焊接结构

2、焊缝金属的性能还与焊接方法及其参量有关。
高强钢焊缝金属强度 与线能量关系
脆性转变温度与 线能量关系
（三）低强焊缝金属接头的力学性能
焊接接头力学性能与母材和焊缝二者之间的强度 如何组配有关。
依据焊缝金属与母材屈服极限（或抗拉强度） 的比值，将焊接接头分为高组配和低组配。
焊缝金属强度比母材高的称为高组配接头， 比母材低的称为低组配接头。
单面搭接接头的强度和刚度比双面搭接低得多，所以 只能用在受力很小的次要部位。对背面不能施焊的接 头采用锯齿形焊缝搭接，有提高强度和刚度的作用。
3、丁字（十字）接头
将相互垂直的被连接件用角焊缝连接起来的接头。
常用丁字接头及其承载能力
特点：
接头承载能力强，能承受各种方向的力和力矩。
在等强度的条件下，角焊缝的焊脚尺寸一般为板厚的 75%，材料消耗较大。
厚板对接接头的力学性能与圆柱对接的试验结果基 本一样，接头强度随H/h（相对厚度）和W/h（宽厚比） 而变。H/h变小，接头强度增加；W/h变大，接头强度 增加。但W/h> 7时，接头强度与其无关，只与H/h有关。
对接宽板时，若已知焊缝金属与母材的抗拉强度比 Sr (Sr＜1）和相对厚度Xh (Xh= H/h)，则：
措施：
对较厚的板，可采用开坡口的角焊缝焊接。根据 受力情况决定是否需要焊透。这样做比不开坡口用大 尺寸的角焊缝经济，而且疲劳强度高。
对要求完全焊透的丁字接头，实践证明采用半Y 形坡口从一面焊，焊后再清根焊满，比采用K形坡口 施焊可靠。
4、角接头
角接头多用于箱形构件上，如梁、柱等。
（三）焊缝与接头的表示方法
1）力学的影响因素
主要有：接头形状的不连续性、焊接缺陷、残余应力 和变形。
焊接缺陷包括裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、咬边、 气孔等，这将成为接头破坏根源。
接头中焊缝余高或其他形式的不连续将产生应力集 中，再与残余应力结合在一起，显著影响接头强度。
2）材质方面的影响
➢ 组织变化产生的影响，热影响区晶粒粗化。 ➢ 热塑性变形循环所产生的材质变化；如调质钢
焊后HAZ的软化，某些钢焊后的热应变脆化。
上述影响因素在实际中复杂的交织在一 起，使结构破坏的可能性增加。
影响焊接接头性能的主要因素
二、焊接接头的不均匀性及其力学性能
（一）热影响区的力学性能
1．热影响区内强度和塑性的变化
低碳钢和调质钢热影响 区内强度和塑性分布
❖在1200 oC左右的粗晶区，其硬度和强度都比母材高， 但塑性比母材低。冷却速度越快，这一倾向越明显。 ❖塑性的降低与钢材的含碳量和热循环时产生的马氏体 多少有关。 ❖在700-900 oC的区域，屈服极限比母材略低，这种倾 向对调质钢特别明显。 ❖最高温度低于700 oC的区域，因为无组织变化，其拉 伸性能与母材没有多大差别。
1、对接接头
✓ 焊缝方向与载荷垂直的。
✓ 焊缝方向与载荷成斜角的。
特点： 应力分布最均匀，其应力集中程度取决于焊缝
余高和焊缝向母材过渡处半径。
2、搭接接头
✓ 由角焊缝组成的搭接接头，用于12mm以下。 特点：
接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低； 焊前准备和装配工作比对接接头简单得多； 其横向收缩量也比对接接头小。
4、引出线，表示指引焊缝位置的符号。它是由横 线、指引线和箭头三部分组成。横线一般应与主 标题栏平行，指引线和箭头应指到有关焊缝处。 当需要时，可在横线的末端加一尾部，作为其他 说明之用。
5、焊缝尺寸符号。
3.2 焊接接头的工作应力分布和工作性能
一、应力集中的概念
应力集中：指工作应力最大应力值比平均应力值高的现象。
第三章 焊 接 接 头
3.1 接接头的一般性能
一、焊接接头的基本概念
现代焊接技术发展迅速，新的焊接方法 不断出现，接头类型更是繁多，但应用最广 的焊接方法仍是熔化焊。
1、焊接接头的形成
利用高温热源（电弧）对被焊金属进行局部 加热，使之熔化并随之冷却凝固，将被连接金属 焊在一起而成。
2、焊接接头组成
