焊接结构力学教学课件-第三章.ppt
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1、主讲:史菲,焊接结构力学第三章 焊接接头,2,3,内容:1.焊接接头及其主要形式 2.焊接接头的应力集中 3.焊接接头的应力分布 4.焊缝静载强度计算本章难点:1.焊接接头的应力分布 2.焊缝静载强度计算,4,电焊条,焊件2,图3-1 手工电弧焊示意图,焊件1,手工电弧焊焊接过程,熔化焊焊接过程动画,5,6,焊缝金属,熔合线,热影响区,母材,组织成分不同,焊接变形与残余应力,焊趾与咬边,图3-2 熔化焊焊接接头结构,焊接接头的特性,7,一、焊接接头 焊接接头区域包括:焊缝金属 熔合线 热影响区 母材,图3-3 焊缝的柱状树枝晶,8,焊缝凝固过程动画,9,焊接熔池,焊速对结晶形态的影响,焊缝凝固
2、过程动画,10,焊缝金属区:焊接加热时,焊缝金属区的温度在液相线以上,冷却后成为柱状晶铸态组织。熔合区:焊缝与母材交接的过渡区,也称半熔化区。冷却后熔化的金属凝固成铸态组织,未熔化的金属因加热温度过高成为粗晶,其韧性和塑性明显变差,容易产生裂纹和脆性破坏,是焊接接头的危险区域之一。热影响区,焊接接头,11,热影响区:过热区:此区的加热温度范围为固相线至1100,具有过热组织或晶粒显著粗大的组织。细晶区:此区的加热温度范围为AC3以上,未达到过热温度,由于焊后空冷,相当于热处理后的正火组织。部分相变区(不完全重结晶区):此区的加热温度范围为AC3-AC1之间。空冷时为先共析铁素体(细小)和珠光体
3、以及未溶的粗大铁素体组织。,焊接接头,图3-4 低碳钢焊接接头的组织变化,12,二、影响焊接接头性能的主要因素1.焊接缺陷:焊接裂纹、熔合不良、咬边、夹渣、气孔 2.接头形状不连续性3.焊接残余应力和变形4.材质5.焊后热处理6.焊接材料焊条和焊丝等7.焊接方法8.焊接工艺焊接电流、电弧电压、焊接速度和线能量等的总称为工艺参数,13,焊接缺陷,图3-4 焊接接头缺陷,14,图3-5 焊接接头缺陷,焊接缺陷,15,图3-6 T形焊接接头层状撕裂,焊接缺陷,16,图3-7 T形焊接接头层状撕裂剖面图,焊接缺陷,17,焊接接头设计时必须注意以下几点:1、在不损害强度的前提下,必须尽量减少焊接部位。2
4、、在设计焊接接头时,要注意使接头的可焊性好,并尽可能选用自动化程度较高的焊接方法。3、力求减小焊接接头的拘束应力。避免几条焊缝集中在一起,或者焊缝彼此过于接近,以避免产生裂纹和材质性能变坏。4、对大型焊接结构,必须对胚料的加工精度和接头的装配精度有较严格的技术要求,以避免产生接头错边。,18,三、焊接接头的基本形式 两金属焊件在焊接时的相对位置,有对接、搭接、T形接和角接四种形式,叫做焊接接头形式。,焊接后,两焊接件接头缝隙熔接处,叫做焊缝。常见的焊缝形式有对接焊缝、点焊缝和角焊缝等。,焊缝,焊件1,焊件2,焊接接头,图3-8 焊接接头,19,常见焊接接头形式及焊缝形式,对接接头,(a)对接焊
5、缝,(b)点焊缝,(C)角焊缝,搭接接头,T形接接头,角接接头,按其结合形式分为:对接接头,盖板接头,搭接接头,T形接头,十字形接头,角接头,端面接头。按焊缝的形状分为:对接焊或开坡口焊接,角焊,塞焊等。,20,手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸,21,手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸,22,手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸,对塞焊焊缝尺寸的规定主要是沉入角度和焊缝填充深度.,23,手工电弧焊焊接接头的基本形式和尺寸,24,在视图中,可用加粗实线来表示焊缝。,角焊缝,形焊缝,一般情况下,只用粗实线表示可见焊缝。,四、焊缝的画法,图3-9 不同焊缝形式的画法,25,在视图中,可见焊缝用与轮廓
