对接接头强度时，不必考虑焊缝余高 当两块板不等厚度时，按薄板计算 全焊透的对接接头各

6、种受力情况，图中：F为接头受到的拉力Q为剪切力M1为平面内弯矩M2为垂直平面弯矩3.3.焊接接头静载强度计算焊接接头静载强度计算 1） 受拉或受压受拉：t = F / L t 受压： a = F / L aF接头所受的拉力或压力（N）L焊缝长度（cm）板的厚度（cm）接头受拉或受压时焊缝中所承受的应力(N/cm2) t 焊缝受拉或受弯时的许用应力(N/cm2) a焊缝受压时的许用应力(N/cm2)计算例题： 两块板厚为5mm，宽为50mm的钢板对接在一起，两端受28400N的拉力，材料为A3钢，试校核其焊缝强度。已知： t =14200 N/cm2解： 5mm=0.5cm 50mm=5cm t

7、 = F / L =28400 /( 50.5) =11360 N/cm214200 N/cm2所以：该对接接头焊缝能满足要求，结构工作时安全。 2）受剪切 = Q / LQ 接头所受的剪切力（N）L焊缝长度（cm） 板的厚度（cm） 接头焊缝中所承受的切应力(N/cm2)焊缝许用切应力(N/cm2) 计算例题： 两块板厚为10mm的钢板对接，焊缝受29300N的剪切力，材料为A3钢，试设计焊缝的长度。已知：A3钢材料的许用应力为9800 N/cm2解： = Q / L 10mm=1cm LQ / L29300 / (19800) = 2.99cm所以，焊缝长度取3cm，即当焊缝长度为3cm时

8、，该对接接头的焊缝强度能满足要求。3）受弯矩受板平面内弯矩：= 6M1 / L2t受垂直板面弯矩： = 6M2 / 2LtM1板平面内弯矩（Ncm） M2 垂直板面弯矩（Ncm）L焊缝长度（cm）；板的厚度（cm）接头受弯矩作用时焊缝中所承受应力（ N/cm2 ）t焊缝受拉或受弯时的许用应力（ N/cm2 ）计算例题： 两块厚度相同钢板的对接接头，材料为16Mn，钢板宽度为300mm，受垂直板面弯矩300000 Ncm，试计算焊缝所需的厚度（板厚）。 已知t=20100 N/cm2 ,300mm=30cm解：因为= 6M2 / 2Lt 所以 6M2 / L t = 6300000 / (302

9、0100) =1.73cm=17.3mm取板厚为18mm，该对接接头焊缝强度能满足要求。（2）丁字接头静载强度计算 1）载荷平行于焊缝的丁字接头计算 如果焊缝开坡口并全焊透，按对接接头计算。当不开坡口时，计算公式：M = 3FL / 0.7Kh2Q = F / 1.4KhFLKh 由于产生最大应力的危险点在焊缝的最上端，该点同时有两个切应力起作用，一个是由M=PL引起的M ，另一个是由Q=F引起的Q 。 M 和Q 是互相垂直的，所以合成切应力为：合合 = M2 + Q2计算例题： 一丁字接头，已知焊缝金属的许用切应力=10000N/cm2，试设计焊脚尺寸。200mm=20cm,300mm=30

10、cm解： M = 3FL / 0.7Kh2 =37500020 /( 0.7K302) =5000 / 0.7K=7142.8KQ = F / 1.4Kh=2500 / (1.4K) =1785.7KKL = 2 0 0h=300F=75000N根据根据合合 = M2 + Q2 即: M2 + Q2 10000； (7142.8K)2 + (1785.7K) 2 10000(7142.8K)2 + (1785.7K) 2 100000000 K=0.73cm 取K=8mm2）弯矩垂直于板面的丁字接头计算 如果焊缝开坡口并全焊透，按对接接头计算。当不开坡口时，计算公式：= M / W W=L+1

11、.4K33/ 6（+1.4K） 1.1.金属材料断裂的分类金属材料断裂的分类 根据金属材料断裂前的塑性变形大小，断裂可分为塑性断裂（韧性断裂）和脆性断裂两种。塑性断裂在断裂前有较大的塑性变形。脆性断裂在断裂前没有或只有少量塑性变形， 而断裂会突然发生并快速发展。 三三. . 焊接结构的脆性断裂焊接结构的脆性断裂 同一种材料在不同条件下会出现不同的断同一种材料在不同条件下会出现不同的断裂形式。裂形式。（1）塑性断裂 塑性材料断裂的步骤： 1）材料受到力的作用发生弹性变形 2）继续加力，材料发生屈服3）再继续加力，金属进一步变化，继而发生微裂口4）再加力，微裂形成宏观裂纹5）最后断裂塑性断裂的裂口

