焊接接头的设计与工艺2015.3

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3、焊接结构设计 3.3疲劳失效的因素 早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没 有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范 并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理 的焊接接头； 焊接接头的静载承受能力一般并不低 于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低 于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密 切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而 过早失效的一个主要的因素；
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2、焊缝接头形式
2.2 对接焊缝 对接焊缝分为全熔透焊缝非全熔透焊缝 全熔透焊缝与母材等强： 对接I形 对接V形 对接半V形 对接封底焊
非全熔透焊缝，一般熔透深度由设计师确定，并在图纸 上标明，不需作清根处理，允许未熔透存在。
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2、焊缝接头形式
2.3 混合Hale Waihona Puke Baidu缝
2.2 对接焊缝
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3、焊接结构设计
英国：钢结构疲劳设计与评估实用标准 (Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures) BS(7608:1993)
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3、焊接结构设计
英国：钢结构疲劳设计与评估实用标准
2、焊缝接头形式
澳大利亚AS1554.5高度疲劳负荷钢结构焊接中规定角 焊缝最小尺寸
最厚部件（t）厚度 ≤3 >3 ≤7 >7 ≤10 >10 ≤15 >15 角焊缝尺寸 2t/3* 3* 4* 5 6
• 表示该值必须增加才能达到设计标准
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2、焊缝接头形式
角焊缝在满足强度的要求时，不必要加大焊缝尺寸。 过份加大焊缝尺寸，增加施焊时间，浪费焊接材料，冷却 时焊接应力过大而产生裂纹。因此美国焊接学会推荐的角 焊缝的最小尺寸为： 构件厚度（mm） < 6.325 6.325～12.7 12.7～19.1 19.1～38.1 38.1～57.2 57.2～152.4 > 152.4
3、焊接结构设计 3.3疲劳失效的因素 焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人 为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结 构的设计载荷越来越大；
3、焊接结构设计 3.3疲劳失效的因素 结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接 结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结 构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。
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2、焊缝接头形式
2.4 角焊缝 角焊缝是焊接结构中应用最多的一种接头形式。我 国机械行业在设计焊接结构时，一般采用焊缝尺寸的经验 公式，当焊缝与母材等强时，角焊缝焊脚等于钢板厚度的 3/4，Z=3/4t。如果被焊的两块钢板厚度不同，则t等于较 薄板的厚度。 当按刚度设计时，构件的应力通常是相当低的，经验 做法是焊脚尺寸约为按强度设计所需的1/3～1/2，即 Z=1/4～3/8t。
AS/NZS 1554.1 结构钢焊接(澳大利亚/新西兰标准) AS/NZS 1554.5 结构钢焊接 第五部分：高度疲劳负荷钢结构焊接
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2、焊缝接头形式
2.6 焊接符号 GB/T 324-2008 焊接符号表示 EN 22553-1995-E 焊缝在图样上的符号表示法（欧洲标准） ISO2553-1995-E 焊缝在图样上的符号表示法 （国际标准） EN ISO 9692-1 焊接及相关工艺—推荐的焊接坡口—钢 的焊条电弧 焊、气体保护焊、气焊及高能束焊 AWS A2.4-2012 美国焊接符号标准
3、焊接结构设计
凸面角焊缝一般应被避免。它是不经济的并且具有最 大的缺口效应。仅在角接焊缝时使用这种焊缝形状， 甚至认为是有利的。 凹面角焊缝的焊缝体积大于平角焊缝的焊缝体积。凹 形角焊缝具有最小的外部缺口效应，因此优先用于承 受动载的构件中。它们多半只能在船形位置焊接时得 到。 不等腰焊缝常用于端面焊缝的焊接，目的是减少缺口 效应（应力集中）。
