第一節(jié) 焊接頭的類型

一、焊接頭的基本形式

1．電弧焊接頭的基本形式

（1）對(duì)接接頭 把同一平面上的兩被焊工件相對(duì)焊接起來而形成的接頭。這是一種比較理想的接頭形式，受力狀況好，應(yīng)力集中小，材料消耗小。

（2）T形接頭 是把互相垂直的被焊工件用角焊縫連接起來的接頭，可承受各種方向的力和力矩。

（3）角接接頭 是兩被焊工件端面間構(gòu)成大于30o、小于150o夾角的接頭。多用于箱形構(gòu)件上。

（4）搭接接頭 是把兩被焊工件部分地重疊在一起，以角焊縫連接，或加上塞焊縫、槽焊縫連接起來的接頭。

（5）端接接頭 是兩被焊工件重疊放置或兩被焊工件之間夾角不大于30o在端面進(jìn)行連接的接頭。

2．電阻焊接頭的基本類型

（1）對(duì)接接頭

（2）點(diǎn)焊接頭

（3）縫焊接頭

二、電弧焊焊縫的類型

1．按工作特點(diǎn)分

①承載焊縫 ②非承載焊縫 ③密封焊縫 ④定位焊

縫

2．按接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分

①對(duì)接焊縫 ②角焊縫 ③端接焊縫 ④塞焊縫 ⑤組合焊縫

第二節(jié) 常用焊接接頭的工作應(yīng)力分布

一、應(yīng)力集中

1．應(yīng)力集中概念

在幾何形狀突變處或不連續(xù)處應(yīng)力突然增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中程度的大小，常以應(yīng)力集中系數(shù)KT表示：

KT=бmax/бm

2．焊接接頭中產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因

（1）焊縫中的工藝缺陷 如氣孔、夾渣、裂紋和未焊透等。

（2）焊接接頭處幾何形狀的改變

（3）不合理的接頭形式和不合理的焊縫外形

二、電弧焊接頭的工作應(yīng)力分布

1．對(duì)接接頭的工作應(yīng)力分布

對(duì)接接頭的應(yīng)力集中位于由焊縫向母材過渡的轉(zhuǎn)角處，KT的大小取決于焊縫寬度c、余高h(yuǎn)、焊趾處的θ角及轉(zhuǎn)角半徑r。在其它因素不變的情況下，余高h(yuǎn)增加、焊縫寬度c減少、θ角增加、r減小等都會(huì)使KT增加。

2．搭接接頭的工作應(yīng)力分布

（1）正面角焊縫的工作應(yīng)力分布

如圖3-5所示，在角焊縫的根部A點(diǎn)和焊趾B點(diǎn)有較大的應(yīng)力集中，B點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)隨角焊縫的斜邊與水平邊的夾角θ而變，減小θ、增大熔深及焊透根部等都可降低應(yīng)力集中系數(shù)。

搭接接頭的正面角焊縫受偏心載荷時(shí)，在焊縫上會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致彎曲變形，見圖3-6。為了減少彎曲應(yīng)力，兩條正面角焊縫之間的距離l應(yīng)不小于其板厚的4倍。

（2）側(cè)面角焊縫的工作應(yīng)力分布 在用側(cè)面角焊縫連接的搭接接頭中，其應(yīng)力分布更加復(fù)雜。切應(yīng)力沿焊縫長度上分布是不均勻的，它與焊縫尺寸、斷面尺寸和外力作用點(diǎn)的位置等因素有關(guān)。

外力作用如圖3-7a所示時(shí)，其沿側(cè)面焊縫長度上切力分布見圖3-8，因?yàn)榇罱影宀牟皇墙^對(duì)剛體，在受力時(shí)本身產(chǎn)生彈性變形，所以形成兩端切力大，中間切力小的分布狀態(tài)。

