1、10-4 焊接接头应力分布焊接接头应力分布焊接接头工作应力分布 在焊件需连接部位，用焊接方法制造而成的接头称为在焊件需连接部位，用焊接方法制造而成的接头称为焊接接头焊接接头，一般简称，一般简称接头。接头。接头是焊接结构的重要组成部分接头是焊接结构的重要组成部分。通过对大量焊接结构失效事故的分析表。通过对大量焊接结构失效事故的分析表明，接头部位往往是结构破坏的起点。造成这种情况的原因是多方面的，明，接头部位往往是结构破坏的起点。造成这种情况的原因是多方面的，归纳起来主要有两点：焊接接头本身的力学性能不均匀；接头部位所受工归纳起来主要有两点：焊接接头本身的力学性能不均匀；接头部位所受工作应力分布不
2、均匀。因此，研究焊接接头的性能特征和应力分布规律，对作应力分布不均匀。因此，研究焊接接头的性能特征和应力分布规律，对提高焊接结构的使用可靠性具有十分重要的意义。提高焊接结构的使用可靠性具有十分重要的意义。焊接接头工作应力分布焊接接头的类型焊接接头的类型 一、焊接接头的组成一、焊接接头的组成 二、焊缝的基本形式二、焊缝的基本形式 三、焊接接头的基本形式三、焊接接头的基本形式焊接接头工作应力分布一、焊接接头的组成一、焊接接头的组成焊接接头由焊缝金属、熔合区、热影响区、母材组成图2-1 熔焊焊接接头的组成对接接头的断面图 搭接接头的断面图焊接接头工作应力分布影响焊接接头性能的主要因素影响焊接接头性能
3、的主要因素 焊接接头是一个成分、组织和性能都焊接接头是一个成分、组织和性能都不均匀的连接体不均匀的连接体。此外，焊接接头因焊。此外，焊接接头因焊缝的形状和布置的不同，将会产生不同程度的应力集中。所以，缝的形状和布置的不同，将会产生不同程度的应力集中。所以，不均匀性和应力不均匀性和应力集中集中是焊接接头的两个基本属性。是焊接接头的两个基本属性。影响焊接接头性能的主要因素有以下两个方面：影响焊接接头性能的主要因素有以下两个方面：力学方面因素力学方面因素：接头形状的不连续性：接头形状的不连续性(余高、接头错边余高、接头错边)、焊接缺陷（未焊透、焊接缺陷（未焊透、裂纹）、残余应力和残余变形等。裂纹）、
4、残余应力和残余变形等。材质方面因素材质方面因素：焊接热循环所引起的组织变化、焊接材料引起的焊缝化学成：焊接热循环所引起的组织变化、焊接材料引起的焊缝化学成分的变化、焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等。分的变化、焊后热处理所引起的组织变化以及矫正变形所引起的加工硬化等。焊接接头工作应力分布二、焊接接头的不均匀性及其力学行为二、焊接接头的不均匀性及其力学行为热影响区的力学性能热影响区的力学性能1.强度和塑性焊接接头工作应力分布2.韧性焊接接头工作应力分布焊缝金属的力学性能焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布影响焊接接头性能的主要因素影响焊接接头性能的主
5、要因素残余应力组织成分不同焊趾及咬边热影响区焊缝金属缺陷：裂纹、未焊透、气孔、夹渣裂纹、脆化应力集中角变形错边错边应力集中焊接接头工作应力分布二、焊缝的基本形式二、焊缝的基本形式 对接焊缝对接焊缝 角焊缝角焊缝 焊缝的形式应根据焊件的厚度、工作条件、受力情况等因焊缝的形式应根据焊件的厚度、工作条件、受力情况等因素进行选择。素进行选择。焊缝是构成焊接接头的主体部分，对接焊缝和角焊缝是焊焊缝是构成焊接接头的主体部分，对接焊缝和角焊缝是焊缝的基本形式。缝的基本形式。焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布对接焊缝对接焊缝 对接焊缝的接头可采用卷边、平对接或加工成各种形式的坡口。对接焊缝的接头可采用卷
6、边、平对接或加工成各种形式的坡口。对接焊缝开坡口的目的，是为了确保接头的质量，同时也从经济对接焊缝开坡口的目的，是为了确保接头的质量，同时也从经济效益考虑。坡口形式的选择取决于板材厚度、焊接方法和工艺过效益考虑。坡口形式的选择取决于板材厚度、焊接方法和工艺过程。通常必须考虑以下几个方面：程。通常必须考虑以下几个方面：1）可焊到性或便于施焊；）可焊到性或便于施焊；2）降低焊接材料的消耗量；）降低焊接材料的消耗量；3）坡口易加工；）坡口易加工；4）减少或控制焊接变形。）减少或控制焊接变形。焊接接头工作应力分布 上面只是列举了选择坡口的一般规则，具体选择时，则需要根据具上面只是列举了选择坡口的一般规
