《焊接结构》课程教学资源（讲稿）第三章 典型焊接结构设计

电子备课笔记第三章典型焊接结构设计s3.1焊接接头及性能一、焊接接头的力学行为焊缝金属的力学性能不仅受单层焊或多层健焊的影响，而且还与焊接方法及输入的线能量大健腿爱小有关。对于低碳钢接头，当线能量较小时，由低碳钢于冷却速度较快，使焊缝金属硬化，导致强度、强度塑性硬度升高，塑性下降：对于高强钢焊缝，当线能C000So量较大，或提高预热温度，使冷却速度下降，造调质高强钢成焊缝金属的强度和韧性下降，相反易产生裂强度纹。塑性二、热影响区的力学性能3oS1.热影响区的强度和塑性变化I<钢材焊接区的强度和塑性分布如图3-1所示，在1200℃左右粗晶区，硬度和强度比母材高，塑性比母材低：在700～爱摄发批饼食900℃区域，屈服强度比母材低，对调质高强钢HAZ调质高强钢更为明显。调质钢经火、回火处理后，强度提禁低碳钢高，在此区域，回火马氏体因重结晶而消失。32.热影响区的韧性变化韧性不均匀，两个区域的韧性非常低，.1200℃以上的粗晶区到熔合线：焊缝附近的脆化图3-1热影响区的力学性能1

电子备课笔记 1 图 3-1 热影响区的力学性能 第三章 典型焊接结构设计 §3.1 焊接接头及性能 一、焊接接头的力学行为 焊缝金属的力学性能不仅受单层焊或多层 焊的影响，而且还与焊接方法及输入的线能量大 小有关。对于低碳钢接头，当线能量较小时，由 于冷却速度较快，使焊缝金属硬化，导致强度、 硬度升高，塑性下降；对于高强钢焊缝，当线能 量较大，或提高预热温度，使冷却速度下降，造 成焊缝金属的强度和韧性下降，相反易产生裂 纹。 二、热影响区的力学性能 1．热影响区的强度和塑性变化 如图 3-1 所示，在 1200℃左右粗晶区，硬 度和强度比母材高，塑性比母材低；在 700～ 900℃区域，屈服强度比母材低，对调质高强钢 更为明显。调质钢经淬火、回火处理后，强度提 高，在此区域，回火马氏体因重结晶而消失。 2．热影响区的韧性变化 韧性不均匀，两个区域的韧性非常低， 1200℃以上的粗晶区到熔合线；焊缝附近的脆化

电子备课笔记区。1200℃以上粗晶区韧性下降的原因：晶粒粗大：焊趾处应力和应变集中。脆化区产生的原因：焊接热循环造成的各种冶金因素的影响，对于低碳钢在A，相变点以下200～400℃：对于高强钢在A～A3相变点范围内产生。热塑性应变脆化：在400～200℃（蓝脆温度)内发生的塑性变形所引起的塑性韧性下降，降低了焊接接头的断裂强度。另外，焊接热循环的热应力作用在近缝区产生热塑性变形，多层焊尤为明显。三、影响焊接接头性能的主要因素1焊接缺陷：如裂纹，熔合不良，咬边，夹杂和气孔；2.接头形状的不连续性：焊缝增高及型式不连续性产生应力集中：3焊接残余应力和变形：4.焊接过程中热循环及热塑性应变引起的材质性能下降：5.焊后热处理；焊接变形矫正。四、焊接接头的基本型式1：按接合型式：对接接头、搭接接头、T型接头、角接接头：2.按焊缝型式：对接焊、角焊、塞焊、槽形焊。五、焊接接头工作应力分布1.应力集中如图3-2所示，几何形状不连续，造成局部应力增高的现象称为应力集中。其大小用应力集中系数表示，K, = CmxOmCmax一局部应力峰值；m一平均应力。10焊接接头产生应力集中的原因：图3-2产生应力集中的原因2

