焊缝的结构与计算

焊接培训教材焊缝的构造与计算张明录一二三四目录对接焊缝的构造与计算角焊缝的构造与计算直角角焊缝连接计算直角角焊缝的强度计算1.对接焊缝的构造3（1）对接焊缝的坡口形式:一.对接焊缝的构造与计算对接焊缝的焊件常做坡口，坡口形式与板厚和施工条件有关。t--焊件厚度1)当:t6mm(手工焊),t10mm(埋弧焊)时可不做坡口,采用直边缝;2)t=7~20mm时，宜采用单边V形和双边V形坡口;3)t20mm时，宜采用U形、K形、X形坡口。4C=0.5~2mm（a）C=2~3mm（b）αC=2~3mm（C）αp（d）C=3~4mmpC=3~4mmp（e）C=3~4mmp（f）（2）V形、U形坡口焊缝单面施焊，但背面需进行清根，再封底焊。5（3）对接焊缝的起、灭弧点已出现缺陷，一般用引弧板引出，焊完后将其切去；不能用引弧板时，每条焊缝的计算长度等于实际长度减去2t1。t1—较薄焊件厚度：67（4）当板件厚度或宽度在一侧相差大于4mm时，应做坡度不大于1:2.5(静载)或1:4(动载)的斜角，以平缓过度，减小应力集中。二.对接焊缝的计算A.动荷载作用下部分焊透的对接焊缝不宜用做垂直受力方向的连接焊缝；B.对于静载作用下的一级和二级对接焊缝其强度可视为与母材相同，不与计算。三级焊缝需进行计算；C.对接焊缝可视作焊件的一部分，故其计算方法与构件强度计算相同。D.对接焊缝分为：焊透和部分焊透两种；8NNt91.轴心力作用下的对接焊缝计算)283(wcwtwfftlN或式中：N—轴心拉力或压力；t—板件较小厚度；T形连接中为腹板厚度；ftw、fcw—对接焊缝的抗拉和抗压强度设计值。NNlwtA当不满足上式时，可采用斜对接焊缝连接如图B。wvwwcwtwftlNfftlNcossin或另:当tanθ≤1.5时,不用验算!NNtBθNsinθNcosθ2.M、V共同作用下的对接焊缝计算)293(62maxwtwwftlMWM10lwtAMVστ)303(23maxwV因焊缝截面为矩形，M、V共同作用下应力图为：故其强度计算公式为：式中：Ww—焊缝截面模量；Sw--焊缝截面面积矩；Iw--焊缝截面惯性矩。（1）板件间对接连接wtwfWMwvwwftIVS（2）工字形截面梁对接连接计算)313(1.132121wtf11MV1焊缝截面A.对于焊缝的σmax和τmax应满足式3-2和3-3要求；σmaxτσ1τ1τmaxB.对于翼缘与腹板交接点焊缝（1点），其折算应力尚应满足下式要求：考虑最大折算应力只在局部出现的强度增大系数。1.角焊缝的形式和受力分析12hfhf普通式hf1.5hf平坡式（1）角焊缝的形式:三.角焊缝的构造与计算直角角焊缝、斜角角焊缝1）直角角焊缝:hfhf凹面式132）斜角角焊缝对于α135o或α60o斜角角焊缝,除钢管结构外,不宜用作受力焊缝。aaaa锐角角焊缝钝角角焊缝hfhfhfhf按he=0.7hf按he=0.7hf按he=hfcosa/2按he=hfcosa/214（1）侧面角焊缝（侧焊缝）2.直角角焊缝的受力分析15试验表明侧面角焊缝主要承受剪力，强度相对较低，塑性性能较好。因外力通过焊缝时发生弯折，故剪应力沿焊缝长度分布不均匀，两端大中间小，lw/hf越大剪应力分布越不均匀。剪应力τfA.应力分析NlwNB.侧面角焊缝（侧焊缝）破坏形式16（2）正面角焊缝1718A.应力分析正面角焊缝受力复杂，应力集中严重，塑性较差，但强度较高，与侧面角焊缝相比可高出35%--55%以上。B.正面角焊缝的破坏形式19（3）斜角焊缝20斜焊缝的受力性能介于侧面角焊缝和正侧面角焊缝之间。四.角焊缝的构造211.最大焊脚尺寸hf,max为了避免焊缝处局部过热，减小焊件的焊接残余应力和残余变形，hf,max应满足以下要求:hf,max≤1.2t1（钢管结构除外）式中:t1---较薄焊件厚度。tt1hf对于板件边缘的角焊缝,尚应满足以下要求：当t≤6mm时，hf,max≤t；当t6mm时，hf,max≤t-(1~2)mm；hft1t2.最小焊脚尺寸hf,min为了避免在焊缝金属中由于冷却速度快而产生淬硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求:)(5.12min,计算数值只进不舍！thf22式中:t2----较厚焊件厚度另:对于埋弧自动焊hf,min可减去1mm;对于T型连接单面角焊缝hf,min应加上1mm;当t2≤4mm时,hf,min=t23.侧面角焊缝的最大计算长度侧面角焊缝在弹性工作阶段沿长度方向受力不均，两端大而中间小。焊缝长度越长，应力集中系数越大。如果焊缝长度不是太大，焊缝两端达到屈服强度后，继续加载，应力会渐趋均匀；当焊缝长度达到一定的长度后，可能破坏首先发生在焊缝两端，故：fwhl6023注：(1)当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；(2)当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。4.侧面角焊缝的最小计算长度对于焊脚尺寸大而长度小的焊缝，焊件局部加热严重且起落弧坑相距太近，以及可能产生缺陷，使焊缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：mmhlfw408且不得小于245.搭接连接的构造要求当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：A.为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范规定：blw）（或）（mmtmmmmttb12190121611125B.为了避免焊缝横向收缩时引起板件的供曲太大，规范规定：t1t2bwlD.在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度的5倍，且不得小于25mm。26C.当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2hf的绕角焊，且转角处必须连续施焊。