三級檢驗員焊接檢驗基礎(chǔ)知識 復習材料14

焊接工藝問答（強度及結(jié)構(gòu)）

各種焊接接頭都有不同程度的應力集中，當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，應力集中對其強度無影響。

例如，側(cè)血搭接接頭在加載時，如果母材和焊縫金屬都有較好的塑性，其切應力的分布是不

均勻的，見圖29。繼續(xù)加載，焊縫的兩端點達到屈服點os,則該處應力停止上升，而焊縫

中段各點的應力因尚未達到os,故應力隨加載繼續(xù)上升，到達屈服點的區(qū)域逐漸擴大，應

力分布曲線變平，最后各點都達到。s。如再加載，直至使焊縫全長同時達到強度極限，最

后導致破壞。

圖30

a）、b）工作憚縫c）、d）聯(lián)系焊縫

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)

的，承擔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,其應力稱為工作應力。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,其應力稱為聯(lián)系應力。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，Ml

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

F

ot=------W（o't）

L81

F

受壓時的強度計算公式為。a=------W（。'a）

LSI

式中F——接頭所受的拉力或壓力（N）；

L——焊縫長度（cm）；

81——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力（N/cm2）㈠

1。't）——焊縫受拉時的許用應力（N/cm2）

（。'a）——焊縫受壓時的許用應力（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）=14200N/cm2o

根據(jù)已知條件，在上述公式中，F(xiàn)=28400N,L=500mm=50cm,8l=5mm=0.5cm,代入計算

為

F28400

ot=------=----------=U36N/cm2<14200N/cm2

L6150X0.5

該對接接頭焊縫強度滿足要求，結(jié)構(gòu)工作安全。

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

T=------<（T'）

L81

式中Q——接頭所受的切力（N）；

L——焊縫長度（cm）；

51——接頭中較薄板的厚度（cm）；

T——接頭焊縫中所承受的切應力（N/cm2）；

（T，）——焊縫許用切應力（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）o

解：查表得（T，）=9800N/cm20

根據(jù)已知條件，在上述公式中，Q=29300N,6l=10mm=lcm,代入計算為

Q28400

L2------------=-------------=2.99cm=29.9mm

;

61（T）1X9800

取1=30mm。即當焊縫長度（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

o=--------<（。't）

61L2

受垂直板面內(nèi)彎矩的強度計算公式為

6M2

o=--------W(o't)

812L

式中Ml----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）;

51——接頭中較薄板的厚度（cm）；

?！宇^受彎矩作用時焊縫中所承受的應力（N/cm2）；

（。，t）——焊縫受彎時的許用應力（N/cm2）,

計算例題兩塊厚度相同鋼板的對接接頭，材料為16MnR鋼，鋼板寬度為30麗，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）=20100N/cm2?

