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1、 角焊缝构造和计算一、构造1.种类种类:根据受力方向和焊缝的位置分根据受力方向和焊缝的位置分正面正面角焊缝角焊缝和和侧面角焊缝侧面角焊缝 根据焊脚边的夹角分根据焊脚边的夹角分直角角焊缝直角角焊缝和和斜角角焊缝斜角角焊缝2.焊缝截面形式焊缝截面形式普通焊缝普通焊缝 、直线型、直线型 、等边凹型、等边凹型hehfhf普通式普通式hehf1.5hf平坡式平坡式（1）直角角焊缝hehfhf凹面式凹面式（2）斜角角焊缝对于对于135135o o或或606mm t6mm时，时，h hf,maxf,maxt-(1t-(12)mm2)mm；hf ft t1 1t4.角焊缝的尺寸限制（2 2）最小焊脚尺寸）最小
2、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，硬组织，导致母材开裂，hf,min应满足以下要求应满足以下要求:式中式中:t t2-较厚焊件厚度较厚焊件厚度 当当t t24mm时时,hf,min=t=t2另另:对于自动埋弧焊对于自动埋弧焊hf,min可减去可减去1mm;对于对于T型连接单面角焊缝型连接单面角焊缝hf,min应加上应加上1mm;（3 3）侧面角焊缝的最大计算长度）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
3、度越长，应力集中系数越大。如果焊缝大而中间小。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：发生在焊缝两端，故：注注：1 1、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；、当实际长度大于以上值时，计算时不与考虑；2 2、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。、当内力沿侧焊缝全长分布时，不受上式限制。（4 4）侧面角焊缝的最小计算长度）侧面角焊缝的最小计算长度 对于焊脚尺寸大而长
4、度小的焊缝，焊件局部加热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，规范规缝不可靠。故为了使焊缝具有一定的承载力，规范规定：定：5.搭接连接的构造要求搭接连接的构造要求 当板件端部仅采用两条侧面角当板件端部仅采用两条侧面角焊缝连接时：焊缝连接时：A、为了避免应力传递的过分弯、为了避免应力传递的过分弯折而使构件中应力不均，规范折而使构件中应力不均，规范规定：规定：B、为了避免焊缝横向收、为了避免焊缝横向收 缩时引起板件的拱曲缩时引起板件的拱曲 太大，规范规定：太大，规
5、范规定：t1t2bD.在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度在搭接连接中，搭接长度不得小于焊件较小厚度 的的5倍，且不得小于倍，且不得小于25mm。C.当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作当角焊缝的端部位于构件转角处时，应作2h2hf f的的绕绕 角焊角焊，且转角处必须连续施焊。，且转角处必须连续施焊。b2hf ft1t2二、直角角焊缝的强度计算公式 1 1、试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在试验表明，直角角焊缝的破坏常发生在喉部喉部，故通常将故通常将4545o o截面作为计算截面，作用在该截面上的截面作为计算截面，作用在该截面上的应力如下图所示：应力如下图所示：hfhehh1h2dehe
6、lw wh-h-焊缝厚度、焊缝厚度、h h1 1熔深熔深h h2 2凸度、凸度、d d焊趾、焊趾、e e焊根焊根2 2、实际上计算截面的各应力分量的计算比较繁难，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：为了简化计算，规范假定：焊缝在有效截面处破坏焊缝在有效截面处破坏，且各应力分量满足以下折算应力公式且各应力分量满足以下折算应力公式:3 3、由于我国规范给定的角焊由于我国规范给定的角焊缝强度设计值，是根据抗剪条缝强度设计值，是根据抗剪条件确定的故上式又可表达为：件确定的故上式又可表达为：式中：式中：-焊缝金属的抗拉强度焊缝金属的抗拉强度 helw w4 4、直角角焊缝的
7、强度计算公式：直角角焊缝的强度计算公式：f=fh he ellw w45O45Oh hf fNNyNxNzw计计算算三三面面围围焊焊的的角角钢钢连连接接，角角钢钢为为2L1409010，连连接接板板厚厚度度t=12mm，承承受受静静荷荷载载设设计计值值N=1000kN。钢钢材材为为Q235B，焊焊条条E43型型，手手工工焊焊。焊焊脚脚尺尺寸寸为为hf=8mm，焊焊缝缝强强度度设设计计值值ffw =160N/mm2。求角钢所需焊缝长度。求角钢所需焊缝长度。C C、采用、采用L L形围焊形围焊代入下式代入下式3-203-20，3-213-21得得:对于设计问题对于设计问题:Ne1e2bN1xxN3
