焊接接头和结构的疲劳强度
第6章焊接接头和结构的疲劳强度
§ 6-1 概述
一、定义
结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后仍发生断裂的现象叫金属的疲劳。
疲劳断裂金属结构失效的一种主要形式，大量统计资料表明，由于疲劳而失效的金属结构约占结构的90%
例如：直升飞机起落架，疲劳断裂，裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，断裂时飞机已起落2118次。
再如：载重汽车的纵梁的疲劳裂纹，该梁承受反复的弯曲应力，在
角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，开裂时该车运行3万公里。
可见，疲劳断裂是在正常的工作应力作用下经较长时间后产生的，也就是说疲劳断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使我们联想到结构的低应力脆断，疲劳和脆断都是在低应力作用下产生的，那么它们之间有什么相同点和不同点呢？
二、疲劳和脆断的比较
疲劳和脆断都是低应力情况下的破坏，那么它们之间有什么异同
呢？
三、疲劳的类型
根据构件所受应力的大小、应力交变频率的高低，通常可以把金属的疲劳分为2类：
一类为高速疲劳它是在应力低，应力交变频率高的情况下产生的，也叫应力疲劳，即通常所说的疲劳；
另一类为低周疲劳，它是在应力高，工作应力近于或高于材料的屈
服强度，应力交变频率低断裂时应力交变周次少（少于102—105次）的情况下产生的疲劳，也叫应变疲劳。
1高速疲劳（应力疲劳）：载荷小（应力小），频率高，裂纹扩展速率
小。
2、低周疲劳（应变疲劳）：应力高，频率低，裂纹扩展速率大。焊接结构
的疲劳破坏大部分属于第二类：低周疲劳。
§ 6-2 疲劳限的常用表示方法
一、变动载荷（掌握；「m ax、二mix、二m、二a、「概念）
金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周次后出现的，所以要首先了解变动载荷的性质。
变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向都随时间发生周期性变化（或无规则变化）的一类载荷。
变动载荷的变化是如此的不同，那么该怎样来描述它的特性呢？除了无规则的变动载荷外，变动载荷的特性可用下列几个参量表示：
-max :应力循环内的最大应力-min :应力
循环内的最小应力
二m =（二max + 二min）/2 :平均应
力二a =（二max—二min）/2 :应力幅
值r =「mix I ■ max 征系数,
r的变化范围是一x~ +1
下面介绍几种典型的具有特殊
循环特性的变动载荷：图#4疲劳试验中的
1对称交变载荷
应力波形如图，由图可见：
这种变动载荷的min = 一▽ max
应力循环特征系数r = 一1。
二max、二min、平均应力二m = 0 ,
应力幅值:.-a = rmax
2、脉动载荷
应力波形如图，由图可见：
-min =0 r = 0 ; cr max、min ;
平均应力二m与应力幅值相等，都等于二
max /2 ,a m = 3、拉伸变载荷 二max、二min 均为拉应力，但大小不等， 0 v r v 1 由图可见：crmax、min、cr m、cr a ; 由上面几个波形图中我们可以看出这样一 个关系，即： 二max = - m + - a ； c min = c m 一c a 因此我们可以把任何变动载荷看作是某个不变的平均应力，也就是静载恒定部分和应力幅值即交变应力部分的组合。 二、疲劳强度和疲劳极限 1、疲劳曲线（疲劳强度和疲劳极限） 在金属构件的实际应用中，如果载荷的数值和方向变化频繁时，即使载荷的数值比静载强度小得多，甚至比材料的屈服强度小的多构件仍可能破坏，破坏前载荷的循环次数与变动载荷的大小和特性是有关系的，N和二及r有关，这个关系通常用疲劳曲线来描述。 多年来，人们对疲劳的研究发现，金属承受的最大交变应力二max越大， 则断裂时应力交变的次数N 越少， 即：▽ max N J,反之 fax 丿宀 N f , 对试样用不同载荷进行反复多次加载试 验，即可测得在不同载荷下使试样破坏所需 要的加载循环次数 N ，将破坏应力与加载循 环次数N 之间的关系绘成曲线就叫疲劳曲 线。如图： 该曲线的意义是：构件在变动载荷着用下所能承受的最大应力循环 次数， 或：与各循环次数相对应的不破坏的最大应力。 疲劳曲线随着应力循环次数 N 的增大而降低，当N 很大时曲线趋于 水平。曲线上对应于某一应力循环次数 N 的不破坏的最大应力为该循环 次数下的疲劳强度；曲线的水平渐近线为疲劳极限。 疲劳强度是与循环次数N 相关的破坏应力； 疲劳极限是与循环次数 N 无关的，也就是说构件经无限多次应力循 环而不破坏的最大应力。 通常在构件的疲劳设计中，出于减轻重量及经济性考虑，并不把构 件设计成永不破坏的，而是根据使用年限得出循环次数 N ，再根据循环 次数N 和疲劳强度来设计构件。 但是有些构件如：核电站，一经使用中途是不能停下来更换零部件 的，这时就因根据永不破坏的原则，按疲劳极限来设计。疲劳极限与疲 劳强度的区别就在于疲劳强度是进行有限寿命设计时使用的，而疲劳极 限是进行无限寿命设计时使用的。 由于疲劳断裂时的循环 周次很多，所以疲劳曲线的 横坐标通常取对数坐标，如 右图： 不同材料的疲劳曲线 形状不同，大致可分为 2 类，一类是具有应变时效现 、 - 6 象的合金，如常温下的钢铁材料，其疲劳曲线就是我们上面所讲的，曲线上有明显的水平部分，疲劳极限有明显的物理意义，即：无限多应力循环不破坏的最大应力。 而对于没有应变时效现象的金属合金，如部分有色金属合金，在高温下或腐蚀介质中工作的钢，它们的疲劳曲线上没有水平部分，如右图：这时就规定某一N。值所对应的应力作为“条件疲劳极限”或“有限疲劳极限” ,N o称为循环基数，对于实际构件来讲，N。值是根据构件的工 作条件和使用寿命来定的。 2、疲劳图 上面讲的疲劳曲线是对应于某一应力循环特征系数r测定的，当r改变时，曲线上各数值的大小也将改变。 实验发现在最大应力相同的情况下，应力循环的不对称度越大，即平均应力越高（r f、b mf）,金属断裂前所能承受的应力循环次数越多。即：二max相冋时，匚m N f ，这是因为；r m T使得匚a J 这是因为材料的疲劳损伤（不均匀滑移）是由交变应力长期作用形成的，应力循环不对称度越大也就是r越大，就表示应力交变幅度占最大应力的比例越小，疲劳损伤就小，因此达到断裂时的应力循环次数就多。疲劳寿命就长。 可见材料的疲劳强度与应力循环特征系数r、平均应力二m都有关系, 但是我们怎样表示这个关系呢？表示这个关系的最常用的方法就是疲劳图，从疲劳图中我们可以得出各种循环特性下的疲劳强度，疲劳图常用的主要有以下几种： （1）用二max与r表示的疲劳图 它直接反映fax与r关系，可以明确的看出r上 升，疲劳强度也上升，疲劳强度用二r 表示，角标r表 示二「是对应于该应力特征循环系数下的疲劳强度。 圉“用叽岸"表示的疲劳图 从图中我们可以看出： 对称交变载荷下的疲劳强度二1、 脉动循环下的疲劳强度匚°。 当r=1时是静载强度。 (2) 用二max 与二m 表示的疲劳图(已知「如何求二r ) 此图以er max 和er mix 为纵坐标，m 为横坐标，过原点作一直线与坐标 轴成45度角，再将震幅的数值对称地绘再该斜线的的上下两侧，则该斜 线及上下线所表示的应力为平均应力及在其上叠加的对称交变应力。 当二m =0时，表示对称应力循环，故纵轴上 ON 表示二-1 ； 线段O / N /表示脉动循环时的疲劳强度 二0 ; 当D m 故二 a = 0 该疲劳图告诉我们，在不同的 平均应力二m 下，材料所能承受的 最大交变应力二max 及应力幅值二a , 它直接表示的是疲劳强度二「与平 均应力二m 的关系，也就是说已知 平均应力二m,就可以从该图上求得 c r 。 