第三章 焊接接頭的靜載強度
本章主要介紹焊接接頭的作用和基本形式；焊接接頭的工作應力分布狀況及其靜載強度計算；影響焊接接頭的疲勞強度因素有提高疲勞強度的措施；焊接接頭脆性斷裂、影響脆性斷裂的因素及防止措施。
*節 焊接接頭的類(lèi)型
一、焊接接頭的基本形式
1．電弧焊接頭的基本形式
（1）對接接頭 把同一平面上的兩被焊工件相對焊接起來(lái)而形成的接頭。這是一種比較理想的接頭形式，受力狀況好，應力集中小，材料消耗小。
（2）角接接頭 是兩被焊工件端面間構成大于30o、小于150o夾角的接頭。多用于箱形構件上。
（3）T形接頭 是把互相垂直的被焊工件用角焊縫連接起來(lái)的接頭，可承受各種方向的力和力矩。
（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(lái)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(lèi)型
（1）對接接頭
（2）點(diǎn)焊接頭
（3）縫焊接頭
二、電弧焊焊縫的類(lèi)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．按接頭的結構特點(diǎn)分
①對接焊縫 ②角焊縫 ③端接焊縫 ④塞焊縫 ⑤組合焊縫
第二節 常用焊接接頭的工作應力分布
一、應力集中
1．應力集中概念
在幾何形狀突變處或不連續處應力突然增大的現象稱(chēng)為應力集中。應力集中程度的大小，常以應力集中系數KT表示：
KT=бmax/бm
2．焊接接頭中產(chǎn)生應力集中的原因
（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力分布
1．對接接頭的工作應力分布
對接接頭的應力集中位于由焊縫向母材過(guò)渡的轉角處，KT的大小取決于焊縫寬度c、余高h、焊趾處的θ角及轉角半徑r。在其它因素不變的情況下，余高h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．搭接接頭的工作應力分布
（1）正面角焊縫的工作應力分布
如圖3-5所示，在角焊縫的根部A點(diǎn)和焊趾B點(diǎn)有較大的應力集中，B點(diǎn)的應力集中系數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力集中系數。
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)生附加彎曲應力，導致彎曲變形，見(jiàn)圖3-6。為了減少彎曲應力，兩條正面角焊縫之間的距離l應不小于其板厚的4倍。
（2）側面角焊縫的工作應力分布 在用側面角焊縫連接的搭接接頭中，其應力分布更加復雜。切應力沿焊縫長(cháng)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)，其沿側面焊縫長(cháng)度上切力分布見(jiàn)圖3-8，因為搭接板材不是絕對剛體，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)，兩板各對應點(diǎn)的相對位移從左至右逐漸下降，因而焊縫傳遞的切力以左端為*，向右逐漸減小。當側面角焊縫長(cháng)度超過(guò)某一長(cháng)度時(shí)，焊縫中間部分的切力就會(huì )接近零，因此，采用過(guò)長(cháng)的側面角焊縫是不合理的。一般工藝規定側面角焊縫長(cháng)度不得大于50K。
（3）聯(lián)合角焊縫搭接接頭工作應力分布 如圖3-9b所示，在B—B截面上正應力的分布比較均勻，*切應力τmax 降低，所以在B—B截面兩端點(diǎn)的應力集中得到改善。
3．T形接頭的工作應力分布
T形接頭在角焊縫的過(guò)渡處和根部都有很大的應力集中，如圖3-10所示。
（1）未開(kāi)坡口的T形接頭 如圖3-10a所示，焊縫根部應力集中很大，在焊趾截面B—B上應力分布也不均勻，B點(diǎn)的應力集中系數隨角焊縫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(kāi)坡口并焊透的T形接頭 如圖3-10b所示，這種接頭的應力集中大大降低?？梢?jiàn)，保證焊透是降低T形接頭應力集中的重要措施之一。
第三節 焊接接頭的設計與靜載強度計算
一、焊接接頭的設計
1．焊接接頭設計要點(diǎn)
