焊接接头的设计

∴
W
I ymax
I l2 l 6 2
M
M 3Fl 6M 2 2 2 k0 h k0 h 2 k h 0 2 6
例题1
如图所示T型接头焊件，受到工作载荷F为 5.6KN，h为80mm，l为200mm，试校验焊缝 是否安全? （K=10mm，[σ′]=150Mpa [ τ′]=0.6[σ′]）。 解：1Pa=1N/m2，1MPa=1N/mm2
焊接接头的设计
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(1) 焊接接头的设计特点
优良的接头设计是防止结构破坏的条件之一。实际受力十分复杂的接头，进行设 计应考虑以下问题： 1) 焊接结构应该优先采用接头(焊缝)形式简单、应力集中小、不破坏结构连续性 的，即不使或很少使力线密集或出现转折的接头和焊缝形式。 对接接头是最符合上述条件的，因此应优先考虑采用；其次，应考虑采用T形(十 字)接头；搭接接头则应避免采用，但如上述在一些静载的、不是很重要的结构中为 了施工方便仍有采用。 2) 尽量将焊接接头布置在工作载荷较小处，以及构件几何尺寸和形状不变的地方。 3) 角焊缝的焊脚尺寸不宜过大，搭接角焊缝不宜过长。 应力分布沿角焊缝截面是不均匀的，截面越大，应力分布不均匀的程度越大，故 大截面的角焊缝承载能力低。而焊接材料与工时消耗却随焊脚尺寸成平方地增加。
在搭接接头中，正面角焊缝的刚度大于侧面角焊缝，实际强度也大，所以具有正、 侧面角焊缝的联合搭接角焊缝中的应力分布不均，侧面角焊缝沿焊缝长度方向的应力 分布也不均，故对重要的结构、变形能力差的接头要注意。
(1) 焊接接头的设计特点---续
4) 钢板在厚度方向上(Z向)性能差，因此组成T形(十字)接头，如要在厚 度方向上传递外力，应选用Z向钢。 5) 焊接接头刚度大，焊缝未达屈服前变形量很小，故对于作为铰接点 的接头(如桁架的节点)可能产生高的附加应力，此时应采取诸如减小焊接截 面、改变焊缝位置等措施来增加接头的柔性。
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② 搭接接头强度的计算：
图5-10为搭接接头及受 力情况。
搭接接头都是角焊缝组 成的，其强度计算主要 是计算角焊缝的强度。 （对接接头强度计算主要是 验算对接焊缝的强度）
图5-10 角(塞)焊缝构成的搭接接头及其受力 a)、b)、c) 分别为正面、侧面、联合搭接，均承受拉(压)力 d)、e)、f) 分别为正面、侧面、联台搭接，均承受面内弯矩 g)、h) 分别为塞焊和电铆焊搭接接头，均承受拉(压)力
图5-3 直角焊缝的截面形状
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③ T形接头强度的计算：
图5-7，T形（十字）接头可由角焊缝构成 (图a)，这种接头会产生应力集中；也可由 对接焊缝，如开K形坡口(图b)焊缝构成，后 者应力集中要小得多。
表5-8所列包括两种焊缝的强度计算。可 以看出，角焊缝的强度计算与搭接角焊缝 的强度计算是一样的，而后者又和对接焊
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(2) 焊接接头静载强度的计算
1) 以许用应力法为基础的计算
① 对接接头强度计算：
图5-9为典型对接接头及其受 力情况，可按表5-8的公式进 行计算（P180）。 计算不考虑接头中的应力 集中(应力分布不均)和焊接残 余应力，并认为工作应力沿焊 缝是均匀分布的。 图5-9a不同厚度两板对接， 厚度差(δ-δ1)超过规定值时(允 许厚度差1～4mm)，需在厚板 上削出斜面，斜面长L>3(δδ1)，也可两面削出斜面。
缝强度的计算相同。（P182）
图5-7 T形(十字)接头的应力分布 a) 由I形坡口角焊缝构成的接头 b) 开K形坡口角焊缝构成的接头
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T形接头承受压力时，由于立板可与盖板抵紧，承受压力能力大为提高 (图5-11a) ，可用表5-8中式(5-20)进行强度计算。 集中力既不平行、又不垂直于焊缝（图5-11d） ，可以将作用力分解成 两部分，分别进行强度计算，如表5-8中式(5-26)。（和式5-22对比）
6) 充分考虑制造厂的条件，提高设计接头的工艺性。如：使焊接结构 的接头种类少，采用的焊接方法种类少，接头尺寸单一；施工时的可达性 好（包括焊接时的可达性、焊接完成后的可检验性）；施焊性好等等。
7) 计算接头时不考虑应力分布不均及焊接残余应力，下面还要介绍到 这种计算是作了一些假定和简化。 对于工作条件苛刻，如在低温或动载下或接头刚度大的场合，则要适当 考虑这些因素。而对于在腐蚀环境下工作的焊接结构的接头，接头的细节 设计也需要特殊考虑（见第4章）。
例题2
如图所示吊耳，若在30°斜上方有10KN的载荷，试校验焊缝是否安全? （K=10mm，[σ’]=160Mpa，[τ’]=0.6[σ’]）
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（1）对接接头静载强度计算公式
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（2）搭接接头静载强度计算公式
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（3）T型接头静载强度计算公式
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公式推导：
max
M Wz
I ymax
F Q 2K0 h
抗弯 ∵截wk.baidu.com模量
∵ I 2
W
I l 2

l 2 0
y 2 dy
l
3
δ dy
F
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l
W：横截面的弯曲截面系数； I：惯性矩 。
(3) 不考虑正、侧面角焊缝上应力的差别和焊缝应力分布的不均，这给计 算带来方便。由于侧面搭接焊缝随焊缝长度的增加，应力不均匀程度增大， 上述计算规定限制计算焊缝的长度。
(4) 限制角焊缝最小焊脚尺寸，一般不小于4mm；当板厚小于4mm，则 焊脚尺寸可与板厚相同。图5-10各种搭接接头强度的计算见表5-8。
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搭接角焊缝计算中的4个假定：
(1) 对于角焊缝的形状（图5-3），都将内接等腰直角三角形的高K0作为计 算厚度。不计及焊缝的凸凹度，也不考虑熔深的差别，K0≈0.7K，K为焊脚尺 寸。当熔深较大，如埋弧焊时，可考虑K0≈0.8K，甚至等于K 。 (2) 角焊缝一律按计算截面，即计算厚度截面处受切应力破坏来计算，即 使接头承受弯矩，抵抗弯矩产生的应力亦假定为切应力，见表5-8中，式(5-12)、 式(5-15)、式(5-17)等等。
Q
M
F 5600 5MPa 2 K0 h 2 0.7 10 80
6 Fl 6 5600 200 75MPa 2 2 2k0 h 2 0.7 10 80
2 2 合 Q M 75.16MPa
合 90MPa
所以安全。