根據(jù)已知條件，在上述公式中，M2=300000N?cm,L=300mm=30cni,代入計算為

/6M/6x300000

>21.72cm=17.2mm

氣L30X20100

取8l=18mm,即當焊縫厚度（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。

圖32

a）正面搭接受拉（壓）b）便面搭接受拉（壓）c）聯(lián)合搭接受拉（壓）

三種焊縫的計算公式為

⑴正面搭接焊縫受拉（壓）的計算公式為

F

T=------------W（1'）

1.4KL

⑵側(cè)面搭接焊縫受拉（壓）的計算公式為

F

T=-------------<（T'）

1.4KL

⑶聯(lián)合搭接焊縫受拉（壓）的計算公式為

F

T=-------------<（T'）

0.7K2L

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）；

EL——正、側(cè)面焊縫總長（cm）；

T——搭接接頭角焊縫受的切應力（N/cm2）；

（T，）——焊縫金屬許用切應力（N/cm2）；

計算例題將lOOmmX10mm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應該是多少？

解：從材料手冊查得角鋼斷面積S=19.2cm2；許用應力=16000N/cni2,焊縫許用應

力（T'）=10000N/cm2o

角鋼的允許載荷為

（F）=S]。）=19.2X16000=307200N

假定接頭上各段焊縫中的切應力都達到焊縫許用切應力值，即P=[T'）。若取K=10mm,

采用手弧焊，則所需的焊縫總長為

（F）307200

ZL—--------------——--------------------=43.9cm

0.7K'）0.7X1X10000

角鋼一端的正面角焊縫L3=100mm,則兩側(cè)焊縫總長度為339m瞑根據(jù)材料手冊查得角鋼的

拉力作用線位置e=28.2mm,按杠桿原理，則側(cè)面角焊縫L2應承受全部側(cè)面角焊縫載荷的

28.3%o

28.3

L2=339X=96mm

100

另外側(cè)的側(cè)面角焊縫長度L1應該為

100-28.3

LI=339X------------=243mm

100

取LI=250mm,L2=100mmo

41舉例說明搭接接頭受彎矩時的靜載強度計算。

搭接接頭受彎矩的情況，見圖34a。計算公式為

r=-------------------------07KA2＜〔.J

O.1KL(A+K)+匹鏟-

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)；

(t，)——焊腳的許用切應力(N/cm2))o

計算例題由三面焊縫組成的懸臂搭接接頭(圖34),當焊縫總長為500IM,K=10mm時,

在梁的端頭作用一彎矩M=2800000N?cm,試驗計算接頭是否安全？已知焊縫作用切應力

(T')=10000N/cm2?

解：計算公式為

M

0.7KL&+K),鏟

2800000__=

0.7X(5：3)XIQ(30+1)+0'7X^X302

ZO

8696N/cm2

8696N/cm2<10000N/cm2,即〔r'〕，..?接頭安全。

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M

=FL引起的切應力（由來1公式計算），又是有由切力Q=F引起的切應力TQ為

F

TQ~0.1KL

此時焊縫中所承受的合成切應力r為：

r=，吊+玷＜

計算例題一偏心受載的搭接接頭（圖35）,已知焊縫長h=400mm,10=100mm,焊腳尺

寸K=10nm,外加載荷F=30000N,梁長L=100cm,試校核焊縫強度。焊縫的許用切應力（TZ）

=10000N/cm2o

圖35

解：分別計算TM、TQ：

______M______

Mr=

O.7K/o&+K)誓

由F力引起的彎矩M=F?L=30000xl00=3000000N?cm,

代人已知數(shù)據(jù)為

=____________3000000____________=

M0.7X1X10(40+1)+4Q2

o

6334N/cm2

F

g-0.7KEZ

￡/為焊縫總長，即￡2=40+10+10=60cm

???TQ=0.除面=714N/cm2

計算合成切應力r:

2

r=〃點+/=/63342+7142=6374N/cm

由于6374N/cm2<10000N/cm2即〔r'〕

/.搭接接頭安全。

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。

T形接頭及其受載荷的情況，見圖36a0

圖36a）?荷平行于餌餐的T形接頭b）例屋

如果接頭開坡口并焊透，其強度按對接接頭計算，焊縫金屬截面等于母材截面（S=3h）。

如果接頭開I形坡口，此時產(chǎn)生最大切應力的危險點在焊縫的最上端，該點同時作用有兩個

切應力：一個是由M=FL引起的T.M；另一個是由Q=F引起的TQ。TM、TQ的

計算公式為

3FLF

加一0.7Kh2TQ-1.4Kh

合成切應力r的計算公式為

品+4

計笄例題一T形接頭的尺寸和受力狀況，見圖8-

36bo已知焊縫金屬的許用切應力〔/〕=10000N/cm2,試

設(shè)計角焊縫的焊腳尺寸K為多少？

解：將已知數(shù)據(jù)分別代入各計算公式為

=3FL=3X75000X20=5000

%一0.7KA2—0.7XKX302—0.7K

=F=75000=2500

rQ-1.4KA-1.4XKX3O_1.4K

r=e砧勰勰『

利用強度校核公式r＜〔/〕

即鷹齊牖5

解之，K>0.73cm則取K=8mm

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）在承受重復載荷的結(jié)構(gòu)的應力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋（此時結(jié)構(gòu)所受應力低于彈性極限）。

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機

焊接結(jié)構(gòu)較其它結(jié)構(gòu)（如抑接結(jié)構(gòu)）更容易產(chǎn)生疲勞斷裂，這是因為：1）抑接結(jié)構(gòu)的疲勞

裂紋發(fā)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，直至整個構(gòu)件斷裂。2）焊接連接不可避免地存在著產(chǎn)生應力集中的夾渣、氣孔、