但是如果我们知道 r 怎样求 S ，也就是说怎样从该图上求某种 循环系数r 下的疲劳强度呢？可 用作图法，自0点作一与水平线成 a max CT a + m max mix 该直线与图形上部曲线的交点的纵坐标就是该 r 下的疲劳强度匚r 时，相当于静拉伸强度，这时材料已不能再承受交变应力， max 角的直线，角a 根据下式确定: (3) 用匚a 与匚m 表示的疲劳图(已知 r 如何求匚r ) 图中横坐标为平均应力二m ， 纵坐标为应力幅值二a ，曲线上各 点的疲劳强度6 — m +二a ，使用 时只要知道平均应力 二m 查出对 应的应力幅值匚a ，或已知应力幅 值匚a ,查出对应的平均应力匚m , 把它们的纵横坐标加起来就是疲 劳强度匚r 。 曲线与纵轴交点A 的纵坐标 就是对称循环的疲劳强度--1， 曲线与横轴交点B 的横坐标就是静载强度匚b ，此时匚a = 0、r = 1 若仅仅已知循环特征系数r ,怎样求疲劳强度呢？仍然用 作图法，自 0点作一与水平轴成a 角的直线与曲线相交，并使a 角满足下式: CJ . 1 - mix tg ： = ]a m 匚 max — ◎ mix ° max 1 — r -max 则交点的纵横坐标之和-m +；「a — r ，即为循环系数为r 时的疲劳强度 --r 。 例如：求脉动循环r=0的疲劳强度，把r=0代入上式，得tg a = 1、 a =45 °，所以过原点作一条45 °的射线，与曲线相交，交点的纵横坐标 之和就是脉动循环的疲劳强度。 (4) 用匚max 与匚mix 表示的疲劳图(已知 r 如何求匚r ) 图中纵坐标表示循环中的最大应力 二max ，横坐标表示最小应力-mix 由原点发出的每一条射线代表一种循环特性，因为这些射线的斜率的倒 图条10 用O ■和"林表示的疲劳斛 数就是应力循环特征系数r （=二例 mix / - max) 如：由原点向左与横轴倾斜 45°的直线，其斜率的倒数为负1，即 r=-1 ，所以它表示交变载荷，它与曲线 交点B的纵坐标BB即为交变载荷的疲劳 强度二-1。 向右与横轴倾斜45°的直线，其斜 率的倒数为1,即r=1，所以它表示静载 情况，它与曲线交于D 点，贝S DD即为 静载强度。 纵轴本身又表示脉动载荷r=0 , CC 即为匚o。 §5-3 疲劳断裂过程和断口特征 一、裂纹核心的形成 二、疲劳裂纹的扩展 三、断口特征 § 5-4 焊接接头的疲劳强度计算（教材162页）§ 5-5 断裂力学在疲劳裂纹扩展中的应用-、疲劳裂纹扩展速率 疲劳裂纹扩展速率：da/dn=f （二、a、C）Paris公式、Morman公式、华格公式 门槛值△ Kth :疲劳裂纹不扩展的临界值。 二、疲劳寿命估计（了解） § 5-6 影响焊接接头疲劳强度的因素 影响基本金属疲劳强度的因素同样对焊接结构的疲劳强度有影响，此外焊接结构本身的一些特点也会对结构的疲劳强度产生影响，下面我们分别探讨一下。 一、应力集中的影响（对接接头，十字接头，搭接接头） 应力集中的大小不同、产生原因不同对疲劳强度的影响程度也不同 对接焊缝： 对接焊缝由于形状变化不大，应力集中比其它接头形式要小，虽然如此，但要注意: 加厚高上升，疲劳强度下降二J 焊缝向母材的过渡角上升，疲劳强度下降二J 过渡圆弧半径上升，机械加工焊缝表面，疲劳强度上升匚r f 应力集中下降，疲劳强度上升二r f。但无封底焊或有严重缺陷的机械加工无意义。 十字接头： 十字接头由于在焊缝向基本金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中要比对接接头大，因此疲劳强度远低于对接接头， 增大焊角只能有限的提高疲劳强度二r f 合金钢对应力集中敏感，所以采用合金钢对提高疲劳强度没有优越性。 十字接头提高疲劳强度的措施： 1）开坡口焊接； 2）加工焊缝过渡区，使之圆滑过渡。 搭接接头 搭接接头的疲劳强度是很低的，实验表明： 侧面焊缝，匚r最低，34% 正面焊缝，焊角1：1 ,二r略有提高。40% 正面焊缝，焊角1：2,二r＞二r 1：1，效果不大。49% 机械加工，效果也不显著，57% 正面焊缝，焊角1:3.8盖板加厚一倍，并机械加工，二r最高,100% 这时已失去搭接接头简单易行的特点。 二、近缝区金属性能变化的影响 低碳钢近缝区性能变化对疲劳强度影响较小，低合金钢近缝区性能 变化对疲劳强度影响不大，对高强钢若用高组配接头，则无影响； 若用低组配接头，则取决于夹层厚度。 当h/d>0.75时接头的疲劳强度二r 取决与软层的二r ，比母材低； 当h/d<0.75时接头的疲劳强度二r 随比值h/d 的减小而提高。 三、残余应力的影响 对没有内应力的结构施加一个变动载荷，那么这个载荷在构件内部 产生的应力波形图是这样的：图 6-38 a 加盖板的对接接头极不合理，盖板帮倒忙。 49% 图6-W 低碳钢搭接接头的疲劳强度对比 如果这个结构内部预先有一个拉伸应力的话，那么这个变动载荷产生的应力 波形就必须叠加在这个正的内应力之上，构件内部的应力波形图将变为这样的，图6-38 b。最大应力和平均应力都有所上升，这个变化将对结构的疲劳强度产生什么影响呢？ 让我们通过二m和二a表示的疲劳图来分析这一变化， 图中曲线ACB表示不同平均应力时的极限应力振幅二a,当构件中应力振幅大于极限幅值时，将发生疲劳破坏，小于极限幅值则是安全的。 当结构没有内应力时，它承受载荷 的平均应力为匚m，与此对应的极限应 力幅值为二a。 当结构中存在正的内应力时，它和 外载荷叠加，使结构的平均应力提咼到 二ml，这时从疲劳图中可以看出，起极 限应力幅值匚a降低了，构件的疲劳强度 也随之降低。 当结构中存在负的内应力时，它将 使整个应力循环降低，平均应力也降到 二m2，在疲劳图上其对应的极限应力幅 值将增加到 二a2，构件的 疲劳强度也随之提高。 在上述分析中没有考虑内应力在载荷作用下的变化，实际上当应力循环中的最大应力-max达到二s时，亦即-m与-a之和达到二s时，内应力将因全面屈服而消除，为了考虑这一因素，在匚m和二a表示的疲劳图中作出二m +、二a = - s的 轨迹线，也就是与两个坐标的截距都是-s的直线，该直线与极限应力幅值-a曲线相交于C点，在此直线之上，所有点的二m与二a之和均达到匚s，因此，当外加变动载荷的平均应力大于等于C点所对应的数值时，那么该变动载荷的最大应力二max = - m + - a必然大于等于材料的二s ,这时内应力将全面消除。 所以平均应力大于C点的变动载荷，在最初的几次循环中就将消除残余应力，因此在这种情况下，内应力对结构的疲劳强度没有影响。 当平均应力小于C点数值时，匚m越小则加卸载过程中残余应力消除的也就越少，所以内应力的影响也就越显著。 最后的结论是拉伸残余应力降低疲劳强度；压缩残余应力提高疲劳强度；变动载荷的匚m大于C点应力时残余应力对结构的疲劳强度没有影响。小于C点数值时，二m越小，内应力的影响也就越显著。 以上是内应力影响▽r的理论分析，下面再用几个具体的试验数据来说明焊接残余应力对二r的影响。 用2组焊接试件做疲劳试验； A组：先焊纵缝，后焊横缝，残余应力小匚r高 B组：先焊横缝，后焊纵缝，残余应力大二r低 实验结果见图6-39, A组的匚r > B组的匚r，可见残余应力小的，、二r 圈6-19 利用E同埠接伙序邑整试样焊燼应巧的疲劳諜度对比试掘常黑高，残余应力大的，二r 低。 该实验由于没有采用热处理消除内应力，排除了热处理对材料性能的影响， 比较明确的说明了内应力的作用。 四、焊接缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度有很大的影响，影响程度与缺陷的种类，尺寸, 方向，所在位置有关。 片状缺陷比圆角的影响大； 表面缺陷比内部的影响大； 与作用力方向垂直的片状缺陷比其他方向的影响大；拉应力场中的缺陷比压应力场中的影响大；应力集中区的缺陷比均匀应力场中的影响大。 § 5-7 提高接头疲劳强度的措施 一、降低应力集中 1采用合理的结构形式，减少应力集中(图6-46) (1)避免三向交叉焊缝 (2)焊缝离开受力最大的位置 (3)不用单边角焊缝 (4)尽量减少刚度 (5)尖角改圆角 (6)不用加盖板对接 (7)采用中间夹板用间断焊和塞焊代替连续焊 2、尽量采用对接接头 (1)采用复合结构把角焊缝 改为对接焊缝(图6-47,图6-48)； （2）注意：对接焊缝只有在截面没有突然改变的情况下传力才是合 理的。不合理的对接焊缝实例，（图6-49） （3）机械打磨焊缝过渡区是可采用的方法，但应顺着力线的方向, 垂直力线方向打磨往往取得相反的效果。 Lt] 6-47轮製机构 D J hb c) 141111' E5 6-4S 铲卜.机科件 图儿种垃针片秦正课比皎 15] 6^49 半合理的对接岬雅 3、采用角焊缝时需采用综合措施 这些措施是：（1焊缝根部熔透；2把角接板改成平滑过渡；3机械加 工焊缝端部）。详细实例见（表6-5综合处理实例）P246. W6-S 在连接板和节点处采取煤台措施提离通劳灌歴 視帝癡茹强收的tttit 殆点極肚丁减忙石平常忑 渡的阳收■对炸SS 娈保证焰 邃，先伸弊芳端郛的余為「用 皓轮打肆节点扳歸部利與st 瑞部 卄点恆加丁”忒平淆过S （陳 如右闵虎戟所尔加工感 冥理、■辛欄胯遥 卅点極F.T 成斓聲，采用 K.iJJS 口’好變斑遴」U 昨轮 壷过猱 艸魅全涨熔遥?盘鑑建Jt 川 向斜牢 J -5. IVJJT mw u 澈SH 扌I 机肚 片払扌膚 乘用斜谢理键*机械*怯 I TT TTIT TT T nrr m HL 4、开缓和槽使力线绕开应力集中部位 图乩血 带有缓甸明的焊接电机转 F 5、机械加工焊缝及附近表面， 机械加工可消除焊缝及其附近的各种刻槽，降低构件中的应力集中 程度，提高接头的疲劳强度。但这种表面机械加工的成本高，因此只有 真正有益并确实能加工到的地方才适合用这种加工方法。 6、还可电弧TIG 或等离子束整形 二、调整残余应力场 1整体处理 （1）整体退火 (2)超载预拉伸(原理：降低残余应力；扩大裂纹尖端塑性区尺寸, 使之产生压应力 ) 盼爾方血 TIG JlL 理的纾新瞒 区 2、局部处理 使关键部位的残余拉应力转化为压应力，方法是局部加热，局部爆炸，碾压，锤击焊道等。 三、改善材料的表面性能 表面强化处理：喷丸处理；小轮挤压，锤击焊道。 四、特殊保护措施 上涂料可降低应力集中。 ****动载焊接结构的设计 1、 焊接结构疲劳强度设计的一般原则 设计过程可分为以下三个步骤： ⑴ 考虑实用性，进行功能设计 根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。 ⑵ 进行方案设计 根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系，又互相制约； ⑶ 进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。 设计动载焊接结构必须特别强调两点：① “动载”，对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。 因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点： ⑴ 承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。 ⑵ 对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝； ⑶ 单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用，又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式； ⑷ 承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝），危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处。应采用如下措施：① 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；② 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中； ⑸ 处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔，以便降低应力集中的影响。 总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。 2、疲劳强度的许用应力设计法 我国钢结构标准，原设计规范基本金属及连接的疲劳计算中，采用疲劳许用应力。 ⑴ 许用应力的确定 先通过实验测定材料、结构的疲劳强度或疲劳极限，再按存活率（一般结构97.7％，特重要结构99.99％）和疲劳循环次数（如2×106次）确定疲劳强度r σ；疲劳强度的许用应力 [] n r p r σσ= 式中： n - 安全系数； ⑵ 设计原则 最大疲劳工作应力m ax σ≤许用应力[] p r σ ⑶ 缺点 ① 没有考虑疲劳载荷的累积效应； ② 没有考虑过载峰对疲劳寿命的影响； ③ 没有考虑千变万化的不确定因素。过去把这些不确定因素的影响，涵盖在安全系数里，加以考虑。电站两例 3、 焊接结构的疲劳寿命设计 ⒊1 疲劳裂纹的亚临界扩展 一个初始裂纹0a 的构件，只有载荷应力达到临界值C σ时（图1），亦即当裂纹尖端 图1 亚临界裂纹扩展与 临界尺寸 焊接结构疲劳强度相关知识 1.焊接结构疲劳失效的原因 焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：①客观上讲，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；②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；③工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④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；⑤焊接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。 2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素 2.1 静载强度对焊接结构疲劳强度的影响 在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。 但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳 强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。Maddox研究了屈服点在386—636MPa之间的碳锰钢和用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。只有在应力比大于+0.5的情况下，静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强钢。 造成上述结果的原因是由于在接头焊趾部位沿溶合线存在有类似咬边的熔渣楔块缺陷，其厚度在0.075mm-0.5mm，尖端半经小于0.015mm。该尖锐缺陷是疲劳裂纹开始的地方，相当于疲劳裂纹形成阶段，因而接头在一定应力幅值下的疲劳寿命，主要由疲劳裂纹的扩展阶段决定。这些缺陷的出现使得所有钢材的相同类型焊接接头具有同样的疲劳强度，而与母材及焊接材料的静强度关系不大。 2.2 应力集中对疲劳强度的影响 2.2.1 接头类型的影响 焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头和搭接接头，在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。 