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1、焊接接头基本知识焊接接头基本知识1焊接接头工作应力的分布焊接接头工作应力的分布2焊接结构的疲劳破环焊接结构的疲劳破环3焊接结构的疲劳破环焊接结构的疲劳破环4学习目标学习目标n熟悉焊接接头及焊缝的类型及特点 n掌握应力集中的概念及产生原因 n掌握各种焊接接头应力集中产生的部位、影响因素及消除方法 n熟悉结构疲劳破环及脆性断裂的特点、影响因素及防治措施 本单元学习的重点难点本单元学习的重点难点【重点重点】n接头及焊缝的类型 n应力集中 n电弧焊接头工作应力的分布 n焊接结构的疲劳与脆断【难点难点】n应力集中的产生及消除 n疲劳破环及脆性断裂的特点、影响因素及防止 一、焊接接头的基本知识一、焊接接头
2、的基本知识搭接接头搭接接头 接头强度好。但受力复杂，应力集中严重，接头强度好。但受力复杂，应力集中严重，易产生焊接缺陷。易产生焊接缺陷。接头受力简单、均匀，应力集中较小，接头受力简单、均匀，应力集中较小，强度较高，优先选用强度较高，优先选用对接接头对接接头4.T4.T字接接头字接接头3.3.角接接头角接接头2.2.搭接接头搭接接头（一）、焊接接头的基本形式（一）、焊接接头的基本形式1.1.对接接头对接接头一、焊接接头的基本知识一、焊接接头的基本知识坡口形式坡口形式（二）、焊缝的基本类型（二）、焊缝的基本类型1 1、对接焊缝（坡口面间焊接）、对接焊缝（坡口面间焊接）（二）、焊缝的基本类型（二）、
3、焊缝的基本类型1 1、对接焊缝（坡口面间焊接）、对接焊缝（坡口面间焊接）一、焊接接头的基本知识一、焊接接头的基本知识2 2、角焊缝、角焊缝一、焊接接头的基本知识一、焊接接头的基本知识3 3、组合焊缝、组合焊缝一、焊接接头的基本知识一、焊接接头的基本知识4 4、工作焊缝与联系焊缝、工作焊缝与联系焊缝二、焊接接头工作应力的分布二、焊接接头工作应力的分布焊接接头中存在应力集中的影响因素焊接接头中存在应力集中的影响因素 焊接工艺焊接工艺缺陷缺陷、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬、冶金缺陷、夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中边、未焊透均会引起应力集中,其中咬边、未焊其中咬边、未焊透较为严重。透较为严重。不
4、合理的焊缝外形不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。同程度的应力集中。接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。接头型式：不同接头型式引起应力集中不同。制造过程中的缺陷。制造过程中的缺陷。焊接残余应力。焊接残余应力。（一）、焊接接头的应力集中（一）、焊接接头的应力集中定义：由于焊接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的，定义：由于焊接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的，其最大应力其最大应力 max比平均应力值比平均应力值 m高，这种情况称应力集中。高，这种情况称应力集中。表达式：表达式：二、焊接接头工作应力的分布二、
5、焊接接头工作应力的分布（二）、电弧焊接头工作应力的分布（二）、电弧焊接头工作应力的分布1 1、对接接头的工作应力分布、对接接头的工作应力分布 对接接头的焊缝形状产生了结对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性，因而引起不同的构不连续性，因而引起不同的应力分布，在焊缝与母材的过应力分布，在焊缝与母材的过渡处引起应力集中，最大应力渡处引起应力集中，最大应力集中部位在集中部位在焊趾焊趾。应力集中的大小与应力集中的大小与余高余高和和过渡过渡区半径区半径有关。有关。降低降低 K KT T 方法：方法：打磨余高、增加打磨余高、增加过渡区半径过渡区半径。二、焊接接头工作应力的分布二、焊接接头工作应力的分布2 2
