[理学]焊接结构力学教学课件-第三章

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2.联系焊缝：焊缝与被连接板件沿受力方向成并联形式布 置，焊缝只传递很少的载荷，主要在被连接板之间起到 联系作用，即使焊缝断裂，焊接结构并不立即失效。
联系焊缝要考虑经济性而减小、减短焊缝 具有双重性的焊缝，即有工作应力又有联系应力，则只计算工作应力， 而不考虑联系应力
在判断焊缝是工作焊缝还是联系焊缝时，不仅要看焊缝与被连 接板的布置形式，更重要的是看焊缝断裂接头是否立即失效。
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§3-4 焊接接头静载强度计算和设计
三、电弧焊接头的静载强度计算
在焊接结构的设计中，一般由两种方法确定焊缝尺寸： （一）按焊缝的工作应力小于焊缝许用应力的原则。 （二）按刚度条件确定焊缝尺寸。
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三、电弧焊接头的静载强度计算
（一）按焊缝的工作应力确定焊缝尺寸
1.对接接头静载强度计算
计算公式如下：
与力作用方向垂直的焊缝 ① 焊缝根部A点、焊趾B点应力集中严重 ② 焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边的夹角 而改变 ③ 减小 、增大熔深焊透根部和增大底边焊脚长度， T 可使 减小
搭接接头角焊缝图见书P85 图3-36
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2.侧面搭接角焊缝（图3-13） 3.斜向搭接角焊缝（图3-14）
图3-14 LD2铝合金自动TIG焊HAZ软化现象
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一、应力集中 定义： 由于焊接的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作 应力的分布是不均匀的，其最大应力 max 比平均应 力值 m 高，这种情况称应力集中。 表达式：
max T m
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应力集中产生的主要原因有:
① 焊接工艺缺陷、冶金缺陷。夹渣、气孔、咬边、未焊透均
P ' [ l] 受拉时： l P ' 受压时： [ a ] l
受剪时：
Q [ ' ] l
图3-25 对接接头受力情况
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三、电弧焊接头的静载强度计算
向内弯： M 1 6M 1 [ ' ] 1 l 2
W1
l
垂直弯：
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4）压力对焊（RPS）



对接接头工件端面开整 夹具，凸起型顶锻。 可用（钢）： Φ0.5㎜-28㎜ 最 大约600㎜2 铝：仅用于细的线材
5）闪光对焊（RA）



对接接头，大截面工件 带和不带予热焊接 闪光和顶 锻，顶锻处有毛刺 可用于（钢）： 1.5……300㎜Φ, 最 大约：100,000㎜2 铝：可至约12000㎜2
M 2 6M 2 ' 2 [ l] 2 W2 l
∴ 综合作用：
合 2 3 2 ( 1 2 3 ) 2 3 2 [ ' ]
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焊接接头
热影响区：
过热区：此区的加热温度范围 为固相线至1100℃，具有过 热组织或晶粒显著粗大的组织。 细晶区：此区的加热温度范围 为AC3以上，未达到过热温度， 由于焊后空冷，相当于热处理 后的正火组织。 部分相变区（不完全重结晶 区）：此区的加热温度范围为 AC3-AC1之间。空冷时为先 共析铁素体（细小）和珠光体 以及未溶的粗大铁素体组织。
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（二）铆焊联合接头 在同一个接头中既有铆钉又有焊缝的连接形式。 不合理接头形式，不采用。
图3-23 铆焊联合街头
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§3-4 焊接接头静载强度计算和设计
一、工作焊缝和联系焊缝
1.工作焊缝：焊缝与被连接板件沿受力方向成串联形式 布置，焊缝传递全部载荷，一旦焊缝断裂，则接头立 即破坏。
工作焊缝必须进行焊缝强度计算
图3-4 低碳钢焊接接头的组织变化
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二、影响焊接接头性能的主要因素
1.焊接缺陷：焊接裂纹、熔合不良、咬边、夹渣、 气孔 2.接头形状不连续性 3.焊接残余应力和变形 4.材质 5.焊后热处理 6.焊接材料焊条和焊丝等 7.焊接方法 8.焊接工艺焊接电流、电 弧电压、焊接速度和线能 量等的总称为工艺参数
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手工电弧焊焊接过程
电焊 条
焊件2
图3-1 手工电弧焊示意图
焊件1
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熔化焊焊接过程动画
5
焊接接头的特性
焊接变形与残余应力 组织成分不同
焊趾 与 咬边
熔合线 焊缝金属 热影响区
图3-2 熔化焊焊接接头结构
母材
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一、焊接接头
焊接接头区域包括： 焊缝金属 熔合线 热影响区 母材
图3-3 焊缝的柱状树枝晶

工件搭接（对接也可以） 轮状滚动电极 排点状焊缝（封闭焊缝为滚 缝状焊缝） 可用于（钢）：薄板最大至 约3.5㎜ 铝：0.05㎜至最大3+3㎜
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3）凸焊（RB）




工件有凸点（有利于电流集 中） 工件搭接 大面积电极 一个工作过程可焊接很多点 ，以熔核状联接 可用于（钢）： 0.5 最大至 68㎜ 铝：仅相对硬的合金至最大 3+3㎜