电子备课笔记 2 图 3-2 产生应力集中的原因 区。1200℃以上粗晶区韧性下降的原因：晶粒粗大；焊趾处应力和应变集中。 脆化区产生的原因：焊接热循环造成的各种冶金因素的影响，对于低碳钢在 A1 相变点 以下 200～400℃；对于高强钢在 Al～A3 相变点范围内产生。 热塑性应变脆化：在 400～200℃(蓝脆温度)内发生的塑性变形所引起的塑性韧性下降， 降低了焊接接头的断裂强度。另外，焊接热循环的热应力作用在近缝区产生热塑性变形，多 层焊尤为明显。 三、影响焊接接头性能的主要因素 1． 焊接缺陷：如裂纹，熔合不良，咬边，夹杂和气孔； 2． 接头形状的不连续性：焊缝增高及型式不连续性产生应力集中； 3． 焊接残余应力和变形； 4． 焊接过程中热循环及热塑性应变引起的材质性能下降； 5． 焊后热处理；焊接变形矫正。 四、焊接接头的基本型式 1．按接合型式：对接接头、搭接接头、T 型接头、角接接头： 2．按焊缝型式：对接焊、角焊、塞焊、槽形焊。 五、焊接接头工作应力分布 1．应力集中 如图 3-2 所示，几何形状不连续，造成局部应力增 高的现象称为应力集中。其大小用应力集中系数表示， m KT   max   max －局部应力峰值；  m －平均应力。 焊接接头产生应力集中的原因：

电子备课笔记焊缝中产生的工艺缺陷；不合理的焊缝外形；不合理的接头设计。2．电弧焊接头的工作应力分布（1）对接接头如图3-3所示，对接接头应力集中系数大小主要取决于焊缝加强高c和焊缝向母材的过渡半径1。加厚高产生的应力集中对接头疲劳强度的影响最大。对于承受冲击载荷的焊接结构，应将接头加厚高打磨光。E1-.图3-3对接接头工作应力分布(b)(a)图3-4T型接头工作应力分布（2）T型接头如图3-4所示，工作截面变化加剧，如不开坡口焊缝，在焊缝根部和焊趾处，应力集中系数很大。对于重要的工型接头，应开坡口焊缝。采用十字形接头，为了防止产生层状撕裂应尽可能将工作焊缝转化为联系焊缝。（3）搭接接头焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝。3

电子备课笔记 3 焊缝中产生的工艺缺陷；不合理的焊缝外形；不合理的接头设计。 2．电弧焊接头的工作应力分布 （1）对接接头 如图 3-3 所示，对接接头应力集中系数大小主要取决于焊缝加强高 c 和焊缝向母材的过 渡半径 r。加厚高产生的应力集中对接头疲劳强度的影响最大。对于承受冲击载荷的焊接结 构，应将接头加厚高打磨光。 （2）T 型接头 如图 3-4 所示，工作截面变化加剧，如不开坡口焊缝，在焊缝根部和焊趾处，应力集中 系数很大。对于重要的 T 型接头，应开坡口焊缝。采用十字形接头，为了防止产生层状撕裂， 应尽可能将工作焊缝转化为联系焊缝。 （3）搭接接头 焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝。 图 3-3 对接接头工作应力分布 图 3-4 T 型接头工作应力分布

电子备课笔记正面角焊缝工作应力分布在角焊缝的根部A处和焊趾B处都有较严重的应力集中现象。焊趾B点的应力集中系数随角焊缝斜边与水平角θ不同而改变，减小θ或增大熔深，都会使应力集中系数减小。如图3-5、图3-6、图3-7所示。50.3500.250a)5350Fa)V图3-5搭接接头应力传递图3-6角接接头应力有限元模拟作用力偏心距e的存在，如图3-8所示，产生附加弯矩(Pe)造成弯曲，为减小弯曲变形要求搭接接头长度不小于4倍板厚，即L≥48。侧面角焊缝工作应力分布如图3-9(a)所示，两板截面积相等，沿侧酒面焊缝长度方向的剪应力分布如9所示(9x为单位焊缝长度所承受的剪切力)。中间小，两端大。原因是焊缝弹性变形不均匀。通过上板的外力P'从左到右由P降至零，通过图3-7正面角焊缝工作应力分布下板的外力由P"从左到右由零升至P。从而使搭接区段的弹性变形随之从左到右逐渐减小和增大，相对位移从左到右逐渐减小和增大。即12>2'3>34>45>56>671"2"<2"3"<3"4"<4"5"<5"6"<67"图(b)上板受拉力P从左到右由P降至零，下板受压力P"从左到右由P降至零。因此4