对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。但实验表明，对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，这是因为有一系列因素影响对接接头的疲劳性能的缘故。如试样的尺寸、坡口形式、焊接方法、焊条类型、焊接位置、焊缝形状、焊后的焊缝加工、焊后的热处理等均会对其发生影响。具有永久 焊接结构作业1 1. 简述焊接结构的特点（优势与不足）。 2. 简述构件焊接性的含义，哪些因素影响构件焊接性？ 3. 比较电弧焊（MIG ）与电阻焊（点焊）过程中产热机构、散热机构和热量传递方式方面 的差异。 4. 哪些因素会影响MIG 过程产热及散热？ 焊接结构作业2 1. 举例说明焊接结构过程中涉及到几种热量传递方式。 2. 比较交流TIG 焊与电阻焊的有效热功率的差异。 3. 什么是焊接热循环？描述焊接热循环的参数有哪些？ 4. 请在典型焊接热循环曲线上标出各热循环参数并解释其意义。 5. 比较长段多层焊与短段多层焊的特点和使用范围。 焊接结构作业3 1. 什么是内应力?有什么特点? 2. 内应力的分类（作用范围划分）、温度应力产生原因。 3. 什么是自由变形、内部变形、外观变形？之间有什么关系？ 4. 画出低碳钢的屈服极限随温度的变化曲线。 5. 简述长板条中心加热条件下的变形及应力产生分布情况。 6. 长板条中心加热—冷却后残余应力的产生机理（过程） 焊接结构作业4 1. 长板条一侧加热—冷却后，残余应力的产生及分布情况。 2. 长板条一侧加热时变形及应力的演变过程。 3. 以低碳钢平板条中心焊接为例说明焊接温度场与对应高温时的应力分布情况。 4. 说明受拘束体在热循环中应力与变形的演变过程。（以低碳钢为例）分三种情况 焊接结构作业5 1. 某种钢材（（T s=960MPa的杆两端完全拘束的条件下温升多少才屈服？（注： E=210GPa, -6 a =1.2 X 10 ）。 2. 某种钢材（（T s=300MPa的杆两端完全拘束，环境温度为30C，问在均匀的加热的 焊接工艺问答（强度及结构） 焊接工艺问答（强度及结构） 受拉时的强度 强度计算公式为 强度 各种焊接接头都有不同程度的应力集中，当母材具有足够的塑性时，结构在静开车破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。 例如，侧面搭接接头在加载时，如果母材和焊缝金属都有较好的塑性，其切应力的分布是不均匀的，见图29。继续加载，焊缝的两端点达到屈服点σs，则该处应力停止上升，而焊缝中段各点的应力因尚未达到σs，故应力随加载继续上升，到达屈服点的区域逐渐扩大，应力分布曲线变平，最后各点都达到σs。如再加载，直至使焊缝全长同时达到强度极限，最后导致破坏。 36 什么是工作焊缝？什么是联系焊缝？ 焊接结构上的焊缝，根据其载荷的传递情况，可分为两种：一种焊缝与被连接的元件是串联的，承担着传递全部载荷的作用，一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，见图30a、图30b，其应力称为工作应力。另一种焊缝与被连接的元件是并联的，仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称 为联系焊缝，见图30c、图30d，其应力称为联系应力。设计时，不需计算联系焊缝的强度，只计算工作焊缝的强度。 37 举例说明对接接头爱拉（压）时的静载强度计算。 全焊透对接接头的各种受力情况见图31。图中F为接头所受的拉（压）力，Q为切力，M1为平面内弯矩，M2为垂平面弯矩。 受拉时的强度计算公式为 F σt＝───≤〔σ′t 〕 Lδ1 F 受压时的强度计算公式为σα＝───≤〔σ′α 〕 Lδ1 式中F——接头所受的拉力或压力（N）； L——焊缝长度（cm）； δ1——接头中较薄板的厚度（cm）； σ——接头受拉（σt）或受压（σα）时焊缝中所承受的应力（N/cm2）㈠ 〔σ′t 〕——焊缝受拉时的许用应力（N/cm2） 〔σ′α〕——焊缝受压时的许用应力（N/cm2） 计算例题两块板厚为5mm、宽为500mm的钢板对接焊在一起，两端受28400N的拉力，材料为Q235-A钢，试校核其焊缝强度。 解：查表得〔σ′t 〕=14200 N/cm2。 根据已知条件，在上述公式中，F=28400N，L=500mm=50cm，δ1=5mm=0.5cm，代入计算为 F 28400 σt＝─── ＝───── ＝1136N/cm2＜14200N/cm2 Lδ1 50×0.5 ∴该对接接头焊缝强度满足要求，结构工作安全。 38 举例说明对接接头受剪切时的静载强度计算。 受剪切时的强度计算公式为 Q τ= ───≤〔τ′〕 Lδ1 式中Q——接头所受的切力（N）； L——焊缝长度（cm）； 完全焊透的对接焊缝和T形连接焊缝设计计算书 Ⅰ.设计依据: 《钢结构设计手册上册》（第三版） 《钢结构设计规范》 GB 50017-2003 Ⅱ.计算公式和相关参数的选取方法 一、焊缝质量等级的确定方法： 焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质星等级： 1在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质缝等级为：1）作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T形对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级； 2）作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。 2不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。 3重级工作制和起重量Q≥50t的中级工作制吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车衔架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透，焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝.其质量等级不应低于二级。 4不要求焊透的T形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为： 1）对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50 t的中级工作制吊一车梁，焊缝的外观质量标准应符合二级； 2）对其他结构，焊缝的外观质量标准可为三级。 ——(GB50017—2003 7.1.1) 二、焊缝连接计算公式 1、完全焊透的对接接头和T形接头焊缝计算公式 1）在对接接头和T形接头中，垂直于轴心拉力或轴心压力的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其强度应按下式计算： 拉应力或压应力：c t w f f tl 或≤=σ ( GB 50017-2003 7.1.2 -1) 参数：N ——轴心拉力和轴心压力（N ）； w l ——焊缝计算长度，为设计长度减2t （有引弧板时可不减）（mm ）； t ——对接接头中连接件的较小厚度；T 形接头中为腹板的厚度（mm ）； w c w t f f 、——对接焊缝的抗拉、抗压强度设计值（查表2-5可得） （N/mm 2 ）； 2）在对接接头和T 形接头中，承受弯矩和剪力共同作用的对接焊缝或对接与角接组合焊缝，其正应力和剪应力应分别进行计算。但在同时受有较大正应力和剪应力处(例如梁腹板横向对接焊缝的端部)，应按下式计算折算应力： w t f 1.13221≤+τσ (GB55017—2003 7.1.1.2-2) 注:1当承受轴心力的板件用斜焊缝对接，焊缝与作用力间的夹角θ符合,当tg θ≤1.5时焊缝的强度可不计算. 