12、：呈纤维状，色泽灰暗，边缘有剪切唇， 唇口附近有宏观塑性变形。（2）脆性断裂 脆性断裂一般都在没有显著的塑性变形情况下发生，并瞬时扩展到结构整体，裂口平整有光泽。（1）材料的韧性不足 缺口尖端处材料的微观塑性变形能力差。（2）存在着裂纹等缺陷， 裂纹总是从缺陷处开始的，缺陷中则以裂纹为最危险。（3）一定的应力水平 不正确的设计和不良的制造工艺是产生焊接残余应力的主要原因。2.2.产生脆性断裂的原因产生脆性断裂的原因（1）应力状态的影响 脆性断裂一般都起源于具有严重应力集中效应的缺口处。（2）温度的影响 当温度降至某一临界值时，材料将出现塑性转变为脆性，这个温度称之为脆性转变温度。（3）加载速度

13、 加载速度的提高，会促使材料脆性破坏。（4）材料状态的影响3.3.影响脆性断裂的主要因素影响脆性断裂的主要因素（1）冲击试验 （2）爆炸膨胀试验 （3）落锤试验4.4.材料断裂的评定方法材料断裂的评定方法（1）刚性强 焊接是刚性联结，联结构件不易产生相对位移，往往引起较大的附加应力。（2）整体性 焊接结构的整体性较强，一旦有不稳定的脆性裂纹出现，就有可能穿越接头，扩展至整个结构。5.5.焊接结构的特点对脆性断裂的影响焊接结构的特点对脆性断裂的影响（1）应变时效引起的局部脆性 焊接时，金属受到热循环的作用，特别是在热影响区，将产生较大应力应变的集中，从而引起较大塑性变形。 这种塑性变形在焊接热循

14、环作用下，会引起应变时效，通常称热应变脆化，结果使接头局部引起脆化。6.6.焊接结构制造工艺特点焊接结构制造工艺特点（2）金相组织改变对脆性的影响 焊接过程快速加热冷却，使焊缝和热影响区发生一系列金相组织的变化，从而改变了接头的韧性。 热影响区的金相组织变化很大程度取决于焊接线能量。 线能量过小，造成淬硬组织并易产生裂纹。 线能量过大，造成晶粒粗大和脆化。 （3）焊接缺陷 大约有40%的脆性断裂是从焊缝缺陷处开始的。 在所有缺陷中，裂纹是最危险的，其他焊接缺陷 会产生应力集中，引起脆性破坏。 （4）角变形和错边的影响 角变形和错边都会引起附加应力。（5）焊接残余应力的影响 由于接头中存在大量残

15、余应力，在外力载荷作用下，残余应力和工作应力迭加共同起作用。7.7.预防焊接结构脆性断裂的措施预防焊接结构脆性断裂的措施（1）正确选用材料母材具有一定的止裂性选择材料的基本原则：既要保证结构的使用安全又要考虑经济效果 不宜采用比实际需要强度更高的材料。（2）采用合理的焊接结构不 允 许不 允 许允 许允 许1）尽量减少结构或焊接接头应力集中2）尽量采用对接接头不要选用搭接接头不 合 理合 理3）不等厚度构件对接应采用圆滑过渡4）避免和减少焊缝缺陷5）避免焊缝的密集3）减少焊接残余应力（1）疲劳断裂和脆性断裂从性质到形式都不一样，虽然断裂时，二者变形都很小。 但是：疲劳断裂需要多次加载。 脆性断

16、裂一般不需要多次加载。四四. . 焊接结构的疲劳断裂焊接结构的疲劳断裂1.1.焊接结构疲劳断裂的特征焊接结构疲劳断裂的特征 疲劳断裂的扩展是缓慢的。 脆性断裂是瞬时完成。 疲劳断裂受温度影响比较小。 脆性断裂受温度影响特别显著。 疲劳断裂一般从应力集中开始， 又往往从焊接接头处产生。（2）疲劳断裂的过程 1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹 2）裂纹稳定扩展 3）断裂（1）应力集中的影响 焊接结构中，在接头部位由于具有不同的应力集中，将对接头的疲劳强度产生不同程度的不利影响。 对接接头：由于焊缝的变化不大，因此它的应力集中比其他接头形式小。2.2.影响焊接接头疲劳强度的因素影响焊接接头疲劳强度的因素 丁字接头： （十字接头） 焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数比较大。（2）热影响区金属性能变化的