6、线相垂直的细实线表示,如图(a)所示。不可见焊缝则用虚线段表示,如图(c)所示。,在垂直于焊缝的剖视图中,焊缝的剖面形状则应涂黑表示,如图(b)所示。,四、焊缝的画法,26,一、焊缝金属的凝固,1.熔池体积小,冷却速度快2.熔池中的液态金属处于过热状态3.熔池在运动状态下结晶,单道焊组织为典型的柱状晶。柱状晶通常是与等温线垂直的方向长大。,图3-11 焊缝熔池,多层焊时,后续焊道对前一道焊缝重新加热,于是消除了柱状晶,并使晶粒细化。,熔池的形状和大小,受母材的热物理性质、尺寸和焊接方法以及工艺参数等因素的影响。,27,二、焊缝金属的力学性能,28,三、热影响区的力学性能,(一)热影响区的强度分
7、布特点(钢材焊接)1200,粗晶区,硬度、强度比 母材高,塑性比母材低;700-900,屈服强度比母材低;低于700,无组织变化。(二)热影响区的韧性变化韧性不均匀(三)热影响区热塑性应变脆化(HSE)性能下降,硬度提高和塑性下降,图3-12低碳钢焊接接头的性能分布,29,(四)热影响区的硬化HAZ硬度主要取决于被焊钢种的化学成分和冷却条件;Hmax判断HAZ性能。,三、热影响区的力学性能,热影响区的强度、塑性和韧性随热循环的不同而变化,图3-13 调制钢焊接HAZ硬度分布,30,(五)热影响区的软化HAZ的软化或失强对焊接接头力学性能影响相对较小;采用小焊接线能量、多层焊并保持较低的层间温度
8、,可降低强化相的析出聚集,从而使HAZ具有软化倾向。,三、热影响区的力学性能,图3-14 LD2铝合金自动TIG焊HAZ软化现象,31,一、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,其最大应力 比平均应力值 高,这种情况称应力集中。表达式:,32,焊接工艺缺陷、冶金缺陷。夹渣、气孔、咬边、未焊透均会引起应力集中、其中咬边、未焊透较为严重。不合理的焊缝外形。不同焊缝形状会引起不同程度的应力集中。不合理的接头设计:不同接头型式引起应力集中不同。焊缝布置不合理。焊接残余应力。制造过程中的缺陷。,应力集中产生的主要原因有:,33,(一)对接接头中的工作应力分布 1
9、.对接接头的焊缝形状产生了结构不连续性,因而引起不同的应力分布,在焊缝与母材的过渡处引起应力集中,最大应力集中部位在焊趾。应力分布见书P82 图3-27 2.应力集中系数:,34,图3-15 平板对接接头应力分布,图3-16 平板对接接头余高对应力分布的影响,35,图3-17 不等厚平板对接接头形式,36,(二)T形接头(十字形接头)的工作应力分布,未熔透的十字接头,在焊趾和焊根处有较大的应力集中系数,其中以焊根处为最大。,图3-18 十字接头应力分布,熔透的十字接头有较小 的应力集中系数。,十字接头有熔透和未熔透两种,37,根据受力方向,可将搭接接头角焊缝分为:正面角焊缝-与受力方 向垂直的
