焊接強度計算知識.

1、焊接強度計算知識各種焊接接頭都有不同程度的應(yīng)力集中，當(dāng)母材具有足夠的塑性時，結(jié)構(gòu)在靜開車破壞之前就有顯著的塑性變形，應(yīng)力集中對其強度無影響。例如，側(cè)面搭接接頭在加載時，如果母材和焊縫金屬都有較好的塑性，其切應(yīng)力的分布是不均勻的，見圖29。繼續(xù)加載，焊縫的兩端點到達屈服點s，那么該處應(yīng)力停止上升，而焊縫中段各點的應(yīng)力因尚未到達s，故應(yīng)力隨加載繼續(xù)上升，到達屈服點的區(qū)域逐漸擴大，應(yīng)力分布曲線變平，最后各點都到達s。如再加載，直至使焊縫全長同時到達強度極限，最后導(dǎo)致破壞。36  什么是工作焊縫？什么是聯(lián)系焊縫？焊接結(jié)構(gòu)上的焊縫，根據(jù)其載荷的傳遞情況，可分為兩種：一種焊縫與被連接的元件是串聯(lián)

2、的，承當(dāng)著傳遞全部載荷的作用，一旦斷裂，結(jié)構(gòu)就立即失效，這種焊縫稱為工作焊縫，見圖30a、圖30b，其應(yīng)力稱為工作應(yīng)力。另一種焊縫與被連接的元件是并聯(lián)的，僅傳遞很小的載荷，主要起元件之間相互聯(lián)系的作用，焊縫一旦斷裂，結(jié)構(gòu)不會立即失效，這種焊縫稱為聯(lián)系焊縫，見圖30c、圖30d，其應(yīng)力稱為聯(lián)系應(yīng)力。設(shè)計時，不需計算聯(lián)系焊縫的強度，只計算工作焊縫的強度。37  舉例說明對接接頭愛拉壓時的靜載強度計算。全焊透對接接頭的各種受力情況  見圖31。圖中F為接頭所受的拉壓力，Q為切力，M1為平面內(nèi)彎矩， M2為垂平面彎矩。受拉時的強度計算公式為   

3、60;                           F                      t   t &

4、#160;                             L1                    

5、0;            F受壓時的強度計算公式為                                   L1 式中  &#

6、160; F接頭所受的拉力或壓力N；        L焊縫長度cm；      1接頭中較薄板的厚度cm；       接頭受拉t 或受壓時焊縫中所承受的應(yīng)力N/cm2 t  焊縫受拉時的許用應(yīng)力N/cm2  焊縫受壓時的許用應(yīng)力N/cm2計算例題  兩塊板厚為5mm、寬為500mm的鋼板對接焊在一起，兩端受28400N的拉力，材料為Q235-A鋼，試校核其焊縫強度。解：查表得t

7、0; =14200 N/cm2。    根據(jù)條件，在上述公式中，F(xiàn)=28400N，L=500mm=50cm，1=5mm=0.5cm，代入計算為              F         28400t 1136N/cm214200N/cm2        &

8、#160;    L1        50×0.5   該對接接頭焊縫強度滿足要求，結(jié)構(gòu)工作平安。38  舉例說明對接接頭受剪切時的靜載強度計算。受剪切時的強度計算公式為               Q=           &#

9、160;    L1 式中  Q接頭所受的切力N；      L焊縫長度cm；    1接頭中較薄板的厚度cm；     接頭焊縫中所承受的切應(yīng)力N/cm2；焊縫許用切應(yīng)力N/cm2計算例題  兩塊板厚為10mm的鋼板對接焊，焊縫受29300N的拉力，材料為Q235-A鋼，試設(shè)計焊縫的長度鋼板寬度。解：查表得=9800 N/cm2。根據(jù)條件，在上述公式中，Q=29300N，1=10mm=1cm，代入計算為 

10、Q            28400L 2.99cm = 29.9mm 1       1×9800 取L = 30mm。即當(dāng)焊縫長度板寬為30mm時，該對接接頭焊縫強度能滿足要求。 39  舉例說明對接接頭受彎矩時的靜載強度計算。受水平板面內(nèi)彎矩的強度計算公式為 6M1=    t  1 L2 受垂直板面內(nèi)彎矩的強度計算公式為