8、llw1w13 3、N、M、V共同作用下共同作用下(1(1)偏心轴力作用下角焊缝强度计算偏心轴力作用下角焊缝强度计算NeNx xNy yMANxNxM MNyNyh he eh he et t(2)V、M共同作用下焊缝强度计算共同作用下焊缝强度计算h1fAfAfBfBf f对于对于A点：点：式中：式中：I Iw w全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；全部焊缝有效截面对中和轴的惯性矩；h h1 1两翼缘焊缝最外侧间的距离。两翼缘焊缝最外侧间的距离。xxh h2BBAh1MeFVM对于对于B点：点：强度验算公式：强度验算公式：式中：式中：h h2 2、llw,2w,2腹板焊缝的计算长度；腹板焊缝的计
9、算长度；h he,2e,2腹板焊缝截面有效高度。腹板焊缝截面有效高度。h1f1f1f2f2f fxxh h2BBAh1MVM假定假定:A A、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，、被连接件绝对刚性，焊缝为弹性，即：即：T T作用下被连接件有绕焊缝作用下被连接件有绕焊缝形心旋转的趋势；形心旋转的趋势；B B、T T作用下焊缝群上任意点的应力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方向垂直于该点与焊缝形心的连线，且大小与线，且大小与r r成正比；成正比；C C、在、在V V作用下，焊缝群上的应力均作用下，焊缝群上的应力均匀分布。匀分布。4、T、V共同作用下共同作用下将F向焊缝群形心简化得:
10、V=F T=F(e1+e2)Fe1e2x0ll1ll2xxyyAA0TVr故：该连接的设计控制点故：该连接的设计控制点 为为A A点和点和A A点点T作用下作用下A点应力点应力:将其沿将其沿x x轴轴和和y y轴分解轴分解:xxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he ee2x0ll1ll2xxyyAA0TVr剪力剪力V作用下作用下,A,A点应力点应力:A A点垂直于焊缝长度方点垂直于焊缝长度方向的应力为向的应力为:A A点平行于焊缝长度方点平行于焊缝长度方向的应力为向的应力为:强度验算公式：强度验算公式：思考思考:以上计算方法为近似计算，为什么以上计算方法为近似计算
11、，为什么?V VxxyyrrxryATAxTAxTAyTAyTATA0VyVyh he e7.5 焊接残余应力和焊接残余变形焊接残余应力和焊接残余变形一、焊接残余应力的分类及其产生的原因一、焊接残余应力的分类及其产生的原因 1 1、焊接残余应力的分类、焊接残余应力的分类 A A、纵向焊接残余应力纵向焊接残余应力沿焊缝长度方向沿焊缝长度方向;B B、横向焊接残余应力横向焊接残余应力垂直于焊缝长度方向垂直于焊缝长度方向;C C、沿厚度方向的焊接残余应力沿厚度方向的焊接残余应力 2 2、焊接残余应力产生的原因、焊接残余应力产生的原因 （1 1）纵向焊接残余应力）纵向焊接残余应力 焊接过程是一个不均匀
12、的焊接过程是一个不均匀的加热和冷却加热和冷却过程，焊件上过程，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝处可达产生不均匀的温度场，焊缝处可达16001600o oC C，而邻近区域，而邻近区域温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀温度骤降。高温钢材膨胀大，但受到两侧温度低、膨胀小的钢材限制，产生小的钢材限制，产生热态塑性压缩热态塑性压缩，焊缝冷却时被，焊缝冷却时被塑性塑性压缩压缩的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生的焊缝区趋向收缩，但受到两侧钢材的限制而产生拉应力拉应力。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材。对于低碳钢和低合金钢，该拉应力可以使钢材达到达到屈服强度屈服强度。焊接残余应
13、力是无荷载的。焊接残余应力是无荷载的内应力内应力，故在，故在焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。焊件内自相平衡，这必然在焊缝稍远区产生压应力。+-500500o oC C800800o oC C300300o oC C300300o oC C500500o oC C800800o oC C施施焊焊方方向向8cm64202468cm-+（2 2）横向焊接残余应力）横向焊接残余应力 产生的原因产生的原因:1 1、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向、焊缝的纵向收缩，使焊件有反向弯曲变形弯曲变形的趋势，导致两的趋势，导致两焊件在焊缝处焊件在焊缝处中部受拉，两端受压中部受拉，两端受压；2 2、焊接时