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2、焊缝接头形式
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2、焊缝接头形式
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2、焊缝接头形式
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目录
第一部分
焊缝分类
第二部分
焊缝接头形式
第三部分
焊接结构设计
第四部分
焊接工艺
第五部分
小结
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3、焊接结构设计
1、焊接结构用钢 碳素结构钢（Q195、Q235、Q275）GB/T 700 优质碳素结构钢（10、20、30、45……） GB/T 699 低合金高强度钢(Q295、Q345、……Q460） GB/T 15914 低合金高强度钢( WBD690、HG60、BWELDY700QL4、 WEL-TEN780 ）各企业、各国 耐大气腐蚀钢（09CuPTiRe、09CuPCrNi） 运装货车 高强度耐大气腐蚀钢 (Q400NQRl、Q450NQRl、) 运装货车 合金结构钢（20Mn2、20CrMo……） ；GB/T 3077 铝合金( AL-Mg 5083、AL-Mg-Si 6005A、6082等 ) 各国
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3、焊接结构设计
上述标准的局限性
在工程应用中，如果待评估的焊接接头的几何形状及外载荷模式与这些标准中提供的不 同时具有一致性，即难于“对号入座”，那么，评估结果将因人而异，失去一致性。 事实上，这种情况是经常发生的： （1）实际结构的载荷远比实验室疲劳试验机上的载荷复杂，即载荷的多样性； （2）实际结构上焊接接头的几何形状远比疲劳试验样件的几何复杂，及几何的多样性； （3）在计算疲劳寿命时，上述标准需要的名义应力是不存在的； （4）如果用有限元手段 计算应力由于计算结果对有限元网格的大小很敏感，计算结果 也将因人而异。
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3、焊接结构设计
2、 结构承载 焊接结构在应用时，其焊接接头承受不同的载荷，一 般为主要承受静载、动载。承受静载的结构，如上所述设 计时较为简单, 我们更要关注承受动载的焊接结构。 结构承受载荷的性质（拉、压、扭转、剪切）、大小 、方向、作用位置中一项或多项不断变化（疲劳）或变化 过大、过速（冲击）的情况都属于动载。疲劳是结构失效 的基本形式，约占结构失效总量的80～90％ 。
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1、焊缝分类
3、按用途分 澳大利亚新西兰标准AS NZS 1554.1 GP（一般用途）焊接用途为非结构用途 SP（结构用途）焊缝为静载荷型 FP（疲劳结构用途）焊缝为疲劳条件下
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目录
第一部分
焊缝分类
第二部分
焊缝接头形式
第三部分
焊接结构设计
第四部分
焊接工艺
第五部分
小结
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3、焊接结构设计
3.2焊接结构疲劳问题的特殊性： 1）母材、焊材、热影响区而导致了材料的不均匀性； 2）没有裂纹萌生阶段，只有选择阶段； 3）残余应力的复杂性； 4）焊接接头的几何不连续性破坏了传力路径连续性。 对于那些长期承受动态载荷的焊接结构，其焊缝焊根 与焊趾上的疲劳强度远低于其构成母材的疲劳强度。
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3、焊接结构设计 工作焊缝接头焊根与焊趾处的应力集中系数 随角焊缝的形状尺寸变化而变化，如果不计焊趾 部位的缺陷，从理论上以类似的有限元计算如表1
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3、焊接结构设计
表1 十字接头焊趾和根部应力集中系数
焊缝形式
焊缝部位
应力集中系数
焊缝根部
4.90
1
焊趾位置 5.60
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2、焊缝接头形式
2.7 焊缝标注的两大体系 2.7.1、ISO国际标准（EN欧洲标准）、GB国家标准
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2、焊缝接头形式
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2、焊缝接头形式
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2、焊缝接头形式
关于焊脚和焊喉
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2、焊缝接头形式
2.7.2、美国标准（AWS A2.4-2012 ）
2
R
3 1.