10、角焊缝侧面角焊缝-与受力方向平行的角焊缝斜向角焊缝-与受力方向呈一定角度的角焊缝,38,1.正面搭接角焊缝 与力作用方向垂直的焊缝 焊缝根部A点、焊趾B点应力集中严重 焊趾B点的应力集中系数随角焊缝的斜边的夹角 而改变 减小、增大熔深焊透根部和增大底边焊脚长度,可使 减小,搭接接头角焊缝图见书P85 图3-36,搭接接头的应力分布,39,图3-20 侧面搭接角焊缝,3.斜向搭接角焊缝(图3-14),图3-19 斜向搭接角焊缝,2.侧面搭接角焊缝(图3-13),40,4.联合角焊缝搭接接头中的工作应力分布联合角焊缝搭接接头=侧+正采用联合角焊缝搭接接头使应力集中程度明显改善。P88 3-42,图
11、3-21 联合搭接角焊缝,41,42,3)凸焊(RB),工件有凸点(有利于电流集中)工件搭接大面积电极一个工作过程可焊接很多点,以熔核状联接可用于(钢):0.5最大至6-8铝:仅相对硬的合金至最大3+3,对接接头工件端面开整夹具,凸起型顶锻。可用(钢):0.5-28最大约6002铝:仅用于细的线材,4)压力对焊(RPS),对接接头,大截面工件带和不带予热焊接 闪光和顶锻,顶锻处有毛刺可用于(钢):1.5300,最大约:100,0002铝:可至约120002,5)闪光对焊(RA),45,焊点主要承受剪切应力 单排点焊接头的应力分布与t/d有关多排点焊以两端焊点受力最大不多于3排,图3-22 点焊
12、应力分布,46,(一)铆焊联合结构1、铆接接头比焊接接头刚度小,在承受冲击载荷的时候能够吸收较大的能量,起到缓冲作用。2、铆接接头的应力集中系数较某些焊接接头的小,疲劳强度大。3、铆接接头中的内应力较焊接接头低。4、铆接结构有良好的止裂性能。5、铆接结构易于在工地条件下连接,有较好的安装质量。,47,(二)铆焊联合接头 在同一个接头中既有铆钉又有焊缝的连接形式。不合理接头形式,不采用。,图3-23 铆焊联合街头,48,一、工作焊缝和联系焊缝1.工作焊缝:焊缝与被连接板件沿受力方向成串联形式布置,焊缝传递全部载荷,一旦焊缝断裂,则接头立即破坏。,3-4 焊接接头静载强度计算和设计,工作焊缝必须进
13、行焊缝强度计算,49,2.联系焊缝:焊缝与被连接板件沿受力方向成并联形式布置,焊缝只传递很少的载荷,主要在被连接板之间起到联系作用,即使焊缝断裂,焊接结构并不立即失效。,在判断焊缝是工作焊缝还是联系焊缝时,不仅要看焊缝与被连接板的布置形式,更重要的是看焊缝断裂接头是否立即失效。,联系焊缝要考虑经济性而减小、减短焊缝具有双重性的焊缝,即有工作应力又有联系应力,则只计算工作应力,而不考虑联系应力,50,二、焊接接头静载强度计算的简化假定 残余应力对接头强度无影响;应力集中对接头强度无影响;接头的工作应力是均布的,以平均应力计算;不计正面与侧面焊缝、焊缝的加强与减弱和不同焊接规范引起的焊缝性能差异,
14、而用统一的计算截面和许用应力;,3-4 焊接接头静载强度计算和设计,51,角焊缝都是在切应力作用下破坏的。角焊缝的计算断面在角焊缝截面的最小高度上,取内接三角形高度 为计算高度,(如图)。直角等腰角焊缝的计算高度:,图3-24 角焊缝截面形状,52,尽管加强高和小量的熔深对于接头强度没有影响,但埋弧自动焊和 保护焊的熔深较大应予以考虑,其角焊缝计算断面厚度(如图),53,三、电弧焊接头的静载强度计算 在焊接结构的设计中,一般由两种方法确定焊缝尺寸:(一)按焊缝的工作应力小于焊缝许用应力的原则。(二)按刚度条件确定焊缝尺寸。,3-4 焊接接头静载强度计算和设计,54,1.对接接头静载强度计算 计