7、则，具体选择时，则需要根据具体情况综合考虑。例如，从节约焊接材料出发，体情况综合考虑。例如，从节约焊接材料出发，U形坡口较形坡口较V形坡口形坡口好，但加工费用高；双面坡口明显地优于单面坡口，同时焊接变形好，但加工费用高；双面坡口明显地优于单面坡口，同时焊接变形小。双面坡口焊接时需要翻转焊件，增加了辅助工时，所以在板厚小。双面坡口焊接时需要翻转焊件，增加了辅助工时，所以在板厚小于小于25mm时，一般采用时，一般采用V形坡口。受力大而要求焊接变形小的部位形坡口。受力大而要求焊接变形小的部位应采用应采用U形坡口。利用焊条电弧焊焊接形坡口。利用焊条电弧焊焊接6mm以下钢板时，选用以下钢板时，选用I形坡
8、形坡口就可得到优质焊缝；用埋弧自动焊焊接口就可得到优质焊缝；用埋弧自动焊焊接14mm以下的钢板，采用以下的钢板，采用I形形坡口也能焊透。坡口也能焊透。焊接接头工作应力分布对接焊缝对接焊缝 坡口角度的大小与板厚和焊接方法有关，其作用是使电弧能深入根部坡口角度的大小与板厚和焊接方法有关，其作用是使电弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，焊缝金属量越多，焊接变形也会增大，使根部焊透。坡口角度越大，焊缝金属量越多，焊接变形也会增大，一般坡口角度选一般坡口角度选60左右。左右。采用根部间隙是为了保证焊缝根部能焊透，一般情况下，坡口角度小采用根部间隙是为了保证焊缝根部能焊透，一般情况下，坡口角度小，需要同
9、时增加根部间隙；根部间隙较大时，又容易烧穿，为此，需，需要同时增加根部间隙；根部间隙较大时，又容易烧穿，为此，需要采用钝边防止烧穿。根部间隙过大时，还需要加垫板。要采用钝边防止烧穿。根部间隙过大时，还需要加垫板。焊接接头工作应力分布对接焊缝的典型坡口形式对接焊缝的典型坡口形式焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布角焊缝角焊缝 角焊缝按其截面形状可分为平角焊缝、凹角焊缝、凸角焊缝和不等角焊缝按其截面形状可分为平角焊缝、凹角焊缝、凸角焊缝和不等焊脚角焊缝。焊脚角焊缝。各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关。静载时，如母材各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关。静载时，如母材金属塑性良好，
10、则角焊缝的截面形状对承载能力没有明显影响；动金属塑性良好，则角焊缝的截面形状对承载能力没有明显影响；动载时，凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高，凸角焊缝的承载能力最载时，凹角焊缝比平角焊缝的承载能力高，凸角焊缝的承载能力最低。不等腰角焊缝，长边平行于载荷方向时，承受动载效果好。低。不等腰角焊缝，长边平行于载荷方向时，承受动载效果好。焊接接头工作应力分布角焊缝截面形状及其计算断面角焊缝截面形状及其计算断面KKaKKaKKaKKa焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布 为了提高焊接效率、节约焊接材料、减小焊接变形，当板厚为了提高焊接效率、节约焊接材料、减小焊接变形，当板厚大于大于
11、13mm时，可以采用开坡口的角焊缝。在等强度条件下时，可以采用开坡口的角焊缝。在等强度条件下，坡口角焊缝的焊接材料消耗量仅为普通角焊缝的，坡口角焊缝的焊接材料消耗量仅为普通角焊缝的60%。焊接接头工作应力分布三、焊接接头的基本形式三、焊接接头的基本形式焊接接头的基本形式有四种：对接接头、搭接接头、T形接头和角接接头。对接接头：两焊件表面构成大于或等于135、小于或等于180夹角，即两板件相对端面焊接而形成的接头。对接接头从强度角度看是比较理想的接头形式，也是广泛应用的接头形式之一。常见的对接接头的焊缝轴线与载荷方向相垂直，也有少数与载荷方向成斜角的斜焊缝对接接头。FF 对接接头 斜缝对接接头焊