焊点主要承受剪切应力 单排点焊接头的应力分 布与t/d有关

多排点焊以两端焊点受
力最大不多于3排
图3-22 点焊应力分布
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（一）铆焊联合结构 1、铆接接头比焊接接头刚度小，在承受冲击载荷的时 候能够吸收较大的能量，起到缓冲作用。 2、铆接接头的应力集中系数较某些焊接接头的小，疲 劳强度大。 3、铆接接头中的内应力较焊接接头低。 4、铆接结构有良好的止裂性能。 5、铆接结构易于在工地条件下连接，有较好的安装质 量。
对塞焊焊缝尺寸的规定主要是沉入角度和焊缝填充深度.
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手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸
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四、焊缝的画法
在视图中，可用加粗实线来表示焊缝。
角焊缝
Ⅰ形焊缝
图3-9 不同焊缝形式的画法
一般情况下，只用粗实线表示可见焊缝。
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四、焊缝的画法
在视图中，可见焊缝用与轮廓线相垂直的细实线表 示，如图（a）所示。不可见焊缝则用虚线段表示，如图 （c）所示。
图3-11 焊缝熔池 熔池的形状和大小，受母材的热物理性 质、尺寸和焊接方法以及工艺参数等因 素的影响。 26
二、焊缝金属的力学性能
焊接工艺
焊接规范
焊接方法
接头形式
线能量
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三、热影响区的力学性能
（一）热影响区的强度分布特点（钢材焊接） 1200℃，粗晶区，硬度、强度比
母材高，塑性比母材低；
图3-19 斜向搭接角焊缝
图3-20 侧面搭接角焊缝
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4.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=侧+ 正 采用联合角焊缝搭接接头使 应力集中程度明显改善。

P88 3-42
图3-21 联合搭接角焊缝
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1）点焊（RP）
2）缝焊（RR）



工件搭接，销钉状电 极，以熔核状连接。 可焊钢至最大约 20㎜～30㎜厚 可焊铝：0.1㎜～ 最大8+8㎜
Hmax判断HAZ性能。
图3-13 调制钢焊接HAZ硬度分布
热影响区的强度、塑性和韧性随热循环的不同而变化
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三、热影响区的力学性能
（五）热影响区的软化
HAZ的软化或失强对焊接接头力学性能影响相对较小；
采用小焊接线能量、多层焊并保持较低的层间温度，可 降低强化相的析出聚集，从而使HAZ具有软化倾向。
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焊缝凝固过程动画
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焊缝凝固过程动画
焊接熔池
焊速对结晶形态的影响
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焊接接头
焊缝金属区：焊接加热时，焊缝金属区的温度在
液相线以上，冷却后成为柱状晶铸态组织。
熔合区：焊缝与母材交接的过渡区，也称半熔化
区。冷却后熔化的金属凝固成铸态组织，未熔化 的金属因加热温度过高成为粗晶，其韧性和塑性 明显变差，容易产生裂纹和脆性破坏，是焊接接 头的危险区域之一。 热影响区
（C）角焊缝
对接接头
搭接接头
T形接接头
角接接头
•按其结合形式分为：对接接头，盖板接头，搭接接头，T形 接头，十字形接头，角接头，端面接头。 •按焊缝的形状分为：对接焊或开坡口焊接，角焊，塞焊等。
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手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸
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手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸
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手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸
（a）可见焊缝
（b）焊缝剖面
（c）不可见焊缝
图3-10 不同焊缝形式的画法
在垂直于焊缝的剖视图中，焊缝的剖面形状则应 涂黑表示，如图 （b）所示。
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一、焊缝金属的凝固
1. 熔池体积小，冷却速度快 2.熔池中的液态金属处于过热状态 3.熔池在运动状态下结晶
单道焊组织为典型的柱状晶。 柱状晶通常是与等温线垂直 的方向长大。 多层焊时，后续焊道对前一 道焊缝重新加热，于是消除 了柱状晶，并使晶粒细化。
钨极惰性气体保护焊含钨极ar弧焊142tig点焊149原子氢焊15等离子弧焊151大电流等离子弧焊152微束等离子弧焊153等离子弧粉末堆焊喷焊154等离子弧填丝堆焊冷热丝附表107awarcwelding电弧焊ahwatomichydrogenwelding原子氢焊bmawbaremetalarcwelding无保护金属丝电弧焊cawcarbonarcwelding碳弧焊cawggascarbonarcwelding气保护碳弧焊cawsshieldedcarbonarcwelding有保护碳弧焊cawttwincarbonarcwelding双碳极间电弧焊egwelectrogaswelding气电立焊fcawfluxcoredarcwelding药芯焊丝电弧焊fcwggasshieldedfluxcoredarcwelding气保护药芯焊丝电弧fcwsselfshieldedfluxcoredarcwelding自保护药芯焊丝电弧焊gmawgasmetalarcwelding熔化极气体保护电弧焊gmawppulsedarc熔化极气体保护脉冲电弧焊gmawsshortcircuitingarc熔化极气体保护短路过度电弧焊焊接工艺方法代号108gtawgastungstenarcwelding钨极气体保护电弧焊gtawppulsedarc钨极气体保护脉冲电弧焊miawmagneticallyimpelledarcwelding磁推力电弧焊pawplasmaarcwelding等离子弧焊smawshieldedmetalarcwelding焊条电弧焊swstudarcwelding螺栓电弧焊sawsubmergedarcwelding埋弧焊sawsseries横列双丝埋弧焊rwrwsistancewelding电阻焊fwflashwelding闪光焊rwpcpressurecontrolledresistancewelding压力控制电阻焊pwprojectionwelding凸焊rsewresistanceseamwelding电阻缝焊rsewhfhighfrequencyseamwelding高频电阻缝焊rsewiinductionseamwelding感应电阻缝焊焊接工艺方法代号109rsewmsmashseamwelding压平缝焊rswresistancespotwelding点焊uwupsetweldi
会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。
② 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。 ③不合理的接头设计：不同接头型式引起应力集中不同。 ④焊缝布置不合理。 ⑤焊接残余应力。 ⑥制造过程中的缺陷。
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（一）对接接头中的工作应力分布
1. 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 大应力集中部位在焊趾。 应力分布见书P82 图3-27