外力作用如圖3-7 b所示時(shí)，兩板各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相對(duì)位移從左至右逐漸下降，因而焊縫傳遞的切力以左端為最高，向右逐漸減小。當(dāng)側(cè)面角焊縫長度超過某一長度時(shí)，焊縫中間部分的切力就會(huì)接近零，因此，采用過長的側(cè)面角焊縫是不合理的。一般工藝規(guī)定側(cè)面角焊縫長度不得大于50K。

（3）聯(lián)合角焊縫搭接接頭工作應(yīng)力分布 如圖3-9b所示，在B—B截面上正應(yīng)力的分布比較均勻，最大切應(yīng)力τmax 降低，所以在B—B截面兩端點(diǎn)的應(yīng)力集中得到改善。

3．T形接頭的工作應(yīng)力分布

T形接頭在角焊縫的過渡處和根部都有很大的應(yīng)力集中，如圖3-10所示。

（1）未開坡口的T形接頭 如圖3-10a所示，焊縫根部應(yīng)力集中很大，在焊趾截面B—B上應(yīng)力分布也不均勻，B點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)隨角焊縫θ角減小而減小，也隨焊腳尺寸增大而減??；但非承載焊縫在B點(diǎn)的KT隨焊腳尺寸增大而增大。

（2）開坡口并焊透的T形接頭 如圖3-10b所示，這種接頭的應(yīng)力集中大大降低?？梢姡ＷC焊透是降低T形接頭應(yīng)力集中的重要措施之一。

第三節(jié) 焊接接頭的設(shè)計(jì)與靜載強(qiáng)度計(jì)算

一、焊接接頭的設(shè)計(jì)

1．焊接接頭設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）應(yīng)盡量使接頭形式簡單、結(jié)構(gòu)連續(xù)，且不設(shè)在最大應(yīng)力作用截面上。

（2）要特別重視角焊縫的設(shè)計(jì)。

（3）盡量避免在厚度方向傳遞力。

（4）接頭的設(shè)計(jì)要便于制造和檢驗(yàn)。

（5）一般不考慮殘余應(yīng)力對(duì)接頭強(qiáng)度的影響。

2．常見不合理的接頭設(shè)計(jì)及改進(jìn)

見表3-3

二、電弧焊接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算

1．焊接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算的幾個(gè)假設(shè)

2．電弧焊接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算

靜載強(qiáng)度計(jì)算方法，目前仍采用許用應(yīng)力法，強(qiáng)度計(jì)算時(shí)許用應(yīng)力均為焊縫的許用應(yīng)力。

焊縫的強(qiáng)度計(jì)算一般表達(dá)為：

б≤[б′]或τ≤[τ′]

(1)對(duì)接接頭的靜載強(qiáng)度計(jì)算 對(duì)接接頭強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，不考慮焊縫余高，焊縫長度取實(shí)際長度，計(jì)算厚度取兩板中較薄者。

全部焊透的對(duì)接接頭如圖3-17所示。其各種受力情況的計(jì)算公式如下：

1）受拉時(shí)

2）受壓時(shí)

3）受剪切時(shí)

4）受板平面內(nèi)彎矩

5）受垂直板面彎矩

（2）搭接接頭靜載強(qiáng)度計(jì)算

受拉、壓的搭接接頭計(jì)算公式如下：

正面焊縫

側(cè)面焊縫

聯(lián)合焊縫

第四節(jié) 焊接接頭的疲勞破壞與脆性斷裂

一、疲勞破壞

重復(fù)應(yīng)力所引起的裂紋起始和緩慢擴(kuò)展而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部件的損傷。焊接結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下，也會(huì)由于裂紋引發(fā)擴(kuò)展而發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般從應(yīng)力集中處開始，而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞又往往從焊接接頭處產(chǎn)生。

