32第十四章 焊接接头强度及计算

材料学院连接与电子封装中心第十四章第十四章焊接接头强度及计算焊接接头强度及计算焊接接头的基本概念和特点，焊缝与焊接接头的基本形式焊接接头强度计算焊接接头的基本形式，焊接接头强度计算的基本方法。材料学院连接与电子封装中心第一节焊接接头的特点及形式一、焊接接头的概念及特点、焊接接头的概念及特点1.概念：材料学院连接与电子封装中心2特点2.特点•几何形状不连续、化学成分不连续、金相组织不连续、力几何形状不连续化学成分不连续金相组织不连续力学性能不连续•影响力学性能的主要因素：焊接缺陷、接头形状不连续、焊接残余应力和变形•常见的焊接缺陷：裂纹、未熔合、咬边、夹渣、气孔•接头形状不连续：焊缝增高、截面变化，造成应力集中•力学性能不均匀：焊接残余应力和残余变形•材质方面：组织变化，材质硬化•其他因素：焊后热处理、矫正变形等材料学院连接与电子封装中心二焊缝的基本形式二、焊缝的基本形式1．对接焊缝2．角焊缝材料学院连接与电子封装中心焊角尺寸：K计算断面：a所在的截面材料学院连接与电子封装中心三、焊接接头的基本形式1对接接头1．对接接头2搭接接头2．搭接接头3T形接头（十字接头）3．T形接头（十字接头）4角接接头4．角接接头材料学院连接与电子封装中心1对接接头1．对接接头开坡口的目的焊透金属开坡口的目的：焊透金属、确保质量及经济性坡口形式选择：板材厚度、焊接方法和工艺过程考虑一下几方面：可焊到性或便于施焊降低焊接材料的消耗量坡口易加工减小或控制变形材料学院连接与电子封装中心2．搭接接头材料学院连接与电子封装中心3．T形接头（十字接头）材料学院连接与电子封装中心角接接头4．角接接头材料学院连接与电子封装中心第二节焊接接头的工作应力分布第节焊接接的作应分布(一)应力集中的概念()应力集中的概念由于构件的截面突然的变化，或受力部位出现局部应力明显增大的现象称为应力集中现局部应力明显增大的现象，称为应力集中：材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心•由于焊缝的形状和焊缝布置的特点，焊接接头工作应力的分布是不均匀。产生应力集中的主要原因有：1.焊缝中的工艺缺陷；2.不合理的焊缝外形，如焊缝余高（加厚高、加强高）过大；3.不合理的焊接接头的设计，例如接头截面的突然变化，加盖板的对接接头等；4焊缝布置不合理如只有单侧焊缝的T形接头也会4.焊缝布置不合理，如只有单侧焊缝的T形接头，也会引起应力集中。材料学院连接与电子封装中心(二)电弧焊焊接接头的工作应力分布（1）对接接头的（1）对接接头的工作应力分布材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心（2）搭接接头中的工作应力分布材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心（3）T形接头（十字接头）的工作应力分布（3）T形接头（十字接头）的工作应力分布材料学院连接与电子封装中心1．工作焊缝2．联系焊缝作焊焊材料学院连接与电子封装中心第三节焊接接头强度计算基础一、焊接接头的组配1高组配焊缝金属的强度高于母材金属时称为高1.高组配焊缝金属的强度高于母材金属时称为高组配。高组配的焊接接头中，断裂多发生在母材金属上金属上。2.低组配焊缝金属的强度低于母材金属时称为低组配。低组配的焊接接头中，断裂多发生在焊缝金属上。材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心二、接头强度计算的基本假设1.残余应力对接头强度没有影响；2.应力集中对接头强度没有影响；3.工作应力的分布式是均匀的，以平均应力计算；4.正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别；5.焊脚尺寸的大小对角焊缝的强度没有影响；6.角焊缝都是在切应力的作用下破坏，按切应力计算强度。材料学院连接与电子封装中心7.角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面最小高度a（计算高度）上。直角等腰三角形角焊缝的计算高度：计算高度角等腰角形角焊缝的计算高度8.少量的熔深对接头强度没有影响，熔深较大时a由下式确定（如图）：当K≤8可取K当K≤8mm，a可取K。当K8mm，p一般可取3mm。材料学院连接与电子封装中心三、强度计算的基本方法（一）对接焊缝用许用拉应力校核即≤[]用许用拉应力校核，即≤[l]材料学院连接与电子封装中心（二）角焊缝1按剪应力计算1．按剪应力计算2按折合应力计算2．按折合应力计算并且要求≤[l]。式中：是因材料屈服极限而变的系数，式中：是因材料屈服极限s而变的系数，s=240N/mm2，=0.7；s=360N/mm2，=0.78。s其它钢种按s值，用插值法确定值。