15、算公式如下:受拉时:受压时:受剪时:,图3-25 对接接头受力情况,三、电弧焊接头的静载强度计算,(一)按焊缝的工作应力确定焊缝尺寸,55,向内弯:垂直弯:综合作用:注:对于未焊透的对接接头,上述各式中应将 中减去未焊透深度,l取实际焊缝长度,、分别是焊缝许用拉、压、切应力。,三、电弧焊接头的静载强度计算,56,1)受拉、压的搭接接头 单面焊、正面或侧面搭接焊缝的强度公式:单面焊的正面、侧面联合搭接焊缝的强度公式:,图3-26 搭接接头各种受力情况a-正面搭接受拉或受压b-侧面搭接受拉或受压c-联合搭接受拉或受压,2.搭接接头静载强度计算,三、电弧焊接头的静载强度计算,57,2)受弯矩的搭接接
16、头计算方法有三种:分段计算法:轴惯性矩计算法最大切应力:,a-分段计算法,b-轴惯性矩计算法,图3-27 受弯矩的搭接接头计算,三、电弧焊接头的静载强度计算,58,极惯性计算法 最大切应力:极惯性矩,(又等于相互垂直的两个轴的计算惯性矩之和),受弯矩的搭接接头计算,w.v合成应力 w.R.d极限应力,屈服极限,焊缝强度的校验,计算实例:,例1:验证焊缝强度 已知:焊缝许用剪切应力=13.5kN/cm2,例2:验证焊缝强度,例3:验证焊缝强度,例3:验证焊缝强度,例4:验证焊缝强度,a)a=8mm lw=100mm,b)a=4mm lw=250mm,例5:,型材对接接头 材料:S235当材料质量
17、级别为,a)S235 JRG1(USt 37-2)焊缝的许用正应力W=8.0kN/cm2 b)S235JRG2(RSt 37-2)焊缝的许用正应力W=13.5kN/cm2 该对接接头可承担多大弯矩?,例6:在弯矩和横向力作用下抗弯梁的角焊缝接头 强度验证材料:S235,材料S235,例7:,77,(二)按刚度条件确定焊缝尺寸焊接机床床身、底座、立柱、横梁等大型机件;经验数据:以被焊钢板中较薄钢板强度的33%、50%,100%的强度来确定焊缝尺寸。,三、电弧焊接头的静载强度计算,78,四、电阻焊焊接接头静载强度计算(一)点焊接头承受拉伸时的强度计算(二)点焊接头受偏心载荷时的强度计算五、缝焊接头
18、静载强度计算,3-4 焊接接头静载强度计算和设计,79,六、母材及焊缝的许用应力和焊条选用(一)焊缝许用应力大小与许多因素有关,不但与焊接工艺有关,还与焊接材料和焊接检验方法的精确程度有关。,3-4 焊接接头静载强度计算和设计,80,1.设计应力小于许用应力。2.母材和焊缝的许用应力分别用 和 表示。3.焊缝的许用应力 大小与许多因素有关,不但与焊缝工艺、材料有关,而且也与焊接检验方法的精确程度有关。4.焊缝的许用应力 也可以由母材的许用应力 乘以焊缝的强度减弱系数f来估算,即:=(取值),81,(二)关于焊接材料的选择原则:一般,选用与母材相应强度等级的焊接材料。焊条的选用须在确保焊接结构安
19、全、可行使用的前提下,根据被焊材料的化学成分、力学性能、板厚及接头形式、焊接结构特点、受力状态、结构使用条件对焊缝性能的要求、焊接施工条件和技术经济效益等综合考查后,有针对性地选用焊条,必要时还需进行焊接性试验。,82,考虑焊缝金属力学性能和化学成分普通结构钢,焊缝金属与母材金属等强度;合金结构钢,合金成分与母材相同或相近;焊接结构刚性大、接头应力高、焊缝易于产生裂纹的,选用比母材强度低的焊条;母材中含碳、硫、磷等元素高时,用抗裂性能好的碱性低氢型焊条。,83,考虑焊接构件使用性能和工作条件对于承受载荷和冲击载荷的焊件,低氢型焊条接触腐蚀介质的焊件,不锈钢焊条、耐腐蚀焊条在高温、低温、耐磨或其
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