2 当对接焊缝和T 形对接焊缝与角接组合焊缝无法采用引弧板和引出板施焊时每条焊缝的长度计算时应减去2t 附表1-1 焊缝的强度设计值 *、某节点钢板厚12mm ，用对接和角接组合焊缝焊于端板上，承受静力荷载标准值F k =250kN ，其中20%为永久荷载，80%为可变荷载,如下图所示。采用Q235钢，手工焊，焊条为E43型，焊缝强度设计值为2185/w t f N mm =，未用引弧板施焊。试验算此焊缝强度是否满足设计要求。 解：（组合焊缝的计算和对接焊缝的一样） 拉力设计值 1.20.2250 1.40.8250340G GK Q QK F F F kN γγ???=?=+=+ 该拉力为偏心力,与x 轴的间距为偏心距e=100,焊缝所受的弯矩为 353401010034010M Fe N mm ==??=?? 焊缝的有效厚度为节点板厚t ; 由于未用引弧板，焊缝有效长度为l w =b -2t 节点板和焊缝所受的力是轴向力+弯矩,焊缝应力分布如下图所示。 最大正应力(拉)为 max 2 35 2 2 /6 340103401012(400212)12(400212)/675.4120.2195.6185/w w w t F M F M A W tl tl f N mm σ=+=+??=+?-??-?=+=>= 焊缝强度不满足要求。 端板 *、某节点钢板用角焊缝焊于端板上，承受静力荷载设计值F =340kN ，。采用Q235钢，手工焊，焊条为E43型，焊脚厚度h f =10mm ，焊缝强度设计值为2160/w f f N mm =。试验算此焊缝强度是否满足设计要求。 解: 偏心拉力与x 轴的间距为偏心距e=100,焊缝所受的弯矩为 353401010034010M Fe N mm ==??=?? 焊缝有两条，每条焊缝的有效厚度为0.7h f ; 由于焊缝两端都无绕角焊，每条焊缝有效长度为l w =b -2h f 。 节点板和焊缝所受的力是轴向力+弯矩,焊缝应力分布如下图所示。 最大正应力(拉)为 max 23522 20.720.7/6 340103401020.710(40020)20.710(40020)/663.9100.9164.8 1.22160195.2/f w f w w f f F M A W F M h l h l f N mm σβ= +=+????=+ ???-???-=+=<=?= 焊缝强度满足要求。 媒体文章 结构疲劳分析技术新进展 安世亚太 雷先华 众所周知，疲劳累积损伤是导致航空产品结构失效的主要原因之一，而结构失效往往给航空器带来灾难性后果，因而在现代航空产品设计中通常要求进行较为准确的结构疲劳寿命预测。由于疲劳的形式和影响结构疲劳的因素都非常繁多，因而并没有一套放之四海而皆准的疲劳寿命预测算法，多数算法都只能在某些特定情况下才能获得满足工程精度要求的预测结果。现代疲劳分析软件通常需要在通用疲劳算法的丰富性和先进性（核心）、有限元应力应变计算的准确性和精确性（基础）、以及针对特殊疲劳问题进行处理的方法多样性和完整性（全面）等方面进行持续不断的改进方能较好地满足工程设计的要求。下面我们以安世亚太高级疲劳分析软件Fe-safe为例，简要阐述其在这些方面的新进展。 1．基于临界平面法的精确多轴疲劳算法 航空器上的零部件通常都是在多轴疲劳载荷作用下工作，此时，材料的循环应力应变关系由于受到加载路径的影响而变得相当复杂。目前，多轴疲劳破坏的准则主要有三大类：应力准则、应变准则和能量准则。众多分析及试验对比证明，组合最大剪应变和法向应变的Brown-Miller准则和Wang-Brown准则对于韧性材料具有最好的计算精度，而主应变准则则适合于脆性材料。 对于航空结构中常见的、而且是最复杂的多轴非比例加载情况，由于载荷间的相位关系在不断变化，结构中每个位置点处的主应力/应变、最大剪应力/应变等参数的方向（所在平面）都是随加载历程而不断变化的，也就是说损伤累积在每个位置处都有方向性。对于很多软件所采用的Wang-Brown准则，它无法直接考虑这种方向变化性，只是利用了一个附加的材料参数来考虑法向应变对裂纹萌生的影响。 Fe-safe独特地提供了“临界平面”算法来配合Brown-Miller准则、主应变准则等，以获得最好的计算精度。临界平面法的核心思想是：将每个位置处的应变分解到按某种规律变化的一系列平面上，计算每个平面上的损伤，以这些平面中的最小寿命作为该位置的寿命。 2．独特的焊接结构疲劳算法 焊接连接是航空器上非常常见的结构连接方式，在航空结构设计中具有非常重要的地位，但焊接部位同时也是最容易产生疲劳裂纹问题的位置。现有疲劳分析软件几乎无一例外都是按照“焊接分类”（如英国BS7608标准）的方法来进行焊接结构疲劳分析的，该方法在大量工程实例的基础上根据预期的疲劳裂纹位置而将焊接结构分为数个类型（B、C、D、E、F、F2、G、W等），每个类型对应一条相互平行的S-N曲线用于疲劳评估。因此，在焊接结构疲劳分析中存在两个主要问题极大地影响了其工程应用：一是焊接分类的标准难以把握（事实上焊接类型是无穷多的）；二是由于焊接位置通常都是应力集中位置，难以精确计算应力分布。 钢结构的焊接连接 钢结构的连接方法可分为焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接三种。焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法。它的优点是：（1）焊件间可直接相连，构造简单，制作加工方便；（2）不削弱截面，用料经济；（3）连接的密闭性好，结构刚度大；（4）可实现自动化操作，提高焊接结构的质量。缺点是：（1）在焊缝附近的热影响区内，钢材的材质变脆；（2）焊接残余应力和变形使受压构件承载力降低；（3）焊接结构对裂纹很敏感，低温时冷脆的问题较为突出。 一、焊缝的形式 1．角焊缝 图 1 直角角焊缝截面 图 2 斜角角焊缝截面 角焊缝按其截面形式可分为直角角焊缝和斜角角焊缝。两焊脚边的夹角为90°的焊缝称为直角角焊缝，直角边边长h f 称为角焊缝的焊脚尺寸，h e ＝0.7h f 为直角角焊缝的计算厚度。斜角角焊缝常用于钢漏斗和钢管结构中。对于夹角大于135°或小于60°的斜角角焊缝，不宜用作受力焊缝（钢管结构除外）。 2．对接焊缝 对接焊缝的焊件常需加工成坡口，故又叫坡口焊缝。焊缝金属填充在坡口内，所以对接焊缝是被连接件的组成部分。 坡口形式与焊件厚度有关。当焊件厚度很小（手工焊≤t 6mm ，埋弧焊≤t 10mm ）时，可用直边缝。对于一般厚度（t=10～20mm ）的焊件可采用具有斜坡口的单边V 形或V 形焊缝。斜坡口和离缝c 共同组成一个焊条能够运转的施焊空间，使焊缝易于焊透；钝边p 有托 住熔化金属的作用。对于较厚的焊件（t＞20mm），则采用U形、K形和X形坡口。对于V形缝和U形缝需对焊缝根部进行补焊。对接焊缝坡口形式的选用，应根据板厚和施工条件按现行标准《建筑结构焊接规程》的要求进行。 凡T形，十字形或角接接头的对接焊缝称之为对接与角接组合焊缝。 图3 对接焊缝的坡口形式 3．焊缝质量检验 《钢结构工程施工质量验收规范》规定焊缝按其检验方法和质量要求分为一级、二级和三级。三级焊缝只要求对全部焊缝作外观检查且符合三级质量标准；一级、二级焊缝则除外观检查外，还要求一定数量的超声波检验并符合相应级别的质量标准。焊缝质量的外观检验检查外观缺陷和几何尺寸，内部无损检验检查内部缺陷。 二、直角角焊缝的构造与计算 角焊缝按其与作用力的关系可分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝。正面角焊缝的焊缝长度方向与作用力垂直，侧面角焊缝的焊缝长度方向与作用力平行，斜焊缝的焊缝长度方向与作用力倾斜，由正面角焊缝、侧面角焊缝和斜焊缝组成的混合，通常称作围焊缝。 侧面角焊缝主要承受剪力，塑性较好，强度较低。