电子备课笔记 4 图 3-7 正面角焊缝工作应力分布 正面角焊缝工作应力分布 在角焊缝的根部 A 处和焊趾 B 处都有较严重的应力集中现象。焊趾 B 点的应力集中系 数随角焊缝斜边与水平角  不同而改变，减小  或增大熔深，都会使应力集中系数减小。如 图 3-5、图 3-6、图 3-7 所示。 作用力偏心距 e 的存在，如图 3-8 所示，产生附加弯矩(P e)造成弯曲，为减小弯曲变形， 要求搭接接头长度不小于 4 倍板厚，即 L  4 。 侧面角焊缝工作应力分布 如图 3-9(a)所示，两板截面积相等，沿侧 面焊缝长度方向的剪应力分布如 xa q 所示 ( xa q 为单位焊缝长度所承受的剪切力)。中间 小，两端大。原因是焊缝弹性变形不均匀。通 过上板的外力 ' Px 从左到右由 P 降至零，通过 下板的外力由 '' Px 从左到右由零升至 P。从而 使搭接区段的弹性变形随之从左到右逐渐减 小和增大，相对位移从左到右逐渐减小和增大。即 1'2' 2'3' 3'4' 4'5' 5'6' 6'7' ； 1''2'' 2''3'' 3''4'' 4''5'' 5''6'' 6''7''。 图(b)上板受拉力 ' Px 从左到右由 P 降至零，下板受压力 '' Px 从左到右由 P 降至零。因此 图 3-5 搭接接头应力传递 图 3-6 角接接头应力有限元模拟

电子备课笔记侧面焊缝剪力qz从左到右减小。(b)(a)图3-8搭接附加弯矩的产生FP.Q.b.4P:F.SFF4567PH61-2-3PiPP:(b)Px(a)图3-9侧面角焊缝工作应力分布IAIAAFL>FF.>F2(a)(b)图3-10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由图3-10可见，应力集中程度得到明显改善。原因是正面角焊缝的刚度比侧面大，并承担一部分载荷，使侧面tmx减小；另外，A一A截面应力集中程度也得到改善。盖板搭接接头工作应力分布如图3-11所示，只有侧面角焊缝，截面正应力分布极不均匀，增加正面角焊后，各截面中的应力分布明显改善，如（b）图所示。5

电子备课笔记 5 侧面焊缝剪力 qxb 从左到右减小。 联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布 由图 3-10 可见，应力集中程度得到明显改善。原因是正面角焊缝的刚度比侧面大，并 承担一部分载荷，使侧面 max  减小；另外，A—A 截面应力集中程度也得到改善。 盖板搭接接头工作应力分布 如图 3-11 所示，只有侧面角焊缝，截面正应力分布极不均匀，增加正面角焊后，各截 面中的应力分布明显改善，如(b)图所示。 图 3-8 搭接附加弯矩的产生 图 3-9 侧面角焊缝工作应力分布 图 3-10 联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布

电子备课笔记3，电阻点焊接接头中的工作应力分布点焊搭接接头应力集中程度比电弧焊严重，在单排点焊中，焊点附近应力分布特别集中，比值越大，应力分布越不均匀。因此，从降低焊接接头应力集中来看，缩小焊点间距是有利的，但间距越小，越易造成焊接电流分流增大，反而会影响点焊质量。如图3-12所示。P2PhA-A能面皮力示意围b)a)图3-11加盖板接头工作应力分布图3-12电阻点焊接接头中的工作应力分布点焊承受拉应力，应力集中更为严重，抗拉强度明显低于抗剪强度，应避免此类接头。多排点焊各焊点所承受载荷并非一样，与电弧焊一样，两端大中间小，焊点越多，载荷分布越不均匀。因此焊点纵向排数不宜过多，多于三排不合理，因为多于三排不能明显增加承载

电子备课笔记 6 3．电阻点焊接接头中的工作应力分布 点焊搭接接头应力集中程度比电弧焊严重，在单排点焊中，焊点附近应力分布特别集中， d t 比值越大，应力分布越不均匀。因此，从降低焊接接头应力集中来看，缩小焊点间距是 有利的，但间距越小，越易造成焊接电流分流增大，反而会影响点焊质量。如图 3-12 所示。 点焊承受拉应力，应力集中更为严重，抗拉强度明显低于抗剪强度，应避免此类接头。 多排点焊各焊点所承受载荷并非一样，与电弧焊一样，两端大中间小，焊点越多，载荷 分布越不均匀。因此焊点纵向排数不宜过多，多于三排不合理，因为多于三排不能明显增加 承载。 图 3-11 加盖板接头工作应力分布 图 3-12 电阻点焊接接头中的工作应力分布

电子备课笔记S3.2焊接接头的静载强度计算一、焊接接头静载强度简化计算的假定1．焊接残余应力对接头强度没有影响；2.焊趾处和加厚高产生的应力集中对接头静载强度没有影响；3.工作应力分布均匀；4.正面角焊缝和侧面角焊缝的强度和刚度没图3-13熔深较大焊缝最大高度有差别；5.角焊缝在剪应力作用下破坏，破断面在角焊缝截面最小高度处，其值为0.7K；6.CO2气保焊等熔深较大的焊缝最大高度为：a=（K+P）cos45°二、焊接结构设计基本原则合理选择和利用材料：强度、塑性、韧性、抗腐蚀、抗蠕变：冷热加工性：标准型1.材：材料利用率。2.合理设计结构形式：形状突变：短而不规则焊缝；焊缝交叉、密集。3.减少焊接量：形状复杂采用铸钢件：焊角尺寸：焊接坡口。4.合理布置焊缝：控制变形：重要焊缝实现自动焊：避开高应力区。5.施工方便。6.有利于生产组织与管理：运输；焊接变形控制；焊后处理；机加工：总装配。三、电弧焊接头静载强度计算1.对接接头的静载强度计算7