材料学院连接与电子封装中心四焊接接头静载强度的计算四、焊接接头静载强度的计算（一）对接接头的静载强度计算（）对接接头的静载强度计算'l材料学院连接与电子封装中心1.受拉力P'1lllF2.受压力P'aalF3.受剪切力Q1l'Q4平面内弯矩M11l4..平面内弯矩M1'1216llM5.非平面内弯矩M2'226llM21ll材料学院连接与电子封装中心例4-1两块相同厚度的钢板对接接头，材料为Q345，例两块度板对接接头材料为钢板宽度为300mm，受垂直板面弯矩3000000N·mm，Q345焊缝的许用拉应力，试计算焊缝所需的厚度（板厚）MPal191]['厚度（板厚）。解根据式可得'2126llM条][6'21llM'由已知条件M2=3000000N·mm，l=300mm，代入上式得MPal191]['1≥17.7mm取1=18mm，即当焊缝厚度为18mm时，该对接接头焊缝强度能满足要求强度能满足要求。材料学院连接与电子封装中心（二）搭接接头的静载强度计算1.角焊缝受拉力、压力F'Fal材料学院连接与电子封装中心例4-2将100mm×100mm×10mm的角钢用角焊缝搭接在一块钢板上，如图所示。受拉伸时要求与角钢等强度，试接头的焊脚尺寸和焊缝长度应该是多少接头的焊脚尺寸K和焊缝长度l应该是多少？材料学院连接与电子封装中心解根据材料手册可知角钢横截面面积A192612许用应力解：根据材料手册可知：角钢横截面面积A=19.261cm2，许用应力=160MPa=160N/mm2，焊缝金属的许用剪应力[]=100MPa=100N/mm2，角钢承受的最大载荷P=A=1926.1mm2×160N/mm2=308176N。'l'l假定接头上各段焊缝中切应力都达到焊缝许用切应力值，即=[]若取K=10mm（等于角钢厚），用焊条电弧焊，则所需的焊缝总长度为：mmmmNmmNKPl440100107.0308176][7.02'角钢一段的正面角焊缝的长度l3=100mm，则两侧面角焊缝的总长为440-100=340mm。根据材料手册查得角钢的轴线位置e1=28.4mm，716两侧面角焊缝受力应满足以下关系e2=71.6mm。两侧面角焊缝受力应满足以下关系：0.7Kl1[]e1=0.7Kl2[]e2因此，l2的长度应为：因此，l2的长度应为：l2=340×28.4%=97mm，l1=340-97=243mm取整后得，l1=250mm，l2=100mm。说明：必须合理布置焊缝，才能达到受力均衡，保证接头的强度。材料学院连接与电子封装中心2角焊缝受弯矩M2.角焊缝受弯矩M材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心3角焊缝受偏心载荷3.角焊缝受偏心载荷材料学院连接与电子封装中心例4-3一偏心受载的搭接接头，如下图所示。已知焊缝长度h=400mm，l0=100mm，焊脚尺寸K=10mm。外加载荷P=30000N，梁长L=1000mm，试校核焊缝强度焊缝的许用切应力[]100MP试校核焊缝强度。焊缝的许用切应力[]=100MPa。材料学院连接与电子封装中心解用分段法计算M7.0)(7020KhKhKlMM由P力引起的弯矩M=PL=30000×1000N·mm=30000000N·mm。代入已知数据6)(7.00KhKl30000000计算QMPammNmmNM34.63/34.63/6400107.0)10400(101007.030000000222PQQ∑l为焊缝总长，即∑l=(400+100+100)mm=600mmlKQ7.0MPammNmmNQ147/147/3000022计算合成应力合MPammNmmNQ14.7/14.7/600107.0MPaMPaQ74.6314.734.632222M合由于63.74100，即合[]，所以此搭接接头是安全的。MPaMPaQ74.6314.734.63M合材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心材料学院连接与电子封装中心（三）T形接头强度计算材料学院连接与电子封装中心例4-4一T形接头如下图所示。已知L=200mm，h=300mm，F=75000N，焊缝金属的许用切应力[]=100MPa,试设计角焊缝的焊脚尺寸K。材料学院连接与电子封装中心解计算M2703KhFlM将已知数据代入上式得27.0KhKKM7.05003007.02007500032F计算Q将已知数据代入上式得KhFQ4.1Q15075000将已知数据代入上式得计算合KKQ4.13004.12222M)4.1250()7.0500(KKQ合利用强度校核公式合[]，即100)4.1250()7.0500(22KK250500故mmmmK4.7100)4.1250()7.0500(22取K=8mm。材料学院连接与电子封装中心