bwl2hf2551且tt1t2五.直角角焊缝的强度计算公式1.试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部，故通常将45o截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：27hfdeσ┻τ┻τ∥h---焊缝厚度、h1—熔深h2—凸度、d—焊趾、e—焊根2.实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难，为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截面处破坏，且破坏时各应力分量满足以下折算应力公式:283.由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的故上式又可表达为：式中：wuf--焊缝金属的抗拉强度σ┻τ┻τ∥)13()(3222wufττσ┻┻∥)13()(3222wufττσ┻┻∥)23(3)(3222wfwuffττσ┻┻∥)23(3)(3222wfwuffττσ┻┻∥4.直角角焊缝的强度计算公式：)43(wexflhN)33(weyflhN29NNyNx2f┻┻f∥σfσ┻τ┻τ∥=τf45O45Ohf30wfffff3232222将能量强度条件可得：：23得1.22整理上式，并令f)53(22wfffff上式即为规范给定的角焊缝强度计算通用公式βf—正面角焊缝强度增大系数；静载时取1.22，动载时取1.0。31)63(wffewffhlN对于正面角焊缝，τf=0，可得：对于侧面角焊缝，σf=0，可得：)73(wfewffhlN以上各式中：he=0.7hf；lw—角焊缝计算长度，考虑起灭弧缺陷时，每条焊缝取其实际长度减去2hf。32六.各种受力状态下的直角角焊缝连接计算wfwefflhN1.轴心力作用下(1)轴心力作用下的盖板对接连接:A.仅采用侧面角焊缝连接：NNlwlw’33ewwffhlfNB.采用三面围焊连接：wfewffhlNNNNlwlw’34(2)T形角焊缝连接)83(cosewfhlθN)93(sinewfhlN)53(22wfffffNxNyNθ2wl2wlN代入式3-13验算焊缝强度，即:35(3)角钢角焊缝连接A.仅采用侧面角焊缝连接)113()103(221121eNeNNNN由力及力矩平衡得:故:)133()123(2211212121NkeeeNNNkeeeNN肢尖焊缝内力分配系数肢背焊缝内力分配系数2211212121keeekkeeekNe1e2bN1N2xxlw1lw236角钢类型连接形式内力分配系数肢背K1肢尖K2等肢（边）角钢0.70.3不等肢（边）角钢短肢连接0.750.25不等肢（边）角钢长肢连接0.650.35角钢上角焊缝的内力分配系数37)153()143(222111wfewfwfewffhlNfhlN对于校核问题:对于设计问题:)173()163(222111wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxlw1lw238B.采用三面围焊)213(2)203(2322311NNkNNNkN由力及力矩平衡得:)183(333wffewfhlN)193(33wffefbhN余下的问题同情况‘A’:Ne1e2bN1N2xxN3lw1lw239)153()143(222111wfewfwfewffhlNfhlN对于校核问题:对于设计问题:)173()163(222111wfewwfewfhNlfhNlNe1e2bN1N2xxN3lw1lw240)233()223(23123NNNNkNC.采用L形围焊由平衡条件可得:对于设计问题:02N)243(333111wwfffwfewlfNhfhNlNe1e2bN1xxN3lw1412.N、M、V共同作用下（1）偏心轴力作用下角焊缝强度计算：NθeNxNy2wl2wlMAσNxσMτNy2,6weewxAflhMhlNewyAfhlN,wfAffAff2,2,hehet42(2)V、M共同作用下焊缝强度计算:h1σfAσfBτfwffwfAfhIM21对于A点：式中：Iw—全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；h1—两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxhh2BB’Ah1MeFVM43对于B点：2,2,22weffBwfBlhVhIMwffBffBf22强度验算公式：式中：h2、lw,2—腹板焊缝的计算长度；he,2—腹板焊缝截面有效高度。h1σf1σf2τfxxhh2BB’Ah1MVM3.T、V共同作用下将F向焊缝群形心简化得:V=FT=F(e1+e2)44假定:A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：T作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；B、T作用下焊缝群上任意点的应力方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与r成正比；C、在V作用下，焊缝群上的应力均匀分布。Fe1e2x0l1l2xxyyAA’0TVr故：该连接的设计控制点为A点和A’点)253(yxPTAIIrTIrT45xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyheT作用下A点应力:将其沿x轴和y轴分解:)273(cos)263(sinrrIrTrrIrTxPTTAyyPTTAxe2x0l1l2xxyyAA’0TVr侧缝正缝剪力V作用下,A点应力:weVVAylhVA点垂直于焊缝长度方向的应力为:TAyVAyfA点平行于焊缝长度方向的应力为:TAxfτV47强度验算公式：wfffff22wfTAxfVAyTAyf22即：思考:以上计算方法为近似计算，为什么?xxyyrrxryAτTAxτTAyτTA0θτVyhe谢谢