电子备课笔记 7 图 3-13 熔深较大焊缝最大高度 §3.2 焊接接头的静载强度计算 一、焊接接头静载强度简化计算的假定 1． 焊接残余应力对接头强度没有影响； 2．焊趾处和加厚高产生的应力集中对接头静 载强度没有影响； 3． 工作应力分布均匀； 4．正面角焊缝和侧面角焊缝的强度和刚度没 有差别； 5．角焊缝在剪应力作用下破坏，破断面在角焊缝截面最小高度处，其值为 0.7 K； 6．CO2 气保焊等熔深较大的焊缝最大高度为：a＝（K＋P）cos45° 二、焊接结构设计基本原则 1. 合理选择和利用材料：强度、塑性、韧性、抗腐蚀、抗蠕变；冷热加工性；标准型 材；材料利用率。 2. 合理设计结构形式：形状突变；短而不规则焊缝；焊缝交叉、密集。 3. 减少焊接量：形状复杂采用铸钢件；焊角尺寸；焊接坡口。 4. 合理布置焊缝：控制变形；重要焊缝实现自动焊；避开高应力区。 5. 施工方便。 6. 有利于生产组织与管理：运输；焊接变形控制；焊后处理；机加工；总装配。 三、电弧焊接头静载强度计算 1．对接接头的静载强度计算

电子备课笔记P[o,]受拉：C1.8,P[oa]受压：:1.8,0≤[]]受剪：T=1-8,le/e01<6M,≤[o,]平面内弯曲：612.8图3-14对接接头受力情况6M,≤[o,]平面外弯曲：a1.82.[o,]一焊缝受拉伸许用应力；P一拉伸载荷；[o。]一焊缝许用压应力；1一焊缝有效长度；[t一焊缝许用剪应力；O一剪力。由材料力学纯弯曲时梁横截面上的正应力计算公式可知：MW.一抗弯截面模量Omax =W.W.=JMJ.一横截面对Z轴的惯性距OmaxYmaxJzYmaxbh?J. =[y?dF对于矩形截面：J.h-高；b一宽。12F平面内弯曲（M）1b=8,h=l,M= M,Ym25,-130f-126M,M12W. =所以，00, -728,.726268,b=l,h=oj,M=M,;平面外弯曲（M，）Yma-26M,82.1/M,所以W.a.二82.1682.168

电子备课笔记 8 图 3-14 对接接头受力情况 受拉：  ' 1 l l P       受压：  ' 1 a l P       受剪：  ' 1       l Q 平面内弯曲：  ' 6 1 2 1 l l M       平面外弯曲：  ' 6 1 2 1 l l M        '  l －焊缝受拉伸许用应力；P－拉伸载荷；  '  a －焊缝许用压应力； l －焊缝有效长 度；  ' －焊缝许用剪应力； Q －剪力。 由材料力学纯弯曲时梁横截面上的正应力计算公式可知： Wz M  max  Wz －抗弯截面模量 max y J W z z  z J －横截面对 Z 轴的惯性距 max max y J M Z   J y dF F z   2 对于矩形截面： z J ＝ 12 2 bh h －高； b －宽。 平面内弯曲（ M1 ） b   1 ， h  l ， 2 max l y  ， M  M1 6 2 12 2 1 3 1 l l l Wz       所以， 2 1 1 2 1 1 max 6 6 l M l M        平面外弯曲（ M 2 ） b  l ， h   1， 2 1 max  y  ， M  M2 ； 所以 6 2 1 l Wz    l M l M     2 1 2 2 1 2 max 6 6   