11、 6M2=    t 12 L 式中    M1水平板面內(nèi)彎矩N/cm2；        M2垂直板面彎矩N/cm2；        L 焊縫長度cm；       1接頭中較薄板的厚度cm；接頭受彎矩作用時焊縫中所承受的應(yīng)力N/cm2；t 焊縫受彎時的許用應(yīng)力N/cm2。計算例題  兩塊厚度相同鋼板的對接接頭，材料為

12、16MnR鋼，鋼板寬度為30mm，受垂直板面彎矩300000N·cm，試計算焊縫所需的厚度板厚。解：查表得t =20210 N/cm2。根據(jù)條件，在上述公式中，M2=300000N·cm，L=300mm=30cm，代入計算為 取1=18mm，即當(dāng)焊縫厚度(板厚)為18mm時，該對接接頭焊縫強度能滿足要求。40  舉例說明搭接接頭受拉壓時的靜載強度計算。各種搭接接頭的受力情況，見圖32。三種焊縫的計算公式為正面搭接焊縫受拉壓的計算公式為 F=    1.4KL 側(cè)面搭接焊縫受拉(壓)的計算公式為 F=

13、60;   1.4KL 聯(lián)合搭接焊縫受拉(壓)的計算公式為 F=    0.7KL 式中    F搭接接頭受的拉壓力N；        K焊腳尺寸cm；        L焊縫長度cm；      L正、側(cè)面焊縫總長cm；       搭接接頭角焊縫受的切應(yīng)力N

14、/cm2； 焊縫金屬許用切應(yīng)力N/cm2；    計算例題  將100mm×10mm的角鋼用角焊縫搭接在一塊鋼板上見圖33。受拉伸時要求與角鋼等強度，試計算接頭的合理尺寸K和L應(yīng)該是多少？解：從材料手冊查得角鋼斷面積S19.2cm2；許用應(yīng)力16000 N/cm2，焊縫許用應(yīng)力10000 N/cm2。角鋼的允許載荷為FS19.2×16000307200N假定接頭上各段焊縫中的切應(yīng)力都到達焊縫許用切應(yīng)力值，即。假設(shè)取K10mm，采用手弧焊，那么所需的焊縫總長為 F    

15、60;         307200           L   43.9cm0.7K       0.7×1×10000 角鋼一端的正面角焊縫L3100mm，那么兩側(cè)焊縫總長度為339mm。根據(jù)材料手冊查得角鋼的拉力作用線位置e28.2mm，按杠桿原理，那么側(cè)面角焊縫L2應(yīng)承受全部側(cè)面角焊縫載荷的28.3%。

16、0;                        28.3           L2 339 × 96mm             

17、60;              100 另外一側(cè)的側(cè)面角焊縫長度L1應(yīng)該為                             100-28.3  

18、60;          L1 339 × 243mm                              100 取L1250mm，L2100mm。41  舉例說明搭接接頭受彎矩時的

19、靜載強度計算。搭接接頭受彎矩的情況，見圖34a。計算公式為式中    M作用在接頭上的外加彎矩N/cm2；        K焊腳尺寸cm；        H搭接板寬度cm； 焊腳的許用切應(yīng)力N/cm2。計算例題  由三面焊縫組成的懸臂搭接接頭圖34，當(dāng)焊縫總長為500mm，K10mm時，在梁的端頭作用一彎矩M2800000N·cm，試驗計算接頭是否平安？焊縫作用切應(yīng)力10000 N/cm2。

20、60; 42  舉例說明搭接接頭受偏心載荷時的靜載強度計算。如果搭接接頭承受的載荷是垂直X軸方向的偏心載荷F見圖35， 此時焊縫中既有由彎矩MFL引起的切應(yīng)力M(由來1公式計算),又是有由切力QF引起的切應(yīng)力Q為計算例題   一偏心受載的搭接接頭圖35，焊縫長h400mm，l0100mm，焊腳尺寸K10mm，外加載荷F30000N，梁長L100cm，試校核焊縫強度。焊縫的許用切應(yīng)力10000N/cm2。解：分別計算M 、Q：43  舉例說明T形接頭受平行于焊縫載荷時的靜載強度計算。接頭及其受載荷的情況，見圖36a。如果接頭開坡口并焊透，其強度按