咬邊等缺陷。3）焊縫區(qū)存在著很大的殘余拉應力。幾個典型的焊接結(jié)構(gòu)疲勞斷裂事例見圖

37o

圖37

a）直升飛機起落架的疲勞斷裂b）我重汽車縱梁的疲勞斷裂

圖37a為直升飛機起落架的疲勞斷裂。裂紋從應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,承受反復的彎曲應力，在角鋼和縱

梁的焊接處，因應力集中很高而產(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力集中，將對接頭的疲勞極限產(chǎn)生程度不同的不

利影響。

⑴對接接頭對接接頭從焊縫至母材的形狀變化不大，應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力集中，使疲勞極限下降。

⑵T形接頭這種接頭由于在焊縫向基本金屬過渡處有明顯的截面變化，應力集中系數(shù)比時

接接頭的應力集中系數(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。

⑶搭接接頭這是,種疲勞極限最低的接頭形式，特別是在原來對接接頭的基礎(chǔ)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。表面

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。位于殘余拉應

力區(qū)內(nèi)的缺陷的影響比在殘余應力區(qū)內(nèi)的大；位于應力集中區(qū)內(nèi)的缺陷（如焊趾裂紋）的影

響比在均勻應力區(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。

旗我用8母J

a)

於岫

8組L

b)

圖38a)咬邊的影響b)未炸透的影響

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，幾種設(shè)計方案的正誤比較，見圖

39o

中間夾板

a>iEakb)??

圖39

48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，是用鴇極筑弧在焊接接頭焊縫與母材之間的過渡區(qū)重熔一次，使焊縫與基

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。

伍極方向

?氣保護區(qū)

TIG處理的

熱影響區(qū)

圖40

表10電弧整形后焊接接頭疲勞極限提高的效果

2X106次循環(huán)下

的

與基本材

鋼種試件截面疲勞極限

接頭形循環(huán)疲勞強度極限料

式特性

(MPa級)(1mm)(MPa)提高(%)

相比

原始狀整形

態(tài)后

os=3408012050

對接os=45070X12-111515835—

os=6748015090

低碳鋼521161200.96

對接7X2.50

低合金鋼641812800.86

2X106次循環(huán)下

的

鋼種

接頭形試件截面循環(huán)疲勞強度極限疲勞極限提高與基本材

式(1mm)特性(%)料相比

(MPa級)(MPa)

原始狀整形

態(tài)后

HT60

對接25X25——185250340.67

os=534

搭接并

具有加

低合金鋼—08610130

長的端

面焊縫

周邊焊os=31270X12-19515060——

的加強

os=34170X12-1509080

板橫加

強肋板

的連接

橫加強

肋板的

80X120.318821916—

連接縱

加強

80X120.313715815—

肋板的

連接

49提高焊接接頭疲勞極限的常用方法有哪些?

常用提高焊接接頭疲勞極限的方法，見表11。

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

電弧氣適用于有很大的內(nèi)

刨后補部缺陷

用碳弧氣刨吹掉熔化金屬

焊法費用高，焊補可能產(chǎn)生

后再補焊

改適用于對接焊縫余新的缺陷

用100cm直徑砂輪，60~

善砂輪修高，快速、容易

150級硅砂

磨法適用于側(cè)面節(jié)點板不能磨掉所有缺陷

凡孔徑一般為12?25mm

和個別有裂紋的細節(jié)

何

鉆孔法費用低，不要求特僅用于穿透裂紋，延長

別的設(shè)備。其疲勞壽命

形用錐形砂輪打磨焊趾磨

適用于角焊縫

狀去基材0.5mm,用30?200

錐形砂這是打磨法中最有消耗多，耗用高，難于確

級硅砂輪分3次連續(xù)磨光。

方輪磨光效的方法保質(zhì)量

用TIG焊不填充焊絲重熔

法法要求焊縫表面清潔，引

焊趾，能消除6mm深的缺

適用于在車間制造起焊縫表面硬化

陷。

的小機械部件和橫向

TIG重熔焊縫

法對高強鋼，當裂紋

起始壽命較大忖，改

善效果更大

射水冷

卻法

將焊縫加熱至500℃保持不需知道裂紋起始

3min,然后射水使表面快速位置，不需嚴格控制

高溫(500℃),限制

冷卻溫度

冷卻位置。不適用于大接

點加熱頭和小接頭。

法過熱可能引起冷卻時的

在距焊縫一定位置加熱適用于大板

馬氏體變化

至280℃,引起局部屈服

多絲錘必須知道開裂位置，對橫

用?62鋼絲組成束狀錘適用于中等嚴重的缺

擊法向焊縫無效

頭，對焊趾表面進行冷作加口

殘引起較小的缺口，未建立

工，壓縮空氣壓力為500?