电子备课笔记2.搭接接头的静载强度计算（1）受拉、受压搭接接头PP[]正面焊缝：2al,1.4KI,PP≤[]侧面焊缝：2al,1.4Kl,PP[]联合焊缝：a.Zi0.7K1一正面焊长度：1，一侧面焊长度：>1一正面+侧面长度：α一焊缝有效厚度（0.7K）M（2）受弯搭接接头静载强度计算a）分段计算法根据平衡条件，外力距M与侧面焊缝产生的内力距M.和正面焊缝产生的内力距M之间相平衡。即M=M.+MMμ=P'(h+K)=0.7Klt(K+h)ah20.7Kh2My=t·W=66图3-15受弯搭接接头a-焊缝有效厚度（0.7K）0.7Kh2M =M +M=t0.7kL(h+K)+6M0.71K(h+ K) + 0.7Kh ≤[]所以，TM6b），轴惯性距计算方法焊缝单位面积dF的反作用力为：dT=tdF。对中心轴的力矩为：dM=vdT。与外力矩相平衡的焊缝内力矩为：M=「ydT=「ydF9

电子备课笔记 9 图 3-15 受弯搭接接头 2．搭接接头的静载强度计算 （1）受拉、受压搭接接头 正面焊缝：  ' 2 1 1.4 1      Kl P al P 侧面焊缝：  ' 2 2 1.4 2      Kl P al P 联合焊缝：  ' 0.7        Kl P a l P 1 l －正面焊长度； 2 l －侧面焊长度； l －正 面＋侧面长度； a －焊缝有效厚度（ 0.7K ） （2）受弯搭接接头静载强度计算 a） 分段计算法 根据平衡条件，外力距 M 与侧面焊缝产生的内 力距 M H 和正面焊缝产生的内力距 MV 之间相平 衡。即 M ＝ M H ＋ MV M P '(h K) 0.7Kl (K h) H  x           6 0.7 6 2 2 ah Kh MV W a －焊缝有效厚度（ 0.7K ）            6 0.7 M 0.7 ( ) 2 H Kh M MV  k L h K 所以，  ' 6 0.7 0.7 ( ) 2       Kh lK h K M M b） 轴惯性距计算方法 焊缝单位面积 dF 的反作用力为： dT dF 。对中心轴的力矩为： dM  ydT 。与外 力矩相平衡的焊缝内力矩为：     F F M ydT ydF

电子备课笔记设剪应力与中心轴的距离y成正比，且y=l，=T，即=所以=ty，代入上式得：M=ydF=dF=tl1、一焊缝有效截面积对x轴的惯性距M所以M=二t,得TmYmax ≤[]Iyymax一焊缝有效截面积对x轴的最大距离。c）极惯性矩计算法作用在焊缝单位面积的焊缝内力距为：(a)dT = tdF对点反作用力矩为：dM=rtdF与外力矩相平衡的焊缝内力矩为：M=「trdF(b)设r=|时，=t，即，得T=T图3-16长焊缝小间距搭接接头所以M=[r2dF=t,[r2dF=t,]Ip一焊缝有效截面积的极惯性距MMr,TmaxTMrmayIpIpImax一焊缝有效截面积的最大回转半径(b)（3）受偏心力作用搭接接头静载强度计算图3-17短焊缝大间距搭接接头a）长焊缝小间距搭接接头角焊缝强度计算当偏心力与焊缝轴线垂直时：3PLM弯曲力矩M=PL产生的剪应力为：（方向垂直焊缝轴线）0.7K72WPP剪力O=P产生的剪应力t。为：（方向垂直焊缝轴线）To-F1.4KI3PLP≤[]所以T合=TM+To0.7K721.4Kl10

电子备课笔记 10 图 3-16 长焊缝小间距搭接接头 图 3-17 短焊缝大间距搭接接头 设剪应力  与中心轴的距离 y 成正比，且 y  l ， 1   ，即 l y  1   所以 y1   ，代入上式得： x F F M y dF y dF I1 2 1 2 1         x I －焊缝有效截面积对 x 轴的惯性距 所以 x y M    得  ' max   y   I M x M max y －焊缝有效截面积对 x 轴的最大距离。 c） 极惯性矩计算法 作用在焊缝单位面积的焊缝内力距为： dT dF 对点反作用力矩为： dM  rdF 与外力矩相平衡的焊缝内力矩为：   F M rdF 设 r  l 时， 1   ，即 l  r 1   ，得 r1   所以 P F F M r dF r dF I1 2 1 2 1       P I －焊缝有效截面积的极惯性距 r I M P  M  , max max r I M P   max r －焊缝有效截面积的最大回转半径 （3）受偏心力作用搭接接头静载强度计算 a） 长焊缝小间距搭接接头角焊缝强度计算 当偏心力与焊缝轴线垂直时： 弯曲力矩 M  PL 产生的剪应力为： 2 0.7 3 Kl PL W M  M   （方向垂直焊缝轴线） 剪力 Q  P 产生的剪应力 a  为： Kl P F P Q 1.4    （方向垂直焊缝轴线） 所以  ' 0.7 1.4 3 2                Kl P Kl PL 合 M Q