电子备课笔记第三章典型焊接结构设计s3.1焊接接头及性能一、焊接接头的力学行为焊缝金属的力学性能不仅受单层焊或多层健焊的影响，而且还与焊接方法及输入的线能量大健腿爱小有关。对于低碳钢接头，当线能量较小时，由低碳钢于冷却速度较快，使焊缝金属硬化，导致强度、强度塑性硬度升高，塑性下降：对于高强钢焊缝，当线能C000So量较大，或提高预热温度，使冷却速度下降，造调质高强钢成焊缝金属的强度和韧性下降，相反易产生裂强度纹。塑性二、热影响区的力学性能3oS1.热影响区的强度和塑性变化I<钢材焊接区的强度和塑性分布如图3-1所示，在1200℃左右粗晶区，硬度和强度比母材高，塑性比母材低：在700～爱摄发批饼食900℃区域，屈服强度比母材低，对调质高强钢HAZ调质高强钢更为明显。调质钢经火、回火处理后，强度提禁低碳钢高，在此区域，回火马氏体因重结晶而消失。32.热影响区的韧性变化韧性不均匀，两个区域的韧性非常低，.1200℃以上的粗晶区到熔合线：焊缝附近的脆化图3-1热影响区的力学性能1
电子备课笔记 1 图 3-1 热影响区的力学性能 第三章 典型焊接结构设计 §3.1 焊接接头及性能 一、焊接接头的力学行为 焊缝金属的力学性能不仅受单层焊或多层 焊的影响，而且还与焊接方法及输入的线能量大 小有关。对于低碳钢接头，当线能量较小时，由 于冷却速度较快，使焊缝金属硬化，导致强度、 硬度升高，塑性下降；对于高强钢焊缝，当线能 量较大，或提高预热温度，使冷却速度下降，造 成焊缝金属的强度和韧性下降，相反易产生裂 纹。 二、热影响区的力学性能 1．热影响区的强度和塑性变化 如图 3-1 所示，在 1200℃左右粗晶区，硬 度和强度比母材高，塑性比母材低；在 700～ 900℃区域，屈服强度比母材低，对调质高强钢 更为明显。调质钢经淬火、回火处理后，强度提 高，在此区域，回火马氏体因重结晶而消失。 2．热影响区的韧性变化 韧性不均匀，两个区域的韧性非常低， 1200℃以上的粗晶区到熔合线；焊缝附近的脆化
电子备课笔记区。1200℃以上粗晶区韧性下降的原因：晶粒粗大：焊趾处应力和应变集中。脆化区产生的原因：焊接热循环造成的各种冶金因素的影响，对于低碳钢在A，相变点以下200～400℃：对于高强钢在A～A3相变点范围内产生。热塑性应变脆化：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，降低了焊接接头的断裂强度。另外，焊接热循环的热应力作用在近缝区产生热塑性变形，多层焊尤为明显。三、影响焊接接头性能的主要因素1焊接缺陷：如裂纹，熔合不良，咬边，夹杂和气孔；2.接头形状的不连续性：焊缝增高及型式不连续性产生应力集中：3焊接残余应力和变形：4.焊接过程中热循环及热塑性应变引起的材质性能下降：5.焊后热处理；焊接变形矫正。四、焊接接头的基本型式1：按接合型式：对接接头、搭接接头、T型接头、角接接头：2.按焊缝型式：对接焊、角焊、塞焊、槽形焊。五、焊接接头工作应力分布1.应力集中如图3-2所示，几何形状不连续，造成局部应力增高的现象称为应力集中。其大小用应力集中系数表示，K, = CmxOmCmax一局部应力峰值；m一平均应力。10焊接接头产生应力集中的原因：图3-2产生应力集中的原因2
电子备课笔记 2 图 3-2 产生应力集中的原因 区。1200℃以上粗晶区韧性下降的原因：晶粒粗大；焊趾处应力和应变集中。 脆化区产生的原因：焊接热循环造成的各种冶金因素的影响，对于低碳钢在 A1 相变点 以下 200～400℃；对于高强钢在 Al～A3 相变点范围内产生。 热塑性应变脆化：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， 降低了焊接接头的断裂强度。另外，焊接热循环的热应力作用在近缝区产生热塑性变形，多 层焊尤为明显。 三、影响焊接接头性能的主要因素 1． 焊接缺陷：如裂纹，熔合不良，咬边，夹杂和气孔； 2． 接头形状的不连续性：焊缝增高及型式不连续性产生应力集中； 3． 焊接残余应力和变形； 4． 焊接过程中热循环及热塑性应变引起的材质性能下降； 5． 焊后热处理；焊接变形矫正。 四、焊接接头的基本型式 1．按接合型式：对接接头、搭接接头、T 型接头、角接接头： 2．按焊缝型式：对接焊、角焊、塞焊、槽形焊。 五、焊接接头工作应力分布 1．应力集中 如图 3-2 所示，几何形状不连续，造成局部应力增 高的现象称为应力集中。其大小用应力集中系数表示， m KT max max －局部应力峰值； m －平均应力。 焊接接头产生应力集中的原因：
电子备课笔记焊缝中产生的工艺缺陷；不合理的焊缝外形；不合理的接头设计。2．电弧焊接头的工作应力分布（1）对接接头如图3-3所示，对接接头应力集中系数大小主要取决于焊缝加强高c和焊缝向母材的过渡半径1。加厚高产生的应力集中对接头疲劳强度的影响最大。对于承受冲击载荷的焊接结构，应将接头加厚高打磨光。E1-.图3-3对接接头工作应力分布(b)(a)图3-4T型接头工作应力分布（2）T型接头如图3-4所示，工作截面变化加剧，如不开坡口焊缝，在焊缝根部和焊趾处，应力集中系数很大。对于重要的工型接头，应开坡口焊缝。采用十字形接头，为了防止产生层状撕裂应尽可能将工作焊缝转化为联系焊缝。（3）搭接接头焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝。3