应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大而中间小的状态。焊缝越长，应力分布不均匀性越显著。 正面角焊缝受力复杂，其破坏强度高于侧面角焊缝，但塑性变形能力差。斜焊缝的受力性能和强度值介于正面角焊缝和侧面角焊缝之间。 1．角焊缝的构造要求 （1）最小焊脚尺寸 t（1） h f≥1.5 2 式中t2—较厚焊件厚度，单位为mm。 焊接结构 一、焊接结构的特点 焊接结构的特点包括： （1）焊接结构的应力集中变化范围比铆接结构大。 因为焊接结构中焊缝与基本金属组成一个整体，并在外力作用下与它一起变形。因此焊缝的形状和布置必然影响应力的分布，使应力集中在较大的范围内变化。从而严重影响结构的脆断和疲劳。 （2）焊接结构有较大的残余应力和变形 绝大多数焊接方法采用局部加热，故不可避免会产生内应力和变形。焊接应力和变形不但容易引起工艺缺陷，而且影响结构的承载能力，此外还影响结构的加工精度和尺寸稳定性。 （3）焊接结构具有较大的性能不稳定性 由于焊缝金属的成分和组织与基本金属不同，以及焊接接头所经受的不同热循环和热塑性应变循环，焊接接头不同区域具有不同性能，形成一个不均匀体。（4）焊接接头的整体性 这是区别于铆接结构的一个重要特性，一方面赋予焊接结构高密封性和高刚度，另一方面由带来了问题，例如止裂性能差。 二、影响脆性断裂的因素 （一）应力状态的影响 （1）不同的应力状态：如果最大正应力首先达到正断抗力，则发生脆性断裂，如果剪应力先达到屈服极限，则产生塑性变形，形成塑性断裂，达到剪断抗力时，产生剪断。 （2）不同材料同一应力状态。 （3）缺口效应：虽然整个结构件处于单轴拉伸状态，但由于其局部设计不佳或存在缺陷导致出现三轴应力状态的缺口效应。 （二）温度的影响 随着温度的降低，出现脆性断裂的倾向变大。脆性转变温度越低，可使用温度范围越大，材料抗脆断能力好。 （三）加载速率的影响 提高加载速率会促使材料脆性破坏。当有缺口时，由于缺口处有应力、应变集中，缺口扩展速率增大，导致脆性断裂的发生。 （四）材料状态的影响 （1）厚度的影响：厚度增大，脆断倾向增大。 原因：a、厚板在缺口处易形成三轴拉应力，因为厚度方向的收缩和变形受到限制，形成所谓的平面应变状态，使材料变脆。 b、冶金因素：厚板轧制次数少，终轧温度高，组织疏松，内外层均匀性差。 （2）晶粒度影响：晶粒越细，脆性—延性转变温度越低。 （3）晶格结构：面心立方晶格较好。 （4）化学成分：C、N、O、H、S、P增加脆性，Mn、Ni、Cr、V适量加入有助于减少脆性。 焊接知识问答(焊接强度及焊接结构) 各种焊接接头都有不同程度的应力集中，当母材具有足够的塑性时，结构在静开车破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。 例如，侧面搭接接头在加载时，如果母材和焊缝金属都有较好的塑性，其切应力的分布是不均匀的，见图29。继续加载，焊缝的两端点达到屈服点σs，则该处应力停止上升，而焊缝中段各点的应力因尚未达到σs，故应力随加载继续上升，到达屈服点的区域逐渐扩大，应力分布曲线变平，最后各点都达到σs。如再加载，直至使焊缝全长同时达到强度极限，最后导致破坏。 36 什么是工作焊缝？什么是联系焊缝？ 焊接结构上的焊缝，根据其载荷的传递情况，可分为两种：一种焊缝与被连接的元件是串联的，承担着传递全部载荷的作用，一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，见图30a、图30b，其应力称为工作应力。另一种焊缝与被连接的元件是并联的，仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称为联系焊缝，见图30c、图30d，其应力称为联系应力。设计时，不需计算联系焊缝的强度， 只计算工作焊缝的强度。 37 举例说明对接接头爱拉（压）时的静载强度计算。 全焊透对接接头的各种受力情况见图31。图中F为接头所受的拉（压）力，Q为切力，M 1为平面内弯矩，M2为垂平面弯矩。 受拉时的强度计算公式为 F σt＝───≤〔σ′t〕 Lδ1 F 受压时的强度计算公式为σα＝───≤〔σ′α 〕 Lδ1 式中F——接头所受的拉力或压力（N）； L——焊缝长度（cm）； δ1——接头中较薄板的厚度（cm）； σ——接头受拉（σt）或受压（σα）时焊缝中所承受的应力（N/cm2）㈠ 〔σ′t〕——焊缝受拉时的许用应力（N/cm2） 〔σ′α〕——焊缝受压时的许用应力（N/cm2） 计算例题两块板厚为5mm、宽为500mm的钢板对接焊在一起，两端受28400N的拉力，材料为Q235-A钢，试校核其焊缝强度。 解：查表得〔σ′t〕=14200 N/cm2。 根据已知条件，在上述公式中，F=28400N，L=500mm=50cm，δ1=5mm=0.5cm，代入计 Q235 用。由于翼缘处的剪应力很小，假定剪力全部由腹板的竖向焊缝均匀承受，而弯矩由整个T 形焊缝截面承受。分别计算a 点与b 点的弯矩应力、腹板焊缝的剪应力及b 点的折算应力，按照各自应满足的强度条件，可以得到相应情况下焊缝能承受的力F i ，最后，取其最小的F 值即为所求。 1．确定对接焊缝计算截面的几何特性 (1)确定中和轴的位置 ()()()()80 10 102401020160)10115(1010240510201601≈?-+?-+??-+??-= y mm 160802402=-=y mm (2)焊缝计算截面的几何特性 ()6232 31068.22)160115(230101014012 151602301014023010121mm I x ?=-??+??++-??+??= 腹板焊缝计算截面的面积： 230010230=?=w A mm 2 2．确定焊缝所能承受的最大荷载设计值F 。 将力F 向焊缝截面形心简化得： F Fe M 160==（KN·mm） F V =（KN ） 查表得：215=w c f N/mm 2，185=w t f N/mm 2，125=w v f N/mm 2 点a 的拉应力M a σ，且要求M a σ≤w t f 18552.010 226880101604 31===???==w t x M a f F F I My σ N/mm 2 解得：278≈F KN 点b 的压应力M b σ，且要求M b σ≤w c f 215129.110 2268160101604 32===???==w c x M b f F F I My σ N/mm 2 解得：5.190≈F KN 由F V =产生的剪应力V τ，且要求V τ≤w V f 125435.010 23102 3===??=w V V f F F τ N/mm 2 解得：7.290≈F KN 点b 的折算应力，且要求起步大于1.1w t f () ()()w t V M b f F F 1.1435.03129.132 22 2=?+= +τσ 解得：168≈F KN 1、如图搭接接头上板厚10mm ，下板厚15mm ，已知许用应力[σ][τ]分别为15000N/cm2和10000N/cm2,构件受力Q 为60000N ，采用等腰角焊缝。根据焊缝和载荷的几何关系确定搭接焊缝的类型及单边焊缝长度，并判定该长度下焊缝结构是否合理。 答：不等厚板搭接接头，角焊缝焊脚尺寸以薄板计算，本题中取10mm ，焊缝为搭接接头上的侧面角焊缝。 设单边焊缝长度为L ，搭接焊缝为双缝结构，焊缝总长度为2L ，角焊缝按照许用切应力计算。 则有][7.027.0ττ≤??==∑kL Q kL Q ，计算所得L 至少大于42.8mm,取整为43mm 。 按照规定侧面角焊缝的长度不大于50K ，因此根据计算判定，结构合格。 2、一丁字接头，如下图，已知焊缝金属的许用切应力[τ']=100MPa ，试设计角焊缝的焊角尺寸K ，并求焊缝最大承载能力。 