1．影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素

（1）應(yīng)力集中的影響

（2）殘余應(yīng)力的影響

（3）缺陷的影響

2．提高焊接接頭疲勞強(qiáng)度的措施

（1）降低應(yīng)力集中

1）采用合理的結(jié)構(gòu)形式，減少應(yīng)力集中，以提高疲勞強(qiáng)度。

2）盡量采用應(yīng)力集中系數(shù)小的焊接接頭，如對(duì)接接頭。

3）當(dāng)采用角焊縫時(shí)，應(yīng)采取綜合措施來提高接頭的疲勞強(qiáng)度。

4）用表面機(jī)械加工方法消除焊縫及其附近的各種刻槽，通過降低應(yīng)力集中程度來提高接頭的疲勞強(qiáng)度。

（2）調(diào)整殘余應(yīng)力場 消除焊接接頭應(yīng)力集中處的殘余拉應(yīng)力或使該處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，都可以提高疲勞強(qiáng)度。

1）整體處理。包括整體退火或超載預(yù)拉伸法。

2）局部處理。采用局部加熱或擠壓可以調(diào)節(jié)殘余應(yīng)力場，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。

（3）改善材料的力學(xué)性能。

（4）特殊保護(hù)措施

二、焊接結(jié)構(gòu)的脆性斷裂

在應(yīng)力不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力和沒有明顯塑性變形的情況下發(fā)生，并瞬時(shí)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)整體的破壞方式。

1．影響金屬脆斷的主要因素

（1）應(yīng)力狀態(tài)的影響 實(shí)驗(yàn)證明，許多材料處于單軸或雙軸拉伸應(yīng)力下，可呈塑性狀態(tài)。當(dāng)處于三軸拉伸應(yīng)力時(shí)，因不易發(fā)生塑性變形而呈脆性。

（2）溫度的影響 對(duì)于一定的加載方式，當(dāng)溫度降至某一臨界值時(shí)，將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變，這個(gè)溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。脆性斷裂通常發(fā)生在體心立方和密排六方點(diǎn)陣的金屬和合金中，只有在特殊情況下，如應(yīng)力腐蝕條件下才在面心立方點(diǎn)陣金屬中發(fā)生。

（3）加載速度的影響 提高加載速度能促使材料脆性破壞，其作用相當(dāng)于降低溫度。

（4）材料狀態(tài)的影響

1）厚度的影響

①厚板在缺口處容易形成三軸應(yīng)力，因?yàn)檠睾穸确较虻氖湛s和變形受到較大的限制，產(chǎn)生三軸應(yīng)力使材料變脆。

②冶金因素。厚板軋制次數(shù)少、終軋溫度高，組織疏松，內(nèi)外層均勻性差。

2）晶粒度的影響。對(duì)于低碳鋼和低合金鋼來說，晶粒度越細(xì)，其轉(zhuǎn)變溫度越低。

3）化學(xué)成分的影響。鋼中C、N、O、H、S、P均增加鋼的脆性。Mn、Ni、Cr、V加入適量，有助于減少鋼的脆性。

2．預(yù)防焊接結(jié)構(gòu)脆性斷裂的措施

（1）正確選用材料

①在結(jié)構(gòu)工作條件下，焊縫、熱影響區(qū)、熔合區(qū)的最脆部位應(yīng)有足夠的抗開裂性能，母材應(yīng)具有一定的止裂性能。

②材料的選擇可通過缺口韌性試驗(yàn)或斷裂韌性評(píng)定試驗(yàn)來確定。

（2）采用合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）盡量減少結(jié)構(gòu)或焊接接頭部位的應(yīng)力集中。

2）在滿足結(jié)構(gòu)的使用條件下盡量減少結(jié)構(gòu)的剛度，以降低應(yīng)力集中和附加應(yīng)力。

3）不應(yīng)通過降低許用應(yīng)力值來減少脆性的危險(xiǎn)性。

4）對(duì)于附件或不受力焊縫的設(shè)計(jì)，應(yīng)與主要承力焊縫一樣給予足夠重視。

5）減少和消除焊接殘余拉伸應(yīng)力的不利影響。在制訂工藝過程中，應(yīng)當(dāng)考慮盡量減少焊接殘余應(yīng)力值，在必要時(shí)應(yīng)考慮消除應(yīng)力熱處理。