21、對接接頭計算，焊縫金屬截面等于母材截面Sh。如果接頭開I形坡口，此時產(chǎn)生最大切應(yīng)力的危險點在焊縫的最上端，該點同時作用有兩個切應(yīng)力：一個是由MFL引起的M；另一個是由QF引起的Q。M、Q的44  什么是焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂？疲勞斷裂的過程由三個階段所組成：1在承受重復(fù)載荷的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋此時結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力低于彈性極限。2疲勞裂紋穩(wěn)定擴展。3結(jié)構(gòu)斷裂。據(jù)統(tǒng)計，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)，約占失效結(jié)構(gòu)的90%。焊接結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)如鉚接結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生疲勞斷裂，這是因為： 1鉚接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋開展遇到釘孔或板層間隔會受阻，焊接結(jié)構(gòu)由于其整體性，一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展不受阻止，直至整

22、個構(gòu)件斷裂。 2焊接連接不可防止地存在著產(chǎn)生應(yīng)力集中的夾渣、氣孔、咬邊等缺陷。3焊縫區(qū)存在著很大的剩余拉應(yīng)力。幾個典型的焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事例見圖37。 圖37a為直升飛機起落架的疲勞斷裂。裂紋從應(yīng)力集中很高的角接板尖端開始，該機飛行著陸2118交后發(fā)生破壞，屬于低周疲勞。圖37b為載重汽車底架縱梁的疲勞斷裂。該梁板厚5mm，承受反復(fù)的彎曲應(yīng)力，在角鋼和縱梁的焊接處，因應(yīng)力集中很高而產(chǎn)生疲勞裂紋而破壞，此時該車已運行30000km。45  試述焊接接頭形式對疲勞極限的影響。焊接結(jié)構(gòu)中，在接頭部位由于具有不同的應(yīng)力集中，將對接頭的疲勞極限產(chǎn)生程度不同的不利影響。對接接頭

23、0; 對接接頭從焊縫至母材的形狀變化不大，應(yīng)力集中比其它接頭要小，所以在所有的接頭形式中具有最高的疲勞極限。但是過大的余高會增加應(yīng)力集中，使疲勞極限下降。T形接頭  這種接頭由于在焊縫向根本金屬過渡處有明顯的截面變化，應(yīng)力集中系數(shù)比對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)高，因此其疲勞極限遠低于對接接頭。提高T形接頭疲勞極限的根本措施是開坡口焊接和加工焊縫過渡區(qū)使之圓滑過渡。搭接接頭  這是一種疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的根底上，增加蓋板來進行“加強，其結(jié)果適得其反，這種蓋板非但沒有起到“加強作用，反而使原來疲勞極限較高的對接接頭被大大地削弱了。46  試述焊接缺

24、陷對疲勞極限的影響。焊接缺陷對焊接接頭的疲勞極限產(chǎn)生重大的不利影響，這種不利影響與焊接缺陷的種類、尺寸、方向和位置有關(guān)。片狀缺陷如裂紋、未熔合、未焊透比帶圓角的缺陷如氣孔、點狀夾渣影響大。外表缺陷比內(nèi)部缺陷影響大。與作用力方向垂直的片狀缺陷的影響比其它方向大。位于剩余拉應(yīng)力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在剩余應(yīng)力區(qū)內(nèi)的大；位于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的缺陷如焊趾裂紋的影響比在均勻應(yīng)力區(qū)中同樣缺陷影響大。咬邊和未焊透在不同位置、不同載荷下對接頭疲勞極限的影響，見圖38，其中A組的影響最大，B組的影響較小。47  如何選用合理的結(jié)構(gòu)形式來提高接頭的疲勞極限？選用應(yīng)力集中較小的結(jié)構(gòu)形式是提高疲勞極限的重要措施，幾

