焊接接头强度校核

只有当外力超过临界值时，或裂纹长 度达到临界尺寸时，裂纹才能自动迅 速扩展，其速度接近声速；当裂纹扩 展后a值变大，临界应力下降，断裂 可加速发展。
应力强度法
（1）KIC判据（与材料性质有关的常数）
K Ic临界应力强度或临界能量G Ic 都可以称为材料的断 裂韧度。由于通过弹应力分析就能确定不同儿何形状的 K 因子值，这就使得应力强度方法在解决断裂问题上非 常得对于某种材料来说，KIC参量是个与裂纹几何特征类 型、构件形状、载荷类型、裂纹长度等因素无关的参数。 实践证明：在一定温度下， 只要材料厚度超过一定值， KIC就是材料常数。
对一定的弹性模量E，的概率散度大约是±12%。
焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
（3）临界COD的测试（即 c ）
测试试样采用三点弯曲试样，计算公式为：
c
1
V (a h)
r(W a)
这里: a-裂纹长度；V-引伸计刀口间的张开位移（毫米）；W-试 样的高度；r-转动因子；h-刀口高度。要获得临界COD值，关键 要知道转动因子r，并正确地定出临界点。但非常复杂，误差也较 大，具体参看文献《断裂韧性测试》（褚武扬等编著）（科学出版
①对接接头 ②搭接接头 ③角接接头 ④T字接接头
— 接头受力简单、均匀，应力集中较小，
对接接头
强度较高，优先选用
搭接接头
— 接头强度好。但受力复杂，应力集中严重， 易产生焊接缺陷。
T型接头 角接接头
— 广泛用于空间类焊件，完全焊透的单面坡口 和双面坡口的T型接头具有较高的强度。 — 只起连接作用，不能传递载荷，（应力分布 复杂，承载能力低）。
s
对于无限宽板，有
KIC s acr
若通过实验已知材料的KIC值，可得
acr
1
a2
K IC
s
2
弹塑性力学
（2） 判据
c
KIC判据是在线弹性条件下成立的，属于线弹性断裂力学 的范畴。当有屈服现象时，必须对KIC进行修正。而当大 屈服或全面屈服时，KIC将失效。这时，属于塑性断裂力 学范畴，而引进该判据（即临界裂纹张开位移COD）。
塑金性属变材形料能中裂纹比扩展大的 得临p 多界，条e 因件此可写成可忽略不e 计，此时修正后的
式的左边被称为能量的释放率(G)，。它表示裂纹扩展单位面积系统所释
放的弹性能，即单位裂纹表面积的弹性能。右边表示表面能的增加，它
被称为裂纹扩展阻力（ R ）。由此可知，裂纹要发生失稳扩展，G必须
至少等于 R 。如果 R 为常数，则意味着‘必须超过某一临界值（GC）。
315
315
侧面角焊缝强度 σb/MPa 326
270
250
243
236
236
钢结构最小焊脚尺寸的规定AWS
δ
<6
6~13 13~19 19~38 38~57 57~152 >152
Smin
3
5
6
8
10
13
16
线弹性力学评价法
1.断裂韧度判据
工程上的断裂事故，总是从存在的宏观缺欠或裂纹为 “源”而开始的。在这样的研究基础上新兴了一门学 科“断裂力学”。材料中存在的裂纹或缺欠，是否能 扩展，扩展有多快，以及断裂强度下降有多快，研究 其估算方法并进行估算，就成为断裂力学的任务。不 同材料对裂纹的扩展具有不同的阻力，从而提出了断 裂韧度的概念。金属断裂有延性断裂与脆性断裂之分。 断裂可以分为三个阶段：裂纹形核、裂纹扩展、断裂。
焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
KIC 2E0 P
（公式2）
由公式1可得
a 2E0 P
此式左边显然与材料无关而为力学变量，设为KI表示， 联立上式可得此材料的临界条件为：
KI=KIC
对于一定尺寸 的裂纹，材料 KIC越高，脆断 所需临界应力 就越高。
容许工作应力σ和材料的屈服应力σs存在如下关系
➢ 正面角焊缝
侧面角焊缝侧面角焊缝的工作应力分布更为复杂。焊缝中既有正应力又 有剪应力，剪应力沿角焊缝长度上的分布是不均匀的。
3. T 形接头（十字接头）的工作应力分布
由于在整个厚度方向没有焊透， 如14 一 13a这对于焊缝的根 部来说，相当于存在一个原始 裂纹。所以焊缝根部的应力集 中十分严重。焊趾截面 B 一 B 上的应力集中系数随角焊缝的 形状不同而变化。
EC U W
a 2 E
2 P
cr
2E0 e a
应当指出，格里菲斯是根据玻璃、陶瓷等脆性材料推导能最公式的。 在金属材料中，当裂纹扩展时，裂纹前端局部区域要发生一定的塑 性变形，裂纹尖端也因期性变形而钝化，此时格里菲斯理论失效。 X 射线分析证实了金属断裂表面有塑性变形的薄层。根据试骏结果，
Y
a W
和
F
a W
可查表获得。具体可参阅文献《断裂韧性测试》（褚武扬等编著）
（科学出版社，1979）
焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
标准KIC试样
a) 三点弯曲试样
焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
b) 紧凑拉伸试样
焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
（2）临界应力强度因子KIC 的间接确定
社，1979）。
（4）单试样法测 J IC
对于短跨距（S/W=3~5）、深裂纹（a/W≥0.5） 的三点弯曲试样：
J IC
2U c B(W
a)
这里: Uc -恒位移条件下的临界应变能或形变功。
焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
对于标准紧凑拉伸试样：
J IC
Uc
a W
2.3
B(W
a)
a W
该方法属于断裂力学的线弹性力学方法，包括金属 材料断裂的能量理论法和应力强度法。
金属材料断裂的能量理论法
格里菲斯取一块厚度为单位 l 的“无限”大平板为研究模型， 先使平板在无穷远处受到单向 均匀拉伸应力作用，如图 ，然 后将其两端固定，以杜绝外部 能源。设想在这块平板上中心 区域出现一个垂直于拉应力， 方向长度为 2a 穿透板厚的裂 纹。切开裂纹后，平板内贮存 的弹性应变能将有一部分被释 放出来，其释放量设为 U 。又 由于裂纹出现后有新的表面形 成，要吸收能量，设其值为 W ，则其能量的总改变量 E 。
焊接结构设计 第十四章焊接接头强度计算
授课教师：侯军才
典型的接头形式和焊缝形式
14.1焊接接头的特点及形式
14.1.1焊接接头的概念及形成
1.焊接接头组成： 焊缝金属、熔合线、热影响区、临近母材组成。
2.焊接接头的特点： 它是一个化学和力学不连续体，不连续性体现在几何 不连续性、化学成分不连续性、金相组织不连续、力学性能不连续。
余 高 角 对 应 力 集 中 系 数 的 影 响
1.对接接头的工作应力分布
通过实验发现，应力集中主 要发生在焊缝的加厚高 c 及焊缝与母材的过渡区（半 径为 r ）。
由加厚高产生的应力集中对 接头的疲劳强度影响最大。 对于承受冲击载荷的焊接结 构，应将重要部位的对接接 头的加厚高打磨掉，也可以 采用砂轮打磨过渡区，增加 过渡区半径，使应力集中系 数降低。
焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
根据中低强度钢的数据，在转变温度范围内求KIC 和AKV可建立以下关系：
KIC 2 / E 2( AKV )3/ 2
K IC—以1b.in-3/2为单位；
E—弹性模量，以1b.in-2为单位； AKV—以ft-lb为单位。
根据试验的数据，KIC2 / E 的概率散度大约是±25%，
0.65
有关U c 的确定，比较复杂，具体参看文献《断裂韧性测试》（褚武扬等
编著）（科学出版社，1979）。
在线弹性条件下，有：
J IC
K I2C E'
其中E
'
E平面应力
E/1ຫໍສະໝຸດ 2平面应变焊接结构的失效分析-焊接缺欠的评定方法
6. 脆断评定
YTM560-6电机转轴焊缝静载强度评估
假设转轴中间部位焊缝完全开裂、两端筋板焊接完好并承载的情况 下，针对YTM560-6电机转轴静载焊缝强度进行评估分析。
b max
Mb zb
max
3 2
F AW
对于部分焊透情况：zb
al(3
2
6 a 3
4a2 )
AW 2al
Mb—转矩；a—角焊缝的有效厚度；δ —板厚；l —焊缝承 载长度； F —作用在板边的力。
2
K
c
IC
E0 s
若σcr/σs≤0.6~0.7，上式成立。
（1）KIC的测试方法
对于三点弯曲试样，
K IC
Pc BW
Y
a W
对于紧凑拉伸试样，
K IC
Pc BW
F
a W
B-试样的厚度，W -试样的高度，W=2B，a-裂纹长度（预制疲劳裂纹的长度必
须大于1.3mm，以保证裂纹尖端的尖锐），Pc-裂纹失稳扩展时的临界载荷。
COD理论是利用裂纹尖端在外力作用下张开位移的大小 作为力学量和材料韧性来处理问题。用位移量来解决弹 塑性问题较应力梁的优势在位移在塑性变形时比应力敏 感。塑性变形时，材料的变形大而应力的变化小，变形 随材料的δ增大而增大。
c
8 sac E0
ln sec
2 s
当裂纹尖端只有小的屈服时，与KIC有下列近似关系
某些焊接方法适合于一定的接头形式，如埋弧自动焊多采用对 接接头，为了存放焊剂宜进行平。电阻点焊和缝焊多采用搭接 接头。
工作焊缝a)
联系焊缝b)
14.2焊接接头的工作应力分布
应力集中问题（与 疲劳密切相关）
应力集中系数公式如下：
Kt
K max n