6、、T T型（十字）接头的工作应力分型（十字）接头的工作应力分布布 T T型（十字）接头有熔透和未熔透型（十字）接头有熔透和未熔透两种。两种。未熔透的十字接头，在未熔透的十字接头，在焊趾焊趾和和焊根焊根处有较大的应力集中系数，其处有较大的应力集中系数，其中以中以焊根焊根处为最大。处为最大。熔透的十字接头有较小的应力熔透的十字接头有较小的应力集中系数。集中系数。二、焊接接头工作应力的分布二、焊接接头工作应力的分布3 3、搭接接头的工作应力分布、搭接接头的工作应力分布1 1）正面角焊缝）正面角焊缝（与（与力作用方向垂直）力作用方向垂直）焊缝焊缝根部根部A A点、点、焊趾焊趾B B点应力集中严点应力集
7、中严重重 焊趾焊趾B B点的应力点的应力集中系数随角焊缝集中系数随角焊缝的斜边的的斜边的夹角夹角而而变。变。减小减小、增大熔、增大熔深焊透根部和增大深焊透根部和增大底边焊脚长度底边焊脚长度，可，可使使KT减小。减小。二、焊接接头工作应力的分布二、焊接接头工作应力的分布2 2）侧面角焊缝）侧面角焊缝（与力作用（与力作用方向垂直平行）方向垂直平行）应力集中在焊缝两端，焊应力集中在焊缝两端，焊缝越长，缝越长，KT越大。越大。3 3）联合角焊缝）联合角焊缝应力集中大大降应力集中大大降低。低。三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环1 1、动载荷的概念、动载荷的概念 所谓静荷载所谓静荷载是指由零缓慢
8、地增加到某一定值后保持不变或变动很是指由零缓慢地增加到某一定值后保持不变或变动很小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没有加速度，或加速度很小小的荷载。构件受静荷载作用时，体内各点没有加速度，或加速度很小可忽略不计，此时构件处于静止或匀速直线运动的平衡状态。可忽略不计，此时构件处于静止或匀速直线运动的平衡状态。在静荷载作用下，构件中产生的应力称为在静荷载作用下，构件中产生的应力称为静应力静应力。相反，若构件在。相反，若构件在荷载作用下，体内各点有明显的加速度，或者荷载随时间有显著的变化，荷载作用下，体内各点有明显的加速度，或者荷载随时间有显著的变化，这类荷载称为这类荷载称为动荷载动荷载。交变应
9、力交变应力工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力称工程中的某些构件工作时，其力往往随时间作周期性变化，这种应力称为为交变应力交变应力。结构在交变应力作用下的破坏，称为结构在交变应力作用下的破坏，称为疲劳破坏疲劳破坏。例如齿轮上任一齿的齿根处例如齿轮上任一齿的齿根处A A点的应力点的应力(图图(a)(a)），在传动过程中，轴每），在传动过程中，轴每转一周该齿啮合一次，转一周该齿啮合一次，A A点的弯曲正应力就由零变到最大值，然后再回点的弯曲正应力就由零变到最大值，然后再回到零。齿轮不停地转动，应力就不断地作周期性变化，如图到零。齿轮不停地转动，应力就不断地作周期性变化，如图
10、(b)(b)所示。所示。三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环断口特征断口特征2 2、疲劳破坏的特点、疲劳破坏的特点（1 1）交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用交变应力下材料发生破坏时的最大应力，一般低于静荷载作用的强度极限，有时甚至低于屈服极限（的强度极限，有时甚至低于屈服极限（低应力破坏低应力破坏）。）。（2 2）无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下，均表现为无论是脆性材料还是塑性材料，在交变应力作用下，均表现为脆性断裂脆性断裂，没有明显的塑性变形没有明显的塑性变形。（3 3）材料发生破坏时，交变应力的循环次数与
11、应力的大小有关，材料发生破坏时，交变应力的循环次数与应力的大小有关，应应力越大，循环次数越少力越大，循环次数越少。（。（4 4）断裂面上有裂纹的起源点和两个明显断裂面上有裂纹的起源点和两个明显不同的区域，即不同的区域，即光滑区域光滑区域和和粗糙区域粗糙区域，如图所示。，如图所示。应力循环次数应力循环次数N（疲劳寿命）（疲劳寿命）应力幅越低，作用循环次数越多，应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。多，疲劳寿命越高。3 3、疲劳破坏的过程疲劳破坏的过程构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全