τm = (3PL)/0.7Kh 2 已知：P=75kN,L=200mm,h=300mm,代入上式得： τm =（3×75000×200）/0.7×K ×3002=500/0.7K τQ=F/(1.4Kh),将数代入公式： τQ =75000/（1.4K ×300）=250/(1.4K ×300 ） =250/(1.4×K) 3、分析下图构件的焊缝的类型，若要保证结构安全，则焊缝间距有什么要求？若已知该结构的许用应力[σ][τ]分别16000N 为/cm2和10000N/ cm2,构件受力P 为75000N ，单条焊缝长度为50mm ，板料厚度均为10mm ，试通过计算判定其使用时是否安全。 答：焊缝间距不小于4倍板厚 (1)角焊缝按照切应力进行校核。 当]'[7.0ττ≤?=∑K L Q ，则结构安全。 式中Q ＝75000N ，δ=10mm ， L=50mm,设焊脚尺寸K 与板厚δ相同，K ＝10mm ； 代入上式得： τ=75000/(2×50×0.7×10)=1071N/cm 2＜]'[τ=10000N/cm 2 因此，判定结构不合格。（1分） 4、如图一偏心受载的搭接接头，已知焊缝长h=400mm ，l 0=100mm ，采用等腰焊缝，焊角尺寸K=10mm ，外加载荷F=30000N ，梁长L=100cm ，焊缝的许用切应 1. 试计算如图所示钢板与柱翼缘的连接角焊缝的强度。已知N=390kN （设计值），与焊缝之间的夹 ) 10200(87.022l h w e f -?? 23 /6.91)10200(87.02101952mm N l h N w e y f =-???==τ 满足）(1601596.91)22 .17.158()(2222MPa f MPa w f f f f =<=+=+τβσ 14. 求图示钢梁所能承受的最大均布荷载设计值（含自重），已知梁截面为热轧普通工字钢I45a,其截面特性为 A=102cm 2 I X =32240cm 4 w x =1430cm 3 I y =855cm 4 w y =114cm 3 材料为Q235,强度设计值?=215 N/mm 2 ，梁两端不能扭转，跨中无侧向支撑点，挠度不起控制作用，截面无削弱。整体稳定系数?b =0.44. m kN mm N l W f q W f ql M f W M x b x b x b maz /36.13/36.13900010143044.0215888 1 2322max ==????==??==?=??? 即 kN N n n f A N n 5.728728500915.0121510325.01211==?-??=-= II-II 截面净截面面积为 2 2201221146.294.1]15.235.75.4)13(52[])1(2[cm t d n e a n e A II n =??-+-+?=-+-+=kN N n n f A N II n 1.760760100915.012151046.295.0121==?-??=-= III-III 截面净截面面积为 2098.284.1)15.2225()(cm t d n b A III III n =??-=-= 因前面I －I 截面已有n 1个螺栓传走了（n 1/n ）N 的力，故有f A N n n n n III n III ≤--)5.01(1 n 第四章轴心受力构件 4.1 验算由2∟63 5 组成的水平放置的轴心拉杆的强度和长细比。轴心拉力的设计值为 270KN ，只承受静力作用，计算长度为3m 。杆端有一排直径为20mm 的孔眼（图 4.37 ），钢材为Q235 钢。如截面尺寸不够，应改用什么角钢？ 注：计算时忽略连接偏心和杆件自重的影响。 解：（1 ）强度查表得∟63 5 的面积A=6.14cm 2，i min i x 1.94cm ， A 2 ( A d t) 2 (614 20 5) 1028mm2 ，N=270KN N 270 103 A n 1028 262.6Mpa f 215Mpa ，强度不满足， N 所需净截面面积为A n f 270 103 215 1256 1256 mm2 ， 2 所需截面积为 A A n d t 20 5 728mm ， 2 选63 6 ，面积A=7.29cm 2729 m m2728mm2（2 ）长细比 l o i min 3000 154.6 350 19.4 4.2 一块- 400 20 的钢板用两块拼接板- 400 12 进行拼接。螺栓孔径为22mm ，排列如图4.38 所示。钢板轴心受拉，N=1350KN （设计值）。钢材为Q235 钢，解答下列问题; （1））钢板1-1 截面的强度够否？ （2））是否需要验算2-2 截面的强度？假定N 力在13 个螺栓中平均分配，2-2 截面应如何验算？ 2 （3） ）拼接板的强度够否？ 解：（ 1 ）钢板 1-1 截面强度验算： A n1 (b 3 d 0 ) t min (400 3 22) 20 6680mm ， N=1350KN N A n1 1350 103 6680 202.1Mpa f 205Mpa ，强度满足。 （2） ）钢板 2-2 截面强度验算： （a ），种情况，（ a ）是最危险的。 A (l 5 d ) t (400 80 80 2 80 2 5 22) 20 6463mm 2 ， N=1350KN n 2 ( a ) N A n2 1350 103 6463 208.9Mpa f 205Mpa ，但不超过 5% ，强度满足。 对应图（ d ）的验算： A (l 5 d ) t (400 5 22) 20 5800mm 2 ， n 2 (d ) 概念 1焊接结构：焊接结构是由金属材料轧制的板材或型材（或铸造、锻压等坯料）采用焊接方法，按照一定结构组成的并能承受载荷的金属结构。 2应力集中：接头局部区域的最大应力比平均应力值高的现象。 3焊接残余应力：焊后依然残留在结构中的内应力。 4疲劳断裂：材料在循环应力、应变作用下，多次循环后引起的断裂。 5装配定位基准：装配过程中，作为依据来确定零部件在结构中位置的点、线、面。 6结构：不同类别或相同类别的不同层次，按程度多少的顺序进行有机排列。 7应力集中系数：表征应力集中程度的参数，为最大应力与平均应力之比。 8焊接变形：由焊接引起的焊件结构尺寸的改变，叫做焊接变形。 9矫正：采用一定措施消除零件的变形的过程。 10焊接装配：焊前将已加工好的零件（部件），按图纸规定的要求固定成组件、部件及结构的过程。 二、辨析以下说法 1.中国钢产量世界第一，其中40%用于焊接结构生产。（√） 2.网上出现的“蛋形”蜗居，其骨架主要为焊接结构。（√） 3.与铸造毛坯相比，焊接结构的质量更小。（√） 4.焊接结构对脆断、疲劳、应力腐蚀等破坏特别敏感。（√） 5.焊接残余应力与残余应变总是成对出现。（√） 6.焊缝与工件并联是工作接头。（×） 7.搭接接头的力学性能优于对接接头。（×） 8.金属材料的弯曲成型没有温度限制。（×） 9.残余拉应力有利于提高接头的疲劳强度。（×） 10.焊接结构拘束越大，残余应力越小。（×） 11.鸟巢是典型的焊接结构。（√） 12.世界上发达国家焊接结构生产占钢产量的60%以上。（√） 13.与铆接结构相比，焊接接头力学性能较高。（√） 14.焊接为局部熔化，故而结构组织性能不均匀。（√） 15.反变形法可以控制角变形和弯曲变形。（√） 16.焊缝与工件串联是联系接头。（×） 17.对接接头的应力集中大于T型接头。（×） 18.焊接结构制造中，弯曲成形占有的比重较小。（×） 19.疲劳断裂与脆性断裂的端口形貌一样。（×） 20.焊接结构拘束越大，焊接变形越大。（×） 三 1.焊接过程结束后，焊件残存而不能消失的应力称为(D)。 A、焊接应力 B、工作应力 C、内应力 D、焊接残余应力 2.焊接结构应用最多的角焊缝形式为(D)。 A、凸角焊缝 B、平角焊缝 C、凹角焊缝 D、直角等腰角焊缝 3.型材的矫正一般常采用(B)。 A、火焰矫正 B、常温下冷矫 C、锤展伸长法 D、反变形法 4.切割碳钢、低合金钢和铸铁，常采用(B)。 