25、種設(shè)計方案的正誤比擬，見圖3948  如何利用電弧整形的方法來提高接頭的疲勞極限？電弧整形的方法，是用鎢極氬弧在焊接接頭焊縫與母材之間的過渡區(qū)重熔一次，使焊縫與根本金屬能平滑地過渡，同時減少該部位的微小非金屬夾雜物，使接頭部位的疲勞極限得以提高，見圖40。電弧整形提高接頭疲勞極限的效果，見表10。表11  常用提高焊接接頭疲勞極限的方法方     法，技術(shù)說明，適用范圍及優(yōu)點，缺 點，改善，幾何，形狀，方法，電弧氣刨后補焊法，砂輪修磨法，鉆孔法 ，錐形砂輪磨光法 ， TIG重熔法 用碳弧氣刨吹掉熔化金屬后再補焊用1

26、00cm直徑砂輪，60150級硅砂  孔徑一般為1225mm  用錐形砂輪打磨焊趾磨去基材0.5mm。用30200級硅砂輪分3次連續(xù)磨光。用TIG焊不填充焊絲重熔焊趾，能消除6mm深的缺陷。  適用于有很大的內(nèi)部缺陷  適用于對接焊縫余高，快速、容易  適用于側(cè)面節(jié)點板和個別有裂紋的細節(jié)  費用低，不要求特別的設(shè)備。適用于角焊縫  這是打磨法中最有效的方法  適用于在車間制造的小機械部件和橫向焊縫  對高強鋼，當(dāng)裂紋起始壽命較大時，改善效果更大  費用高，焊補可能產(chǎn)生新的缺陷  不能磨

27、掉所有缺陷  僅用于穿透裂紋，延長其疲勞壽命 消耗多，耗用高，難于確保質(zhì)量  要求焊縫外表清潔，引起焊縫外表硬化剩余應(yīng)力方法射水冷卻法 ，點加熱法，多絲錘擊法，噴丸錘擊法，單點錘擊法，局部加壓法，初始超載法，熱應(yīng)力消除法  將焊縫加熱至500保持3min，然后射水使外表快速冷卻  在距焊縫一定位置加熱至280，引起局部屈服  用2鋼絲組成束狀錘頭，對焊趾外表進行冷作加工，壓縮空氣壓力為500100kMa  噴鐵  或玻璃  對焊趾外表進行冷作加工  用直徑612mm球形錘頭對焊趾進行冷加工，可用

28、電錘或氣壓錘。  在距焊縫一定位置局部加壓至屈服23倍壓應(yīng)力用拉伸法預(yù)先加載使焊縫區(qū)局部屈服 在爐內(nèi)加熱至600，緩冷24h以上，加熱速度為每10mm板厚1h 不需知道裂紋起始位置，不需嚴格控制溫度 適用于大板 適用于中等嚴重的缺口 適用于平板和輕微缺口 適用于較嚴重的缺口，無損耗 適用于鋁合金 適用于薄板 適用于小構(gòu)件的縱向角焊縫 高溫500，限制冷卻位置。不適用于大接頭和小接頭。過熱可能引起冷卻時的馬氏體變化必須知道開裂位置，對橫向焊縫無效引起較小的缺口，未建立質(zhì)量控制技術(shù) 要求有

29、操作經(jīng)驗，僅適于水平位置要求有操作經(jīng)驗不適用于很大結(jié)構(gòu) 大構(gòu)件常常不成功，冷卻速度慢涂裝方法,均分負載層,油漆,鍍鋅,陰極防護塑料、油漆、釬焊、逐層涂裝,易檢查適用于腐蝕環(huán)境適用于發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋和裂紋擴展速率大于105mm周的嚴重腐蝕環(huán)境 外表清潔，易凝固開裂50  什么是延性斷裂？什么是脆性斷裂？根據(jù)金屬材料斷裂前塑性變形的大小，斷裂可分為延性斷裂和脆性斷裂兩種形式。延性斷裂  斷裂過程是：金屬材料在載荷作用下，首先產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一數(shù)值，材料即發(fā)生屈服，產(chǎn)生塑性變形。繼續(xù)加大載荷，金屬將進一步變形，繼而發(fā)生微裂口或微空隙，這些微裂口或微空隙一