12、接接头工作应力分布搭接接头搭接接头两板件部分重叠起来进行焊接所形成的接头称为搭接接头。两板件部分重叠起来进行焊接所形成的接头称为搭接接头。搭接接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是理想的接头形式。但由于焊前搭接接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是理想的接头形式。但由于焊前准备及装配工作较为简单，故多用于受力较小且不要求密封性的结构中。准备及装配工作较为简单，故多用于受力较小且不要求密封性的结构中。搭接接头中，最常见的是角焊缝组成的搭接接头，一般用于搭接接头中，最常见的是角焊缝组成的搭接接头，一般用于12mm 以下的钢板焊以下的钢板焊接。除此之外，还有开槽焊、塞焊、锯齿状搭接等多种形式。接
13、。除此之外，还有开槽焊、塞焊、锯齿状搭接等多种形式。焊接接头工作应力分布开槽焊搭接接头开槽焊搭接接头FF开槽焊搭接接头，先将被连接件开槽焊搭接接头，先将被连接件加工成槽形孔，然后用焊缝金属加工成槽形孔，然后用焊缝金属填满该槽，开槽焊焊缝断面为矩填满该槽，开槽焊焊缝断面为矩形，其宽度为被连接件厚度的二形，其宽度为被连接件厚度的二倍，开槽长度应比搭接长度稍短倍，开槽长度应比搭接长度稍短一些。一些。2焊接接头工作应力分布塞焊接头塞焊接头 塞焊接是在被连接的钢板上钻孔塞焊接是在被连接的钢板上钻孔，用来代替开槽焊的槽形孔，用，用来代替开槽焊的槽形孔，用焊缝金属将孔填满使两板连接起焊缝金属将孔填满使两板连
14、接起来。当被连接板厚小于来。当被连接板厚小于5mm时，时，可以采用大功率的埋弧焊或可以采用大功率的埋弧焊或CO2气体保护焊直接将钢板熔透而不气体保护焊直接将钢板熔透而不必钻孔。必钻孔。FF焊接接头工作应力分布 这种接头施焊简单，特别对于一薄一厚的两焊件连接最为方这种接头施焊简单，特别对于一薄一厚的两焊件连接最为方便，生产效率较高。便，生产效率较高。焊接接头工作应力分布T形（十字）接头T形接头是典型的电弧焊接头，能承受各种方向的力和力矩，这类接形接头是典型的电弧焊接头，能承受各种方向的力和力矩，这类接头应避免采用单面角焊缝，因为这种接头的根部有很深的缺口，其头应避免采用单面角焊缝，因为这种接头的
15、根部有很深的缺口，其承载能力低。承载能力低。焊接接头工作应力分布T T形接头的承载能力形接头的承载能力FyFxMFyFzFxM焊接接头工作应力分布角接接头角接接头两板件端面构成30135夹角的焊接接头称作角接接头，角接接头多用于箱形构件。焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布 电弧焊接头的工作应力电弧焊接头的工作应力 一、应力集中的概念一、应力集中的概念 二、电弧焊接头的工作应力分布二、电弧焊接头的工作应力分布焊接接头工作应力分布应力集中的概念应力集中的概念 由于焊接的形状和焊缝布置的特点由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均，焊接接头工作应力的分布是不均匀的，其最大应
16、力比平均应力值匀的，其最大应力比平均应力值 高，这种情况称应力集中。高，这种情况称应力集中。应力集中，是指接头局部区域的最应力集中，是指接头局部区域的最大应力值较平均应力值高的现象。大应力值较平均应力值高的现象。常以应力集中系数常以应力集中系数KT表示。表示。avTKmax焊接接头工作应力分布 在焊接接头中产生应力集中的原因是：在焊接接头中产生应力集中的原因是：焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应焊接工艺缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。力集中、其中咬边、未焊透较为严重。不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集
17、中。不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。制造过程中的缺陷。制造过程中的缺陷。焊接残余应力。焊接残余应力。焊接接头工作应力分布二、电弧焊接头的工作应力分布二、电弧焊接头的工作应力分布 1、对接接头、对接接头 由于余高造成了构件表面不平滑，在焊缝与母材金属的过渡处引起由于余高造成了构件表面不平滑，在焊缝与母材金属的过渡处引起应力集中。焊趾处应力集中。焊趾处KT为为1.6，焊根处，焊根处KT为为1.5。KT的大小与余高的大小与余高h和焊缝向母材金属过渡的半径和焊缝向母材金属过渡的半径r有关。减小有关。