为计算断面，按切应力计算强度。 ➢ 正面角焊缝的强度比侧面角焊缝高20-30%。 ➢ 侧面角焊缝沿焊缝长度上的应力分布是不均匀的。
➢ 正面角焊缝的单位长度承载能力并不是随焊脚K的增 加而成正比增加的。
➢ 正面角焊缝的强度与其断面形状有关。其强度随θ角 增大而增加。不等边角焊缝，当长边平行于载荷时 比长边垂直于载荷时强度高。
不等边
按其承载方向可分为三种： ❖ 与载荷相垂直的正面角焊缝 ❖ 与载荷相平行的侧面角焊缝 ❖ 与载荷倾斜的斜向角焊缝
角焊缝在力学性能方面具有许多特点：
➢ 以角焊缝构成的各种接头其几何形状都有急剧的变化， 力线的传递比对接焊缝复杂，焊缝的根部与趾部产生 明显的应力集中。
➢ 正面角焊缝的破断而往往与受力方向成20o-30o角。 ➢ 角焊缝的强度计算，以与受力方向成45o角的最小截面
1、高组配接头
焊缝金属强度比母材高时，断裂多发生在母材上。
W：焊缝 B：母材 J：接头
2、低组配接头
当采用比母材强度低的焊接材料焊接时，断裂多发 生在焊缝金属上，但接头强度并不等于焊缝金属本身 的强度。
W：焊缝 B：母材 J：接头
3、由材料的强度、韧性匹配情况选择接头的组配
金属结构失效（断裂）两种形式：
应力集中的大小，常以应力集中系数KT表示。
KT
max m
用实验法（光弹、电测等）确定KT值，亦可用解析 法（弹性力学方法）计算求得。结构比较复杂时，可
用有限元法确定KT。
焊接接头中产生应力集中的主要原因：
✓ 焊缝中的工艺缺陷 如气孔、夹渣、裂缝和未焊透等，其中裂纹和未 焊透引起的应力集中严重。
✓ 开槽焊
特点： 焊缝断面为矩形，其宽度为被连接件厚度的两倍， 开槽长度应比搭接长度稍短一些。
✓ 塞焊（电铆焊）
特点：Βιβλιοθήκη Baidu在被连接的钢板上钻孔来代替槽焊的开槽，用焊缝
金属将孔填满使两板连接起来。 施焊方便，施工效率高，适用于不同板厚的焊件的
连接。
✓ 锯齿状搭接
特点： 锯齿缝搭接接头是单面搭接接头的一种型式。直缝
bJ
1 3.86 X
eq
0.8
1
W b
1
当Xh>m， Xeq= Xh 当Xh<m， Xeq= 0.5(m+Xh)
m
Sr 3.86Sr
0.8
三、焊缝及接头的基本型式
（一）焊缝的基本型式
1、对接焊缝
对接焊缝的焊接边缘可分为卷边、平对或加工成 为V形、X形、K形和U形等坡口。各种坡口尺寸可根 据国家统一标准（GB985和GB986)或根据具体情况 确定。
➢ 各种截面形状角焊缝的承载能力与载荷性质有关。 静载时，如母材塑性良好，角焊缝的截面形状对承 载能力没有显著影响。动载时，凹形比平形的承载 能力高，凸形的最低。不等腰的，长边平行于载荷 方向时，承受动载效果较好。
（二）接头的基本型式
焊接接头的基本型式有四种：对接接头、搭接 接头、丁字接头和角接头。
实际材料和焊缝金属的韧性随着强度的增加而 不断下降，在较高强度时几乎是直线下降。 ❖鉴于实际情况，有如下匹配方式：
1）、对于中低强度钢，可按等强度原则进行， 选择高组配的焊接接头是合理的。
焊缝金属韧性虽然比母材低，因为焊缝和母材 都有较高的韧性储备，并不会影响整个结构的安全 性。而且当横向载荷使结构产生弹性变形时，由于 焊缝区比母材区发生较小的应变，焊缝区相当于受 到保护，高组配接头的抗脆断安全性甚至更高。
我国的焊缝代号是由国家标准GB324-2008规定 的。焊缝代号的组成内容为： 1、各种焊接方法的代号，以简明的符号或字头代表各 种焊接方法（GB5185-2005）。 2、基本符号，表示焊缝剖面形状的符号，如表4-1所 示。 3、辅助符号，表示对焊缝有辅助要求的符号。如提出 对焊缝表面形状和焊缝如何布置等要求，均可以辅 助符号表示。
➢材料静载强度控制的塑性流变断裂，条件为：
b
➢材料韧性控制的脆性断裂，条件为：
K KIC
结构抗塑性断裂的承载能力LP正比于材料的强度， 结构抗脆断破坏的承载能力LB正比于材料的韧性，因 此保证结构安全运行，必须同时满足以下条件：
L Lp
L LB
❖正比的增加材料的强度和韧性是提高结构承载能 力并保证安全运行的最合理的组配。 ❖存在困难：