12、过程。构件的疲劳破坏，实质上是裂纹的产生、扩展和最后断裂的全过程。三个阶段组成：三个阶段组成：1）在应力集中处产生初始疲劳裂纹；）在应力集中处产生初始疲劳裂纹；2）裂纹稳定扩）裂纹稳定扩展；展；3）结构断裂。）结构断裂。疲劳破坏是积累损伤的结果。疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷缺陷微观裂纹微观裂纹宏观裂纹宏观裂纹。0NX105N1N2f fy123456三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环4 4、影响焊接接头疲劳强度的因素：、影响焊接接头疲劳强度的因素：（1 1）应力集中的影响）应力集中的影响对接焊缝由于形状变化不大，因此，它的应力集中比其它形式的接头要对接焊缝由于形状变化不大，因此，它
13、的应力集中比其它形式的接头要小；小；T T形形(十字十字)接头的疲劳强度远远低于对接接头。在搭接接头中，由接头的疲劳强度远远低于对接接头。在搭接接头中，由于其应力集中很严重，其疲劳强度也是很低的。于其应力集中很严重，其疲劳强度也是很低的。（2 2）残余应力的影响）残余应力的影响 残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作残余应力对结构疲劳强度的影响，取决于残余应力的分布状态。在工作应力较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉伸应力较高的区域，如应力集中处，受弯曲构件的外缘，残余应力是拉伸的，则它降低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳的，则它降
14、低疲劳强度；反之，若该处存在压缩残余应力，则提高疲劳强度。另外残余应力对疲劳强度的影响，还与应力集中程度、应力循环强度。另外残余应力对疲劳强度的影响，还与应力集中程度、应力循环特征以及循环次数等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影特征以及循环次数等因素有关，特别是应力集中系数越高，残余应力影响越显著。响越显著。三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环4、影响焊接接头疲劳强度的因素：、影响焊接接头疲劳强度的因素：（3）缺陷的影响）缺陷的影响 焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸、方向和焊接缺陷对疲劳强度的影响大小与缺陷的种类、尺寸
15、、方向和位置有关。片状缺陷位置有关。片状缺陷(如裂纹、未熔合、未焊透如裂纹、未熔合、未焊透)比带圆角的缺陷比带圆角的缺陷(如气孔如气孔)影响大；表面缺陷比内部影响大；位于应力集中区的缺影响大；表面缺陷比内部影响大；位于应力集中区的缺陷比在均匀应力场中的同样缺陷影响大；与作用力方向垂直的陷比在均匀应力场中的同样缺陷影响大；与作用力方向垂直的片状缺陷的影响比其它方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷片状缺陷的影响比其它方向的大；位于残余拉应力场内的缺陷比在残余压应力区的影响大。值得说明的是，同样尺寸的缺陷比在残余压应力区的影响大。值得说明的是，同样尺寸的缺陷对不同材料焊接结构的疲劳强度的影响也不相同。
16、对不同材料焊接结构的疲劳强度的影响也不相同。三、焊接结构的疲劳破环三、焊接结构的疲劳破环5 5、提高焊接接头疲劳强度的措施、提高焊接接头疲劳强度的措施 （1 1）降低应力集中）降低应力集中 （2 2）调整残余应力场）调整残余应力场 1)1)整体处理。整体处理。整体处理包括整体退火或超载预拉伸法。整体处理包括整体退火或超载预拉伸法。2)2)局部处理。局部处理。采用局部加热或挤压可以调节焊接残余应力场，在采用局部加热或挤压可以调节焊接残余应力场，在应力集中处产生残余压应力；应力集中处产生残余压应力；（3 3）改善材料的力学性能）改善材料的力学性能 表面强化处理，挤压捶击焊缝表面和过渡区，表面喷丸处
17、理等；表面强化处理，挤压捶击焊缝表面和过渡区，表面喷丸处理等；（4 4）特殊保护措施）特殊保护措施 如油漆或镀锌等。如油漆或镀锌等。四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂1 1、脆性断裂的主要特征、脆性断裂的主要特征宏观：宏观：断裂前断裂前无明显塑性变形无明显塑性变形，没有任何先兆，没有任何先兆，突然性强突然性强。断裂时所承受载荷不大，远低于设计时的许用应力，是典型的断裂时所承受载荷不大，远低于设计时的许用应力，是典型的低应力破坏低应力破坏形式形式。2）、温度的影响：脆性转变温度以下工作。）、温度的影响：脆性转变温度以下工作。3）、加载速度的影响：提高加载速度，相当于降低工作温度。）、加