角焊缝强度计算 锅炉角焊缝强度计算方法JB/T 6734-1993中华人民共和国机械行业标准JB/C 6734-1993锅炉角焊缝强度计算方法主题内容与适用范围本标准规定了锅炉角焊缝强度计算方法本标准适用于额定蒸汽压力大于 2.5MYa 固定式蒸汽锅炉锅筒集箱和管道」_各种骨接头连接焊缝和焊接到锅炉受压元件土受力构件的连接焊缝以及在制造安装与运输过程中所用受力构件的连接焊缝.2 名词术语及符号说明2.1 名词术语2.1.1 对接接头两焊件端面相对平行的接头2.1.2 角接接头两焊件端面问构成大于 300小于 135夹角的接头2.1.3r 形接头一焊件之端面与另一焊件表面构 成直角或近似直角的接头_飞2.1.4 搭接接头两焊件部分重叠构成的接头2.1.5 圆钢连接接头两圆形焊件表面连接或一圆形焊件与一非国形焊件连接的接头2.1.6 对接焊缝在焊件的坡口面间或一焊件的坡口面与另一焊件表面间焊接的焊缝.2.1.7 角焊缝沿两直交或近直交焊件的交线所焊接的焊缝2.1.8 正面角焊缝焊缝轴线与 焊件受力方向相垂直的角焊缝见图 2-12.1.9 侧面角焊缝焊缝轴线与焊件受力方向相平行的角焊缝见图 2-22.1.10 纵向焊缝沿焊件长度方向分布的焊缝.2.1.11 横向焊缝垂直于焊件长度方向的焊缝.机械工业部 1993-08-21 批准 1993-10-01 实施19622.1.12 环形焊缝沿筒形焊件分布的头尾相接的封闭焊缝.图 2-1 正面角焊缝图 2-2 侧面角焊缝2.1.13 承载焊缝焊件上用作承受荷载的焊缝2.1.14 非承载焊缝焊件上不 CL 接承受荷载只起连接作用的焊缝习惯上称联系焊缝.2.1.15 坡口深度焊件开坡口时焊件端部沿焊件厚度方向加_r 掉的尺寸2.1.16 焊脚尺寸在角 焊缝横截面中画出的最大直角三角形中直角边的长度.2.1.17 焊缝计算厚度设计焊缝时使用的焊缝厚度.2.1.18 焊缝计算长度计算焊缝强度时使用的焊缝长度.封闭焊缝的计算长度取实际长度不封闭焊缝的计算长度对每条焊缝取其实际长度减去 l Omm2.1.19 焊缝计算厚度截面积焊缝计算厚度与焊缝计算长度的乘积.2.1.20 全焊 焊接结构实验指导书 实验一：焊接变形动态过程测量 一．实验目的： 1.掌握焊接变形产生的原理，观察焊接变形的动态过程。 2.了解施焊次序对焊接变形的影响。 3.认识一种测量焊接变形的方法。 二．实验内容： 对悬臂支承的长板条一侧进行堆焊，同时测量并记录长板条端点A的挠度变化过程如图所示。 三．实验仪器及设备： 1.焊接电源、电缆、焊把、焊条、试板、试板支架。 2.焊接参数测量仪表：电流表、电压表、秒表、直尺、分流器。 3.位移传感器及支座、放大器、函数记录仪、标定用的百分表。 四．实验设备： 1.位移传感器是将位移量转换成电信号的传感元件，位移传感器和相应的放大器、记 录仪组成位移的测量记录系统，实验前需事先确定实际位移量和记录仪输出量的对应关系，即进行标定。 2.支好试板和传感器，选择焊接规范、调整记录仪和零点。 五．实验方法（任选其一）： 方法Ⅰ：用相同规范在板条上侧进行两次堆焊，分别记录A点挠度-时间（△-t）曲线及其它参数U、I、t、L1、L2、B、h。并计算线能量Q=UI/V。 方法Ⅱ：第一次堆焊后（板条翻转）在板条另一侧堆焊，其余方法同Ⅰ。 六．实验报告要求： 1.简述第一次堆焊时△-t曲线成因。 2.定性绘出第一次堆焊后长板条内纵向残余应力分布的简图。 3.比较两次堆焊△-t曲线的异同，并讨论第一次堆焊后的残余应力对第二次堆焊时△ -t曲线的影响。 4.两次堆焊后的残余应力分布形态有无本质不同。 5.对于方法Ⅰ，第二次堆焊所形成的最终挠度变量在总的挠变量中占得比例是多少？ 对于方法Ⅱ，两次堆焊后的总挠变量是否为零？通过以上两点，分别可以得出什么结论（与采用不同实验方法的其他组实验结果进行对照比较）？ 实验二：焊接接头工作应力分布 一．实验目的： 1.掌握了解焊接接头横截面上由于工艺缺陷如未焊透等原因引起的工作应力分 布不均匀性和应力集中现象。 2.了解焊缝截面几何形状的改变对于接头工作应力分布的影响。 3.复习电测应力的原理和方法，以及有关仪器的使用。 二．确定接头截面上工作应力分布的基本方法简介： 确定接头截面上工作应力分布的基本方法可大致分为三类：弹性力学方法、数值分析方法和试验应力分析方法。弹性力学方法是确定焊接接头横截面上应力分布不均匀性的精确方法，原则上可以求解任意截面形状的应力分布问题，但是当截面形状较复杂时，偏微分方程的求解变得十分困难，因此弹性力学方法在实际应上受到限制，只有在截面几何形状比较复杂时才容易求得精确解。数值分析方法是随着电子计算机技术的发动载焊接结构设计Ⅲ(疲劳强度寿命计算)
焊接结构疲劳强度相关知识
焊接结构作业2014
焊接强度及结构
各种焊接接头都有不同程度的应力集中，当母材具有足够的塑性时，结构在静开车破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对 强度无影响。 其强度 强度 例如，侧面搭接接头在加载时，如果母材和焊缝金属都有较好的塑性，其切应力的分布是不均匀的，见图 29。继续加载，焊缝 的两端点达到屈服点 σs，则该处应力停止上升，而焊缝中段各点的应力因尚未达到 σs，故应力随加载继续上升，到达屈服点 的区域逐渐扩大，应力分布曲线变平，最后各点都达到 σs。如再加载，直至使焊缝全长同时达到强度 强度极限，最后导致破坏。 强度
什么是工作焊缝？什么是联系焊缝？ 36 什么是工作焊缝？什么是联系焊缝？ 焊接结构上的焊缝，根据其载荷的传递情况，可分为两种：一种焊缝与被连接的元件是串联的，承担着传递全部载荷的作用， 一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，见图 30a、图 30b，其应力称为工作应力。另一种焊缝与被连接的元件是 并联的，仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称为联系焊缝， 见图 30c、图 30d，其应力称为联系应力。设计时，不需计算联系焊缝的强度 强度，只计算工作焊缝的强度 强度。 强度 强度 举例说明对接接头爱拉（压）时的静载强度计算。 时的静载强度计算。 37 举例说明对接接头爱拉 时的静载强度计算 全焊透对接接头的各种受力情况 见图 31。图中 F 为接头所受的拉（压）力，Q 为切力，M1 为平面内弯矩， M2 为垂平面弯矩。
F σt＝ ─── Lδ1 ≤〔σ′t 〕
F 强度计算公式为 σα＝ ─── ≤〔σ′α 〕 受压时的强度 强度 Lδ1
式中
F——接头所受的拉力或压力（N）； L——焊缝长度（cm）； δ1——接头中较薄板的厚度（cm）； σ——接头受拉（σt） 或受压（σα）时焊缝中所承受的应力（N/cm2）㈠
〔σ′t 〕——焊缝受拉时的许用应力（N/cm2） 〔σ′α 〕——焊缝受压时的许用应力（N/cm2） 强度。 计算例题 两块板厚为 5mm、宽为 500mm 的钢板对接焊在一起，两端受 28400N 的拉力，材料为 Q235-A 钢，试校核其焊缝强度 强度 解：查表得〔σ′t 〕=14200 N/cm2。 根据已知条件，在上述公式中，F=28400N，L=500mm=50cm，δ1=5mm=0.5cm，代入计算为 F 28400
σt＝ ─── ＝ ───── ＝ 1136N/cm2＜14200N/cm2 Lδ1 50×0.5
∴
该对接接头焊缝强度 强度满足要求，结构工作安全。 强度
举例说明对接接头受剪切时的静载强度计算。 强度计算 38 举例说明对接接头受剪切时的静载强度计算。 强度计算公式为 受剪切时的强度 强度焊接强度计算知识.
焊缝强度(计算书)
钢结构计算题(焊接)
结构疲劳分析技术新进展
钢构焊缝计算(受力)
焊接结构习题库
焊接知识问答(焊接强度及焊接结构)
钢结构计算题(焊接、螺栓连接、稳定性)
焊接结构强度计算题jieda
(完整word版)试计算如图所示钢板与柱翼缘的连接角焊缝的强度
钢结构计算题答案
焊接结构复习思考题
角焊缝强度计算
焊接结构习题 已配图