（1）應盡量使接頭形式簡(jiǎn)單、結構連續，且不設在*應力作用截面上。
（2）要特別重視角焊縫的設計。
（3）盡量避免在厚度方向傳遞力。
（4）接頭的設計要便于制造和檢驗。
（5）一般不考慮殘余應力對接頭強度的影響。
2．常見(jiàn)不合理的接頭設計及改進(jìn)
見(jiàn)表3-3
二、電弧焊接頭靜載強度計算
1．焊接接頭靜載強度計算的幾個(gè)假設
2．電弧焊接頭的靜載強度計算
靜載強度計算方法，目前仍采用許用應力法，強度計算時(shí)許用應力均為焊縫的許用應力。
焊縫的強度計算一般表達為：
б≤[б′]或τ≤[τ′]
(1)對接接頭的靜載強度計算 對接接頭強度計算時(shí)，不考慮焊縫余高，焊縫長(cháng)度取實(shí)際長(cháng)度，計算厚度取兩板中較薄者。
全部焊透的對接接頭如圖3-17所示。其各種受力情況的計算公式如下：
1）受拉時(shí)
2）受壓時(shí)
3）受剪切時(shí)
4）受板平面內彎矩
5）受垂直板面彎矩
（2）搭接接頭靜載強度計算
受拉、壓的搭接接頭計算公式如下：
正面焊縫
側面焊縫
聯(lián)合焊縫
第四節 焊接接頭的疲勞破壞與脆性斷裂
一、疲勞破壞
重復應力所引起的裂紋起始和緩慢擴展而產(chǎn)生的結構部件的損傷。焊接結構在交變應力或應變作用下，也會(huì )由于裂紋引發(fā)擴展而發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞一般從應力集中處開(kāi)始，而焊接結構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度的因素
（1）應力集中的影響
（2）殘余應力的影響
（3）缺陷的影響
2．提高焊接接頭疲勞強度的措施
（1）降低應力集中
1）采用合理的結構形式，減少應力集中，以提高疲勞強度。
2）盡量采用應力集中系數小的焊接接頭，如對接接頭。
3）當采用角焊縫時(shí)，應采取綜合措施來(lái)提高接頭的疲勞強度。
4）用表面機械加工方法消除焊縫及其附近的各種刻槽，通過(guò)降低應力集中程度來(lái)提高接頭的疲勞強度。
（2）調整殘余應力場(chǎng) 消除焊接接頭應力集中處的殘余拉應力或使該處產(chǎn)生殘余壓應力，都可以提高疲勞強度。
1）整體處理。包括整體退火或超載預拉伸法。
2）局部處理。采用局部加熱或擠壓可以調節殘余應力場(chǎng)，在應力集中處產(chǎn)生殘余壓應力。
（3）改善材料的力學(xué)性能。
（4）特殊保護措施
二、焊接結構的脆性斷裂
在應力不高于結構的設計應力和沒(méi)有明顯塑性變形的情況下發(fā)生，并瞬時(shí)擴展到結構整體的破壞方式。
1．影響金屬脆斷的主要因素
（1）應力狀態(tài)的影響 實(shí)驗證明，許多材料處于單軸或雙軸拉伸應力下，可呈塑性狀態(tài)。當處于三軸拉伸應力時(shí)，因不易發(fā)生塑性變形而呈脆性。
（2）溫度的影響 對于一定的加載方式，當溫度降至某一臨界值時(shí)，將出現塑性到脆性斷裂的轉變，這個(gè)溫度稱(chēng)為脆性轉變溫度。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力，因為沿厚度方向的收縮和變形受到較大的限制，產(chǎn)生三軸應力使材料變脆。
②冶金因素。厚板軋制次數少、終軋溫度高，組織疏松，內外層均勻性差。
2）晶粒度的影響。對于低碳鋼和低合金鋼來(lái)說(shuō)，晶粒度越細，其轉變溫度越低。
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．預防焊接結構脆性斷裂的措施
（1）正確選用材料
①在結構工作條件下，焊縫、熱影響區、熔合區的最脆部位應有足夠的抗開(kāi)裂性能，母材應具有一定的止裂性能。
②材料的選擇可通過(guò)缺口韌性試驗或斷裂韌性評定試驗來(lái)確定。
（2）采用合理的焊接結構設計
1）盡量減少結構或焊接接頭部位的應力集中。
2）在滿(mǎn)足結構的使用條件下盡量減少結構的剛度，以降低應力集中和附加應力。
3）不應通過(guò)降低許用應力值來(lái)減少脆性的危險性。
4）對于附件或不受力焊縫的設計，應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力的不利影響。在制訂工藝過(guò)程中，應當考慮盡量減少焊接殘余應力值，在必要時(shí)應考慮消除應力熱處理。