18、载速度的影响：提高加载速度，相当于降低工作温度。缺口效应缺口效应2 2、影响焊接结构脆性断裂的因素、影响焊接结构脆性断裂的因素1）、应力状态的影响）、应力状态的影响四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂2 2、影响焊接结构脆性断裂的因素、影响焊接结构脆性断裂的因素4）、材料状态的影响）、材料状态的影响前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起前述三个因素均属引起材料脆断的外因。材料本身的质量则是引起脆断的内因。脆断的内因。（1 1）厚度的影响。）厚度的影响。厚度增大，发生脆断可能性增大。厚度增大，发生脆断可能性增大。一方面原因已
19、一方面原因已如前所述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩如前所述，厚板在缺口处容易形成三向拉应力，沿厚度方向的收缩和变形受到较大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，和变形受到较大的限制而形成平面应变状态，约束了塑性的发挥，使材料变脆；另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧使材料变脆；另一方面是因为厚板相对于薄板受轧制次数少，终轧温度高，组织较疏松，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄温度高，组织较疏松，内外层均匀性差。抗脆断能力较低。不象薄板轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀，具有较高抗断板轧制的压延量大，终轧温度低，组织细密而均匀，具有较高抗断能力。能
20、力。四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂2 2、影响焊接结构脆性断裂的因素、影响焊接结构脆性断裂的因素4）、材料状态的影响）、材料状态的影响四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂2 2、影响焊接结构脆性断裂的因素、影响焊接结构脆性断裂的因素4）、材料状态的影响）、材料状态的影响四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂2 2、影响焊接结构脆性断裂的因素、影响焊接结构脆性断裂的因素（2）晶粒度的影响。）晶粒度的影响。对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对对于低碳钢和低合金钢来说，晶粒度对钢的脆性转变温度影响很大，钢的脆性转变温度影响很大，晶粒度越细，转变温度越低，晶粒度越细，转变温度
21、越低，越不易发生脆断。越不易发生脆断。（3）化学成分的影响。）化学成分的影响。碳素结构钢，碳素结构钢，随着碳含量增加随着碳含量增加，其强，其强度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即度也随之提高，而塑性和韧性却下降，即脆断倾向增大脆断倾向增大。其。其他如他如N、O、H、S、P等元素会等元素会增大钢材的脆性增大钢材的脆性。而适量加入。而适量加入Ni、Cr、V、Mn等元素则有助等元素则有助减小钢的脆性减小钢的脆性。四、焊接结构的脆性断裂四、焊接结构的脆性断裂3 3、防止焊接结构脆性断裂的措施、防止焊接结构脆性断裂的措施1 1）、正确选用材料）、正确选用材料（1 1）接头各部分的要求）接头各部分的要求（2 2）不能盲目选用高强度材料）不能盲目选用高强度材料2 2）、采用合理的焊接结构设计）、采用合理的焊接结构设计（1 1）减少应力集中）减少应力集中（2 2）尽量减小结构刚度尽量减小结构刚度（3 3）不可采用过厚截面不可采用过厚截面（4 4）重视附件和不受力的焊缝设计重视附件和不受力的焊缝设计（5 5）减小和消除焊接残余应力与变形减小和消除焊接残余应力与变形