30、經(jīng)形成，便在隨后的加載過程中逐步集合起來，形成宏觀裂紋。宏觀裂紋開展到一定尺寸后，擴展而導(dǎo)致最后斷裂。脆性斷裂  在應(yīng)力低于材料的設(shè)計應(yīng)力和沒有顯著的塑性變形情況下，金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生瞬時、突然破壞的斷裂裂紋擴展速度可高達1500200m/s稱為脆性斷裂。脆性斷裂的裂口平整，與正應(yīng)力垂直，沒有可以覺察到的塑性變形，斷口有金屬光澤。51  試述應(yīng)力狀態(tài)對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響。當(dāng)物體受外載時，在主平面上作用有最大正應(yīng)力max另一個與之相垂直的平面上作用有最小正應(yīng)力min與主平面成45°的平面上作用有最大切應(yīng)力max。如果在max到達屈服點前，max先到達抗拉強度，那么

31、結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂；反之，如max先到達屈服點，那么發(fā)生塑性變形及形成延性斷裂。實驗證明，當(dāng)材料處于單向或雙向拉應(yīng)力作用下，呈現(xiàn)塑性；在三向拉應(yīng)力作用下，呈現(xiàn)脆性。三向拉應(yīng)力可能由三向載荷產(chǎn)生，但更多的情況下是由于幾何不連續(xù)性所引起。雖然此時整個結(jié)構(gòu)處于單向、雙向拉應(yīng)力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計不佳、工藝不當(dāng)或產(chǎn)生焊接缺陷如裂紋，往往會出現(xiàn)形成局部三向應(yīng)力狀態(tài)的缺口效應(yīng)，見圖41。在三向拉應(yīng)力的作用下，材料的屈服點較單向應(yīng)力時提高，結(jié)果在缺口根部形成很高的局部應(yīng)力而材料尚不發(fā)生屈服，使材料的塑性下降，脆性增加，成為脆斷的發(fā)源地。因此，焊接結(jié)構(gòu)的脆斷事故一般都起源于具有嚴重應(yīng)力集中效應(yīng)的缺口處。

32、52  試述溫度對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響？什么是脆性轉(zhuǎn)變溫度？如果把一組開有相同缺口的試樣在不同溫度下進行試驗，那么隨著溫度的降低，其破壞方式會發(fā)生變化，即從塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐模妶D42。當(dāng)溫度降到某一臨界值時，將出現(xiàn)塑性到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變，這個溫度稱之為脆性轉(zhuǎn)變溫度。脆性轉(zhuǎn)變溫度高，材料的脆性傾向嚴重。應(yīng)當(dāng)注意，同一材料采用不同試驗方法，將會得到不同的脆性轉(zhuǎn)變溫度值。53  試述加載速度對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響。隨著加載速度的增加，材料的屈服點提高，因而促使材料向脆性轉(zhuǎn)變，其作用相當(dāng)于降低溫度，使材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，見圖43。應(yīng)當(dāng)指出，在同樣加載速率下，當(dāng)結(jié)構(gòu)

33、中有缺口時，應(yīng)變速率可呈現(xiàn)出加倍的不利影響。因為此時有應(yīng)力集中的影響，應(yīng)變速率比無缺口高得多，從而大大地降低了材料的局部塑性。因此，結(jié)構(gòu)鋼一旦開始脆性斷裂，就很容易產(chǎn)生擴展現(xiàn)象。當(dāng)缺口根部小范圍金屬材料發(fā)生斷裂時，在新裂紋前端的材料立即突然受到高應(yīng)力和高應(yīng)變載荷，即一旦缺口根部開裂，就有高的應(yīng)變速率，而不管其原始加載條件是動載還是靜載，此時隨著裂紋加速擴展，應(yīng)變速率更急劇增加，致使結(jié)構(gòu)最后破壞。54  試述材料狀態(tài)對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響。厚度的影響  厚板在缺口處容易形成三向拉應(yīng)力，因此容易使材料變脆。曾經(jīng)把厚度為45mm的鋼板，通過加工制成板厚分別為10、20、30、40mm的試件，研究不同板厚所造成不同應(yīng)力狀態(tài)對脆性破壞的影響，發(fā)現(xiàn)在預(yù)制40mm長的裂紋和施加應(yīng)力等于1/2屈服點的條件下，當(dāng)厚度小于30mm時，發(fā)生脆斷的脆性轉(zhuǎn)變溫度隨板厚增加面直線上升；當(dāng)板厚超過30mm時，脆性轉(zhuǎn)變溫度的增加較為緩慢。晶粒度的影響