焊接头的静载强度

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发布日期:2022-03-17

焊接头的静载强度


焊接头的静载强度


第一节 焊接头的类型


一、焊接头的基本形式


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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)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。


(3)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。


(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


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KT表示:


KT=бmax/бm


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,KT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KT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最高,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,最大切应力τmax 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KT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,且不设在最大应力作用截面上。


(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。


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