焊缝根部
4.49
焊趾位置
2.57
焊缝根部
3.73
3
焊趾位置 2.71
3、焊接结构设计 从上表中1、2的对比可以清晰的看出改变焊缝 的形状对根部应力集中的改善作用很小，但是对 焊趾部位的应力集中却有明显的改善。这是应为 随着焊缝形状的改变，圆滑了焊缝与母材的过渡 形式，使力线的扭矩减小，从而减小了应力集中 。
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2、焊缝接头形式
焊缝接头形式有对接接头、十字接头、T形接头、塞 焊接头和搭接接头， 这些接头可采用各种坡口形式， I型 V型 半V型 X型 K型
当板厚度比较大时，采用J型U型。
在两种或多种接头中选择一种接头，一般取决于设计 需要。但也应考虑焊接成本。
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2、焊缝接头形式
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3、焊接结构设计
上述标准的适用性
它们提供的各种级别的焊接接头疲劳强度的S-N曲线是许多著名的焊接 专家学者在实验室实测得到的。这些S-N曲线本身具有权威性。 这些S-N曲线考虑了焊缝形状所引起的局部应力集中、一定范围内的焊 缝尺寸和形状偏差、应力方向、残余应力、冶金状态、焊接过程和随后的 焊缝改善处理。 此外，考虑了其它原因的导致的应力集中的影响。 在工程应用中，如果待评估的焊接接头的几何形状及外载荷模式与这些标 准中提供的 同时具有一致性，或者，能“对号入座”，那么，评估结果将具有很 好的置信度。
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1、焊缝分类
1.4 次要焊缝 只使零件简单地连接在一起，使之形成构件。在多数 情况下，这种焊缝要承受的力是很小的。
因此根据焊缝的受力情况便可确定合适的焊缝尺寸及 是否需要开坡口，焊后是否需要作探伤检查等。
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1、焊缝分类
2、按质量等级分 欧洲标准EN15085中（GB/T25343），焊缝质量等级分 为6级：CPA、CPB、CPC1、CPC2、CPC3、CPCD。
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2、焊缝接头形式
德国标准及欧洲标准中对角焊缝厚度给了最大、最小焊缝厚 度的规定： amin=
t max–0.5
amax =0.7tmin tmax、tmin最大最小板厚 同时又规定： 钢结构amin =2mm 铁路车辆制造amin =3mm 铁路桥梁 amin =3.5mm
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2.1 开坡口 开坡口的板边应使接头各个部位具有良好的接近性， 确保整个焊缝截面得到良好的熔透,坡口角度：
钢板坡口角度α：半V型 40～60，V型50～60 铝板坡口角度α：半V型 50～60，V型60～70
U型和J型坡口有良好的工作性能，在圆形工件的周边比 较容易实现。 在直板和不规则曲线工件上，机加工难度 较大而较少采用。广泛采用的是V型、K型或X型坡口。
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角焊缝的最小尺寸为（mm） 3.18 4.75 6.35 7.94 9.53 12.7 15.9
2、焊缝接头形式
2.5 焊接标准（主要是轨道车辆） EN15085 轨道车辆及其零部件的焊接（欧洲标准）
GB/T 25343-2010 轨道车辆及其零部件的焊接 AWS D1.1-D1.1 钢结构焊接规范(美国焊接协会标准) AWS D15.1 铁路机车车辆焊接规范(美国焊接协会标准)
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3、焊接结构设计
国际焊接学会：焊接接头及其部件疲劳设计（Fatigue Design of Welded
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3、焊接结构设计
国际焊接学会：焊接接头及其部件疲劳设计（Fatigue Design of Welded Joints and Components，IIW-2003）
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1、焊缝分类
1.2 平行焊缝 受力方向平行焊缝轴线， 在这种接头中，焊缝厚度方 只承受剪切应力。对于等 焊脚的角焊缝，最大剪切应 力位于45°的焊缝厚度方向 上。
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1、焊缝分类
1.3 横向焊缝 受力方向为横向或与焊缝 轴线成直角。在角焊缝中，焊 缝厚度方向承受剪切力和正向 力（拉伸或压缩）。对于等焊 脚的角焊缝，最大剪切应力位 于67.5°的焊缝厚度方向上， 而最大正应力位于22.5°的焊 缝厚度方向
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焊缝分类
第二部分
焊缝接头形式
第三部分
焊接结构设计
第四部分
焊接工艺
第五部分
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1、 焊缝分类
1、按受力情况分，分为受力焊缝、连接焊缝等。 1.1受力焊缝 在一定位置施加载荷时， 主要焊缝传递全部载荷，如 果焊缝断裂，则构件也断裂。 因此，在这种接头中，焊缝 必须具有与构件一致的强度。