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三、焊接接头的基本形式
两金属焊件在焊接时的相对位置，有对接、搭接、 T形接和角接四种形式，叫做焊接接头形式。
焊接接头
焊件1
焊件2
焊缝
图3-8 焊接接头
焊接后，两焊接件接头缝隙熔接处，叫做焊缝。常见 的焊缝形式有对接焊缝、点焊缝和角焊缝等。
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常见焊接接头形式及焊缝形式
（a）对接焊缝 （b）点焊缝
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§3-4 焊接接头静载强度计算和设计
二、焊接接头静载强度计算的简化假定
① 残余应力对接头强度无影响； ② 应力集中对接头强度无影响； ③ 接头的工作应力是均布的，以平均应力计算； ④ 不计正面与侧面焊缝、焊缝的加强与减弱和不同焊接 规范引起的焊缝性能差异，而用统一的计算截面和许 用应力；
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⑤角焊缝都是在切应力作用下破坏的。角焊缝的计算断面在角 焊缝截面的最小高度上，取内接三角形高度 为计算高度， （如图）。 直角等腰角焊缝的计算高度：
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焊接缺陷
图3-4 焊接接头缺陷
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焊接缺陷
图3-5 焊接接头缺陷
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焊接缺陷
图3-6 T形焊接接头层状撕裂
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焊接缺陷
图3-7 T形焊接接头层状撕裂剖面图
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焊接接头设计时必须注意以下几点：
1、在不损害强度的前提下，必须尽量减少焊接部位。 2、在设计焊接接头时，要注意使接头的可焊性好，并 尽可能选用自动化程度较高的焊接方法。 3、力求减小焊接接头的拘束应力。避免几条焊缝集中 在一起，或者焊缝彼此过于接近，以避免产生裂纹和 材质性能变坏。 4、对大型焊接结构，必须对胚料的加工精度和接头的 装配精度有较严格的技术要求，以避免产生接头错边。
700-900℃，屈服强度比母材低； 低于700℃，无组织变化。 （二）热影响区的韧性变化 韧性不均匀
图3-12低碳钢焊接接头的性能分布
（三）热影响区热塑性应变脆化（HSE）
性能下降，硬度提高和塑性下降
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三、热影响区的力学性能
（四）热影响区的硬化
HAZ硬度主要取决于被焊钢种的化学成分和冷却条件；

K 2
0.7 K
图3-24 角焊缝截面形状
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⑥尽管加强高和小量的熔深对于接头强度没有影响，
但埋弧自动焊和 co2 保护焊的熔深较大应予以考虑，
其角焊缝计算断面厚度 （如图）
当K 8mm, 可取K ( K P)COS 45 当K 8mm, P一般取8mm
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焊接结构力学 第三章 焊接接头

主讲：史菲
3-1 3-2
焊接接头的基本概念
焊接接头的力学性能
3-3 焊接接头的工作应力分布和性能
3-4
3-5
焊接接头静载强度计算和设计 焊缝代号
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内容：1.焊接接头及其主要形式 2.焊接接头的应力集中 3.焊接接头的应力分布 4.焊缝静载强度计算
本章难点: 1.焊接接头的应力分布 2.焊缝静载强度计算
2. 应力集中系数：
h T 1 k sin r
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图3-15 平板对接接头应力分布
图3-16 平板对接接头余高对应力分布的影响
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图3-17 不等厚平板对接接头形式
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（二）T形接头（十字形接头）的工作应力分布 十字接头有熔透和未熔透两 种
① 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。
② 熔透的十字接头有较小 的应力集中系数。
图3-18 十字接头应力分布
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根据受力方向，可将搭接接头角焊缝分为： 正面角焊缝-------与受力方 向垂直的角焊缝 侧面角焊缝-------与受力方向平行的角焊缝 斜向角焊缝-------与受力方向呈一定角度的角焊缝
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搭接接头的应力分布
1.正面搭接角焊缝