14、已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产、焊接时已凝固的先焊焊缝，阻止后焊焊缝的横向膨胀，产生生横向塑性压缩变形横向塑性压缩变形。焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝冷却时，后焊焊缝的收缩受先焊焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因焊缝的限制而产生拉应力，而先焊焊缝产生压应力，因应力应力自相平衡自相平衡，更远处焊缝则产生拉应力；，更远处焊缝则产生拉应力；应力分布与施焊方向应力分布与施焊方向有关有关。以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力以上两种应力的组合即为，横向焊接残余应力。(a)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的变形趋势时的变形趋势-+-(b)焊缝纵向收缩焊缝纵向收缩 时的横向
15、应力时的横向应力xy+-+施施焊焊方方向向(c)焊缝横向收缩焊缝横向收缩 时的横向应力时的横向应力xy-+-+(d)焊缝横向焊缝横向残余应力残余应力yx不同施焊方向下不同施焊方向下,焊缝横向收缩时产生的横焊缝横向收缩时产生的横向残余应力向残余应力:-+施施焊焊方方向向(e)-+-施施焊焊方方向向(f)xyyx二、焊接残余应力对结构性能的影响二、焊接残余应力对结构性能的影响1 1、对结构静力强度的影响、对结构静力强度的影响f f+-b bf fy y+-b bf fy yNyNy因焊接残余应力自相平衡，故：因焊接残余应力自相平衡，故：当板件全截面达到当板件全截面达到fy，即，即N=Ny时：时：结
16、论：结论：焊接残余应力焊接残余应力对结构的静力对结构的静力强度没有影响。强度没有影响。+-f fy yf fb bB Bt t2、对结构刚度的影响A、当焊接残余应力存在时，因截面的、当焊接残余应力存在时，因截面的bt部分拉应部分拉应力已经达到力已经达到fy，故该部分刚度为零，故该部分刚度为零（屈服），（屈服），这时这时在在N作用下应变增量为：作用下应变增量为：f f+-b bf fy yNN+-f fy yf fNNb bB Bt t因为B-b 2。结论：结论：焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低焊接残余应力的存在增大了结构的变形，即降低了结构的刚度。了结构的刚度。B、当截面上没有焊接残
17、余应力时，在、当截面上没有焊接残余应力时，在N作用下应变增作用下应变增量为：量为：另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠另外，对于轴心受压构件，焊接残余应力使其挠曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。曲刚度减小，降低压杆的稳定承载力（详见第五章）。对于厚板或交叉焊缝，将产生三向焊接残余拉应力，限制了其塑性的发展，增加了钢材低温脆断倾向。所以，降低或消除焊接残余应力是改善结构低温冷脆性能的重要措施。3 3、对低温冷脆的影响、对低温冷脆的影响4 4、对疲劳强度的影响、对疲劳强度的影响 在焊缝及其附近主体金属焊接残余拉应力通常达到钢材的屈服强度，此部位是形成和发展疲劳裂纹的敏感区域。因
18、此焊接残余应力对结构的疲劳强度有明显的不利影响。三、焊接变形三、焊接变形 焊接变形包括：纵向收缩、横向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，通常是几种变形的组合。四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施四、减小焊接残余应力和焊接变形的措施1 1、设计上的措施；设计上的措施；（1 1）焊接位置的合理安排）焊接位置的合理安排（2 2）焊缝尺寸要适当）焊缝尺寸要适当（3 3）焊缝数量要少，且不宜过分集中）焊缝数量要少，且不宜过分集中（4 4）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉）应尽量避免两条以上的焊缝垂直交叉（5 5）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力）应尽量避免母材在厚度方向的收缩应力2 2、加工工艺上的措施、加工工艺上的措施（1 1）采用合理的施焊顺序）采用合理的施焊顺序（2 2）采用反变形处理）采用反变形处理（3 3）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理）小尺寸焊件，应焊前预热或焊后回火处理