18、减小r和增大和增大h，均使，均使KT增加。当余高增加。当余高h为零时，为零时，KT=1，应力集中消失。，应力集中消失。如果余高太大，虽然使焊缝截面增厚，但却使应力集中程度增加，如果余高太大，虽然使焊缝截面增厚，但却使应力集中程度增加，因此生产中应适当控制余高。因此生产中应适当控制余高。余高不得超过国家有关标准规定的余高不得超过国家有关标准规定的03mm范围。范围。焊接接头工作应力分布 对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最同的应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力集中部位在
19、焊趾。大应力集中部位在焊趾。应力集中系数：应力集中系数：sin1krhT焊接接头工作应力分布对接接头的应力集中对接接头的应力集中焊接接头工作应力分布余高对应力集中的影响余高对应力集中的影响 由余高带来的应力集中，对动载结构的疲劳强度是十分不利的，所由余高带来的应力集中，对动载结构的疲劳强度是十分不利的，所以此时要求它越小越好。以此时要求它越小越好。国家标准规定：在承受动载荷情况下，焊接接头的焊缝余高应趋于国家标准规定：在承受动载荷情况下，焊接接头的焊缝余高应趋于零。零。因此，对重要的动载结构，可采用削平余高或增大过渡圆弧的措施因此，对重要的动载结构，可采用削平余高或增大过渡圆弧的措施来降低应力
20、集中，以提高接头的疲劳强度。来降低应力集中，以提高接头的疲劳强度。焊接接头工作应力分布余高与过渡半径与余高与过渡半径与KTKT的关系的关系焊接接头工作应力分布丁字接头、十字接头丁字接头、十字接头焊接接头工作应力分布十字接头有熔透和未熔透两种十字接头有熔透和未熔透两种 未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数未熔透的十字接头，在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数，其中以焊根处为最大。，其中以焊根处为最大。熔透的十字接头有较小的应力集中系数熔透的十字接头有较小的应力集中系数焊接接头工作应力分布点焊接头的应力分布点焊接头的应力分布 单排点焊接头的应力分布（如图）单排点焊接头的应力分布（如图
21、）多排点焊以两端焊点受力最大（如图）多排点焊以两端焊点受力最大（如图）焊接接头工作应力分布正面搭接焊缝的弯曲变形正面搭接焊缝的弯曲变形焊接接头工作应力分布3.3.联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布焊接接头工作应力分布接触焊接头的工作应力分布和工作性能接触焊接头的工作应力分布和工作性能焊接接头工作应力分布焊接接头工作应力分布多排点焊接头排数多于三排是不合理的，因为不能增加多排点焊接头排数多于三排是不合理的，因为不能增加承载能力。承载能力。单排点焊缝焊点间距小，对降低应力集中有利；但会使接头强度降低单排点焊缝焊点间距小，对降低应力集中有利；但会使接头强度降低焊接接
22、头工作应力分布 综合上述，各种电弧焊接头，都有不同程度的应力集中。实践证明综合上述，各种电弧焊接头，都有不同程度的应力集中。实践证明，并不是在所有情况下应力集中都将影响强度。当材料具有足够的，并不是在所有情况下应力集中都将影响强度。当材料具有足够的塑性时，结构在静载破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其塑性时，结构在静载破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。强度无影响。这说明接头在塑性变形的过程中能发生应力均匀化，只要接头材料这说明接头在塑性变形的过程中能发生应力均匀化，只要接头材料具有足够的塑性，应力集中对静载强度就没有影响。具有足够的塑性，应力集中对静载强度就没有影响。Thank YouThank You此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