电子备课笔记 3 焊缝中产生的工艺缺陷；不合理的焊缝外形；不合理的接头设计。 2．电弧焊接头的工作应力分布 （1）对接接头 如图 3-3 所示，对接接头应力集中系数大小主要取决于焊缝加强高 c 和焊缝向母材的过 渡半径 r。加厚高产生的应力集中对接头疲劳强度的影响最大。对于承受冲击载荷的焊接结 构，应将接头加厚高打磨光。 （2）T 型接头 如图 3-4 所示，工作截面变化加剧，如不开坡口焊缝，在焊缝根部和焊趾处，应力集中 系数很大。对于重要的 T 型接头，应开坡口焊缝。采用十字形接头，为了防止产生层状撕裂， 应尽可能将工作焊缝转化为联系焊缝。 （3）搭接接头 焊缝分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜向角焊缝。 图 3-3 对接接头工作应力分布 图 3-4 T 型接头工作应力分布
电子备课笔记正面角焊缝工作应力分布在角焊缝的根部A处和焊趾B处都有较严重的应力集中现象。焊趾B点的应力集中系数随角焊缝斜边与水平角θ不同而改变，减小θ或增大熔深，都会使应力集中系数减小。如图3-5、图3-6、图3-7所示。50.3500.250a)5350Fa)V图3-5搭接接头应力传递图3-6角接接头应力有限元模拟作用力偏心距e的存在，如图3-8所示，产生附加弯矩(Pe)造成弯曲，为减小弯曲变形要求搭接接头长度不小于4倍板厚，即L≥48。侧面角焊缝工作应力分布如图3-9(a)所示，两板截面积相等，沿侧酒面焊缝长度方向的剪应力分布如9所示(9x为单位焊缝长度所承受的剪切力)。中间小，两端大。原因是焊缝弹性变形不均匀。通过上板的外力P'从左到右由P降至零，通过图3-7正面角焊缝工作应力分布下板的外力由P"从左到右由零升至P。从而使搭接区段的弹性变形随之从左到右逐渐减小和增大，相对位移从左到右逐渐减小和增大。即12>2'3>34>45>56>671"2"<2"3"<3"4"<4"5"<5"6"<67"图(b)上板受拉力P从左到右由P降至零，下板受压力P"从左到右由P降至零。因此4
电子备课笔记 4 图 3-7 正面角焊缝工作应力分布 正面角焊缝工作应力分布 在角焊缝的根部 A 处和焊趾 B 处都有较严重的应力集中现象。焊趾 B 点的应力集中系 数随角焊缝斜边与水平角 不同而改变，减小 或增大熔深，都会使应力集中系数减小。如 图 3-5、图 3-6、图 3-7 所示。 作用力偏心距 e 的存在，如图 3-8 所示，产生附加弯矩(P e)造成弯曲，为减小弯曲变形， 要求搭接接头长度不小于 4 倍板厚，即 L 4 。 侧面角焊缝工作应力分布 如图 3-9(a)所示，两板截面积相等，沿侧 面焊缝长度方向的剪应力分布如 xa q 所示 ( xa q 为单位焊缝长度所承受的剪切力)。中间 小，两端大。原因是焊缝弹性变形不均匀。通 过上板的外力 ' Px 从左到右由 P 降至零，通过 下板的外力由 '' Px 从左到右由零升至 P。从而 使搭接区段的弹性变形随之从左到右逐渐减 小和增大，相对位移从左到右逐渐减小和增大。即 1'2' 2'3' 3'4' 4'5' 5'6' 6'7' ； 1''2'' 2''3'' 3''4'' 4''5'' 5''6'' 6''7''。 图(b)上板受拉力 ' Px 从左到右由 P 降至零，下板受压力 '' Px 从左到右由 P 降至零。因此 图 3-5 搭接接头应力传递 图 3-6 角接接头应力有限元模拟
电子备课笔记侧面焊缝剪力qz从左到右减小。(b)(a)图3-8搭接附加弯矩的产生FP.Q.b.4P:F.SFF4567PH61-2-3PiPP:(b)Px(a)图3-9侧面角焊缝工作应力分布IAIAAFL>FF.>F2(a)(b)图3-10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中的工作应力分布由图3-10可见，应力集中程度得到明显改善。原因是正面角焊缝的刚度比侧面大，并承担一部分载荷，使侧面tmx减小；另外，A一A截面应力集中程度也得到改善。盖板搭接接头工作应力分布如图3-11所示，只有侧面角焊缝，截面正应力分布极不均匀，增加正面角焊后，各截面中的应力分布明显改善，如（b）图所示。5
电子备课笔记 5 侧面焊缝剪力 qxb 从左到右减小。 联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布 由图 3-10 可见，应力集中程度得到明显改善。原因是正面角焊缝的刚度比侧面大，并 承担一部分载荷，使侧面 max 减小；另外，A—A 截面应力集中程度也得到改善。 盖板搭接接头工作应力分布 如图 3-11 所示，只有侧面角焊缝，截面正应力分布极不均匀，增加正面角焊后，各截 面中的应力分布明显改善，如(b)图所示。 图 3-8 搭接附加弯矩的产生 图 3-9 侧面角焊缝工作应力分布 图 3-10 联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布