2．热影响区内韧性的变化
热影响区的韧性是不均匀的，韧性低的部 分有两个：
➢ 在1200 oC以上的粗晶区到熔合线部分； ➢ 在焊缝附近的脆化区。
脆化区的位置及范围主要与母材组织成分和焊接 线能量有关。低碳钢的脆化区常在近缝区的400-200 oC之间，高强钢的脆化区常在靠近A1-A3的相变点之 间。一般是线能量越大，高温时间越长，则越容易 因晶粒粗大而韧性降低。韧性最低的位置是在熔合 线上。
对接焊缝典型坡口形式
坡口型式的选择主要取决于：
➢ 板材厚度， (见GB985和GB986) ➢ 焊接方法和工艺过程，GB985适用于气焊、手工焊和气体保护焊。 ➢ 焊接材料的消耗量，采用X形坡口比V形坡口能省较多的焊接材料、
电能和工时。 ➢ 可焊到性。一般说，要根据构件能否翻转，翻转难易，或内外两
脆化现象与钢中碳、氮等溶质原子的活动 状态有关，特别是自由氮原子较多的低碳钢 最容易发生热塑变脆化现象。
（二）焊缝金属的力学性能
焊缝金属是由焊接材料与部分母材经过熔化冷 凝形成的铸造组织，它是从母材开始垂直于等温 线方向结晶长大的。
1、单层焊时焊缝是典型的柱状晶，多层焊时，第 一层焊道的柱状晶受后焊层的热作用而转化为较 细的晶粒，所以多层焊焊缝金属的力学性能较单 层焊的好。
侧的焊接条件而定。 ➢ 坡口加工，V形和X形坡口可用气割或等离子切割，亦可用机械切
削加工。U形和双U形坡口，一般需用刨边机加工。 ➢ 焊接变形，采用不适当的坡口型式容易产生较大的焊接变形，如
果坡口型式适宜，工艺合理，则可有效地减小焊接变形。
2、角焊缝
角焊缝按其截面形状可分为四种。
直角边
内凹形
外凸形
✓ 不合理的焊缝外形 如对接焊缝余高过大，角焊缝凸形焊缝等。
2）、对于高强度钢，可按等韧性原则进行 选择。
对于高强度钢材，由于材料强度提高，韧性储 备很低，此时再选择高组配接头，焊缝韧性进一步 降低，可能导致因焊缝韧性不足引起的低应力脆性 破坏。
注 意：
低强度焊缝并总是意味着焊接接头的强度一定低于 母材。只要焊缝金属的强度不低于基体的87%，仍可 保证接头与母材等强。
4、焊接接头的不连续性
❖ 几何形状不连续：截面的突然改变，余高、 接头错位。
❖ 化学成分不连续：化学成分不均匀。 ❖ 金相组织的不连续：金相组织不均匀。 ❖ 力学性能不连续：应力集中和残余应力。
焊缝
母材
HAZ
焊接接头示意图
焊接结构自身矛盾示意图
why?
5、影响焊接接头性能的主要因素 主要因素有二：力学的影响；材质的影响。
对于高韧性的低组配接头，在弹性应力区焊缝抗 脆断能力显然高于母材。但在弹塑性区，焊缝金属承 受更大的应变，抗脆断能力下降。
4、厚板低组配接头的介绍
当相对厚度 H/D<0.8 时 ， 随 着 H/D 的降低，接头强度即 开始上升。当H/D=0.2 时，接头强度可达到 母材的强度。
低强焊缝的塑性变形受到 高强母材的拘束，使焊缝金 属处于三向受拉状态而强化 的结果。即使在室温条件下， 其断口也含有脆断破坏面， 这说明焊缝金属是处在三向 受拉状态，几乎达到不可能 产生塑性变形的程度，使接 头强度上升而突然破断的。
熔化焊接头是由焊缝金属、熔合线、热影响 区和母材组成。
3、焊接接头的特点
焊缝金属是由焊接填充材料及部分母材熔融凝固形 成的铸造组织，其组织和化学成分都不同于母材。近缝 区受焊接热循环和热塑性变形的影响，组织和（或）性 能都发生变化，特别是熔合线的组织和性能变化更为明 显。因此焊接接头是一个不均匀体。焊接接头因焊缝的 形状和布置的不同而产生不同程度的应力集中，再加上 焊接接头的残余应力与变形和高刚性就构成了焊接接头 的基本属性。
3．热影响区的热塑变脆化
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，称为热应变脆化。
一般将该区称为蓝脆区，接头强度稍有提高，而 韧性、塑性下降，下降的幅度与焊接热塑性变形量有 关。
通常焊接接头经受一次热循环所引起的塑性变形 量很小，大约仅为百分之几。然而，多层焊或焊接带 有刻槽的焊件时，缺口附近要经受相当大的塑性变形， 韧性下降明显。