余質(zhì)量控制技術(shù)

lOOkMa

噴丸錘

應噴鐵或玻璃對焊趾適用于平板和輕微

擊法要求有操作經(jīng)驗，僅適于

力表面進行冷作加工缺口

水平位置

用直徑6?12mm球形錘

方單點錘要求有操作經(jīng)驗

頭對焊趾進行冷加工，可用適用于較嚴重的缺

法擊法

電錘或氣壓錘?？?，無損耗

在距焊縫一定位置局部

加壓至屈服(2?3倍壓應

局部加

力)適用于鋁合金

壓法不適用于很大結(jié)構(gòu)

用拉伸法預先加載使焊縫

區(qū)局部屈服適用于薄板

初始超大構(gòu)件常常不成功，冷卻

在爐內(nèi)加熱至600℃,緩

載法速度慢

冷24h以上，加熱速度為每適用于小構(gòu)件的縱向

10mm板厚lh角焊縫

熱應力

消除法

涂均分負易檢查

表面清潔，易凝固開裂

裝載層塑料、油漆、釬焊、逐層涂

油漆裝適用于腐蝕環(huán)境

費用高

方鍍鋅適用于發(fā)生應力腐

費用高

法陰極防蝕裂紋和裂紋擴展速

護率大于10—5mm周的

嚴重腐蝕環(huán)境

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。

⑴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經(jīng)形成，便在隨后的加載過程中逐步匯合起來，形

成宏觀裂紋。宏觀裂紋發(fā)展到一定尺寸后，擴展而導致最后斷裂。

⑵脆性斷裂在應力低于材料的設(shè)計應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1500?200m/s）稱為脆性斷裂。

脆性斷裂的裂口平整，與正應力垂直，沒有可以覺察到的塑性變形，斷口有金屬光澤。

51試述應力狀態(tài)對焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆性斷裂的影響。

當物體受外載時，在主平面上作用有最大正應力omax（另■■個與之相垂直的平面上作用有

最小正應力omin）與主平面成45°的平面上作用有最大切應力tmax。如果在tmax達到

屈服點前，omax先達到抗拉強度，則結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂；反之，如tmax先達到屈服點，

則發(fā)生塑性變形及形成延性斷裂。

實驗證明，當材料處于單向或雙向拉應力作用下，呈現(xiàn)塑性；在三向拉應力作用下，呈現(xiàn)脆

性。三向拉應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、雙向拉應力狀態(tài)下，但其局部地區(qū)由于設(shè)計不佳、工藝不當或產(chǎn)生焊

接缺陷（如裂紋），往往會出現(xiàn)形成局部三向應力狀態(tài)的缺U效應，見圖41。在三向拉應

力的作用下，材料的屈服點較單向應力時提高，結(jié)果在缺口根部形成很高的局部應力而材料

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力集中效應的缺口處。

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，則隨著溫度的降低，其破壞方式會

發(fā)生變化，即從塑性破壞變?yōu)榇嘈云茐?，見圖42。當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。

應當注意，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。

溫度降任

圖42

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，其作用相當于降低溫

度，使材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，見圖43。

圖43

應當指出，在同樣加載速率下，當結(jié)構(gòu)中有缺口時，應變速率可呈現(xiàn)出加倍的不利影響。因

為此時有應力集中的影響，應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力和高應變載荷，即一旦缺口根部開裂，就

有高的應變速率，而不管其原始加載條件是動我還是靜載，此時隨著裂紋加速擴展，應變速

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。

⑴厚度的影響厚板在缺ri處容易形成三向拉應力，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

同應力狀態(tài)對脆性破壞的影響，發(fā)現(xiàn)在預制40mm長的裂紋和施加應力等于1/2屈服點的條

件下，當厚度小于30mm時，發(fā)生脆斷的脆性轉(zhuǎn)變